СВАРКА СТАЛЕЙ С МЕДЬЮ И ЕЕ СПЛАВАМИ. Сварка стали и меди
СВАРКА СТАЛЕЙ С МЕДЬЮ И ЕЕ СПЛАВАМИ
СВАРКА разнородных металлов и сплавов
При изготовлении испарителей, эжекторов, фурм доменных печей и конвертеров, кристаллизаторов, химической аппаратуры, электровакуумных приборов и во многих других случаях возникает необходимость соединения сталей различных классов с медью и ее сплавами —латунью, бронзой.
По вопросам сварки сталей с медью и ее сплавами опубликовано довольно большое количество работ [123, 145, 181, 185 и др.]. Это объясняется прежде всего разнообразием и трудностью задач, которые приходится решать в каждом конкретном случае. Помимо непосредственной сварки медных деталей со стальными, в целях экономии цветных металлов целесообразна наплавка меди, бронзы или латуни на стальные поверхности. В промышленности используют также стали, плакированные медью и ее сплавами, например биметалл сталь—латунь, в котором высокая прочность и достаточная пластичность сочетаются с коррозионной стойкостью, хорошей теплопроводностью и электропроводностью, высокими антифрикционными свойствами. Эти биметаллы могут подвергаться самым различным технологическим операциям —штамповке, гибке, сварке и др.
Из диаграммы состояния бинарной системы железо—медь следует, что железо с медью сплавляется во всех соотношениях. При этом максимальная растворимость меди в 8-железе составляет 6,5 %, в у-железе 8 %, в а-железе 1,4 % при 850 °С. Медь растворяет в себе железо в следующих количествах: при температуре 1094 °С 4 %; при 650 °С 0,2 %. Рассмотрим характерные особенности взаимодействия этих двух металлов. При наплавке меди на аустенитную сталь 12Х18Н9Т и их сварке наблюдается проникание меди в сталь. Наличие ферритной фазы в стали уменьшает проникание в нее меди, а содержание феррита более 30 % в аустенитно-ферритной стали — полностью устраняет. Предварительный подогрев стали 12Х18Н9Т до температуры 800 °С вызывает выделение ферритной фазы. Проникание меди при этом снижается [6, 7].
Была высказана следующая гипотеза [7 ]: трещины при наплавке меди на сталь образуются в результате совместного действия жидкой меди, проникающей в микронадрывы, которые возникают при кристаллизации матричной фазы —стали (эффект Ребиндера), и термических напряжений растяжения. Необходимым условием возникновения этого эффекта является смачивание стенок капилляра. Из двух фаз, присутствующих в рассматриваемых сталях, жидкая медь смачивает аустенит (у-фазу) и не смачивает феррит (a-фазу). Определено, что расклинивающее давление жидкой меди на сталь равно ~25 МПа.
Проникание меди в сталь на глубину от нескольких микрометров до нескольких десятков миллиметров при наплавке, сварке и пайке
Рис. 59. Сопротивление усталости биметаллических образцов
отмечено в работах [16,35,128 и др. ]. При этом допустимая глубина проникания, не влияющая на механические свойства стали, ограничивается 0,3—0,5 мм. Считают, что на проникание меди в сталь при наплавке, сварке, пайке оказывают влияние следующие факторы: время контактирования расплавленной меди со сталью, с увеличением которого увеличивается глубина проникания; напряженное состояние металла при наплавке, сварке и пайке; структурное состояние, химический состав стали.
В работе [16] показано, что проникание сплава МНЖКТ5-1- -0,2-0,2 в сталь 20, СтЗсп и т. п. на глубину 0,8 мм практически не влияет на статическую и циклическую прочность биметаллических образцов. В то же время при наплавке оловянной бронзы на сталь глубина проникания 2—13 мм существенно снижает временное сопротивление и сопротивление усталости биметалла [39, 164].
При исследовании влияния проникания медного сплава в сталь толщиной 30 мм с ав = 900 —1000 МПа на свойства биметаллических образцов в качестве наплавляемого металла применяли проволоку из сплава МНЖКТ5-1-0,2-0,2 диаметром 2 мм. Наплавку выполняли сжатой дугой на обратной полярности с токоведущей присадочной проволокой на режиме: ток в цепи вольфрамовый электрод — изделие 200—220 А, в цепи вольфрамовый электрод — присадочная проволока 80—100 А, амплитуда колебаний сварочной головки 20 мм, частота колебаний 35—40 в минуту, скорость наплавки 6—7 м/ч. Наплавка сжатой дугой была выбрана потому, что она обеспечивает отсутствие включений железа и кристаллизационных прослоек в наплавленном металле, что может иметь место при других способах наплавки, когда происходит расплавление стали.
Установлено, что проникание медного сплава в высокопрочную сталь на глубину 1,2 мм практически не сказывается на статической и циклической прочности при растяжении, статическом и ударном изгибе биметаллических образцов, а также на прочности сцепления наплавленного металла со сталью. В качестве примера на рис. 59 приведены результаты испытания на установке ГРМ-1 при пульсирующем растяжении с частотой 400—600 циклов в минуту.
Сварка и наплавка трением. Возможность получения качественного соединения меди и медно-никелевого сплава с различными углеродистыми сталями показана в работе [177]. Для сварки трением меди МЗр, М2, медно-никелевого сплава МН95-5 (95 % Си, 5 % Ni) со сталями 20, 45 и 60 использовали серийное оборудование (МСТ-31, МСТ-23, МСТ-2001).
| Режимы сварки трением
|
Один из основных параметров, определяющих качество сварного соединения, — максимальная температура в стыке. Последняя зависит от скорости скольжения и состава свариваемых металлов. Так, при сварке трением стали 20 с той же сталью максимальная температура составляет —1200 °С, при сварке стали с медью ~700—800 °С и при сварке меди с медью ~400 °С. Во всех^случаях максимальная температура в стыке ниже температуры плавления более легкоплавкого металла. Увеличение скорости вращения приводит не только к повышению максимальной температуры в стыке, но и к возрастанию градиента температур.
При отработке режимов сварки цилиндрических образцов различных диаметров удалось получить соединения с механическими свойствами, соответствующими свойствам отожженной меди (табл. 19).
Для получения стабильного качества режимы сварки (давление при нагреве рн, время нагрева и давление проковки /?пр) варьировали в широких пределах. Металлографические исследования показали, что образование соединения происходит за счет совместного перемешивания поверхностных слоев меди и стали.
Контактная сварка. Сварку стали 10 с латунью Л63 выполняли на контактных машинах МТПК-251 и КТ-801. Стальные образцы (толщиной 1,2—1,6 мм) перед сваркой обезжиривали, а латунные (толщиной 1,2—1,6 мм) механически зачищали.
При сварке меди и ее сплавов требуются определенные технологические приемы, обеспечивающие высокую концентрацию теплоты в месте контакта деталей [128]. Один из этих приемов — установка теплового экрана, например молибденовой пластины толщиной 0,6 мм, между латунным листом и медным электродом для создания необходимой концентрации теплоты в месте контакта деталей, при этом рост ядра точки ускоряется примерно на 20 %.
Образцы, выполненные точечной сваркой с помощью молибденового экрана, при испытании на разрыв во всех случаях разрушались с вырывом точки из латунной или стальной пластины, что свидетельствует об удовлетворительном качестве сварного соединения.
Сварка взрывом. Изучены строение и свойства биметалла сталь 16ГС + медь М1б, полученного сваркой взрывом [161]; толщина плакирующего слоя составляла 4—10 мм. Для назначения оптималь-
ных режимов последующей (после сварки) горячей прокатки для листов заданных размеров необходимо знать закономерности изменения строения и физико-механических свойств при нагреве биметаллических заготовок в процессе сварки взрывом. Образцы для испытаний вырезали из различных участков по длине и ширине двухслойной заготовки.
