Сварщику цветных металлов. Справочное пособие

Химический состав промышленных марок меди должен соответствовать ГОСТ 859—78. Медь обладает высокой электро-и теплопроводностью, коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах и хорошей пластичностью в горячем и хо­лодном состоянии. С повышением температуры медь сохраняет высокую пластичность. При холодной деформации растет проч­ность и твердость меди, а пластичность снижается. С увеличе­нием температуры нагрева, снижается предел прочности меди, а в интервале температуры 200—800 °С падает пластичность

Медь с кислородом начинает взаимодействовать при ком­натной температуре с образованием окиси меди CuO. Окисная пленка на поверхности меди предохраняет ее от дальнейшего окисления. При высоких температурах в обычной атмосфере скорость окисления меди резко возрастает. В таких условиях упругость диссоциации окиси меди больше давления кисло­рода в воздухе, поэтому CuO диссоциирует на свободный кислород и закись меди Сu2О.

При плавлении закись меди растворяется в меди с обра­зованием эвтектики содержащей 3,4 % Cu20 или 0,39 % кислорода (температура плавления Cu20 — 1065 °С).

Кислород в свободном состоянии в твердой меди прак­тически не растворяется. Эвтектика затвердевает позже меди и, располагаясь по границам кристаллов, понижает ее пластич­ность и коррозионную стойкость, а также затрудняет процессы горячей обработки давлением. Медь, подлежащая сварке, должна содержать кислорода не более 0,01 %. Сурьма и мышьяк уменьшают вредное действие кислорода, однако при этом снижается электропроводность меди.

Водород при сварке образуется в результате диссоци­ации водяных паров, влаги защитного газа, диссоциации кон­денсата на кромках свариваемого металла и т. д. Водород рас­творим как в твердой, так и в жидкой меди. С повышением температуры растворимость водорода в меди увеличивается и при 1000 "С может достигать 3,2 смVI00 г. При переходе меди из твердого состояния в жидкое растворимость водорода значительно возрастает и при температуре 1100°С составля­ет 13 см3/100 г. При дальнейшем повышении температуры рас­творимость достигает 28,1 см3/100 г при температуре 1600 °С. Содержащийся в сварочной ванне водород при ее кристалли­зации выделяется, образуя поры. Добавка олова понижает растворимость водорода в меди. В расплавленной меди рас­творимость водорода и кислорода связана равновесной зависи­мостью. Используя этот закон для снижения содержания во­дорода, в • расплавленную медь при выплавке добавляют кис­лород в виде закиси меди с последующим тщательным и быст­рым раскислением расплава.

Сера хорошо растворяется в расплавленной меди. При кристаллизации меди растворимость серы снижается до нуля. С медью сера образует гемисульфид меди Cu2S, который рас­полагается в меди в виде эвтектики Си + Cu2S, содержащей 3,82 % Cu2S при температуре 1067 °С. При повышенном содер­жании серы снижается пластичность и ухудшается коррози­онная стойкость меди.

Фосфор ограниченно растворим в твердой меди. При температуре 714 °С предел насыщения твердого раствора до­стигает 1,75 % фосфора. С понижением температуры меди до 300 °С растворимость фосфора в меди уменьшается до 0,6%. Фосфор положительно влияет на механические свойства меди, незначительно снижает ее электропроводность и заметно уменьшает теплопроводность. При сварке меди фосфор исполь­зуется как активный раскислитель.

Кремний в меди растворяется до 3 % с образованием однофазного а-твердого раствора. При содержании в меди до 1 % кремния сплавы обладают хорошей свариваемостью, не склонны к образованию в сварных швах пор и трещин. При сварке меди кремний применяется как активный раски­слитель.

Никель неограниченно растворим в меди. При содер­жании до I % он оказывает незначительное влияние на свари­ваемость меди и не снижает пористости сварных швов. Однако никель увеличивает стойкость сварных швов к трещинообразованию и уменьшает рост зерна в околошовной зоне.

