Сварка меди и медных сплавов. Характеристики и особенности

Металлургия медных сплавов и их свариваемость

Многие распространенные металлы сплавляются с медью для получения различных сплавов меди. Наиболее распространенные легирующие элементы это алюминий, никель, кремний, олово и цинк.

Другие элементы легируют медь в небольших количествах для улучшения некоторых характеристик материала, таких как устойчивость к коррозии и механической обработке.

Медь и ее сплавы делятся на девять основных групп.

Эти основные группы:

• Чистая медь, содержащая не менее 99,3% Cu
• Сплавы меди, содержащие до 5% легирующих элементов
• Медно-цинковые сплавы (латуни), которые содержат до 40% Zn
• Медно-оловянные сплавы (оловянно фосфористые бронзы), которые содержат до 10% олова и 0,2% P
• Медно-алюминиевые сплавы (алюминиевые бронзы), которые содержат до 10% Al
• Медно-кремниевые сплавы (кремниевая бронза), которые содержат до 3% Si
• Медно-никелевые сплавы, содержащие до 30% Ni
• Медно-цинково-никелевые сплавы (нейзильберы), которые содержат до 7% цинка и 18% Ni
• Специальные сплавы, которые содержат легирующие элементы для повышения свойств или характеристик, например, обрабатываемости

Многие медные сплавы имеют свои названия, такие как бескислородная медь (не менее 99,95% Cu), бериллиевая бронза (от 0,02 до 0,2% Be) и морская латунь (Cu40Zn).

В результате добавления в состав медного сплава хрома и циркония получается жаропрочный медный сплав БрХЦр (CuCrZr) применяемый для изготовления электродов для контактной и шовной сварки, а также контактных сварочных наконечников для горелок полуавтоматической MIG MAG сварки. Эти наконечники отличаются высокой износостойкостью.

Многие физические свойства медных сплавов имеют важное значение для сварочных процессов, такие как температура плавления, коэффициент теплового расширения, а также электро-и теплопроводность. Некоторые легирующие элементы значительно уменьшают электрическую и теплопроводность меди.

Влияние легирующих элементов на свариваемость меди

Некоторые легирующие элементы имеют выраженный эффект на свариваемость меди и медных сплавов. Небольшое количество летучих, токсичных легирующих элементов часто присутствуют в меди и ее сплавов. В результате, требования эффективной системы вентиляции для защиты сварщика или оператора сварочного робота или автоматической установки являются очень важными.

Цинк снижает свариваемость всех латуней пропорционально его процентному содержанию в сплаве. Цинк имеет низкую температуру кипения, в результате чего происходит выделение токсичных паров при сварке медно-цинковых сплавов.

Олово повышает вероятность появления горячих трещин при сварке, когда его содержание в сплаве составляет 1-10%. Олово, по сравнению с цинком, значительно менее летуче и токсично. Во время сварки олово может окисляться. В результате могут появляться оксиды, снижающие прочность сварного соединения.

Бериллий, алюминий и никель образуют оксиды, которые необходимо удалить перед сваркой. Образование этих оксидов в процессе сварки должно быть предотвращено защитным газом или флюсом и использованием соответствующего сварочного тока. Оксиды никеля мешают дуговой сварке медных сплавов меньше, чем оксиды бериллия и алюминия. Следовательно, цинково-никелевые и медно-никелевые сплавы менее чувствительны к типу сварочного тока, используемого в процессе. Сплавы, содержащие бериллий также производят токсичные газы во время сварки.

Кремний оказывает благотворное влияние на свариваемость медно-кремниевых сплавов, благодаря раскислению.

Кислород может вызвать пористость и уменьшить прочность сварных швов, содержась в некоторых сплавах меди, которые не содержат достаточного количества фосфора или других раскислителей. Кислород может находиться как свободный газ или закись меди. Чаще всего, чтобы избежать этого, медные сплавы содержат раскислительный элемент, как правило, это фосфор, кремний, алюминий, железо или марганец.

Железо и марганец незначительно влияет на свариваемость сплавов, которые их содержат. Железо, как правило, присутствуют в некоторых специальных латунях, алюминиевых бронзах и медно-никелевых сплавах в количестве от 1,4 до 3,5%. Марганец обычно используется в тех же сплавах, но в более низких концентрациях, чем железо.

Свинец, селен, теллур и серу добавляют в медные сплавы для улучшения их обрабатываемости. Эти легирующие элементы, в то время как улучшают обрабатываемость, и существенно влияют на свариваемость сплавов меди, делают сплавы более восприимчивыми к горячим трещинам. Свинец является самым вредным из легирующих элементов по отношению к восприимчивости к горячим трещинам.

Другие факторы, влияющие на свариваемость меди и её сплавов

Кроме того, что легирующие элементы, которые входят в состав сплава меди, влияют на его свариваемость, существуют и другие факторы, также на это влияющие. Это такие факторы, как теплопроводность сплава, защитный газ, тип сварочного тока, используемого в процессе сварки, тип сварного соединения, положение сварки и состояние свариваемой поверхности.