При изучении строения биметалла при температуре 20 °С установлено наличие плотного соединения слоев биметалла (лишь в 3 % образцов были обнаружены поры и микротрещины в зоне сварки). Предел*прочности при срезе составлял 153—310 МПа, при отрыве 234—342 МПа; более 80 % образцов выдержали испытания на изгиб, пластические свойства биметалла после сварки низкие (б = 8,0-ь
17,5 %). Металлографическое исследование образцов выявило типичную для сварки взрывом картину на контактирующих поверхностях: волнообразная граница раздела слоев с отдельными участками, где движение металла в момент сварки носило турбулентный характер [161].
Микрорентгеноспектральный анализ показал, что в зонах перемешивания, расположенных во впадинах волн, содержится 40—50 % Си и 45—55 % Fe, а в зонах, расположенных на гребнях волн, 55— 65 % Си и 30—40 % Fe. Поскольку взаимная растворимость меди и железа в твердом состоянии в равновесных условиях невелика, образование фазы, содержащей столь значительные количества железа и меди, возможно лишь при расплавлении соприкасающихся при взрыве участков и последующей их закалке за счет высокой скорости теплоотвода [38].
Одночасовой отжиг при температуре 700 или 900 °С приводит к росту относительного удлинения до 25 % при соответственном снижении временного сопротивления до 380—420 МПа. При этом уменьшаются различия в свойствах образцов, вырезанных из разных зон двухслойной заготовки. Изменение свойств биметалла после отжига связано с развитием рекристаллизации как в основном, так и в плакирующем слоях. В стали и меди обнаружены участки рекри - сталлизованных зерен, пластически деформированные зоны и участки с равновесной структурой.
Диффузионная сварка. Одним из наиболее перспективных способов соединения разнородных металлов давлением является диффузионная сварка в вакууме, которая обеспечивает получение вакуумно-плотных, термостойких, вибропрочных сварных соединений при сохранении высокой точности геометрических размеров и форм изделий (табл. 20) [58].
Микроструктурный анализ соединений, сваренных по разработанным оптимальным режимам, показал отсутствие непроваров, микротрещин и других внутренних дефектов.
Сварка плавлением. Коррозионно-стойкая сталь типа 18-8 с однофазной аустенитной структурой при наплавке на нее меди и сплавов на медной основе обладает повышенной склонностью к образованию макротрещин [6, 7], чему способствует проявление так называемого адеорбционно-расклинивающего эффекта. Для устранения появле-
| Режимы диффузионной сварки меди со сталью
|
ния трещин рекомендуется предварительно наплавлять на сталь подслой аустенитно-ферритного металла или применять промежуточную вставку [128]. Кроме этих вариантов, в работах [1, 2] описаны эксперименты по непосредственной сварке стали с медью.
В связи с необходимостью расширения области применения сварных соединений стали с медью и ее сплавами, в частности при изготовлении изделий, работающих в условиях циклического нагружения, проведены исследования прочности таких соединений [2]. Проводили сравнительную оценку циклической прочности разнородных сварных соединений стали 12Х18Н10Т, содержащей 2,5 % фер - ритной фазы, с медно-никелевым сплавом МНЖ5-1 и с медью МЗр. На торцы стальных пластин толщиной 10 мм аустенитно-ферритной проволокой 08Х19Н9Ф2С2 предварительно наплавляли три слоя (каждый толщиной 1,5—2,5 мм). Наплавленные поверхности подвергали механической обработке для подготовки V-образных кромок к сварке. При этом следили за тем, чтобы в процессе механической обработки не был удален третий наплавленный слой. Сварку необходимо производить по этому третьему слою. Другие пластины подготовляли к сварке без предварительной наплавки торцов. Затем производили аргонодуговую сварку стальных пластин с пластинами из сплава МНЖ5-1 и медью присадочной проволокой из сплава МНЖКТ5-1-0,2-0,2.
Результаты испытания образцов на усталость при циклическом растяжении, выполненном на вибраторе в условиях постоянства амплитуды нагрузок, представлены на рис. 60 [2]. Циклическая прочность (на базе 2-Ю5 циклов нагружений) сварных соединений меди МЗр и сплава МНЖ5-1 со сталью, выполненных без предварительной наплавки, такая же, как прочность сварных соединений сплава МНЖ5-1 со сплавом МНЖ5-1 и меди с медью.
Предварительная наглазка кромок аустенитной стали аустенит- но-ферритными сварочными материалами не повышает циклической прочности сварных соединений меди и сплава МНЖ5-1 со сталью. Результаты исследований позволили рекомендовать применение непосредственной аргонодуговой сварки соединений меди МЗр и сплава МНЖ5-1 со сталью 12Х18Н10Т с использованием проволоки МНЖКТ5-1-0,2-0,2 даже в тех случаях, когда сваренные изделия работают в условиях повторно-переменного (циклического) нагружения.
| Рис. 61. Угловой шов стыкового соединения сплава БрХ1 со сталью |
| Рис. 60. Кривые усталости сварных соединений: 1 — сплав МНЖ5-1 со сталью 08Х18Н10Т без предварительной наплавки; 2 — то же, с предварительной наплавкой; 3 — медь МЗр со сталью 08Х18Н10Т без предварительной наплавки; 4 — то же, с предварительной наплавкой |
msd.com.ua
Сварка меди и ее сплавов со сталью
В равновесном состоянии при комнатной температуре медь растворяется в а-Ре в количестве до 0,3 %, а железо в меди в количестве до 0,2 %. Хрупких интерметаллидов не образуется. В связи с большими скоростями охлаждения при сварке в переходном слое возникает пере-
сыщенный твердый раствор меди с железом, но даже при содержании железа до 2-3 % структурно свободное железо не обнаруживается. Граница сплавления между сталью и медью резкая, с включениями фазы, обогащенной железом. Ухудшает взаимную растворимость железа и меди наличие в стали углерода, а улучшает марганец и кремний.
Затруднения при сварке и наплавке меди на сталь связаны с высоким сродством меди к кислороду, низкой температурой плавления меди, значительным поглощением жидкой медью газов, разными величинами коэффициентов теплопроводности, линейного расширения. Одним из возможных основных дефектов при сварке следует считать образование в стали под слоем меди трещин, заполненных медью или ее сплавами, что объясняется расклинивающим эффектом жидкой меди, проникающей в микронадрывы в стали по границам зерен при одновременном действии термических напряжений растяжения. Однако на углеродистых и низколегированных сталях (Ст3, 10ХСНД и др.) трещин мало и размеры их невелики. В сталях, содержащих повышенное количество легирующих элементов (например, 18-8), число и размеры трещин резко возрастают. Чтобы уменьшить опасность образования в стали трещин, рекомендуется вести сварку на минимальной погонной энергии, в качестве присадки применять никелевый сплав МНЖ5-1 или бронзу БрАМц 9-2. Наличие никеля и алюминия в жидком металле снижает его поверхностную активность, что уменьшает опасность образования глубоких трещин в стали.
Медь, латунь и бронза успешно сваривается со сталями всеми способами сварки плавлением на тех же режимах, что и стальные соединения соответствующих сечений. Однако дуга несколько смещается в сторону меди или ее сплавов. При этом необходимо учитывать следующее. Оптимальные условия наплавки меди на сталь требуют, чтобы не было расплавления стали и она хорошо смачивалась (для этого ее температура не должна превышать 1100 °С), и длительность контактирования меди со сталью при этой температуре должна быть не менее
01-0,05 секунд. Для соединения меди и ее сплавов со сталью лучше всего применять аргонодуговую сварку, а для наплавки цветных металлов на сталь - наплавку плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой.
Для сварки меди, бронзы БрАМц 9-2, бронзы БрКМц 3-1, латуни Л90 со сталями типа Ст3, 10, 09Г2С применяют: при ручной дуговой сварке электроды «Комсомолец», для сварки под флюсом ОСЦ-45 проволоку БрКМц 3-1, под флюсом АН-26 проволоку БрХ0,5, а при сварке в защитных газах проволоки БрКМц 3-1, БрАМц 9-2, МНЖ 5-1. В ряде случаев необходим предварительный подогрев изделия. Режимы сварки во всех случаях назначаются такими же, как и при сварке меди и ее сплавов. При указанных сварочных материалах и способах сварки обеспечивается равнопрочность сварного соединения (по цветному металлу) при статической нагрузке. Для сварного соединения медь М3С + Ст ав=21-24 кг/мм . Сварные соединения обладают удовлетворительной пластичностью: при ручной дуговой сварке угол загиба 40-85°, при аргонодуговой сварке - 110-180°. Более высокое качество сварных соединений при аргонодуговой сварке объясняется тем, что в этом случае в металле шва содержание железа не превышает 8-10 %, а при ручной дуговой сварке достигает 50-55 %. Указанные способы обеспечивают также достаточно высокую усталостную прочность сварных соединений.
