Сварка меди и ее сплавов

Температура плавления меди – 1083 °C, прочность – 25 кгс/мм². Ее теплопроводность в 6 раз выше, чем у стали, поэтому при сварке требуется дополнительный нагрев мощным источником теплоты. Медь пластична в холодном состоянии и очень хрупка при больших температурах, теряя одновременно и прочность. Отливки из меди имеют большую пористость и литейную усадку, поэтому литые детали из чистой меди не делают. Расплавленная медь хорошо растворяет газы, выделяя их при затвердевании, и это вызывает пористость.

Нагретая медь легко поглощает водород, порождающий так называемую водородную болезнь меди. Водород проникает на большую глубину и, взаимодействуя с закисью меди, восстанавливает ее по реакции Cu₂О + Н₂ = 2Сu ++ Н₂О. Нерастворимые в меди молекулы воды накапливаются внутри металла в больших количествах, и при кристаллизации возникают или трещины в уже остывших местах, или поры там, где металл еще жидкий. Большое внутреннее давление в порах после охлаждения разрывает металл, образуя множество микротрещин и делая металл непрочным. Для предупреждения этого следует снижать количество водорода в зоне сварки (прокалка электродов и флюсов, применение осушенных защитных газов; особенно хорошо действует азот).

Медь легко окисляется в расплавленном состоянии и образует с кислородом два окисла: закись меди Cu₂О и окись меди СuО. Закись меди имеет разную растворимость в жидком и твердом металле и температуру плавления 1064 °C, что ниже температуры плавления самой меди. Это приводит к неметаллическим включениям и снижает теплопроводность.

Более легкоплавкая эвтектика Cu₂О + Сu при затвердевании выпадает в последнюю очередь, располагается по границам кристаллов и в итоге приводит к образованию горячих (кристаллизационных) трещин. Качество такого сварного соединения невысокое. Поэтому предельное содержание кислорода в меди должно быть строго ограничено до 0,03 %, а в некоторых ответственных изделиях – до 0,01 %. Наилучшую свариваемость имеет электролитическая медь, содержащая не более 0,05 % примесей. На свариваемость меди также оказывают большое влияние примеси, входящие в ее состав (кислород, висмут, свинец, сера, фосфор, сурьма, мышьяк); особенно отрицательно влияют висмут и свинец.

Высокая теплопроводность меди заставляет применять при сварке высококонцентрированные источники нагрева, а иногда – предварительный и сопутствующий подогрев, так как даже тепла дуги для качественного прогрева металла не хватает. Высокий коэффициент линейного расширения требует принимать особые меры против деформации, в том числе необходимо минимизировать количество прихваток в узле.

Для меди и сплавов на ее основе могут быть использованы все основные способы сварки плавлением, но при этом надо четко представлять все перечисленные ее свойства и особенности поведения. Например, сварка меди газами – заменителями ацетилена не рекомендуется к применению из-за большого количества кислорода в пламени, который насыщает расплавленный металл кислородом, водородом и шлаковыми включениями.

Незначительное количество кислорода присутствует даже в очень чистой меди, но это практически неопасно, так как его молекулы распределяются вдоль волокон металла и слабо влияют на механические свойства меди. Но достаточно нагреть прокат для сварки, как вновь образуются крупные кристаллические зерна металла, по границам которых появляется кислородная эвтектика, снижая механические свойства меди. Восстановить эти свойства можно механической обработкой, т. е. пластическим деформированием в холодном состоянии (проковка, гибка, прокатка и т. п.).

Сварку меди выполняют только в нижнем положении шва следующими видами и способами:

? дуговая сварка угольным и металлическим плавящимся и неплавящимся электродом;

? газовая сварка ацетиленокислородным пламенем; в качестве защитной среды используются флюс, инертный по отношению к меди газ (азот, аргон), а также электродные покрытия.

При дуговой и газовой сварке по причине жидкотекучести и большой теплоотдачи меди применяют графитовые или стальные прокладки.

Ручная дуговая сварка угольным или графитовым электродом находит ограниченное применение преимущественно для малоответственных изделий. Электрод затачивают на конус на ? его длины, сварку ведут постоянным током прямой полярности. Плотность тока на электроде обычно составляет 200–400 А/см² (табл. 42). Для сварки необходимо напряжение 40–50 В и большая длина дуги во избежание вредного влияния на сварочную ванну выделяющегося СО. С этой же целью, а также в связи с возможностью охлаждения ванны присадочный материал не погружают в ванну, а держат под углом примерно 30° к изделию на расстоянии 5–6 мм от поверхности ванны. Угольный электрод держат под углом 75–90° к свариваемому изделию. Из-за длинной дуги возникает явление магнитного дутья, которое следует нейтрализовать.

Сварка меди угольным электродом при толщине до 3 мм выполняется по отбортовке без присадочного металла. Сварку производят на постоянном токе при прямой полярности и только в нижнем положении. Перед сваркой нужен предварительный подогрев до температуры 250–350 °C.

При толщине металла свыше 5 мм стыковое соединение сваривают с разделкой кромок под углом 70–90°. В качестве присадки применяют медь M1, фосфористую медь (например, МФ8) или кремнистую бронзу (например, БрКМц-3–1) диаметров 2–8 мм. Для защиты расплавленного металла от окисления стоит применять присадочный материал с фосфором, который является активным раскислителем и улучшает качество сварного шва. В качестве флюса применяют буру (95 %) с борным шлаком (5 %), или смесь 94–96 % прокаленной буры с 6–4 % металлического магния, или чистую буру (100 %).

