Учреждение образования
«Лунинецкий государственный политехнический профессионально-технический колледж»
Дипломная работа
На тему:
«Технология сварки меди и ее сплавов»
Подготовил:
Комар Давид
учащийся 5 группы
Проверила:
Касперович Инна Георгиевна
Содержание:
Введение
Восстановление, свариваемость
Общие сведения по свариваемости
Физические и механические свойства
Основные физические и механические свойства меди
Подготовка под сварку
Автоматическая сварка меди под флюсом
Дуговая сварка в защитных газах
Общие требования безопасности
Список литературы
Введение Сварка меди и ее сплавов
Медь используется в химическом и энергетическом машиностроении ввиду высокой электро- и теплопроводности, высокой коррозионной стойкости в некоторых агрессивных средах. Все эти свойства тем выше, чем выше чистота металла, что предъявляет особые требования к сварке из изделий из чистой меди.
Латунями называются медно-цинковые сплавы, содержащие от 20 до 55% цинка. Сплавы с содержанием цинка до 20 % называются томпаками. Латунь и томпак содержит цинк в пределах а - твердого раствора (до 38% цинка). В пределах а - твердого раствора свойства латуней монотонно изменяются, увеличивая прочность меди и снижая её пластичность. Латуни обладают хорошей коррозионной стойкостью, теряя её только в аммиачной среде, так как аммиак, являясь активным лигандом при образовании комплексных соединений с медью и с цинком разрушает защитные слои (аммиачное растрескивание). При больших содержаниях цинка образуется интерметаллиды (Сu2Zn и Сu2Zn2 - (Zn - фаза), резко изменяющие механические свойства медных сплавов. Специальные латуни, кроме цинка могут содержать железо, алюминий, кремний, никель и другие компоненты.
Бронзы представляют собой сплавы меди с содержанием цинка не более 4...5%. Главными легирующими компонентами бронз является алюминий, марганец кремний, бериллий, олово, хром. Бронзы могут иметь и сложный состав при легировании сразу несколькими компонентами.
Бронзы, содержащие цинк и свинец, обладают высокими антифрикционными свойствами и используются для подшипников скольжения. Бронзы, содержащие алюминий, обладают высокими механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью; содержащие марганец, - хорошей коррозионной стойкостью и жаропрочностью; содержащие кремний, - высокой коррозионной стойкостью, большой износостойкостью; содержащие хром, представляют собой упрочненные сплавы меди с хорошими механическими свойствами (а< = 200 ... 280 МПа), но сохраняющие ценные физические свойства (электро- и теплопроводность на уровне чистой меди; содержащие бериллий, обладают механическими свойствами стали (пружины и гибкие элементы), высокой коррозионной стойкостью, немагнитные.
Восстановление, свариваемость
Особенности меди вызывают затруднения при сварке её и её сплавов.
1. Легкая окисляемость меди в расплавленном состоянии образующаяся в результате этого процесса закись меди растворима в жидком и весьма ограниченно в твердом металле. Она дает с медью легкоплавкую составляющую (эвтектику), которая, сосредотачиваясь по границам кристаллитов, снижает стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин. В меди, предназначенной для изготовления сварных конструкций, содержание кислорода не должно превышать 0,03%, а для ответственных изделий - 0, 01%.
Опасными примесями меди в отношении снижения стойкости против образования кристаллизационных трещин в сварных швах являются также висмут и свинец. Поэтому содержание висмута в меди допускается не более 0,003%, а свинца - не более 0,03%.
2. Пониженная стойкость металла шва против возникновения пор, обусловленная выделением водяного пара и, возможно, водорода из кристаллизующегося металла шва. Сродство меди к азоту весьма мало. В связи с этим азот не является возбудителем пор и даже может быть использован в качестве защитной атмосферы при сварке меди. В отношении стойкости против возникновения пор предпочтительны односторонние стыковые швы со сквозным проплавлением кромок. Сварка угловых швов таврового и нахлесточного соединения вызывает значительные затруднения из-за пористости металла шва.