Иногда применяют способ электрошлаковой наплавки, наплавки бронзы на сталь трением, диффузионную сварку меди со сталью. Медь и ее сплавы хорошо свариваются со сталью сваркой взрывом. Так, прочность сварного соединения меди М3 со сталью 1Х18Н9Т составляет 16,8 кг/мм при отсутствии резкого повышения микротвердости в зоне сплавления.
studfiles.net
Сварка стали с медью и ее сплавами
Находясь в равновесном состоянии, под воздействием комнатной температуры, медь растворяется в ферруме (Fe), количество которого равно примерно 0,3% (не более), а количество железа, которое должно присутствовать в меди, не должно превышать 0,2%. В связи с этим, не будет образовываться хрупких интерметаллидов. Так как в процессе сварки происходят большие и быстрые охлаждения, в переходных слоях начинает формироваться пересыщенный твердый раствор, состоящий из меди и железа.
Однако, при содержании феррума (Fe), в количестве 2-2,5%, структурно-свободное железо образовывать не будет. Граница сплавления между материалом из стали и меди является резкой, во время этого включаются фазы, которые обогащены железом самого разного размера. Со стороны стали, которая примыкает к сварочному шву, размер зерна будет увеличиваться, в ширине зоны, около 1,5-2,5 мм. При этом микротвердость зоны, в которой происходит сплавление, будет достигать 5800-6200 HV.
Значительное ухудшение растворимости железа и меди вызывает присутствие в стали большого количества углерода. А вот улучшать этот процесс поможет марганец или кремний. В процессе сварки, марганец будет снижать критическую точку Ас-3, а вместе с тем, расширять область твердого раствора, где медь будет растворяться в большем количестве, а кремний при этом будет раскисливать сварочную ванну, а также упрочнять зерна твердых растворов.
Отметим также, что затруднения в процессе сварки или же наплавки меди на стальные детали могут быть связаны также с её собственными, физико-химическими параметрами, а также высоким сродством меди и кислорода, а также низкой температуры расплавления самой меди. Проблемы также возникают из-за значительного поглощения газов расплавленной медью, а также разницей в коэффициентах теплопроводности, коэффициенте линейного расширения и т.д. Один из основных и возможных дефектов во время сварки стали и меди, это возникновение в стали микротрещин, которые образовываются под слоем расплавленной меди, в процессе которые заполняются этой самой медью. Данное явление возникает вследствие расклинивающей способности жидкой меди, которая проникает в микронадрывы. Однако, слишком критических последствий данный процесс не вызывает, а лишь слегка ухудшает качество сварного соединения.
В углеродистой или же низколегированной стали, образуется очень малое количество подобных трещин. Если они и формируются, то размеры их очень малы. А вот в стали, которая имеет аустенитную структуру (как правило, это тип 18-8), количество, а также размеры трещин очень легко и резко возрастает. Поэтому, в процессе сварки, в стали данного типа вводят специальный барьер, состоящий из ферритной фазы. Так, при количестве феррита более 30%, в стали марки 18-8 медь не проникает, это происходит благодаря тому, что феррит не смачивается расплавленной медью, поэтому проникновения меди в сталь не будет происходить.
Чтобы в значительной степени уменьшить образование подобных трещин, в процесс сварки рекомендуют подключать минимальное количество погонной энергии. В качестве же присадочных материалов, рекомендуется использование никелевых сплавов типа МНЖ 5-1, или же бронзы типа БрАМц 9-2. Присутствие в сварочном процессе никеля, а также алюминия, уменьшает активность воздействия жидкого металла в этих самых микротрещинах, поэтому это предотвращает и образование более глубоких трещин в стальных деталях. Таким образом, сварка стали с медными сплавами, и, непосредственно, медью, происходит таким способом.
www.vse-o-svarke.org
Сварка меди
Начну с самой методики сварки меди, бронзы, латуни. Основным компонентом является медь а значит все характеристики сплавов будут схожи между собой. По листовым материалам толщиной до 10mm не требует подогрева если правильно подобран электрод, присадочный материал или проволока. Если есть небольшое расхождение в химическом составе материалов и при первом шве пошла трещина то придется подогревать до 200 градусов, на протяжении всей сварки и после в течении 2 часов. Что бы металл толщиной до 5mm не вело при сварке и не втягивало шов нужно сделать зазор 2mm между листами. Стык приподнять на излом с расчетом усадки шва. На рисунке покажу как это выглядит.
Кромки зачистить до металлического блеска. Флюс так же ни кто не отменял. Если его можно применять для определенного металла то пожалуйста. Они хорошо растворяются в воде спирте, растворители. Сыпучий довольно трудно использовать а жидкий нанес и дал просохнуть. При сварке покрытым электродом, прутком, сварочной проволокой целесообразно делать прихватки с шагом 200mm. Буквально наваривать каплю, которую в последствии нужно будет удалять по мере прохождения шва. Металл перегрева не любит.
Если варите покрытым электродом то зажигать следует на угольной пластине для разогрева кончика а после на стык. Ток использовать постоянный с обратной полярностью. К примеру ведете на себя электродом под вертикалью к плоскости. Электрод закончился и приступаем к следующему. Необходимо отступить расстояние которое проварили от края шва и варить на встречу ему. Так снимается напряжение металла. После окончания работы шлак зачищать хорошо. Обязательно простучать молоточком по горячему шву для упрочнения. Делать замок на стыке двух швов буквально 1,5-2см. Если получится делать небольшие колебательные движения то это приветствуется. Правда большинство электродов для сварки меди и ее сплавов имеют основное покрытие. При необходимости для получения однородного цвета протравить в слабой кислоте, после промыть водой.
При сваре TIG использовать лучше вольфрамовый электрод серого цвета на 200Ампер. Остро заточить для концентрации дуги. Поток газа на 6 литров. Особенность до начало работы подача газа за 4 секунды до дуги и после 8 секунд на остуживание электрода и сварочной ванны. Выпуск кончика примерно 8mm сопло №5. Сварку производить на короткой дуге. Держатель держать вертикально по отношению к плоскости. Листы до 2mm можно сваривать без зазора. Можно встык, внахлест, с отбортовкой. Присадочный материал выбираете по схожему химическому составу металла. Сварочный ток подбирать в зависимости от толщины материала рода сплава и его чистоты, диаметра прутка, используемого флюса. На чистую медь электролитическую М00Б понадобится как минимум 200А чтобы разогреть ее. Остальные сплавы и сорта меди на убывание.
При использовании сварки MIG/MAG необходимо пользоваться руководством по настройки аппарата для сварки цветного металла. Проволока плавится очень быстро. Зависит сила тока от используемого газа как аргон, гелий, азот и углекислый газ и их смесь. При различном процентном соотношении меняется глубина проплавления. Проволоку применяют 1,2 mm в диаметре максимум. Медь мягкая и гибкая даже после нагартовывания. Как было описано выше делаем подготовку кромок. После чего сварку нужно вести быстро и не перегревать основной металл. Большая сила тока позволяет быстро расплавлять сварочную ванну за короткое время. При этом небольшими колебаниями нужно успевать перемешивать металл. В зависимости от раскислителя и процентного содержание процесс протекает по разному. Гарантия что с первого раза получится хороший шов нет. А вот прожиги наплывы неровность шва будут точно. Тонколистовой материал заварить сплошным швом не получится. Придется сделать прихватки каплями с шагом 5 сантиметров. Только не последовательно а через оду. Сначала с шагом по 10 сантиметров а потом между ними. Дальше к примеру берем три прихватки вряд и от первой ведем сварку до второй, после от третьей ко второй и перекрываем шов нахлёстом 1,5см. Пусть будут швы неказистые но зато герметичные.
