Учебное пособие

Глава 18. Сварка цветных металлов и их сплавов

Сварка меди и ее сплавов

Сварка деталей из меди достаточно затруднена из-за ее специфических теплофизических свойств. Медь отличается высокой теплопроводностью (в шесть раз больше, чем у железа), увеличенным коэффициентом линейного расширения и жидкотекучестью.

При сварке она легко окисляется, образуя оксид Сu₂O, который выделяется по границам зерен меди при ее остывании и, имея более низкую температуру плавления, чем медь, способствует образованию кри-сталлитных трещин.

Расплавленная медь хорошо растворяет водород, который при кристаллизации шва (с большой скоростью охлаждения вследствие высокой теплопроводности) выделяется и образует пористость. Соединяясь с оксидом меди, водород, кроме того, образует воду

Вода превращается в пар, который при затвердевании металла не успевает выделиться.

Находясь в порах под большим давлением, пары еоды способствуют образованию трещин. Такой дефект сварки называют «водородной болезнью», так как первопричиной его был водород.

Несмотря на указанные трудности сварки, медь широко применяют в качестве конструкционного материала при изготовлении химической аппаратуры, электротехнических устройств и других изделий. Это объясняется ее высокими механическими свойствами (сгв в отожженном состоянии 200 МПа, 65=50 %, αн=160—180 Дж/см², которые сохраняются в условиях самых низких температур, коррозионной стойкостью, высокой электропроводностью и хорошей обрабатываемостью.

При сварке меди основной задачей является уменьшение содержания в сварочной ванне кислорода и водорода.

ГОСТ 859—78* предусматривает ограничение содержания в меди висмута, свинца, серы и фосфора, которые ухудшают свариваемость. Для сварки конструкций содержание кислорода должно быть не более 0,01 %.

Большая теплопроводность меди вызывает быстрое остывание ванны, вследствие чего для удаления из нее газов и шлаков требуются увеличенная погонная энергия, а также в большинстве случаев предварительный подогрев и применение более активных раскислителей, чем при сварке стали. В связи с повышенным линейным расширением меди при сварке требуется жесткое закрепление сварных соединений или же сборка их на прихватках. Жидкотекучесть ванны ограничивает сварку только в нижнем или слегка наклонном положениях и требует применения подкладок из графита, асбеста, флюса и других материалов.

При сварке меди металлическими покрытыми электродами применяют электроды марки ЗТ, К-100 («Комсомолец-100»), ММЗ-2 и др. Медь толщиной до 4 мм сваривают без скоса кромок, при большей толщине делают разделку с общим углом 70—90°. Сварку ведут постоянным током обратной полярности, силу тока подбирают по формуле /_св — 50d_э. При сварке поддерживают короткую дугу без колебаний электрода. После сварки следует проковать шов: при толщине 4-5 мм — в холодном состоянии и при большей толщине — после подогрева до 300—400 °С с последующим отжигом.

Предварительный подогрев до 300—500 °С применяют при толщине металла более 4—5 мм.

Электродами ММЗ-2 можно вести сварку на переменном токе, но при этом разбрызгивание увеличивается.

Металл шва, выполненный покрытыми электродами, обладает хорошими механическими свойствами (σв = 200 МПа, β5 = 18—20%, α_н = 60—80 Дж/см²). Однако его состав отличается от состава основного металла из-за присутствия легирующих элементов (Мп, Si и др.), применяемых при сварке в качестве раскис-лителей и ухудшающих электропроводность и другие свойства.

