Общие сведения о свариваемости металлов

Возникновение химических соединений переменной валентности, а также  растворимость данных соединений жидкой медью является следствием сложных диаграмм плавкости. Также в зависимости от фазового состояния изменяется химическое сродство. В условиях сварки медь имеет свойство окисляться из-за воздействия газовой атмосферы, а также посредством обменных реакций, имеющих компоненты флюсов либо электродных покрытий. Возрастание сродства меди к кислороду происходит в условиях растворения закиси меди, погруженной в жидкую медь. Особенно велико оно при малых концентрациях Си2О, и, наоборот, сродство резко снижается до нормального уровня в процессе распада жидкого раствора и образования эвтектики Сu—Сu2О. Характерно, что Сu2О, являясь отдельной фазой, может легко восстанавливаться до меди. Образующимся в результате перечисленных реакций газам свойственно не растворяться в твердой меди. Это приводит к нарушению металлической связи зерен материала и образованию трещин — так называемой "водородной болезни" меди. 

При низких температурах твердые растворы меди с кислородом обладают исчезающими малыми концентрации. Потому в процессе сварки важно тщательно раскислять медь либо   производить сварку в вакууме или же в среде инертных защитных газов. 

На такие свойства металла шва, как коррозионная стойкость, электро- и теплопроводность, влияют остаточные концентрации раскислителей, по этой причине в ситуации, когда происходит сварка изделий из чистой меди, усложненной является задача раскисления металла шва. 

Сварные соединения из чистой меди зачастую требуют предъявления к ним высоких  производственных стандартов. Таковым является, к примеру, сохранение в металле сварных швов необходимого комплекса физических свойств, как-то: электропроводность, теплопроводность, плотность и коррозионная стойкость. Причина, по которой эти требования  к медным изделиям актуальны, - это их эксплуатация в тяжелых рабочих условиях. Потому в процессе сварки меди необходимо использовать ряд превентивных мер, которые не позволят материалу загрязняться примесями, влияющими на важные свойства изделия. 

Наиболее высокие требования, как правило, предъявляются к производству вакуум-плотных швов в сложных изделиях, например, в электронной технике, в различных энергетических установках, а также в узлах аппаратуры, имеющей внутреннее охлаждение. Названные выше свойства сварных соединений зависят от общих свойств меди. Процесс сварки чистой меди значительно разнится со сваркой сталей. 

Высокие показатели тепло-и температуропроводности становятся причиной превосходящих норму градиентов температуры, скорости охлаждения материала. Кроме того,  сокращается до минимального значения время пребывания сварочной ванны в жидком состоянии. Вследствие этого возникает необходимость использования повышенной погонной энергии при сварке медных изделий по сравнению со стальными аналогами, а также требуется применение предварительного подогрева производимого изделия,  однако последнее считается нежелательным, осложняющим технологию сварки. 

Высокий коэффициент линейного расширения, а также его зависимость от температуры требуют проведения сварки в условиях жесткого закрепления изделия либо по прихваткам. Большая толщина металла становится причиной, по которой возникает необходимость регулирования ширины зазора в процессе сварки.  Краткое время пребывания сварочной ванны в жидком состоянии значительно снижает возможности ее металлургической обработки. Так, снижение концентрации кислорода до допустимых пределов в процессе раскисления меди требует более активных раскислителей, чем те, которые характерны для сварки сталей. 

Значительные градиенты температуры приводят к развитию термической диффузии водорода в области термического влияния. Как результат, происходит обогащение металла водородом рядом с зоной сплавления, а также замечается увеличение вероятности возникновения дефектов поверхности изделия (пор, трещин). Чувствительность меди к водороду необходимо учитывать в процессе разработки технологии сварки. 

Технология процесса сварки изделия определяется, в первую очередь, его назначением,  сложностью (которая определяется наличием коротких или криволинейных швов во всех возможных пространственных положениях, в трудно-доступных местах), а также количеством изготовляемых изделий (то есть серией) и требованиями, которые предъявляются к их качеству. Высокопроизводительные процессы: электродуговая сварка под флюсом посредством плавящегося электрода, электрошлаковая сварка металлов больших толщин - их следует применять в серийном производстве, а также на заготовительных операциях. 

