Сварка плавлением меди и сплавов на медной основе

Абрамович В.Р.

Машиностроение, 1988 г.

СВАРКА ЛАТУНЕЙ

3.1. ОСОБЕННОСТИ ФИЗИКО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СВАРКЕ ЛАТУНЕЙ ПЛАВЛЕНИЕМ. ВЫБОР ВИДА СВАРКИ

Сварка латуней осуществляется аналогично сварке меди . Однако число различных латуней, отличающихся количеством легирующих элементов и их массовой долей, весьма велико, поэтому здесь не может быть такого единого подхода, который применяется при рассмотрении металлургических процессов сварки меди. Наличие, например, в латуни даже только одного легирующего элемента, такого как свинец, существенно изменяет весь подход к сварке такой латуни по сравнению с подходом к сварке латуней, не содержащих свинца. Здесь рассматриваются общие, справедливые для большинства марок латуней, вопросы, а отдельные особенности процессов, по мере необходимости, будут приведены ниже.

Как известно, теплопроводность латуни ниже теплопроводности меди (хотя у такой латуни, как Л96, они близки), поэтому теплоотвод при сварке меньше, однако в ряде случаев для его компенсации все же необходим предварительный подогрев перед сваркой.

При сварке латуней химический состав металла шва в значительной степени зависит от высокой способности цинка испаряться и выгорать и потому в первую очередь еще большую роль, чем при сварке меди, здесь играют химический состав сварочных материалов и основного металла, вид и параметры режима сварки.

Температура плавления латуней с массовым содержанием цинка 38—42 % обычно близка к 1173 К (это справедливо и для большинства легированных, многокомпонентных латуней), а давление упругости паров латуней с таким содержанием цинка становится равным атмосферному при температурах 1323— 1373 К. Следовательно, при плавлении латуней в процессе сварки создаются благоприятные условия для интенсивного испарения цинка (следует иметь в виду, что и температура кипения чистого цинка—1178 K.

При электрических видах сварки температура металла под дугой всегда значительно выше (в несколько раз) температуры его плавления и потому создаются еще более благоприятные условия для испарения цинка. Действительно, при большинстве видов сварки плавлением зону сварки, если не применять необходимых   мер,   окутывают пары   цинка,   которые, сгорая, оседают в виде белого налета на свариваемом изделии, рабочем столе и щитке сварщика.

Интенсивное испарение цинка не только существенно изменяет химический состав металла шва и, следовательно, его свойства, но и может привести к образованию в шве большого количества пор, что отрицательно влияет на его механические свойства и, в первую очередь, на пластичность. Кроме того, пары цинка чрезвычайно ядовиты, что следует учитывать при выборе технологии сварки и принятии профилактических мер по защите людей.

При газовой сварке потери цинка, по данным работы [53], доходят до 15—20 % от первоначального содержания, а по данным работы [3], при сварке легированными прутками они не превосходят 1,5 %· По данным работы [31], при полуавтоматической сварке в аргоне испарение цинка не более 7 % и, наконец, по данным работы [132], при импульсно-дуговой сварке неплавящимся электродом на жестких режимах наблюдается минимальное испарение цинка — химический состав металла шва отвечает требованиям стандартов к химическому составу основного металла.

Именно из-за интенсивного испарения цинка почти при всех видах сварки плавлением (кроме сварки под флюсом и электрошлаковой) следует стремиться к минимально возможному проплавлению латуней. По этой же причине нецелесообразно при сварке в защитных газах использовать азот и гелий, а при газовой сварке нельзя применять нормальное или наводороживающее пламя, необходимо только окислительное пламя.

При сварке многопроходных швов химический состав каждого валика отличается от состава предыдущего или последующего валиков не только из-за другой доли участия в нем сварочного материала, но и потому, что при расплавлении части каждого предыдущего валика будет вновь испаряться цинк. Все это приводит к тому, что состав металла шва и его валиков при сварке латуней плавлением определить расчетом практически невозможно. Его следует определять путем проведения химического анализа, правда при сварке легированными (например, кремнием) прутками можно резко сократить испарение цинка, и тогда данные расчета будут ближе к фактическим результатам. Таким образом, роль сварочных материалов при сварке латуней шире, чем при сварке меди,— они должны, в первую очередь, не только легировать металл шва, но и предотвращать (или точнее сокращать) испарение цинка.

Вид сварки и параметры режима здесь также играют более значительную роль, чем при сварке меди, ибо от них зависит не только доля участия основного металла в шве, но и уровень испарения цинка.

Состав основного металла при сварке латуней влияет на качество шва значительно больше, чем при сварке меди, и не только тем, что уровень легирования шва зависит и от содержания легирующих элементов в основном металле, но и тем, что может повлиять на количество испарившегося цинка. Так, например, при наличии в основном металле кремния резко сокращается испарение цинка.