3. Высокая теплопроводность меди (в б раз выше, чем у железа), что предопределяет необходимость применения концентрированных источников нагрева и во многих случаях предварительного и сопутствующего подогрева основного металла при сварке.
4. Высокий коэффициент линейного расширения меди и ее сплавов (для меди коэффициент линейного расширения в 1,5 раза больше, чем у стали), что предопределяет необходимость принятия дополнительных мер против деформации конструкций.
5. Повышенная жидкотекучесть металла затрудняет сварку меди в вертикальном и особенно в потолочном положении. Встречаются трудности также при сварке кольцевых швов.
Общие сведения по свариваемости
Инертная при обычных температурах медь при нагреве реагирует с кислородом, серой, фосфором и галогенами. С водородом она образует неустойчивый гидрит СuН, с углеродом образует ацетиленистую медь Сu2С2 (взрывчатую); с азотом медь не реагирует, что позволяет азот использовать как защитный газ для сварки чистой меди. Образование химических соединений переменной валентности и растворимость этих соединений в жидкой меди приводит к довольно сложным диаграммам плавкости и к изменению химического сродства в зависимости от фазового состояния.
Медь в условиях сварки может окислятся за счет газовой атмосферы или за счет обменных реакций с компонентами флюсов или электродных покрытий. Сродство меди к кислороду возрастает при растворении закиси меди в жидкой меди, особенно сильно при малых концентрациях Сu2О и резко снижает до нормального при распаде жидкого раствора в процессе образования эвтектики Си - Сu2О; Сu2O как отдельная фаза легко восстанавливается до меди:
Сu2О + 2Н -> 2Сu + Н2О;
Сu2О + СО -> 2Сu + СО2.
Газы, образующиеся в результате реакции, не растворяются в твердой меди и нарушают металлическую связь между зернами, приводя к образованию трещин - «водородная болезнь» меди. Твердые растворы меди с кислородом имеют исчезающе малые концетрации при низких температурах. Поэтому медь в процессе сварки необходимо тщательно рас¬кислять или вести сварку в среде инертных защитных газов или в вакууме. Остаточные концентрации раскислителей влияют на свойства металла шва (электропроводность, теплопроводность, коррозионную стойкость), и поэтому при сварке изделий из чистой меди задача раскисления металла шва решается с трудом.
Повышенные концентрации серы будут снижать стойкость металла к образованию горячих трещин. Коррозионная стойкость меди также снижается.
Водород влияет на качество сварных соединений из меди и её сплавов, вызывая пористость в металле шва и образование трещин. Гидрид меди в виде кристаллов краснокоричневого цвета образуется при взаимодействии атомарного водорода с медью. Разлагается водой, кислородом, серной и соляной кислотой, а также свободными галогенами (Р2; С12; Вг2; 12). Таким образом, в условиях сварки его образование мало вероятно, если вообще не исключено. Растворимость водорода в жидкой и твердой меди значительна. Водород растворяется в меди в соответствии с законом Сивертса и растворимость его зависит от температуры и парциального давления в газовой атмосфере при сварке. Растворимость водорода в меди в процессе кристаллизации изменяется относительно больше, чем растворимость в железе (почти в 2 раза); это приводит к тому, что при высокой скорости кристаллизации сварочной ванны при сварке меди, обладающей большой теплопроводностью, газ не успевает выделятся из металла, образуя поры, или, концентрируясь в микронесплошностях, создает высокое давление, приводящее к нарушению металлической связи образованию трещины. Если правильно разработана технология сварки и исключена возможность насыщения водородом сварочной ванны (сухие газы, прокаленные флюсы и т. д.), то не исключена возможность возникновения дефектов за счет водорода, находящегося в состоянии твердого раствора внедрения в основном металписеские температурные градиенты в зоне сварки вызывают термическую диффузию водорода, направленную против потока тепла, т.е. из основного металла к линии сплавления. Концентрация водорода на линии сплавления увеличивается, и коэффициент сегрегации водорода, зависящий от режима сварки (1Д; Уд; б), достигает больших значений. Таким образом, водород, содержащийся в основном металла, также может создавать дефекты в сварном соединении. Поэтому при сварке ответственных изделий из меди, в которых необходимо высокая плотность металла, к основному металлу необходимо предъявлять жесткие требования по содержанию в нем водорода. Электрошлаковый переплав или вакуумная плавка значительно снижают содержание водорода в меди.