Данные виды сварки в случае соответствия подготовки сварочных материалов (прокалки флюса до 400—4500 С) обеспечивают достижение хороших производственных результатов (речь идет о таких важных особенностях технологии процесса сварки, как защита и малое загрязнение металла шва, удержание относительно невысоких температурных градиентов, снижающих влияние водорода). Единичное производство и ремонтные работы обычно используют газовую сварку, благодаря которой осуществляются подогрев изделия и его начальная термическая обработка. Низкие показатели температурных градиентов уменьшают воздействие на металл термического цикла сварки в зоне сварки. Осуществимыми являются также процессы раскисления и легирования металла через присадочную проволоку. 

Газовая сварка применяется и для чистой меди, и для ее сплавов. Известно, что ручная дуговая сварка покрытым электродом становится причиной загрязнения легирующими компонентами металла шва, в результате нарушаются физические свойства его свойства  в сравнении с чистой медью. 

Сварка бронз (медных сплавов) протекает на удовлетворительном уровне, однако следствием этого процесса становится потеря цинка в латунях за счет его испарения и окисления. Дуговая сварка в защитных газах, активно применяемая сварочной техникой,  часто используется в ряде случаев для создания сварных изделий из меди, а также ее сплавов. С целью проведения сварки изделий из чистой меди нередко используется сварка неплавящимся вольфрамовым электродом, совершаемая в среде аргона, гелия либо азота. Следует учитывать, что данный процесс требует особой чистоты защитных газов.

Стойкость вольфрамового электрода, пребывающего в чистом азоте, является удовлетворительной, а само применение этого недефицитного и дешевого газа имеет весомый экономический эффект. Защита инертными газами выполняет свою функцию, однако в процессе сварки все же происходит окисление меди. Ее раскисление требует применения микролегированных присадочных проволок, содержащих сильные раскислители, такие как титан, бор, цирконий, редкоземельные металлы. Результатом этого процесса может стать получение металла шва, обладающего свойствами высокого уровня, характерными чистой меди (АН). 

Сварка сплавов меди в защитных газах (Аг и Не) позволяет использовать присадочные проволоки, которые по составу совпадают с основным металлом либо же содержат небольшое число раскислителей (81 и Мп). Сварка меди в среде защитных газов плавящимся электродом используется реже, поскольку в ее процессе капли электродного металла подвергаются значительным перегревам. Сварка меди и медных сплавов электрической дугой в защитных газах провоцирует возникновение в зоне сварки высоких градиентов температур, что способствует формированию условий для диффузии водорода в области термического влияния. 

Нередким следствием достаточного количества водорода, растворенного в металле изделия, становится образование различных дефектов (трещин и пор). Потому важным требованием к технологии сварки изделия из меди и медных сплавов является контроль содержания водорода в основном металле, ведь его содержание в области сплавления с учетом коэффициентов сегрегации может быть выше допустимого. Как правило, выравнивание концентрации водорода осуществляется в процессе последующей термической обработки. 

Медь может подвергаться сварке в воздушной атмосфере без какой-либо защиты, однако в таком случае предъявляются требования к проволоке, которая должна содержать раскислители высоких концентраций, и к металлу шва, удовлетворяющему механическим свойствам, которые существенно отличаются от основного металла показателями тепло- и электропроводности. Как металл высокой пластичности, медь отлично сваривается посредством всех видов сварки, относящихся к термомеханическому классу. Однако исключением является контактная сварка, поскольку она обладает невысоким переходным электрическим сопротивлением. 

С целью приварки выводов из тонких медных проволок, характерных для изделий электронной техники, широко применяется термо-компрессионная сварка. Более крупные изделия сложной конфигурации обслуживаются диффузионной сваркой в вакууме, с помощью которой образуются соединения меди с медью, с другими металлами, а также с неметаллическими материалами. 

Важнейшее преимущество диффузионной сварки в вакууме заключается в отсутствии остаточных напряжений в том случае, когда свариваются однородные материалы. Если же сварка разнородных металлов имеет различия коэффициентов линейного расширения соединяемых металлов, в таком случае возможно появление температурных напряжений. Холодная сварка меди пластической деформацией сдвига, сдавливания применяется с целью сварки медных шин энергетических установок. В результате обеспечивается более-менее достаточное электрическое сопротивление сварных соединений. 

Газовая сварка, или ацетилено-кислородная сварка также используется для соединения меди. Как правило, она обеспечивает наибольшую температуру в ядре пламени. Газовая горелка является тепловым источником малой сосредоточенности, потому затруднен процесс поддержания размеров сварочной ванны. 

