Воздух друг...

Медь и ее сплавы
В начале, отметим такие технические характеристики меди и ее сплавов, как высокая стойкость по отношению к воздействию различных химических веществ, сохранение высоких механических свойств в условиях глубокого холода, высокие показатели теплопроводности и электропроводности.

Техническая медь в зависимости от марки может иметь различное количество примесей: Bi, Sb, As, Fe, Ni, Рb, Sn, S, Zn, P, О. В наиболее чистой меди марки M00 примесей может быть до 0,01%, марки М4 - до 1%. Сплавы на медной основе в зависимости от состава легирующих элементов относятся к латуням, бронзам, медно-никелевым сплавам.

Латунь. Латунями называют сплавы меди с цинком (простые латуни); содержание цинка может достигать 42 %. Если, помимо цинка, сплав содержит и другие легирующие элементы (Al, Fe, Ni, Si), сплав относят к сложным латуням. Латуни имеют повышенную прочность по сравнению с чистой медью (sigmaв до 50 кгс/мм2)(или предел выносливости до 470 МПа). Однако при содержании свыше 20% Zn появляется склонность сплава к коррозионному растрескиванию и образованию трещин при местном нагреве. Латуни широко применяют в качестве конструкционного материала, обладающего высокой коррозионной стой-костью и более прочного, чем медь.
Сплавы на медной основе, в которых цинк не является основным легирующим элементом, называют бронзами. Название бронзы уточняется по главному легирующему элементу, благодаря которому бронза приобретает те или иные свойства. Широкое применение находят бронзы оловянные (2-10% Sn), алюминиевые (4-11,5% А1), кремнистые (0,5-3,5% Si), марганцевые (4,5- 5,5% Мп), бериллиевые (1,9-2,2% Be), хромистые (0,4-1% Сг).

Оловянная бронза имеет хорошую коррозионную стойкость и антифрикционные свойства. Поэтому они широко применяются при изготовлении коррозионно-стойкой арматуры, для различных трубопроводов, вкладышей подшипников и т. д. Бронзы алюминиевые и кремнистые имеют высокие механические свойства и хорошую коррозионную стойкость. Они более дешевы. Если позволяют условия работы, их широко используют взамен оловянных. Марганцовистые бронзы помимо хорошей коррозионной стойкости обладают повышенной жаропрочностью. Бериллиевые бронзы имеют высокую коррозионную стойкость и после термообработки становятся немагнитными с очень высокой прочностью, соответствующей прочности стали. Из этих бронз изготовляют различные гибкие, прочные элементы в приборах и различных устройствах,
Медно-никелевые сплавы могут содержать до 30% Ni, а также железо, марганец. Сплав МНЖ 5-1, прочный и коррозионно-стойкий, широко используют как конструкционный для изготовления трубопроводов и сосудов, работающих в агрессивных средах (морской воде, растворах солей, органических кислотах). Сложная композиция сплавов на медной основе, наличие разнообразных компонентов в виде примесей в технической меди обусловливают определенные трудности при сварке этих металлов.

Необходимо учитывать следующие особенности меди и ее сплавов, влияющие на технологию сварки.

Особенности меди
1. В связи с высокой температурой и теплопроводностью, затрудняющими локальный разогрев, требуются более концентрированные источники нагрева и повышенные режимы сварки. Однако в связи со склонностью меди к росту зерна при сварке многослойных швов металл каждого прохода для измельчения зерна проковывают при температурах 550-800 град. С.

2. Легкая окисляемость меди при высоких температурах приводит к засорению металла шва тугоплавкими окислами. Закись меди растворима в жидком металле и ограниченно - в твердом. С медью закись образует легкоплавкую эвтектику Си-Си2О (температура плавления 1064 град. С), которая сосредоточивается по границам зерен и снижает пластичность меди, что может привести к образованию горячих трещин.
Как следует из диаграммы состояния медь - кислород, незначительная концентрация кислорода снижает температуру плавления меди, при содержании кислорода 0,38% (что соответствует 3,4% Сu2О) образуется эвтектика с температурой плавления 1064 град. С. В связи с указанным и ввиду ограниченной по времени возможности металлургической обработки металла сварочной ванны (малое время существования из-за большой теплопроводности меди) необходимо введение энергичных раскислителей - фосфора, марганца, кремния и др. при ограничении содержания кислорода до 0,03%; в особо ответственных конструкциях (например, судовые трубопроводы, сосуды и т. п.) содержание кислорода допускается не более 0,01%.