Растворимость водорода в меди зависит от содержания в ней кислорода, понижающего растворимость водорода, но в то же время возникновение «водородной болезни не исключается. Компоненты, легирующие медь также влияют на растворимость и содержание водорода в медных сплавах.
Физические и механические свойства
Медь кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетки с координационным числом к = 12 и стороной куба а = 3,6147 А. Полиморфизмом медь не обладает, фазовые превращения её связаны с изменением агрегатного состояния: температура плавления 1083° С; удельная теплота плавления 48,7 кал/г; температура кипения 2596° С; удельная теплота кипения 1140 кал/ч. В зависимости от обработки плотность меди (г/см куб.): 8,93 ли¬той; 8,94 деформированной; 8,914 электролитической. Коэффициент линейного расширения твердой меди при 20° С а = 16,4 х 106°С, теплопроводность меди 0,09 кал/(г°С) при 20°С и мало зависит от температуры. Теплопроводность меди очень высокая; при 20° С коэффициент теплопроводности к = 0,923 кал/ (см • с • ° С) и зависит от температуры:
Температура, ° С................-252.2... -200 ... -190 ... 0 ..... 100 ... 300 ..... 970
к, кал/(см • с °С),...................29.3 ... 1,95 ... 1,42 ... 0,98 ... 0,9 ... 0,88 ... 0,738
Медь обладает небольшой летучестью, но при температурах сварки ее летучесть будет уже значительной, что необходимо учитывать при разработке вентиляции сварочных постов.
При 20 °С удельное электрическое сопротивление меди р = 1,682 мкОм х см; при повышении температуры удельное электрическое сопротивление растет (при 970 °С р = 9,6 мкОм х см); при температуре плавления удельное электрическое сопротивление жидкой меди более чем в 2 раза превышает удельное электрическое сопротивление твердой меди. Электропроводность и теплопроводность меди резко изменяются при введении примесей даже в малых количествах.
Физико-механические свойства меди зависят от степени чистоты и предварительной обработки металла . Таким образом, мягкая отожженная медь представляет собой пластичный металл, в то время как медь, негартованная после холодной пластической обработки (протяжки), значительно снижает свои пластические свойства.
Основные физические и механические свойства меди:
Атомная масса …………………………………………………… 63
Плотность при 20ОС, г/см3 ………………………………………..8, 96
Температура, ОС:
плавления ……………………………………………… 1083
кипения ………………………………………………….2600
Удельная теплоёмкость, ккал/г …………………………………0, 092
Теплопроводность кал/ (см . сек . град) ……………………….0, 941
Скрытая теплота плавления, кал/г ……………………………..43, 3
Коэффициент линейного расширения, 1/град ………………. 0, 000017
Удельное электросопротивление, Ом . мм2/м ……………….0, 0178
Временное сопротивление меди, кг,/мм2 :
деформированной …………………………………….40 — 50
отожжённой …………………………………………….20 — 24
Предел текучести меди, кг/мм2 , при температуре, ОС:
20 ………………………………………………………...7
200 ……………………………………………………….5
400 ……………………………………………………….1, 4
Относительное удлинение меди, %
деформированной …………………………………….4 — 6
отожжённой …………………………………………….40 — 50
Предел упругости меди, кг/мм2 :
деформированной …………………………………. 30
отожжённой …………………………………………….7
Модуль упругости, кг/мм2 ………………………………………. 13200
Модуль сдвига, кг/мм2 …………………………………………...4240
Предел усталости меди при переменно-изгибающих
напряжениях на базе 108 циклов, кг/мм2 :
деформированной …………………………………….11
отожжённой ……………………………………………..6, 7
Твёрдость НВ меди, кг/мм2 :
деформированной …………………………………….90 — 120
отожжённой ……………………………………….. …..35 — 40