Можно пробовать и газовой сваркой. Вот здесь уже необходимо использовать флюс подходящий для определенного сплава и меди. Пруток подбирать близкий по составу к основному металлу с меньшей температурой плавления. Подходит для латуней с высоким содержанием цинка. Использовать порой две горелки одновременно. Одна прогревает стык а другой формируешь сварочную ванну. Прутки бывают разные по применению одни для сварки другие для пайки. На пайку идут с флюсом внутри и тугоплавкие. Как правило припой не перемешивается с основным металлом а лишь лудится. Это один из способов в котором можно использовать присадочный материал с меньшей температурой плавления.
В исключительных случаях можно использовать графитовый электрод. Он превосходит угольный в разы. Для сварки листового металла они не годятся. Ими хорошо удалять дефекты литья, бракованные сварочные швы, участки неровностей на плоскости и прочее. Единственное можно побаловаться спаивать скрутки проволоки в электросетях с предварительной обработкой кончиков от оксидной пленки и применением флюса буры. Медь и её сплавы при нагревании вступают в химическую реакцию с кислородом. Образуются оксиды. По этой причине все выше перечисленные способы сварки протекают в защитной среде газа.
Листы заготовки, литейные изделия, ремонтные работы толщиной свыше 5mm от 35-40 градусов скос кромок и притуплением острых краев. Зазор делать 3mm. По возможности с изнаночной стороны производить прихватки или под варочный шов. Можно подкладывать угольную пластину под низ с канавкой под стык. Толстый металл свыше10mm c дефектом без возможности подступится к внутренней части раскрой кромок делать побольше до 45 градусов с тем же зазором 3mm. Так будет гарантия что края кромок хорошо сварятся. При остывании и нагревании трещина может пойти дальше. Для надежности в начале и в конце трещины после разделки просверлить отверстие примерно 4mm d в диаметре. Именно эти места самые слабые. Сначало сплавляем кромки присадочным материалом, электродом. Потом наваренный металл свариваем между собой. На каждом этапе всегда зачищаем сварочный шов. Так получится лучше и можно будет избежать горячих трещин. При наложении валиков ручной дуговой сваркой в многопроходном шве делать каждый наложенный по верх другого вести в противоположные стороны. Если первый валик вели на себя то следующий на нем от себя. При длинном шве в том же порядке накладываем но перекрываем каждый нижний шов на 2/3 длины его. На большой протяженности не желательно чтоб в одном и том же месте где то в середине все валики заканчивались и начинались другие. Свыше 10mm требуется местный подогрев шва стыка, трещины, вырубленного дефекта до 400 градусов. Где будет проводится свара вокруг этого места не должно быть жесткой фиксации и загруженности. Все сплавы разные но уже от 370 градусов становятся хрупкими и крошатся. На это обращайте внимание.
Немного отступлю от темы. Предлагаю посмотреть покрытые электроды для MMA сварки.
- Комсомолец 100 знамениты своим применением при сваре меди и её сплавов. Где процент содержания её превышает 80%. Применяют для сварки чугуна и сталей, при определенных условиях. Осуществляют так же наплавку.
- Фирма ESAB электрод ОК 94.55 уникальные для сваривания меди, бронзы, красной латуни, стали, чугуна.
- Электроды ОК 94.25 с содержанием олова предназначены для оловянистых бронз, меди, латуни с низким содержанием цинка. Используются для наплавления посадочных мест подшипника в сталях и чугуне. Хорошо обрабатывается режущим инструментом в токарном деле.
- Спец электрод АНЦ/ОЗМ-3 применяются для чистой электролитической меди в электросетях. Для сваривания медных шин клемм, проводов, проволоки. Так же применяют для наплавления и восстановления поверхности износа.
- АНЦ/ОЗМ-4 используется в устранении дефектов технической меди а так же при сварке электропроводящих медных сплавов с меньшими требованиями. Можно производить сварку стали с медью. Ремонт чугунных деталей.
- ОЗЧ-6 электроды успешно нашли свое применение в сварке ковкого серого чугуна с тонкими стенками без подогрева. Не плохо можно сварить и медь со сталью.
- ОЗБ-2М тоже спец электрод для сварки оловянистых бронз, меди, красной латуни с низким содержания цинка. Можно наплавлять поверхность стали чугуна, проводить ремонтные работы по восстановлению посадочных мест под подшипники, шестерни.
- ОЗБ-3 спец электрод для восстановление электродов машин контактной сварки обладают большой твердостью. Другими словами к стержню меди делают напайку твердую.
Вопрос по подбору сварочной проволоки для полуавтоматов это отдельная большая тема. Так как она может использоваться и в TIG. Как пользоваться флюсами, для каких сплавов меди, при какой сварке обо всем об этом в другой теме.
weldingmedia.ru
Сварка стали и меди (а также титана)
Очень распространенным видом сварки разнородных металлов, является сварка стали и меди, а также со сплавами меди. Дело в том, что медь является хорошим электрическим материалом, вбирает в себя лучшие свойства проводимых материалов, в ней возникает меньше потерь и так далее, и поэтому, этот металл настолько цениться. Таким образом, медь часто используют для сплавления со сталями, и это нужно в тех случаях, где сталь не может выполнить тех же функций, что и медь. Впрочем, давайте все же рассмотрим особенности сварки этих двух материалов.
Во-первых, следует рассмотреть затруднения, которые возникают при сваривании стали и меди. Как правило, это связано с физико-механическими свойствами меди. Например, тот факт, что медь имеет высокое сродство с кислородом или низкой температурой ее плавления. Во время сварки, медь значительными количествами поглощает газы, что также затрудняет процесс сварки. Поэтому, во время сварки стали и меди, могут возникать дефекты, в виде образования трещин в стали, находящейся под слоем меди или же под слоем медного сплава. Это связано с тем, что жидкая медь имеет расклинивающие свойства, которые и воздействуют на поверхность и структуру стали, во время сварки. Поэтому, для снижения вероятности образования трещин, рекомендуют проводить сварку при минимальных значениях сварочного тока и энергии, а также, использовать в качестве присадочного материала, специальные никелевые сплавы (например, МНЖ 5-1, или бронзу типа БрАМц 9-2).
Для того, чтобы качественно соединять сталь с медью или ее сплавами, лучше всего применять аргонодуговую сварку с использованием вольфрамовых электродов. А для того, чтобы наплавлять цветные металлы (в том числе и медь) на сталь, лучше всего воспользоваться наплавкой плазменной струей, с использованием токоведущей присадочной проволоки. Такие сварные соединения будут иметь весьма высокую прочность.
Также, имеет особенности и сварка стали и титана. Главными вопросами, которые требуется решить во время выполнения такой работы – является выбор конкретных сварочных материалов и методов, а также таких особенностей, как вид сварки. Как правило, обычная сварка титана и стали не дает никаких внушающих результатов. Поэтому, на практике используется сварка в аргоне, с использованием вольфрамовых электродов, или же сварку с промежуточными вставками. В качестве вставок, используются специальные материалы на основе тантала или термообрабатываемой бронзы. Таким образом, обеспечивается максимальная прочность соединения при сваривании таких типов металла.
www.vse-o-svarke.org
СВАРКА СТАЛЕЙ С МЕДЬЮ И ЕЕ СПЛАВАМИ
При изготовлении испарителей, эжекторов, фурм доменных печей и конвертеров, кристаллизаторов, химической аппаратуры, электровакуумных приборов и во многих других случаях возникает необходимость соединения сталей различных классов с медью и ее сплавами —латунью, бронзой.
По вопросам сварки сталей с медью и ее сплавами опубликовано довольно большое количество работ [123, 145, 181, 185 и др.]. Это объясняется прежде всего разнообразием и трудностью задач, которые приходится решать в каждом конкретном случае. Помимо непосредственной сварки медных деталей со стальными, в целях экономии цветных металлов целесообразна наплавка меди, бронзы или латуни на стальные поверхности. В промышленности используют также стали, плакированные медью и ее сплавами, например биметалл сталь—латунь, в котором высокая прочность и достаточная пластичность сочетаются с коррозионной стойкостью, хорошей теплопроводностью и электропроводностью, высокими антифрикционными свойствами. Эти биметаллы могут подвергаться самым различным технологическим операциям —штамповке, гибке, сварке и др.