Сварка меди в среде инертных газов неплавящимся электродом обеспечивает высокое качество сварного соединения. В качестве защитных газов используют аргон или азот, который для меди является нейтральным и защитным газом. Сварка в азоте отличается более глубоким проплавлением и высокой производительностью, однако устойчивость дугового разряда в азоте ниже, чем в аргоне или гелии. Чаще используют смесь газов аргона и азота высших сортов (70—80) % Аг+ (20—30) % N₂, что экономит дорогой аргон, повышает устойчивость дуги и производительность труда. Для сварки используют лаптанированные (ЭВЛ) или итерированные (ЭВИ) вольфрамовые электроды. Металл толщиной до 5 мм сваривают без разделки кромок, при толщине 6—12 мм делают одностороннюю разделку со скосом 2 кромок, а при большей толщине — двухстороннюю с углом раскрытия 70—90°, притупления не оставляют. Для присадки применяют проволоку из меди и ее сплавов. Несмотря на газовую защиту, кислород все же попадает в шов, поэтому применяют проволоку с раскислителями, например с марганцем и кремнием, однако шов при этом теряет свои высокие теплофизические свойства. Более эффективно применение проволок, низколегированных редкоземельными металлами, которые удаляют кислород, но не остаются в шве.

Свариваемые кромки и проволоку перед сваркой тщательно очищают механическим путем и обезжиривают. Металл толщиной 4—5 мм сваривают с подогревом до 350 °С, при большей толщине температуру подогрева увеличивают до 400—800 °С. Сварку ведут постоянным током прямой полярности либо переменным током, используя типовые установки УДГ-501, УДГУ-301 и др. Стыковые соединения сваривают на графитизированной или флюсовой подкладке. Применяют повышенную силу сварочного тока: при толщине металла 2—4 мм — 200—300 А, при толщине 6— 10 мм—250—400 А. Сварку ведут справа налево при небольшом наклоне электрода углом вперед на 80— 90° по отношению к изделию и наклоне присадочной проволоки на 10—15°.

Дуговая сварка меди угольным электродом применяется ограниченно для малоответственных соединений. Сварку ведут угольными или графитизированны-ми электродами диаметров 4—20 мм в нижнем положении на постоянном токе прямой полярности силон 200—700 А длинной дугой во избежание науглероживания металла и увеличения пористости. Диаметр электрода подбирают в зависимости от толщины металла, а силу тока берут в пределах (45—55)d_э. Присадочную проволоку применяют диаметром 3—5 мм марки M1 или бронзовую марки БрКМц-3-1. Защитный флюс, составленный из прокаленной буры и 5 % металлического магния, наносят в виде пудры на свариваемые кромки или проволоку, предварительно смоченные раствором жидкого стекла и затем просушенные на воздухе. Перед сваркой начальный участок подогревают до 250—300 °С. Металл толщиной до 4 мм сваривают без скоса кромок, при большей толщине делают разделку с углом 80—90°. Сваренный шов следует проковать при температуре 550—750° и быстро охладить в воде.

Дуговая сварка латуни затруднена тем, что при ее нагреве и расплавлении испаряется цинк, являющийся составной частью латуни, вследствие чего ее качество (прочность и плотность) ухудшается, а кроме того, выделяются вредные для здоровья пары цинка и его окислов.

Латунь небольшой толщины сваривают графитизированными электродами. Для уменьшения выгорания цинка поддерживают короткую дугу, а заостренный конец электрода погружают в ванночку расплавленного металла, в результате чего дуга горит в газовом пузыре из паров цинка и его выгорание уменьшается. Сварку ведут постоянным током прямой полярности без присадочного металла. При толщине металла 3— 16 мм делают одностороннюю разделку под углом 70°, при большей толщине — криволинейную разделку, притупление оставляют 1,5—2 мм. Металл толщиной более 10 мм подогревают перед сваркой до 300— 350°С. Сварку ведут на подкладках, предохраняющих от прожогов, с присадочным металлом — проволокой марки J1K80-3 диаметром 6—8 мм, предварительно покрытой флюсом. Используют флюс, состоящий из смеси: криолита — 35%, хлористого натрия — 12,5, хлористого калия — 50 и древесного угля — 2,5 %. Сварные соединения, выполненные указанным способом, имеют высокие механические показатели: σ_в =360—400 МПа, угол загиба 170—180°.

