2. Особенности сварки медных сплавов

При нагреве медь начинает интенсивно реагировать с кислородом. Окисление может происходить:

– за счет газовой атмосферы;

– за счет обменных реакций с компонентами флюса или электродных покрытий.

Оксид Cu₂O образует с медью эвтектики, которые располагаются по границам зерен и снижают коррозионную стойкость и пластичность меди. При содержании кислорода в меди более 0,1 % затрудняется процесс сварки, а также процесс горячей деформации.

Водород, растворяясь в жидкой меди, не успевает выделиться из сварочной ванны при ее кристаллизации из-за очень большой растворимости и высоких скоростей кристаллизации, в результате чего возникают поры. Кроме того, в процессе сварки протекают реакции:

Cu₂O + 2Н  2Cu + H₂O (1)

Cu₂О + CO  2Cu + CO₂ (2)

Образующиеся газы, особенно водяной пар (наряду с чистым водородом), создают в порах высокое давление, приводящее к образованию трещин. При достаточных чистых по водороду присадочных металлах, флюсах и газах источником водорода может служить основной металл, что приводит при отжиге сварного соединения или при сварке к развитию реакции (1) и появлению водородной болезни меди, т. е. образованию пор и трещин в шве.

Для подавления реакции (1) необходимо уменьшить содержание кислорода в шве до исчезающе малых долей процента, что достигается путем использования сильных раскислителей: титана, циркония, бора и редкоземельных металлов.

Медь и ее сплавы склонны к образованию горячих трещин. Это связано с:

– высоким коэффициентом теплового расширения;

– большой величиной усадки;

– наличием легкоплавких эвтектик вредных примесей: свинец, висмут, кислород, сера, сурьма. Например, температура плавления эвтектик со свинцом и висмутом соответственно 320 и 270^оС  красноломкость.

Для обеспечения высоких механических свойств сварного соединения в меди допускается не более: сурьмы 0,005, висмута 0,0005, серы 0,004, кислорода 0,01 (для ответственных изделий) и 0,03 (в остальных случаях).

Из-за высокой теплопроводности меди при сварке требуется применение концентрированного нагрева и во многих случаях предварительного и сопутствующего подогрева при сварке. Температура подогрева:

– медь, 250-300^оС;

– латунь, 300-500^оС;

– бронза, 500-600^оС.

Высокий коэффициент теплового расширения предопределяет высокие сварочные деформации.

Сварка латуней сопровождается потерей цинка.

В оловянистых бронзах, как правило, содержится фосфор и свинец, поэтому их свариваемость не высокая.

В алюминиевых бронзах при сварке образуется тугоплавкий оксид Al₂O₃, что приводит к плохому формированию шва и его загрязнению шлаковыми включениями. Для алюминиевых бронз под сварку требуется тщательная подготовка кромок.

Кремнистые бронзы из-за наличия раскислителей Si и Mn хорошо свариваются. В случаях большого содержания Si и Mn бронзу можно сваривать на воздухе без дополнительной защиты.

3. Технология сварки меди и ее сплавов

Медь и ее сплавы сваривают газовой сваркой, дуговой сваркой угольным электродом (флюсы, присадочные материалы как при газовой сварке), РДС, под флюсом, в защитных газах и электрошлаковой сваркой.

РДС.

Электроды:

1. медь:

– "Комсомолец-100" (нетехнологичны в изготовлении и применении, электропроводность наплавленного металла 20% от электропроводности технически чистой меди), стержень из меди М1, сварка и наплавка изделий из технически чистой меди М1, М2, М3, нижнее и наклонное положение, постоянный ток обратной полярности, предварительный подогрев 300-700^оС (при  > 4 мм);

– АНЦ/ОЗМ-2, стержень из меди М1 или МТ, сварка и наплавка изделий из технических марок меди (обеспечивают не менее 60% электропроводности технически чистой меди), постоянный ток обратной полярности, при толщине > 10 мм – предварительный подогрев 150-300^оС; применяют также при пониженных требованиях к электропроводности сварного шва электроды АНЦ/ОЗМ-3, АНЦ/ОЗМ-4.

2. Латуни, бронзы: ОЗБ-2М (сварка, наплавка латуней и бронз, в первую очередь оловянно-фосфористых и художественных и заварка дефектов бронзового литья), стержень из проволоки марки БрОФ 6,5-0,4, сварка в нижнем, горизонтальном и вертикальном положениях на постоянном токе обратной полярности.

Сварку ведут короткой дугой без колебаний.

Дуговая сварка под флюсом. Сварку меди под флюсом ведут постоянным током обратной полярности. Флюсы АН-348 А, ОСЦ-45, АН-20С, АН-26С или керамические флюсы К 13 (20 Al₂ О₃, 8-10 SiO₂, 15 CaCO₃, 20 Na₂B₄О₇, 15-19 CaF₂, 3-5 Al), ЖМ-1 + М1 или БрКМц3-1.

При сварке латуни используют флюсы АН-20, ФН-10, МАТИ-53 (ОСЦ - 45 (77 ), борная кислота (7,7%), кальцинированная сода (15,3)) + Бр0Ц4-3 или ЛК80-30.

Сварка бронз: хромистая бронза, 80% АН-26С + 20% АН-20С + БрХ0,7; в других случаях АН-20С и проволока, близкая по составу к основному металлу.

При толщине металла свыше 15 мм. рекомендуется сварка расщепленным электродом.

Сварка под флюсом может осуществляться неплавящимся угольным или графитовым электродом, При этом присадочный материал закладывают в разделку заранее.

Сварка в защитных газах. Азот особой чистоты (по отношению к меди N₂ – нейтральный газ). Аргон высшего сорта, гелий высшей категории качества марок А и Б. Смесь 50-75% Ar + N₂ (остальное). При сварке в азоте эффективный и термический КПД выше, чем при сварке в аргоне или гелии. При сварке в труднодоступных местах и при сварке меди малой (< 1 мм) толщины устойчивость дугового разряда в среде аргона лучше:

1. Сварка плавящимся электродом. Постоянный ток обратной полярности. Более сильное окисление капель металла, чем при сварке неплавящимся электродом. Поэтому используются проволоки с раскислителями: БрКМц3-1 (сварка меди), МНЖКТ5-1-0,2-0,2 (Монель-металл, сварка меди, бронзы), БрАМц9-2 (сварка алюминиево-марганцевой бронзы, мышьяковистой латуни). Медь толщиной  > 5 мм. сваривают на флюсовой подушке. При использовании сварочной проволоки сильнолегированной редкоземельными металлами возможна сварка меди на воздухе без дополнительной защиты.

2. Сварка неплавящимся электродом. Наиболее широко применяется сварка вольфрамовым электродом с присадочной проволокой (в зону дуги, с предварительной закладкой в стык, с изготовлением бурта на одной из свариваемых деталей). Постоянный ток прямой полярности. Присадочные проволоки те же, что и при сварке неплавящимся электродом.

Электрошлаковая сварка меди. ЭШС меди применяется для толщин свыше 30-55 мм. Используется пластинчатый электрод. Флюс на основе системы NaF-LiF-CaF₂.