Из диаграммы состояния бинарной системы железо—медь следует, что железо с медью сплавляется во всех соотношениях. При этом максимальная растворимость меди в 8-железе составляет 6,5 %, в у-железе 8 %, в а-железе 1,4 % при 850 °С. Медь растворяет в себе железо в следующих количествах: при температуре 1094 °С 4 %; при 650 °С 0,2 %. Рассмотрим характерные особенности взаимодействия этих двух металлов. При наплавке меди на аустенитную сталь 12Х18Н9Т и их сварке наблюдается проникание меди в сталь. Наличие ферритной фазы в стали уменьшает проникание в нее меди, а содержание феррита более 30 % в аустенитно-ферритной стали — полностью устраняет. Предварительный подогрев стали 12Х18Н9Т до температуры 800 °С вызывает выделение ферритной фазы. Проникание меди при этом снижается [6, 7].
Была высказана следующая гипотеза [7 ]: трещины при наплавке меди на сталь образуются в результате совместного действия жидкой меди, проникающей в микронадрывы, которые возникают при кристаллизации матричной фазы —стали (эффект Ребиндера), и термических напряжений растяжения. Необходимым условием возникновения этого эффекта является смачивание стенок капилляра. Из двух фаз, присутствующих в рассматриваемых сталях, жидкая медь смачивает аустенит (у-фазу) и не смачивает феррит (a-фазу). Определено, что расклинивающее давление жидкой меди на сталь равно ~25 МПа.
Проникание меди в сталь на глубину от нескольких микрометров до нескольких десятков миллиметров при наплавке, сварке и пайке
Рис. 59. Сопротивление усталости биметаллических образцов
|
|
отмечено в работах [16,35,128 и др. ]. При этом допустимая глубина проникания, не влияющая на механические свойства стали, ограничивается 0,3—0,5 мм. Считают, что на проникание меди в сталь при наплавке, сварке, пайке оказывают влияние следующие факторы: время контактирования расплавленной меди со сталью, с увеличением которого увеличивается глубина проникания; напряженное состояние металла при наплавке, сварке и пайке; структурное состояние, химический состав стали.
В работе [16] показано, что проникание сплава МНЖКТ5-1- -0,2-0,2 в сталь 20, СтЗсп и т. п. на глубину 0,8 мм практически не влияет на статическую и циклическую прочность биметаллических образцов. В то же время при наплавке оловянной бронзы на сталь глубина проникания 2—13 мм существенно снижает временное сопротивление и сопротивление усталости биметалла [39, 164].
При исследовании влияния проникания медного сплава в сталь толщиной 30 мм с ав = 900 —1000 МПа на свойства биметаллических образцов в качестве наплавляемого металла применяли проволоку из сплава МНЖКТ5-1-0,2-0,2 диаметром 2 мм. Наплавку выполняли сжатой дугой на обратной полярности с токоведущей присадочной проволокой на режиме: ток в цепи вольфрамовый электрод — изделие 200—220 А, в цепи вольфрамовый электрод — присадочная проволока 80—100 А, амплитуда колебаний сварочной головки 20 мм, частота колебаний 35—40 в минуту, скорость наплавки 6—7 м/ч. Наплавка сжатой дугой была выбрана потому, что она обеспечивает отсутствие включений железа и кристаллизационных прослоек в наплавленном металле, что может иметь место при других способах наплавки, когда происходит расплавление стали.
Установлено, что проникание медного сплава в высокопрочную сталь на глубину 1,2 мм практически не сказывается на статической и циклической прочности при растяжении, статическом и ударном изгибе биметаллических образцов, а также на прочности сцепления наплавленного металла со сталью. В качестве примера на рис. 59 приведены результаты испытания на установке ГРМ-1 при пульсирующем растяжении с частотой 400—600 циклов в минуту.
Сварка и наплавка трением. Возможность получения качественного соединения меди и медно-никелевого сплава с различными углеродистыми сталями показана в работе [177]. Для сварки трением меди МЗр, М2, медно-никелевого сплава МН95-5 (95 % Си, 5 % Ni) со сталями 20, 45 и 60 использовали серийное оборудование (МСТ-31, МСТ-23, МСТ-2001).
| Режимы сварки трением
|
Один из основных параметров, определяющих качество сварного соединения, — максимальная температура в стыке. Последняя зависит от скорости скольжения и состава свариваемых металлов. Так, при сварке трением стали 20 с той же сталью максимальная температура составляет —1200 °С, при сварке стали с медью ~700—800 °С и при сварке меди с медью ~400 °С. Во всех^случаях максимальная температура в стыке ниже температуры плавления более легкоплавкого металла. Увеличение скорости вращения приводит не только к повышению максимальной температуры в стыке, но и к возрастанию градиента температур.
При отработке режимов сварки цилиндрических образцов различных диаметров удалось получить соединения с механическими свойствами, соответствующими свойствам отожженной меди (табл. 19).
Для получения стабильного качества режимы сварки (давление при нагреве рн, время нагрева и давление проковки /?пр) варьировали в широких пределах. Металлографические исследования показали, что образование соединения происходит за счет совместного перемешивания поверхностных слоев меди и стали.
Контактная сварка. Сварку стали 10 с латунью Л63 выполняли на контактных машинах МТПК-251 и КТ-801. Стальные образцы (толщиной 1,2—1,6 мм) перед сваркой обезжиривали, а латунные (толщиной 1,2—1,6 мм) механически зачищали.
При сварке меди и ее сплавов требуются определенные технологические приемы, обеспечивающие высокую концентрацию теплоты в месте контакта деталей [128]. Один из этих приемов — установка теплового экрана, например молибденовой пластины толщиной 0,6 мм, между латунным листом и медным электродом для создания необходимой концентрации теплоты в месте контакта деталей, при этом рост ядра точки ускоряется примерно на 20 %.
Образцы, выполненные точечной сваркой с помощью молибденового экрана, при испытании на разрыв во всех случаях разрушались с вырывом точки из латунной или стальной пластины, что свидетельствует об удовлетворительном качестве сварного соединения.
Сварка взрывом. Изучены строение и свойства биметалла сталь 16ГС + медь М1б, полученного сваркой взрывом [161]; толщина плакирующего слоя составляла 4—10 мм. Для назначения оптималь-
ных режимов последующей (после сварки) горячей прокатки для листов заданных размеров необходимо знать закономерности изменения строения и физико-механических свойств при нагреве биметаллических заготовок в процессе сварки взрывом. Образцы для испытаний вырезали из различных участков по длине и ширине двухслойной заготовки.
При изучении строения биметалла при температуре 20 °С установлено наличие плотного соединения слоев биметалла (лишь в 3 % образцов были обнаружены поры и микротрещины в зоне сварки). Предел*прочности при срезе составлял 153—310 МПа, при отрыве 234—342 МПа; более 80 % образцов выдержали испытания на изгиб, пластические свойства биметалла после сварки низкие (б = 8,0-ь
17,5 %). Металлографическое исследование образцов выявило типичную для сварки взрывом картину на контактирующих поверхностях: волнообразная граница раздела слоев с отдельными участками, где движение металла в момент сварки носило турбулентный характер [161].
Микрорентгеноспектральный анализ показал, что в зонах перемешивания, расположенных во впадинах волн, содержится 40—50 % Си и 45—55 % Fe, а в зонах, расположенных на гребнях волн, 55— 65 % Си и 30—40 % Fe. Поскольку взаимная растворимость меди и железа в твердом состоянии в равновесных условиях невелика, образование фазы, содержащей столь значительные количества железа и меди, возможно лишь при расплавлении соприкасающихся при взрыве участков и последующей их закалке за счет высокой скорости теплоотвода [38].