При работе с изделием, толщина которого больше 10 мм, мастера рекомендуют использовать две горелки, одна из которых осуществляет подогрев, другая же служит самому процессу сварки. Так, двусторонняя сварка двумя горелками ликвидирует необходимость подогрева изделия. 

Обычно сварка меди и бронз производится на нормальном пламени. Раскисление металла сварочной ванны происходит через извлечение флюсами закиси меди, а также с помощью введения раскислителей присадочной проволокой.  Флюсы данного предназначения имеют в своем составе различные соединения бора (например, борную кислоту, борный ангидрид, буру), растворяющие закись меди и образующие легкоплавкую эвтектику, которая затем с их же помощью выводится в шлак.

Флюсы принято наносить на предварительно зачищенные и обезжиренные кромки свариваемого изделия, распределение флюсов составляет по 10 — 12мм на каждую сторону. Также их вносят с помощью присадочного металла с нанесенным на него покрытием из компонентов флюса, а также жидкого стекла и добавки древесного угля (10—20%).  Сварка алюминиевых бронз требует включения в состав флюса фторидов и хлоридов, растворяющих А12О3, получаемого в результате окисления алюминия в составе бронзы.

Сварка меди, в особенности латуни, предполагает использование газообразных флюсов - азеотропного раствора борнометилового эфира и метилового спирта. Пары такого раствора  двигаются через флюсопитатель в саму горелку, в результате чего ее пламя окрашивается в зеленый цвет. Сгорает органическая часть флюса, а В2О3 вступает во взаимодействие со сварочной ванной.

Для сварки изделия из чистой меди, толщина которого достигает 3—4 мм, используется проволока из меди М1 или М2, поскольку медь значительно окисляться не успевает. Большая толщина меди предполагает применение присадочной проволоки, легированной раскислителями (до 0,2% Р и 0,3% Si). Обязательно совпадение составов присадочной проволоки и основного металла. Использование раскислителей (Si, Мn, Аl) здесь не имеет таких жестких ограничений, как при остальных типах сварки меди. Работа с латунью с целью снижения потерь цинка как присадочного металла требует применения кремнистой латуни (ЛК 80-3). Для повышения прочности и пластичности изделия из меди (4-5 мм) используют проковку шва после сварки в холодном состоянии. Большая толщина изделия требует проковки после подогрева от 400 до 3000 С, затем проводят отжиг.

Сварка меди угольным электродом осуществляется дугой, горящей в пространстве  между изделием и угольным электродом, также для этой процедуры используется независимая дуга, горящая между 2мя угольными электродами. Источником энергии при сварке является дуговой разряд. Все возможные технологические приемы, флюсы, присадочный металл остаются неизменными, как при газовой сварке. Использование проволоки БрКМцЗ—1 позволяет проводить сварку меди на воздухе. Конечные соединения вполне удовлетворяют нормы механических свойств, однако электро- и теплофизические характеристики изделия будут значительно снижены. Потому сварка меди и медных сплавов угольным электродом используется редко: это малопроизводительный процесс.

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами позволяет достичь удовлетворительных механических свойств сварных соединений, однако состав металла шва значительно отличается в результате от состава основного металла по причине легирования раскислителями. Последние при сварке меди подаются в электродную проволоку, а также в электродное покрытие. 
Сухая шихта замешивается на жидком стекле (класс А), составляющем 20—25% от массы шихты. Это технология изготовления электродов, относящихся к основному типу. Свойства тепло- и электропроводности таких сварных соединений ниже, чем у чистой меди, и это качество особенно характерно для изделий, полученных посредством сварки электродами из сплавов меди. Сварка покрытыми электродами характеризуется сильным разбрызгиванием, а в металле шва нередко образуются поры. Потому для сварки меди и медных сплавов изделий, чья толщина превышает 4—5 мм, рекомендуют применять подогрев в рамках 300—5000 С. 

Дуговая сварка под флюсом может осуществляться угольным или графитовым неплавящимся электродом под слоем плавленого флюса либо плавящимся электродом, а также плавящимся электродом при слое керамического флюса.

Сварка под флюсом угольным (графитизированным) электродом.  Мастер затачивает электрод в виде плоской лопатки. Сборка под сварку производится с условием закладки встык присадочного металла (к ним относятся латунь, томпак) с целью раскисления металла шва. Используется прокаленный флюс ОСЦ-45. Сварочные работы ведутся на постоянном токе обратной полярности. В результате замыкания электрода на изделие создается подогрев тока. 

