Медь относится к тяжелым цветным металлам, се плотность составляет 8,9 г/см1, что выше, чем у железа. Благодаря высокой электропроводности, теплопроводности и коррозионной стойкости медь заняла прочное место в электропромышленности, приборной технике и химическом машиностроении для изготовления разно­образной аппаратуры. Медь и многие ее сплавы применяют для изготовления изделий криогенной техники. Промышленность вы­пускает медь марок МО (99, 95% Си, примеси не более 0,05%), Ml (99, 90% Си, примеси не более 0,1%) и др. Чистая медь хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии, мало­чувствительна к изменениям низких температур. При повышении температуры прочностные свойства меди изменяются в широких пределах.

В машиностроении получили распространение сплавы на осно­ве меди —латуни и бронзы-, которые имеют лучшие прочностные и технологические характеристики. Латуни —сплавы меди с цинком. Их подразделяют на две группы: простые (однофазные) и многокомпонентные (или специальные). Однофазные латуни (не более 39% Zn) имеют структуру a-фазы и называются а-латунями. Они пластичны, хорошо деформируются в холодном и горячем состоянии. Латуни с содержанием более 39% Zn имеют (а + +(3)-структуры, более твердые и прочные, в сварных конструкциях применяются редко.

Бронзы — сплавы меди с оловом, алюминием, марганцем, же­лезом и другими элементами. Бронзы, у которых основным легирующим элементом является олово, называют оловянными бронзами (БрОФ6,5-0,4; БрОФ4-0,25 и др.). Остальные бронзы в зависимости от основного легирующего компонента называют алюминиевыми, кадмиевыми и т. д. В отдельную группу выделяются сплавы меди с никелем — мельхиоры, в качестве лигирующего

компонента содержащие никель, например МН20 (20% Ni), и нейзилъберы —сплавы с никелем и цинком, например МНц19-20 (19% Ni и 20% Zn). В них могут вводиться и другие элементы, такие сплавы получили название специальных Мельхиоров и нейзилъбе - ров. Сплавы этой группы обладают повышенной коррозионной устойчивостью и применяются в судовой и химической аппаратуре.

Медь и ее сплавы свариваются многими способами. При оценке свариваемости необходимо учитывать, что медь и ее сплавы отлича­ются от большинства других конструкционных материалов более высокой теплопроводностью (в 6 раз выше, чем у железа), коэффициентом теплового расширения (в 1,5 раза больше, чем у стали) и величиной усадки при затвердевании (в 2 раза больше, чем у стали). Медь и ее сплавы склонны к пористости и возникновению кристаллизационных трещин, активно поглощают газы, особенно кислород и водород, которые оказывают вредное влияние на проч­ностные и технологические характеристики.

Кислород растворим в твердой меди. При повышении темпера­туры медь активно окисляется, образуя оксид (закись) меди Си20, который при затвердевании образует с медью эвтектику Cu-Cu20. Располагаясь по границам зерен, эвтектика снижает коррозионную стойкость и пластичность меди. При содержании в меди кислорода более 0,1% затрудняются процессы горячей деформации, сварки и других видов горячей обработки. Водород хорошо растворяется в жидкой меди. В затвердевшем металле растворимость водорода незначительна С повышением температуры растворимость водоро­да возрастает, особенно при переходе в жидкое состояние. Азот имеет малое сродство к меди и нерастворим в ней. Насыщение металла шва газами может быть предпосылкой к образованию пористости. Пористость в швах могут вызвать водяные пары, появившиеся в металле в результате реакции С кислородом оксида меди Си2 О. Водяные пары, накапливаясь в микродефектах металла, создают в них давление, разрушающее металл с образованием микротрещин. Это явление носит название водородной болезни меди. Возникновение пор и микротрещин может быть связано и с усадочными явлениями, протекающим и в процессе кристалл изации сварного шва. Низкая стойкость меди и ее сплавов против возникно­вения пор в швах в основном обусловлена активным взаимо­действием меди с водородом и протеканием при этом сопутствующих процессов (образование водяных паров, выделение гозообразного водорода).