Одночасовой отжиг при температуре 700 или 900 °С приводит к росту относительного удлинения до 25 % при соответственном снижении временного сопротивления до 380—420 МПа. При этом уменьшаются различия в свойствах образцов, вырезанных из разных зон двухслойной заготовки. Изменение свойств биметалла после отжига связано с развитием рекристаллизации как в основном, так и в плакирующем слоях. В стали и меди обнаружены участки рекри — сталлизованных зерен, пластически деформированные зоны и участки с равновесной структурой.
Диффузионная сварка. Одним из наиболее перспективных способов соединения разнородных металлов давлением является диффузионная сварка в вакууме, которая обеспечивает получение вакуумно-плотных, термостойких, вибропрочных сварных соединений при сохранении высокой точности геометрических размеров и форм изделий (табл. 20) [58].
Микроструктурный анализ соединений, сваренных по разработанным оптимальным режимам, показал отсутствие непроваров, микротрещин и других внутренних дефектов.
Сварка плавлением. Коррозионно-стойкая сталь типа 18-8 с однофазной аустенитной структурой при наплавке на нее меди и сплавов на медной основе обладает повышенной склонностью к образованию макротрещин [6, 7], чему способствует проявление так называемого адеорбционно-расклинивающего эффекта. Для устранения появле-
| Режимы диффузионной сварки меди со сталью
|
ния трещин рекомендуется предварительно наплавлять на сталь подслой аустенитно-ферритного металла или применять промежуточную вставку [128]. Кроме этих вариантов, в работах [1, 2] описаны эксперименты по непосредственной сварке стали с медью.
В связи с необходимостью расширения области применения сварных соединений стали с медью и ее сплавами, в частности при изготовлении изделий, работающих в условиях циклического нагружения, проведены исследования прочности таких соединений [2]. Проводили сравнительную оценку циклической прочности разнородных сварных соединений стали 12Х18Н10Т, содержащей 2,5 % фер — ритной фазы, с медно-никелевым сплавом МНЖ5-1 и с медью МЗр. На торцы стальных пластин толщиной 10 мм аустенитно-ферритной проволокой 08Х19Н9Ф2С2 предварительно наплавляли три слоя (каждый толщиной 1,5—2,5 мм). Наплавленные поверхности подвергали механической обработке для подготовки V-образных кромок к сварке. При этом следили за тем, чтобы в процессе механической обработки не был удален третий наплавленный слой. Сварку необходимо производить по этому третьему слою. Другие пластины подготовляли к сварке без предварительной наплавки торцов. Затем производили аргонодуговую сварку стальных пластин с пластинами из сплава МНЖ5-1 и медью присадочной проволокой из сплава МНЖКТ5-1-0,2-0,2.
Результаты испытания образцов на усталость при циклическом растяжении, выполненном на вибраторе в условиях постоянства амплитуды нагрузок, представлены на рис. 60 [2]. Циклическая прочность (на базе 2-Ю5 циклов нагружений) сварных соединений меди МЗр и сплава МНЖ5-1 со сталью, выполненных без предварительной наплавки, такая же, как прочность сварных соединений сплава МНЖ5-1 со сплавом МНЖ5-1 и меди с медью.
Предварительная наглазка кромок аустенитной стали аустенит- но-ферритными сварочными материалами не повышает циклической прочности сварных соединений меди и сплава МНЖ5-1 со сталью. Результаты исследований позволили рекомендовать применение непосредственной аргонодуговой сварки соединений меди МЗр и сплава МНЖ5-1 со сталью 12Х18Н10Т с использованием проволоки МНЖКТ5-1-0,2-0,2 даже в тех случаях, когда сваренные изделия работают в условиях повторно-переменного (циклического) нагружения.
| Рис. 61. Угловой шов стыкового соединения сплава БрХ1 со сталью |
| Рис. 60. Кривые усталости сварных соединений: 1 — сплав МНЖ5-1 со сталью 08Х18Н10Т без предварительной наплавки; 2 — то же, с предварительной наплавкой; 3 — медь МЗр со сталью 08Х18Н10Т без предварительной наплавки; 4 — то же, с предварительной наплавкой |
Аргонодуговую сварку неплавящимся электродом применяют главным образом для соединения деталешнеболыних толщин. Медь со сталью больших толщин сваривают вручную угольным или металлическим электродом. Сварное соединение надежно при небольшом проплавлении стали и, следовательно, малом содержании железа в металле шва. Это достигается путем соответствующего регулирования нагрева и плавления меди и стали: теплоту дуги концентрируют на меди, а сталь разогревается и оплавляется благодаря теплоте, поступающей от ванны расплавленного металла. На основании этого принципа разработана технология автоматической сварки под флюсом меди со сталью больших толщин металлическим электродом без предварительного подогрева [50].
Образцы из меди М2 со сталью СтЗ толщиной 18 мм (стыковое соединение) и сплава БрХ1 толщиной 30 мм со сталью СтЗ толщиной 40 мм (угловой шов стыкового соединения) сваривали за один проход электродной проволокой БрХ1 диаметром 5 мм под флюсом АН-26. Режимы выбирали из условия сквозного проплавления меди в соответствии с режимами сварки меди тех же толщин. Опытным путем установлено, что для получения качественного соединения меди со сталью электрод в процессе сварки должен быть смещен от линии стыка в сторону меди на величину, равную половине толщины свариваемых заготовок. Меньшее смещение приводит к заметному оплавлению стали, большее — к неполному провару. Сварку можно выполнять как с разделкой кромок со стороны стали, так и без разделки. На качество сварки существенно влияет зазор между свариваемыми образцами, который не должен превышать 1—1,5 мм, в противном случае образуется непровар.
| Таблица 21 Механические свойства сварных соединений меди со сталью
|
Сварку под флюсом стыковых соединений меди со сталью выполняют на флюсовой подушке, угловых швов — на графитовой или остающейся стальной подкладке. Для предотвращения вытекания жидкого металла при сварке угловых швов устанавливают формирующие графитовые блоки со стороны меди. Используют то же оборудование, что и для сварки толстолистовой меди под флюсом (рис. 61).
По данным химического анализа, в металле шва содержится до 2,3 % Fe, которое распределено в виде дисперсных включений по сечению шва.
Разрыв образцов происходит обычно по меди, что свидетельствует о высокой прочности зоны сплавления (для сравнения в табл. 21 даны также механические свойства используемых меди и бронзы в состоянии поставки). Повышение прочности сварного соединения по сравнению с основным металлом объясняется наличием железа в металле шва.
Другим способом соединения меди со сталью является электронно-лучевая сварка. Особенности формирования структуры и механические свойства сварных соединений меди М1б с низкоуглеродистой сталью 20 изучены применительно к наконечникам фурм кислородных конвертеров [162, 189]. Режимы электронно-лучевой сварки (универсальная установка ЖЭЛС-5) выбирали, исходя из заданной глубины проплавления для каждого типоразмера наконечников фурм кислородных конвертеров вместимостью 100—350 т. Исследовали плоские и кольцевые образцы. Плоские образцы подвергали механическим испытаниям, кольцевые — гидравлическим под давлением
2,5 МПа. Установлена целесообразность двух проходов, поскольку в процессе сварки обнаружено явление смещения электронного пучка на сталь в случае установки его на медь (скачки электронного пучка). За основу был взят вариант, когда первым проходом достигается заданная глубина провара, вторым — при расфокусированном на 10 % луче обеспечивается необходимая плотность шва (заливание, «залечивание» жидкой медью микротрещин в стали).
Для устранения кристаллизационных трещин, а также избежания необходимости в двух проходах сварки в сварочную ванну добавляли различные количества алюминия. В стык помещали фольгу из алюминия с таким расчетом, чтобы на 1 мм длины шва поступало
| Свойства сварных соединений меди М1б со сталью 20, выполненных электронно-лучевой сваркой
|
0,01 г алюминия. Сварные соединения меди с низкоуглеродистой сталью, выполненные электронно-лучевой сваркой, имеют более высокие показатели механических свойств в присутствии в шве алюминия по сравнению с соответствующими характеристиками без алюминия (табл. 22, нижняя строка).