Высокопроизводительным способом сварки считается сварка под плавлеными флюсами плавящимся электродом . При сварке меди состав металла шва изменяется незначительно,  потому металл сохраняет присущие ему физические свойства. Наилучшие результаты достигаются посредством сварки под флюсом АН-М1, который имеет следующий состав: фтористый магний - 55%, фтористый натрий - 40%, фтористый барий - 5%.  Электродный металл: проволоки из меди М1 или МО. С целью повышения механических свойств сварного соединения используются легированные проволоки, состоящие из медных сплавов (БрКМцЗ—1; БрАЖМцЮ—3—1,5), однако в данном случае снижается тепло- и электропроводность металла сварного шва. Процесс сварки выполняется на постоянном токе обратной полярности, где коэффициент расплавления электродной проволоки достигает 20 г/(А-ч). Сварка медного изделия толщиной более 15 мм требует разделки под углом 90 и  притупления. Также используется сварка расщепленным электродом. Все работы данного типа осуществляются либо на графитовой подкладке, либо на флюсовой подушке. Тщательной должна быть подготовка кромок и электродной проволоки, в нее входят процедуры их зачистки до металлического блеска, а также последующего обезжиривания. Флюс необходимо прокалять при температуре 300—4000 С. Сварка ведется при жестком закреплении материала или же по прихваткам. 

Сварка латуни марок Л63 и Л062-1 требует использования медной проволоки и плавленого флюса МАТИ-5 или АНФ-5. Данный способ сварки реализует возможность получения сварных соединений из меди со сталью. Для этого электрод смещается на медь, затем подбирается такой режим, когда жидкая медь вступает в контакт со сталью. Реакция должна длиться минимальное время, поскольку его увеличение сулит хрупкими прослойками (диффузией меди между зернами стали). 

Керамический флюс типа К-13 МВТУ используется для сварки меди, а также меди со сталями и для наплавки меди на сталь.  Состав флюса включает такие компоненты, как: глинозем - 20%; плавиковый шпат - 20%; кварцевый песок - 8—10%; магнезит -15%; мел -15%; бура безводная - 15—19%; порошок алюминия - 3—5%. Шихта замешивается на жидком стекле, после чего гранулируется и затем, после сушки, прокаливается 1—2 ч при температуре 4500 С. Сварка производится в условиях постоянного тока обратной полярности, при этом имеется жесткое закрепление на подкладке, состоящей из охлаждаемой меди (толщина до 2,5 мм) либо графита (толщина 5—6 мм). 

Применение керамического флюса, кроме хорошего раскисления металла шва, позволяет легировать металл шва нужными компонентами (хромом, никелем и др.) через флюс. Электро- и теплопроводность металла шва получается на уровне электро- и теплопроводности основного металла. Механические свойства сварного соединения также приближаются к свойствам основного металла. Для сварки меди можно применять также флюс ЖМ-1, хорошо стабилизирующий дуговой разряд и позволяющий вести сварку на переменном токе. Состав флюса ЖМ-1, %: мрамор 28; полевой шпат 57,6; плавиковый шпат 8, древесный уголь 2,2; борный шлак 3,5; алюминий 0,7. 

Электрошлаковая сварка меди и ее сплавов. Сварку меди большой толщины (30—55 мм) рекомендуют проводить электрошлаковым способом с применением пластинчатого электрода. Для этого процесса разработаны специальные флюсы, в составе которых содержатся фториды щелочных и щелочноземельных металлов.  Плавление флюсов происходит при температуре ниже температуры плавления меди. 

Особенности дуговой сварки в защитных газах. Автоматическая, полуавтоматическая и ручная сварка меди в среде защитных газов производится как плавящимися, так и неплавящимися (вольфрамовыми) электродами. Чаще обычного чистая медь сваривается вольфрамовым электродом (для изделий с толщиной до 10 мм), при этом происходит подача присадочной проволоки, более редкий случай — сварка плавящимся электродом. В данном процессе применяются защитные газы, как-то: высшего сорта аргон по ГОСТ 10157—73, особой чистоты гелий по МРТУ 6-02-274—66, особой чистоты азот по МРТУ 6-02-375—66. Целесообразным является применение азота высокой чистоты, его эффективный и термический КПД дугового разряда больше, чем у аргона и гелия. При сварке в азоте выше глубина проплавления, однако устойчивость дугового разряда ниже. Такие результаты объяснимы мощными плазменными потоками в горящей в азоте дуге, а также высоким запасом энтальпии азотной плазмы. С другой стороны, в процессе сварки в труднодоступных местах или материала малой толщины (< 1 мм) следует отдать предпочтение аргону,  защитному газу, поскольку он придает наибольшую устойчивость дуговому разряду. Медь, несмотря на чистоту аргона, при сварке данным способом подвергается окислению, а потому возникает пористость и, следовательно, важным требованием становится применение легированных электродных и присадочных проволок. 