Структура металла шва при сварке латуней в значительной степени зависит как от конкретного состава свариваемой латуни и сварочного материала, так и от вида и параметров режима сварки, а также от конкретной технологии сварки. При сварке однопроходных швов структура металла шва будет зависеть от его химического состава. В многопроходных швах, полученных при сварке латуней, содержащих ряд легирующих элементов, и при сварке простых латуней, если она производилась легированными сварочными материалами, дело обстоит сложнее, ибо помимо влияния химического состава на структуру шва здесь существенно воздействие термической обработки предыдущих валиков шва, производимой при наложении последующих валиков.

В этом случае в таких швах, как у всех полиморфных металлических материалов, наблюдаются превращения в твердом состоянии, которые нередко приводят к существенным изменениям структуры — распаду . твердых растворов с выделением новых фаз и образованию эвтектики. Иногда эти изменения могут привести к охрупчиванию швов.

При исследовании сварных соединений установлено [3], что при автоматической двусторонней сварке под флюсом простой латуни марки Л63 проволокой из бронзы БрКМцЗ-1 в первых швах обнаруживаются трещины, идущие по границам зерен α-твердого раствора, а в тех местах, где трещин нет, вокруг зерен α-твердого раствора присутствуют единичные включения второй фазы, способствующие, как известно, изменению свойств кремниевой бронзы при ее термической обработке, которая в данном случае производилась наложением шва со второй стороны.

Показательно, что в швах, выполненных со второй стороны, трещин нет. При охлаждении после сварки в металле первых швов вследствие анизотропности и пониженной пластичности металла шва, обусловленной включениями второй фазы, под действием растягивающих напряжений образуются трещины. Швы, выполненые со второй стороны, не подвергались термической обработке, в них нет включений второй фазы и потому они не разрушаются от действия растягивающих напряжений.

Влияние термодеформационного цикла сварки на формирование структуры и свойств ЗТВ латуней аналогично тому, что наблюдается при сварке полиморфных металлических материалов и определяется, в первую очередь, легирующими элементами, находящимися в свариваемом металле. Структура и свойства ЗТВ, в том числе и ее ширина и размер зерна в ней, как и при сварке меди, зависят и от вида сварки и удельной погонной энергии ее выполнения.

Если наличные легирующие элементы и их массовая доля в металле определяют возможные превращения, то вид сварки и удельная погонная энергия определяют ширину зоны, в которой возможны эти превращения, а также величину зерна в ней.

Так, при газовой сварке латуни Л63 величина зерна в ЗТВ доходит до 2,5 мм, при сварке графитовым электродом — не превосходит 0,06 мм, а при автоматической сварке под флюсом также происходит рост зерна, а структура становится игольчатой [3].

Если при однопроходной сварке структура ЗТВ зависит от уровня легирования основного металла, температуры нагрева (того или иного участка ЗТВ) и скорости охлаждения, то при многопроходной сварке в ЗТВ также происходит термическая обработка, вызванная наложением последующих валиков шва, и соответствующие превращения в тех участках ЗТВ, где уровень нагрева делает возможным эти превращения. Так же, как и при сварке меди степень предварительной деформации латуни оказывает влияние на величину зерна в ЗТВ — чем больше был уровень предварительной деформации, тем меньше величина зерна в ЗТВ (при прочих равных условиях).

Учитывая, что при охлаждении после сварки всегда появляются растягивающие напряжения, приложенные и к шву и к основному металлу, возникает опасность коррозионного растрескивания как основного металла — латуни, так и шва. Коррозионное растрескивание шва можно предотвратить путем легирования его металла и уменьшения содержания в нем цинка, а растрескивание основного металла — с помощью термической обработки либо всего свариваемого изделия, либо местной термической обработки свариваемого участка.

При небольшом объеме сварки для некоторых изделий вместо термической обработки применяют послойную проковку швов, которая снижает напряженное состояние. Путем термической обработки изделия снимают напряжения растяжения и получают в металле равновесную структуру. В качестве примера приведем рекомендуемые режимы термической обработки крупных сварных конструкций из латуни ЛЦ40МцЗЖ (ЛМцЖ55-3-1). При общей термической обработке посадку в печь производят при ее температуре 473 К. Температура повышается со скоростью не более 150 К/ч до 623—673 К. Выдержка изделия при этой температуре осуществляется в течение 2—8 ч в зависимости от габаритных размеров изделия. Сваренное изделие охлаждается вместе с печью до температуры 353 К со скоростью не более 50⁰ в 1 ч, далее — на спокойном воздухе.