Введение в сварочную ванну алюминия благоприятно сказывается на структуре металла шва и околошовной зоны.
Вопросы плазменной наплавки меди и ее сплавов на сталь изучены в работе [123].
Рассмотрим теперь сварку плавлением конструкционного биметалла сталь + медь и ее сплавы. Конструкционный биметалл сталь + медь и ее сплавы различной толщины перспективен благодаря сочетанию высокой коррозионной стойкости плакирующего слоя из меди (или ее сплавов) и прочности (и жесткости) стальной основы. Такой биметалл используют для трубных решеток и корпусов аппаратов, цистерн в производстве синтетического каучука, смол, для хранения и перевозки различных агрессивных сред, в целлюлозно — бумажной промышленности и др.
Свариваемость биметаллов сталь + латунь JI90, сталь + бронза БрОЦ4-3, сталь + медь МЗр изучена в работе [12]. Получение таких биметаллов, в частности сталь + латунь, горячим или холодным плакированием связано со значительными технологическими трудностями, требует наличия уникального оборудования, позволяющего получать обжатия до 70 % за проход [27]. Наиболее целесообразен для изготовления биметалла сталь + латунь комбинированный способ, когда прокатке предшествует сварка взрывом. Для изготовления биметалла сталь 10 + медь в качестве плакирующего слоя применяли медь МЗр с повышенной "чистотой по кислороду. Бронза БрОЦ4-3 и латунь JI90 выбраны вследствие их высоких технологических свойств, обеспечивающих возможность получения биметалла сталь + бронза, сталь + латунь (табл. 23).
| Таблица 23 Механические свойства биметалла и его составляющих
|
| Примечание. Угол изгиба и в сторону плакирующего, и в сторону основного слоя составлял 180°. |
Основные затруднения, возникающие при сварке биметалла, как и при сварке меди и ее сплавов, обусловлены значительным сродством меди к кислороду, склонностью меди к пористости, охрупчиванию в результате появления хрупкой эвтектики (Си + Си20), а также высокой теплопроводностью меди и ее сплавов. При сварке биметалла толщиной 10 мм необходимо применять несимметричную Х-образную разделку кромок с углом скоса 30—35°. Высокое качество сварного соединения обеспечивает автоматическая сварка под флюсом электродной проволокой диаметром 2 мм, имеющей тот же состав, что и основной металл (табл. 24).
| Таблица 24 Способы сварки биметаллов сталь медь и ее сплавы
|
В)
Рис. 62. Подготовка кромок стыковых соединений с V-образной (л), К-образной (б) разделкой и тавровых соединений (в):
/^-стальная пластина; 2 — стальной элемент; 3 — медная пластина
При соответствующем режиме сварки можно получить плотные швы без заметного перемешивания разнородного металла шва. Механические свойства сварных соединений биметаллов следующие (средние значения). Для биметалла сталь 10 + БрОЦ4-3: ав = 360 МПа; ан = 940 кДж/м2; сталь 10 + МЗр: ав = 310 МПа, ан = 830 кДж/м2; сталь 10 + Л90: сгв = 330 МПа; ак = 660 кДж/м2. Разрушение при разрыве го всех случаях происходило по основному металлу. Угол изгиба как в сторону основного слоя, так и в сторону плакирующего слоя 180°.
Конструкционный биметалл сталь + медь может быть применен также в виде соединительного элемента (переходника) при сварке стали с медью и ее сплавами. При этом сталь приваривается к основному слою биметалла (стали), а медь или ее сплавы — к плакирующему слою.
Особенности дуговой сварки меди со сталью через биметаллический переходник, полученный сваркой взрывом, описаны в работе [80]. Исследования проводили применительно к стыковым и тавровым соединениям меди марки М1б (ГОСТ 859—78) со сталью СтЗ (ГОСТ 380—71). В зависимости от толщины металла кромки со стороны стали имели V — и А-образную разделку с углом скоса 4 5— 60° (рис. 62). Сталь сваривали полуавтоматами А-547У, А-537 в углекислом газе на постоянном токе обратной полярности с использованием проволоки Св-08Г2С (ГОСТ 2246—70) диаметром 1,2 и 1,6 мм для металла толщиной 6—8 и 10—16 мм соответственно. Режим сварки изменяли в следующих пределах: для проволоки диаметром 1,2 мм /св = 100-г-300 A, Uд = 18-5-26 В; для проволоки диаметром 1,6 мм /св = 200-5-350 А, t/д = 24 -5-32 В. Структуру и свойства биметаллических соединений меди со сталью исследовали в исходном состоянии и после дуговой сварки. Испытания биметалла — на отрыв плакирующего слоя проводили по методике работы [38]. Механические испытания соединений проводили на стандартных образцах типа МИ-12-1 и‘ШИ-45-11 (ГОСТ 6996—66). Особое внимание уделяли выбору
Рис. 63. Зависимость временного сопротивле — . — л / 2
ния и ударной вязкости сварных биметалличе — 6$, МПа ан, кДН</М’
|
|
ских образцов из меди и стали от толщины стального элемента переходника
220
оптимальной толщины стального элемента переходника. 200
Одно из основных требований, предъявляемых к биметаллу, — 180 высокая прочность в исходном со — стоянии и сохранение работоспо — 160 собности как при воздействии термического цикла сварки, так и в условиях работы соединения при / 2 3 4 5 Ь, мм
повышенной температуре. Результаты механических испытаний биметаллических образцов показали, что независимо от толщины стального элемента средняя прочность на отрыв плакирующего слоя в исходном состоянии составляет 280— 290 МПа. Последующая термическая обработка при температуре выше 750 °С и выдержке более 15 мин снижает прочность биметалла на отрыв плакирующего слоя до 210 МПа. Кратковременная выдержка (до 5 мин) при высокой температуре, как и длительная выдержка при температуре ниже 250 °С, на прочность биметалла практически не влияет.
Металлографическими исследованиями установлено, что вдоль границы раздела существует переходная зона из меди и железа, ширина которой на отдельных участках достигает 150 мкм. В переходной зоне содержится 20—30 % Си. Характер изменения твердости участков вблизи переходной зоны соединения меди со сталью в исходном состоянии и после термической обработки подтверждает, что поверхностные слои свариваемых металлов в процессе их соударения упрочняются. При нагреве образцов до температуры 750 °С и выдержке 30 мин в меди и стали происходит рекристаллизация. Однако взаимной диффузии металлов при нагреве в таких температурновременных условиях не обнаружено. Нагрев до температуры 950 °С при выдержке 30 мин снижает твердость металла вблизи переходной зоны до исходной. В этом случае имеет место диффузия меди в сталь на глубину 15—20 мкм от границы раздела металлов. Для сохранения высокой прочности исследуемого соединения длительность нагрева переходной зоны медь + сталь при высокой температуре (свыше 900 °С) не должна превышать 5 мин.
При дуговой сварке исследуемого биметалла со сталью его переходная зона нагревается до различной температуры. Структура и свойства сварных соединений в данном случае зависят от толщины b стального элемента 2 медной пластины 3 (рис. 62), режима и техники сварки. При толщине стального элемента 1—1,5 мм /св = 200-5- -7-300 А, [/в = 22-5-26 В, в отдельных участках сталь полностью проплавляется, что приводит к образованию участка меди со сталью, а иногда и к локальному расслоению биметалла. Качественное формирование швов и высокие свойства соединений достигнуты прииспользовании биметалла с толщиной стальной основы переходника 2,5—3 мм. Временное сопротивление образцов сварных биметаллических соединений при Ъ ^ 2,5 мм соответствует данному показателю для меди М1б. Характер изменения ударной вязкости образцов сварных соединений с увеличением толщины стальной основы аналогичен кривой ав = f(b). При b = 1 — г-1,5 мм ударная вязкость низкая с большим разбросом показаний. При Ъ ^ 2,5 мм 400-ь50( кДж/м2 (рис. 63). Для рассматриваемых случаев рекомендуется минимальная толщина стального элемента переходника не менее 2,5 мм, а максимальная — в пределах 3—5 мм в зависимости от технологических возможностей обработки взрывом [80].