• Влияние теплопроводности

Поведение меди и медных сплавов при сварке сильно зависит от их теплопроводности. Медь и сплавы меди с низким содержанием легирующих элементов обладают высокой теплопроводностью. Поэтому, для предотвращения диссипации, тип сварочного тока и защитный газ должны быть выбраны, чтобы обеспечить максимальный ввод тепла в сварной шов. В зависимости от толщины свариваемого изделия, может потребоваться предварительный нагрев деталей из медных сплавов с низкой теплопроводностью. Промежуточная температура должна быть такой же, как и для подогрева.

• Положение сварки

В связи с весьма неустойчивыми характеристиками меди и ее сплавов, для сварки преимущественно используется нижние положение. Сварка в горизонтальном положении используется в некоторых случаях тавровых и угловых швов с разделкой кромок.

• Горячие трещины

Медные сплавы, такие как медно-оловянные и медно-никелевые, восприимчивы к образованию горячих трещин при температурах затвердевания. Эта особенность проявляется во всех медных сплавах в диапазоне перехода от температур ликвидуса до солидуса. Горячие трещины могут быть минимизированы за счет сокращения свободы перемещения изделия во время сварки. Также их появление минимизируют за счет подогрева, чтобы замедлить скорость охлаждения и снизить величину сварочных напряжений.

• Пористость

Некоторые элементы (например, цинк, кадмий и фосфор), имеют низкую температуру кипения. Испарение этих элементов в процессе сварки может привести к пористости. При сварке сплавов меди, содержащих эти элементы, пористость может быть минимизирована за счет более высокой скорости сварки и соответствующих сварных соединений для использования меньшего количества присадочных материалов.

• Состояние поверхности

Жиры и окислы на рабочей поверхности должны быть удалены перед сваркой. Для этого может быть использована проволочная щетка. Смазка, краска, грязь и другие подобные загрязнения на медно-никелевых сплавах может привести к охрупчиванию и должны быть удалены перед сваркой.

Дуговые процессы, применяемые при сварке меди

Процессы дуговой сварки имеют первостепенное значение при производстве изделий из меди. Основные применяемые процессы это ручная дуговая сварка покрытым электродом (MMA), аргонодуговая сварка (TIG) неплавящимся вольфрамовым электродом и полуавтоматическая (MIG MAG) сварка плавящимся электродом. Также, но несколько реже используют такие процессы, как плазменная сварка (PAW) и сварка под флюсом (SAW). Оборудование для этих процессов ничем не отличается от стандартного оборудования для сварки других сталей.

Ручная дуговая сварка может быть использована для сварки широкого диапазона толщин медных сплавов. Покрытые электроды для сварки медных сплавов имеют стандартные размеры от 2 до 5 мм диаметром.

Сварочные процессы, которые используют защитный газ, как правило, предпочтительнее, хотя многие некритические соединения могут быть сварены при помощи электродов и ручной дуговой сварки. Аргон, гелий или их смесь используются в качестве защитных газов для аргонодуговой, плазменной и полуавтоматической сварки.

Аргонодуговая сварка TIG меди и медных сплавов

Сварка TIG вольфрамовым электродом хорошо подходит для меди и медных сплавов благодаря своей интенсивной дуге. Сварочная дуга, которая обладает чрезвычайно высокой температурой, сосредоточенно проникает в сварное соединение.

При сварке меди и теплопроводных сплавов меди, интенсивность дуги играет важную роль, с минимальным нагревом окружающей околошовной зоны. Наименьшая зона термического влияния (ЗТВ) особенно желательна при сварке медных сплавов.

Многие из стандартных вольфрамовых электродов могут быть использованы для TIG сварки меди и медных сплавов. За исключением определенных классов медных сплавов, наиболее предпочтительным является использование торированного вольфрама для высокой производительности, длительного срока службы и большой устойчивости к загрязнению.

Полуавтоматическая сварка MIG

Сварка MIG используется для меди и медных сплавов при толщине менее 3 мм, в то время как она же предпочтительнее для соединения изделий из алюминиевых бронз, кремниевых бронз и медно-никелевых сплавов толщиной свыше 3 мм.

Плазменная сварка PAW

Сварка меди и медных сплавов с использованием плазменной сварки можно сравнить с аргонодуговой сваркой этих сплавов. Аргон, гелий или их смесь используется для сварки всех сплавов. Водород никогда не должен быть использован при сварке меди.

Плазменная сварка имеет два главных преимущества по сравнению с аргонодуговой:

• вольфрамовый электрод скрыт и полностью экранирован, что значительно снижает его загрязнение. В частности, для сплавов с низкой температурой кипения компонентов, таких как латунь, бронза, фосфористая и алюминиевая бронза
• плазменная дуга обладает более высокой энергией при минимальной околошовной зоне нагрева

В этой статье мы рассмотрели наиболее часто применяемые процессы для дуговой сварки меди и медных сплавов. Также рассмотрены характеристики и особенности сварки.