Сварка меди неплавящимся вольфрамовым электродом должна производиться в условиях постоянного тока прямой полярности. Рекомендуется использовать электрод из лантанированного вольфрама: он обладает средней устойчивостью в защитных газах. В процессе сварки электрод располагается четко в плоскости стыка, его наклон располагается в промежутке 60—80 градусов «углом назад». Сварка медного изделия толщиной более 4—5 мм требует подогрева до 300—4000 С. 

Присадочные проволоки, выполненные из чистой меди М1 и МО  достигают результат, при котором металл шва имеет состав и физические свойства, близкие к основному металлу. С другой стороны, механические свойства такого сварного соединения заметно снижены, к тому же нередко возникает пористость, которая снижает плотность металла шва. Введение в состав присадочных проволок раскислителей, легирующих компонентов позволяет повысить механические свойства, однако это снижает тепло-и электропроводность изделия. Потому здесь рекомендуется применять присадочные проволоки, легированные сильными раскислителями, после сварки не задерживающиеся в составе основных растворов.
Аргонодуговая и азотио-дуговая сварки различны составом присадочных проволок, потому как в азоте вероятно образование некоторыми легирующими компонентами нитридов. 

Электродная проволока и кромки основного металла зачищаются до блеска и обезжириваются. Медное изделие толщиной до 5—6 мм сваривается без разделки кромок. Работа с вакуумно-плотными швами требует разделки «вакуумного замка» и проварки корневого шва. Сварное соединение создают на подкладках из прокаленного графита или на медных пластинах, охлаждаемых водой. Однако чрезмерное охлаждение и появление точки росы зачастую становится причиной пористости в нижней части шва. Медные изделия толщиной более 5 мм должны свариваться на флюсовой подушке. Обычно протяженные швы свариваются по прихваткам, расположенным с шагом в 300—400 мм.

Дуговая сварка латуней и иных сплавов меди, имеющих в составе цинк, проводится с низкоопущенным соплом. От плотности и теплофизических свойств газа зависит его расход.

Особенности сварки биметалла (меди и стали)

Осуществление данных технологических операций сулит возникновением хрупких слоев из-за интенсивного проникновения меди в верхние слои стали. Этот процесс  определяется температурой и продолжительностью контакта жидкой меди с твердой сталью. 

Чтобы уменьшить проникновение меди в сталь по границам зерен, необходимо производить рабочий процесс в условиях минимальной погонной энергии с наименьшей глубиной проплавления. При этом следует использовать дополнительное охлаждение с целью ускорения кристаллизации слоя меди. Наплавка меди на сталь производится с помощью различных способов сварки, при этом соблюдаются все указанные выше условий. 

Достойные результаты достигаются наплавкой под флюсом плавящимся электродом, который подается автоматической головкой. Она совершает колебания в плоскости, перпендикулярно расположенной к поступающему движению механизма. Стальная поверхность может быть охлаждена стороной, противоположной наплавке, а также металлом наплавки. 

Наплавка меди в среде аргона посредством плавящегося электрода требует соблюдения аналогичных условий. Сварка меди со сталью посредством плавящихся электродов требует отклонения электрода в сторону меди, так магнитное дутье будет возвращать на свариваемые кромки дуговой разряд. При сварочных работах рекомендуется применять минимальные токи, которые могут обеспечить формирование сварного шва. Также сварка биметалла  возможна со стороны плакирующего слоя, а также со стороны стали. 

Однако в первом случае нередко возникает ликвидация плакирующего слоя в области стыкуемых кромок, требуется зачистка шва, а также наплавка меди на сталь с целью восстановления плакирующего слоя. Сварка со стороны стали не требует удаления плакирующего медного слоя, а после ее окончания требуется заварка стыка на плакирующем слое, проводимая любым способом.