Флюс наносят на смоченную жидким стеклом поверхность прутка или на свариваемые кромки в виде пудры и просушивают на воздухе. Можно и макать нагретый пруток в порошок.

Сварку ведут на графитовой или асбестовой подкладке с зазором между свариваемыми кромками не более 0,5 мм, электрод наклоняют углом вперед на 10–20° к вертикали. После сварки рекомендуется проковка швов.

Ручную дуговую сварку покрытыми электродами выполняют на постоянном токе обратной полярности короткой дугой без поперечных колебаний (табл. 43). Лучшее формирование шва обеспечивает возвратно-поступательное движение электрода. Удлинение дуги ухудшает формирование шва, увеличивает разбрызгивание, снижает механические свойства сварных соединений. Сварку можно выполнять и на переменном токе, но сила тока должна быть в 1,5 раза больше, чем при сварке стали.

Медь толщиной до 4 мм сваривают без разделки кромок и подогрева. При толщине 5–10 мм необходимы предварительный подогрев до температуры 400 °C и односторонняя разделка кромок с углом 60–70° и притуплением кромок 1,5–3 мм. При б?льших толщинах рекомендуется X-образная разделка.

Рекомендуются электроды марок «Комсомолец-100», ОЗЧ-1 и ОЗЧ-2. У них стержень медный, сварочный ток 50 А на 1 мм диаметра электрода, напряжение на дуге 25–30 В. Электроды марок АНЦ-1 и АНЦ-2 обеспечивают выполнение сварки без подогрева меди толщиной до 15 мм или с невысоким (250–400 °C) подогревом для металла б?льших толщин. Медные электроды диаметром менее 3 мм применяют редко вследствие низкой механической прочности стержня.

Ручную аргонодуговую сварку выполняют вольфрамовым электродом постоянным током прямой полярности в аргоне высокой чистоты, а также в среде гелия, азота или их смеси и водорода. Металл толщиной более 4 мм сваривают с предварительным подогревом до температуры 800 °C. В качестве присадки используют прутки из раскаленной меди, медно-никелевого сплава (МНЖКТ-5–1–0,2–0,02), бронзы (БрКМцЗ-1, БрОЦ4–3), а также специальных сплавов, содержащих эффективные раскислители – редкоземельные металлы. Для металла толщиной свыше 5–6 мм применяют V– или Х-образную разделку кромок с углом раскрытия 60–70°.

Сварку ведут обычно справа налево при наклоне электрода по отношению к изделию углом вперед на 80–90°, угол наклона присадочной проволоки – 10–15°, вылет электрода – 5–7 мм. Ток постоянный, прямая полярность, сварочный ток – 400–900 А в зависимости от толщины металла. Диаметр вольфрамового электрода – 2,4–4,8 мм; присадочная проволока – 2–6 мм; расход аргона или азота – 3–8 л/мин.

Автоматическаясварка меди. Автоматическая сварка меди выполняется угольным электродом под флюсом толщиной 4–6 мм. Режим: ток постоянный, прямая полярность, сварочный ток – 750–1000 А, напряжение дуги – 18–24 В, скорость сварки – 16–22 м/ч. В свариваемый стык вкладывают полоску латуни ЛT-80, флюс ОСЦ-45.

Автоматическая сварка меди металлическим электродом и флюсом – ток постоянный, обратная полярность. Электродная проволока – медь M1, М2; флюсы: АН-20, АН-348Л, ОСЦ-45; сварочный ток – 100 А на 1 мм диаметра электрода, напряжение на дуге – 38–40 В, скорость сварки – 15–25 м/ч. Б?льшие толщины меди целесообразно варить двухэлектродной сваркой в одну ванну.

Газовая сварка меди. Газовая сварка меди выполняется только ацетиленокислородным пламенем строго нормального соотношения газов. Тепловую мощность пламени выбирают в зависимости от толщины свариваемых деталей:

? до 4 мм – исходя из расхода ацетилена 150–175 дм³/ч на 1 мм толщины металла;

? при толщине 4–10 мм – 175–225 дм³/ч.

Если толщина меди превышает 10 мм, сварку проводят двумя горелками: первая осуществляет подогрев, вторая – непосредственно сварку. Пламя должно быть «мягким» (с минимально возможной длиной ядра).

В качестве присадки применяют медные прутки и проволоку по ГОСТ 16130–90 марок: M1, МСР1[27], МНЖ5–1, МНЖКТ5–1–0,2–0,2 и др. Температура плавления присадочной проволоки должна быть ниже температуры плавления основного металла. Если для присадки используется чистая медь, то во флюс вводят фосфористую медь. Диаметр присадочной проволоки должен составлять 0,5–0,75 толщины металла, но не более 8 миллиметров.

В качестве флюса применяют в основном чистую буру (100 %) или буру пополам с борной кислотой. Вообще есть до десятка рецептов флюсов для сварки меди (табл. 44), но все они изготавливаются из окислов и солей бора и натрия. Флюс применяют в виде порошка или пасты, замешанной на спирте.

Шов заполняется в один слой. Сварку проводят как левым, так и правым способом с максимальной скоростью, без перерыва и за один проход. Для компенсации потерь теплоты вследствие ее отвода в основной металл применяют предварительный и сопутствующий подогрев свариваемых кромок. Сварку выполняют на асбестовой подкладке.

После сварки металла толщиной до 4 мм шов проковывают в холодном состоянии, при большей толщине – при нагреве до температуры 550–600 °C с охлаждением в воде.