Медь и ее сплавы при сварке подвержены образованию горячих трещин. Это обусловлено высоким значением коэффициента теп лового расширения, большой величиной литейной усадки при затвердевании и высокой теплопроводностью в сочетании с нала

чием в меди и ее сплавах вредных примесей (кислорода, сурьмы, висмута, серы, свинца), которые образуют с медью легкоплавкие эвтектики. При затвердевании металла шва эвтектики сосредо­точиваются по границам кристаллитов, снижая межкристаллитную прочность. Для обеспечения высоких свойств металла концент­рацию примесей в меди ограничивают. Например, в меди допуска­ется не более 0,005% сурьмы, 0,005% висмута, 0,004% серы.

При сварке меди и ее сплавов в швах формируется круп- нокристаллистическая структура. Это связано с тем, что высокая теплопроводность меди и ее сплавов при сварке способствует интенсивному распространению теплоты от центра сварного шва ь основной металл. При этом создаются благоприятные условия для направленной кристаллизации от зоны сплавления в глубь свароч­ной ванны. В шве кристаллиты вытягиваются в направлении теп­лового потока, образуя крупнозернистую столбчатую структуру. Интенсивное распространение теплоты в основной металл при сварке способствует также росту зерна в зоне термического влияния.

Основными трудностями при сварке меди являют­ся: I) легкая окисляемость в расплавленном состоянии, что способ­ствует образованию горячих трещин; 2) влияние вредных примесей, усугубляющих склонность к трещинообразованшо и охрупчиванию металла швов; 3) высокая чувствительность к вредному влиянию водорода; 4) склонность к росту зерна и связанному с этим охрупчиванию под влиянием сварочного нагрева в зоне термичес­кого влияния.

Дополнительными технологическими труд­ностями при сварке меди являются высокая теплопроводимость, высокий коэффициент теплового расширения, жидкотекучесть.

Способы и технологию сварки выбирают с учетом рассмотрен­ных особенностей. Одна из главных задач заключается в том, чтобы не допустить образования и нейтрализовать вредное влияние оксида Cu20. С этой целью для защиты используют инертный газ, флюсы и покрытия, содержащие борные соединения (бура, борный ангидрид, борная кислота), и сварочные проволоки с активными раскислителями, например проволоку БрКМцЗ-1, содержащую кремний и марганец и др.

В связи с высокой теплопроводностью меди и ее сплавов для осуществления местного расплавления при сварке необходимо применять источники нагрева с высокой тепловой мощностью и концентрацией энергии в пятне нагрева. Из-за быстрого отвода теплоты ухудшается формирование шва, возрастает склонность к появлению в нем дефектов (наплывов, подрезов и др.). В связи с этим сварку деталей свыше 10—15 мм обычно выполняют с пред­варительным и сопутствующим подогревом. Изделия из меди подог­ревают до температуры 250—300°С, латуней —до 300—350°С, бронзы —до 500—600°С.

Тонколистовые конструкции с толщиной стенки 1,5—2 мм сваривают встык без скоса кромок или с отбортовкой кромок. Листы толщиной до 5 мм можно сваривать также без скоса кромок, но с зазором до 1,5 мм. Детали большой толщины сваривают со скосом кромок.

Основными способами сварки меди являются ручная дуговая покрытыми электродами, автоматическая под флюсом, в защитных газах плавящимся и неплавящимся электродами. Сварку проводят в нижнем положении на подкладках из меди, графита, флюсовой подушке. Соединения больших толщин с угловыми швами реко­мендуется сваривать «в лодочку». В качестве присадочного металла применяют прессованные прутки или проволоку диаметром 3—10 мм. Химический состав присадки выбирают в зависимости от требований к сварным швам и способов сварки.