Для сварки латуни покрытыми электродами применяют электроды с покрытием типа ЗТ со стержнем из бронзы БрКМц-3-1. Сварку выполняют короткой дугой без колебаний конца электрода постоянным током обратной полярности. Под стыком укладывают прокаленную асбестовую подкладку. При толщине латуни до 4 мм сварку ведут без разделки кромок, при толщине 4—10 мм делают одностороннюю разделку под углом 60—70°, а при большей толщине — двухстороннюю разделку. Подогрев применяют при толщине металла более 10 мм.

Покрытыми электродами сваривают в основном дефекты литья и, при невозможности применить другие способы, соединения из простых цинковых латуней. Для сварки латуни более сложного состава (с примесью Mn, Fe, Al и других элементов) стержень электрода берут того же состава, что и основной металл.

Латунь хорошо сваривается в аргоне вольфрамовым электродом. В качестве присадочного металла при этом используются прутки из бронзы БрКМц-3-1. При сварке сложных латуней применяют присадочную проволоку того же состава, что и свариваемый металл, Подготовка соединений к сварке, разделка кромок и подогрев аналогичны сварке покрытыми электродами.

Бронзы представляют собой сплавы меди с оловом, алюминием, марганцем, кремнием и другими элементами.

Бронзы обладают хорошими литейными, антифрикционными и антикоррозионными свойствами, высокой прочностью и пластичностью (примерно на уровне меди), хорошо обрабатываются и поэтому широко применяются в промышленности. Существует значительное количество марок бронз различного назначения, химический состав которых необходимо учитывать при сварке. Бронзы сваривают угольными, покрытыми электродами, а в среде аргона — вольфрамовыми электродами. Сварка бронз аналогична сварке меди, но имеет свои особенности.

При сварке бронзы угольным электродом в качестве присадочного металла применяют литые бронзовые прутки того же состава, что и основной металл. Флюсы подбирают разного состава. Для сварки алюминиевых бронз флюс изготовляют из хлористых и фтористых солей щелочных и щелочно-земельных металлов и криолита для удаления оксида алюминия. Для сварки оловянистых бронз флюс изготовляют из смеси буры и борной кислоты. Флюс, замешанный жидким стеклом, наносят на кромки и присадочные прутки, причем при нанесении на прутки в смесь добавляют 20 % древесного угля. При сварке бронз применяют предварительный подогрев до невысоких температур; для оловянистых бронз температура подогрева должна быть не более 100—150 °С. Сварку выполняют постоянным током прямой полярности.

Бронзы сваривают металлическими электродами со стержнями, близкими по составу к основному металлу, покрытыми различного типа обмазками. Например, для сварки и наплавки алюминиевой бронзы марки БрАМц-9-2 применяют стержни из проволоки БрАМц-9-2, покрытые смесью следующего состава, %: криолит — 83, хлористый калий — 5, ферромарганец — 8, алюминиевая пудра — 2 и бентонит — 2. Смесь замешивают жидким стеклом. Сварку этими электродами ведут постоянным током обратной полярности с предварительным подогревом до 200—300 °С. При толщине металла более 4 мм применяют разделку кромок под углом 90°. Швы накладывают при токе средней силы тонкими широкими слоями. Бронзы оловянистые также сваривают покрытыми электродами, но стержни делают из бронзы БРОФ6,5-0,15 с повышенным содержанием фосфора. Большинство марок бронз хорошо сваривается неплавящимся вольфрамовым электродом в среде аргона без присадочного (при толщине до 4 мм) и с присадочным металлом того же состава, что и основной металл. Сварку ведут постоянным током прямой полярности. Медно-оловя-ьистые бронзы сваривают без подогрева при толщине до 10 мм, медно-алюминиевые — до 6 мм, а медно-кремнемарганцевые — до 15 мм. При сварке алюминиевых бронз присадочные прутки покрывают флюсом из хлористых и фтористых солей щелочных и щелочно-земельных металлов и криолита или же применяют переменный ток.