Для разрушения тугоплавких окислов, образующих пленку на поверхности сварочной ванны, применяют флюсы на основе буры (95% Na2B4O7 и 5% Mg), которые способствуют химической очистке, переводя тугоплавкие окислы в легкоплавкие комплексные соединения.

Однако применение фосфора для целей раскисления следует ограничивать, так как он также дает легкоплавкие эвтектики. Раскислитель, участвуя в металлургическом процессе сварки, не только раскисляет металл, но одновременно и легирует его, что может снизить его коррозионную стойкость и электропроводность.

3.Наличие некоторых примесей может способствовать склонности сварных соединений к образованию трещин. Так, например, висмут, образующий ряд окислов BiO, Bi2O3, Bi2O4, Bi2O5, дает легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 270 град. С, а свинец, образующий окислы РЬО, РЬО2, РЬ2О3, дает легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 326 град. С. По указанной причине должно быть резко ограничено содержание этих примесей (Bi < 0,002%; Pb < 0,005%), либо они должны быть связаны в тугоплавкие соединения введением в сварочную ванну таких элементов, как церий, цирконий, играющих одновременно роль модификаторов.
При сварке алюминиевых бронз легко образуется тугоплавкий окисел Аl2О3, засоряющий сварочную ванну, ухудшающий сплавление металла и свойства сварного соединения. Для его разрушения применяют флюсы, состоящие из фторидов и хлоридов, щелочных и других металлов.

4. При сварке латуней возможно испарение цинка (температура кипения 907 град. С, т. е. ниже температуры плавления меди). Образующийся окисел цинка ядовит, поэтому при сварке требуется хорошая вентиляция. Испарение цинка может привести к пористости металла шва. Это осложнение удается преодолеть предварительным подогревом металла до температуры 200 -300 град. С и повышением скорости сварки, уменьшающим растекание жидкого металла и испарение цинка.
Высокий коэффициент линейного расширения (в 1,5 раза больше, чем у стали) может вызвать при сварке повышенные температурные и остаточные сварочные напряжения и деформации. Сочетание высоких температурных напряжений со снижением механических свойств может способствовать образованию трещин. Для уменьшения деформации конструкции сварку ведут в жестком закреплении, по прихваткам. При повышенной толщине металла регулируют величину зазора.

5. Медь в расплавленном состоянии поглощает значительные количества водорода. При кристаллизации металла сварочной ванны с большой скоростью ввиду высокой теплопроводности меди и резким уменьшением растворимости водорода в металле атомарный водород не успевает покинуть металл за счет десорбции. Закись меди восстанавливается водородом с образованием паров воды, что приводит к образованию в шве пор и трещин.

В околошовной зоне диффузионно-подвижный водород взаимодействует с Сu2О, располагающейся по границам зерен; образующиеся пары воды, которые не растворяются в меди и не могут из нее выйти, создают в металле значительные напряжения, приводящие к образованию большого числа микротрещин. Это явление получило название водородной болезни меди. Для предупреждения водородной болезни меди следует снижать количество водорода в зоне сварки (прокалка электродов и флюсов, применение осушен-ных защитных газов). Окись углерода также может участвовать в раскислении меди, что также способствует образованию пор. Сродство меди к азоту весьма мало, поэтому азот можно использовать при сварке меди в качестве защитного газа.

6. Повышенная жидкотекучесть расплавленной меди и ее сплавов (особенно бронзы) затрудняет сварку в вертикальном и потолочном положениях, поэтому чаще всего сварку ведут в нижнем положении. Для формирования корня шва без дефектов необходимы подкладки.
Для меди и сплавов на ее основе могут быть использованы все основные способы сварки плавлением.