Марганец при высоких температурах ограниченно растворим в меди. Граница насыщения области твердого раствора с уменьшением содержания марганца и понижением температуры резко сдвигается в сторону меди. Сплав меди, содержащий до 20 % марганца, в твердом состоянии является однофазным. Сплавы меди, содержащие до 1 % марганца, обладают хорошей свариваемостью, пластичностью, повышенной прочностью и не склонны при сварке к образованию трещин, но при сварке такого металла швы склонны к пористости.

Алюминий обладает значительной растворимостью в меди. Область а-твердого раствора при температуре 570 °С распространяется до 9,4 % алюминия. При комнатной темпе­ратуре такие сплавы являются однофазными, отличаются вы­сокой пластичностью и хорошо обрабатываются давлением. Сплавы, содержащие более 10 % алюминия, являются двух­фазными и применяются как литейные. Введение алюминия заметно ухудшает свариваемость меди. Алюминий применяется как активный раскислитель меди.

Железо незначительно растворимо в меди. При темпе­ратуре 635 °С растворимость железа в меди составляет 0,16 % и снижается при дальнейшем уменьшении температуры. Сплавы меди, содержащие до 0,5 % железа, обладают хорошей свариваемостью, высокой пластичностью и по сравнению с медью большей прочностью и лучшей стойкостью при повы­шенных температурах. При сварке меди такого состава швы 'не склонны к образованию горячих трещин, однако в зоне сплав­ления возможно образование пор. Если железо присутствует в виде самостоятельной фазы, медь приобретает магнитные свойства.

Олово в твердой меди не растворяется. При нагреве растворимость олова в меди увеличивается и уже при темпера­туре 200 °С достигает 1 %. Дальнейшее повышение темпера­туры приводит к увеличению растворимости олова в меди. Бронзы, содержащие до 4—5 % олова, являются однофазны­ми, и структура их состоит из а-твердого раствора. При боль­шем содержании олова образуются двухфазные сплавы.

Свинец и висмут не растворяются в меди и обра­зуют эвтектики, залегающие преимущественно по границам кристаллов. При сварке эвтектики приводят к охрупчиванию металла шва. На тепло- и электропроводность меди висмут и свинец существенного влияния не оказывают. Для снижения вредного действия свинца в медь добавляют примеси кальция, циркония или церия, а для нейтрализации отрицательного влияния висмута применяют добавки кальция, лития, магния,

циркония и др.

Ц и н к в меди при комнатной температуре растворяется до 38—39 % с образованием а-твердого раствора. Такая структура сохраняется до температуры 454 °С. Сплавы этой области пластичны и хорошо поддаются обработке давлением в горячем и холодном состоянии. При содержании более 39% цинка сплавы имеют двухфазную структуру а + В

или однофазную В. Они обладают низкой пластичностью и об­рабатываются давлением только в горячем состоянии.

Мышьяк в твердой меди растворим, если его содер­жится до 7,5 %. При незначительном содержании мышьяк не оказывает заметного влияния на механические и техноло­гические свойства меди. Мышьяк нейтрализует вредное дей­ствие висмута, сурьмы и кислорода-, одновременно снижая электро- и теплопроводность меди.

Сурьма (до 9,5 %) растворима в меди при температуре эвтектики 645 °С. При понижении температуры растворимость сурьмы в меди заметно снижается. Сурьма ухудшает механи­ческие свойства меди и снижает ее электро- и теплопроводность. Медь, содержащая небольшие добавки мышьяка, сурьмы и висмута, при нагреве в водороде приобретает склонность к охрупчиванию.

Таким образом, в зависимости от действия на медь примеси можно условно разделить на три группы: I) растворимые в ме­ди в той или иной степени элементы: никель, кремний, мар­ганец, олово, алюминий, цинк, бериллий, железо, сурьма, серебро и др. 2) нерастворимые элементы, образующие с медью легкоплавкие эвтектики, например, свинец, висмут и др.; 3) кислород, кремний, фосфор и др., образующие с медью хрупкие химические соединения.

Элементы первой группы в меди присутствуют в весьма незначительных долях и в допустимых пределах на ее свой­ства существенного влияния не оказывают. При легировании меди в необходимом сочетании элементами первой группы об­разуются сплавы, называемые безоловянными и оловянными бронзами, в сочетании с цинком — латунями. Оловянные брон­зы содержат в качестве легирующего элемента олово, а без­оловянные — алюминий, кремний, железо, марганец и др.