Конструкции из меди сваривают с присадочной проволокой аналогичного состава или легированной фосфором и кремнием до 0,2—0,3%. При введении в сварочную ванну раскислителей происходит восстановление Си20 й металл шва очищается от кисло­рода. Для повышения прочности шва используют присадку, легированную другими элементами.

Все латуни хорошо свариваются аргонодуговой сваркой непла­вящимся вольфрамовым электродом. При сварке простых латуней присадкой рекомендуется сварочная проволока из алюминиевой и кремниевой бронзы. При сварке сложных латуней и бронз приса­дочную проволоку используют того же состава, что и свариваемый материал.

Дуговую сварку покрытыми электродами выполняют на посто­янном токе обратной полярности, стремясь поддерживать короткую дугу без колебаний конца электрода. Силу тока выбирают в зави­симости от диаметра электрода из расчета /св ~ (50-г 60) d. Физические и механические свойства швов обеспечивают подбором химического состава электродного стержня и покрытия.

Автоматическую сварку под флюсом выполняют на постоянном токе обратной полярности. В сочетании с электродной проволокой Ml используют флюсы АН-348, ОСЦ-45, АН-26 и др.

Дуговая сварка в защитных газах (ручная или автоматическая) может быть выполнена в среде аргона, гелия и их смесей вольфра­мовым электродом или плавящейся электродной проволокой. Защитным газом для меди может служить и азот, но требуется его предварительная тщательная очистка от паров влаги. При сварке в качестве присадочного материала используют сварочную проволоку БрХ0,7, БрКМцЗ-1 или медь марки Ml с добавкой фосфора и кремния до 0,1—0,2%. Фосфор и кремний хорошо раскисляют сварочную ванну, снижают пористость и обеспечивают высокие физико-механические свойства сварных швов.

При сварке латуней марок Л59, Л63, Л68 и других рекомендуется применять присадочный металл, легированный кремнием и желе­зом (ЛК80-3, ЛМц59-0,2, ЛЖМц59-1-1, БрКМцЗ-1). Для сварки сложных латуней и бронз присадочный металл выбирают ана­логичным основному.

Специфической особенностью при сварке латуней является интенсивное испарение цинка в процессе сварки, так как темпера­тура испарения пинка 9071>С близка к температуре плавления латуни 910°С. При этом снижается содержание цинка в металле шва и ухудшаются механические свойства соединения. Кроме того, пары цинка опасны для работающего. Для уменьшения выгорания цинка целесообразны сварка на пониженной мощности, применение присадочного металла, содержащего кремний, который создает на поверхности ванны защитную оксидную пленку Si02, препятству­ющую испарению цинка, использование защитных флюсов.

Специфической трудностью при сварке бронз является их повы­шенная жидкотекучестъ. При сварке бронз, содержащих алюминий, возникают трудности, вызванные образованием оксида алюминия AIjO), поэтому способы и технологию выполнения сварки выбирают такие же, как и при сварке алюминия, а режимы —характерные для медных сплавов.

Контрольные вопросы

1. Назовите отличия свойств цветных металлов от сталей. Их поведение в условиях сварки.

2. Какие трудности возникают при сварке алюминия и ставов на его основе?

3. Чем различаются магниевые и алюминиевые сплавы но отношению к условиям сварки?

4. Каковы особенности свойств титана и его сплавов? Их поведение при сварке.

5. В чем заключаются основные трудности сварки плавлением титана и его сплавов?

6. В чем сЛстоит различие в свойствах меди и ее ставов от свойств других конструкционных материалов, например сталей?

7. Какие трудности возникают при сварке меди и ее ставов?

8. Каким образом происходит удаление оксидов с поверхности сварочной ванны при аргонодуговой сварке алюминиевых сплавов вольфрамовым электродом?

9. Почему' не применяют дуговую сварку покрыт ыми электродами для титановых сплавов?

Глава 21