С технологической стороны бронзы подразделяются на ли­тейные и обрабатываемые давлением (деформируемые). Состав оловянных литейных бронз определяет ГОСТ 613—79, а оло­вянных деформируемых бронз — ГОСТ 5017—74. Безоловян­ные литейные бронзы должны соответствовать ГОСТ 493—79, а безоловянные деформируемые — ГОСТ 18175—78.

К оловянным литейным бронзам относятся БрОЦС5-5-5, БрОЦСНЗ-7-5-1 и др., к оловянным деформируемым относятся бронзы БрОФ8,0-03; БрОЦ4-3, БрОЦС4-4-4 и др. В связи с широким интервалом кристаллизации оловянных бронз необ­ходимо большее время для кристаллизации сварочной ванны. Это или однофазную В. Они обладают низкой пластичностью и об­рабатываются давлением только в горячем состоянии.

Г л в в а 3. СВАРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

СВАРОЧНЫЕ ПРОВОЛОКИ

Проволока для сварки алюминия и его сплавов поставляет­ся согласно ГОСТ 7871—75 четырнадцати марок 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; 2,5; 3,15 и т. д. диаметром от 0,8 до 12 мм. Выпускается в бухтах или мотках, а также намотанной на катушки в герметической упаковке. Для сварки магниевых сплавов применяются проволока и прутки согласно ГОСТ 14957—76.

Для сварки меди и ее сплавов проволока изготавливается семнадцати марок, девять из которых выпускаются согласно ГОСТ 16130—72 (например, МНЖКТ 5-1-0,2-0,2). Остальные изготавливаются по стандартам: проволока из меди Ml, М1Р и МЗР по ГОСТ 859—78; бронзовые проволоки БрКМцЗ-1, БрАМц9-2 и БрАЖМц 10-3-1,5 по ГОСТ 18175—78; прово­локи БрОЦ4-3 и БрОФ6,5-0,15 по ГОСТ 5017—74; латунные проволоки Л63, ЛМц58-2, ЛО60-1 и ЛЖМц59-1-1 .по ГОСТ 15527—70. Проволока МНЖ 5-1 выпускается по ГОСТ 17217—79.

Сварочные проволоки диаметром от 0,8 до 8 мм поставля­ются трех типов: мягкая — М, полутвердая —Пт и твердая — Т в бухтах, покрытых слоем консервирующего смазочного ма­териала и обмотанных тканевой лентой. В процессе подготовки к сварке после расконсервации бухты проволоку с внешней стороны протирают ветошью и промывают в техническом ацето­не (ГОСТ 2768—79) или авиационном бензине (ГОСТ 1012—72). Далее проволоки из алюминия и его сплавов подвергаются обезжириванию и травлению, а при необходимости и электро­полированию.

Проволоку из меди и ее сплавов для удаления окислов и других загрязнений обрабатывают в следующей последо­вательности. Вначале подвергают травлению в растворе, г/л: НNОз—250—300, НС1—4,0—5,0 и H2S04—650—700. Темпера­тура раствора должна быть 18—25 °С, время травления 1,0— 2,5 мин. Приведенный раствор можно заменить раствором состава, г/л: КСr207 —100, H2S04—10—20, вода до 1 л. Температура раствора 40—60 °С, время травления 15—25 с. Далее следует промывка в проточной воде в течение 15—25 мин и сушка в сушильном шкафу при температуре 30—60 °С до полного удаления влаги. В процессе сушки дверь сушильного шкафа надо держать приоткрытой.

Никель сваривают проволоками НП1, НП2, НПЗ, НП4 и др. (ГОСТ 2179-75).

Для сварки титана и его сплавов применяются проволоки ВТ 1-00, ВТ 1-0, ОТ4, ОТ4-1, ВТ2св, ВТбсв, СПТ-2, ВТ2, ВТ20-1св, ВТ20-2св и др.

В качестве присадочного металла при сварке свинца слу­жит свинцовая проволока марок С000, С00, CI, С2 и СЗ по ГОСТ 5655—67. При отсутствии свинцовой проволоки исполь­зуют полосы, нарезанные из свариваемого металла, или от­дельно отлитые прутки.