Достаточный прогрев медной части соединения обеспечивается благодаря ее высокой теплопроводности. Сварку стыковых соединений металла толщиной 6—8 мм следует выполнять в два-три прохода с F-образной разделкой кромок со стороны стали. Зазор между кромками должен составлять 0,5—1 мм. При выполнении корневого шва ось электрода следует смещать в сторону стальной основы переходника.
Сварку металла толщиной 10 мм предпочтительнее выполнять с двух сторон с /(-образной разделкой со стороны стали и притуплением не более 1,5 мм при зазоре 0,5-—1 мм. Для угловых соединений металла толщиной 6—12 мм применимы V — и /(-образные разделки кромок.
hssco.ru
Способ сварки плавлением меди и ее сплавов со сталями
Изобретение может быть использовано в машиностроении, судостроении и других отраслях промышленности при изготовлении различных узлов и конструкций, включающих соединения медных сплавов со сталями, кроме деталей или изделий из оловянных бронз. Предварительно на кромку стальной детали наплавляют медный сплав таким образом, чтобы доля участия основного металла в наплавленном не превышала 0,08. Производят сварку наплавленного промежуточного слоя с медью или медным сплавом. Наплавку медного сплава на сталь и сварку наплавленного слоя с деталью из медного сплава осуществляют с применением присадочного материала из одного и того же медного сплава. Способ обеспечивает минимальный переход железа в металл шва, уменьшение химической и структурной неоднородности, а также высокую прочность, пластические свойства и ударную вязкость металла шва. 1 табл.
Изобретение относится к области сварочного производства и может быть использовано в машиностроении, судостроении и других отраслях промышленности при изготовлении и монтаже различных узлов и конструкций, включающих детали и изделия из меди или ее сплавов и стали, кроме деталей или изделий из оловянных бронз.
Как показали исследования, для сварки меди и ее сплавов со сталями в качестве электродных или присадочных материалов применяют проволоку, прутки, порошки или стержни электродов из медных сплавов. При непосредственной сварке плавлением меди и ее сплавов со сталями в металл шва переходит значительное количество железа. Из-за незначительной растворимости железа в меди и ее сплавах в металле шва образуется новая фаза - железистая составляющая (æ-фаза), которая отсутствовала в исходных основных и присадочном (электродном) металлах. Образующаяся в металле шва æ-фаза обладает высокой твердостью и очень низкими, близкими к нулю, пластическими свойствами (относительное удлинение и относительное сужение) и ударной вязкостью. При значительном содержании æ-фазы в металле шва существенно уменьшаются относительное удлинение, относительное сужение, угол загиба и ударная вязкость металла шва и сварных соединений. Поэтому при сварке меди и ее сплавов со сталями целесообразно уменьшить переход железа из стали в металл шва.
Известны способы дуговой сварки меди и ее сплавов со сталями с использованием промежуточной вставки из медно-никелевого сплава, с перекрытием стальной детали медной деталью или с выступом медной свариваемой кромки на стали (например, по А.с. №1518097, А.с. №1447596, А.с. №1348110). Однако сварка по всем этим способам не всегда конструктивно возможна или целесообразна и не приводит к уменьшению содержания железа в металле шва.
Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является принимаемый нами за прототип способ электродуговой сварки меди со сталью (А.Е.Вайнерман. Технология электродуговой сварки меди со сталью. Л.: ЛДНТП, 1963 г.).
По этому способу медь и ее сплавы непосредственно сваривают со сталью электродуговым способом электродами марок «Комсомолец» или МНЖ5-1 с покрытием 3Т и неплавящимся электродом в среде аргона с применением в качестве присадочного материала проволоки из меди марки M1 и из бронзы марки БрКМц3-1 (для сварки меди со сталью) или из сплава марки МНЖ5-1 (для сварки медноникелевого сплава со сталью). В результате такой сварки образуется шов с медной основой и включениями стали до 34%. Хотя при этом способе сварки и обеспечивается высокое значение временного сопротивления разрыву металла шва и сварного соединения, недостатками этого способа являются значительный переход железа в металл шва, образование значительного количества выделений хрупкой и твердой æ-фазы, низкие пластические свойства и ударная вязкость металла шва и сварных соединений.
Техническим результатом заявляемого изобретения является разработка способа сварки плавлением меди и ее сплавов со сталями, при котором обеспечивается минимальный переход железа в металл шва, уменьшение химической и структурной неоднородности в металле шва, а также высокие прочность, пластические свойства и ударная вязкость сварных соединений.
Технический результат предлагаемого изобретения достигается за счет того, что сварку меди и ее сплавов со сталями выполняют через промежуточный слой медного сплава, наплавляемый на свариваемую кромку стали, причем этот промежуточный слой наплавляется на сталь таким образом, чтобы доля участия стали в наплавленном металле не превышала 0,08 (в соответствии с работой [Г.Л.Петров. Сварочные материалы., Л. Машиностроение, 1972 г, стр.19] доля участия основного металла в наплавленном определяется по выражению ψ=Sом/(Sом+Sнм), где ψ - доля основного металла в наплавленном, Sом - площадь противления основного металла; Sнм - площадь наплавленного металла), а сварку наплавленного промежуточного слоя с медной деталью осуществляют с применением того же присадочного материала, который применяется для сварки меди или ее сплавов со сталью. При таком способе сварки обеспечивается как минимальный переход железа в металл шва, так и уменьшение химической и структурной неоднородности в металле шва, так как для наплавки металла подслоя применяют тот же присадочный (электродный) металл, который принят для сварки медного сплава со сталью.
Опробование предложенного способа сварки меди и ее сплавов со сталью проводили путем аргонодуговой сварки неплавящимся электродом пластин толщиной 12-15 мм из стали марок Ст3, 20 или АБ2-ПК с пластинами толщиной 12-15 мм из меди, сплава марки МНЖ5-1 или бронзы марки БрА9Ж4Н4 с применением в качестве присадочного материала проволоки из сплавов марок БрКМц3-1, МНЖКТ5-1-0,2-0,2, БрАМц9-2 и БрАЖНМц8,5-4-5-1,5, причем экспериментальным путем техника и режимы наплавки медного сплава на сталь были определены такими, что доля участия стали в наплавленном металле составляла ψ=0,065-0,07. При этом на пластинах из медных сплавов выполнялся скос кромок, подлежащих сварке, под углом 55-60°, а на стальных пластинах скос кромок, подлежащих сварке, составлял 90°. На стальные кромки, подлежащие сварке, наплавляли на постоянном токе прямой полярности слой медного сплава толщиной 2-3 мм проволоками из сплавов марок БрКМц3-1 и МНЖКТ5-1-0,2-0,2 и на переменном токе аналогичный слой медного сплава проволоками из алюминиевых бронз марок БрАМц9-2 и БрАЖНМц8,5-4-5-1,5. После этого выполняли сварку аргонодуговым способом неплавящимся электродом стальных пластин, кромки которых были наплавлены присадочным материалом из медного сплава, с пластинами из медного сплава. При этом на постоянном токе прямой полярности сваривали: с применением проволоки из бронзы марки БрКМц3-1 пластину из меди с пластиной из стали с кромкой, наплавленной бронзой марки БрКМц3-1; с применением проволоки из сплава марки МНЖКТ5-1-0,2-0,2 пластину из сплава марки МНЖ5-1 с пластиной из стали с кромкой, наплавленной сплавом марки МНЖКТ5-1-0,2-0,2; на переменном токе сваривали: с применением проволоки из бронзы марки БрАМц9-2 пластину из бронзы марки БрА9Ж4Н4 с пластиной из стали с кромкой, наплавленной бронзой марки БрАМц9-2 и с применением проволоки из бронзы марки БрАЖНМц8,5-4-5-1,5 пластину из бронзы марки БрА9Ж4Н4 с пластиной из стали с кромкой, наплавленной бронзой марки БрАЖНМц8,5-4-5-1,5. Для сравнения была выполнена сварка аналогичных пластин из стали с пластинами из меди и медных сплавов по способу, принятому нами за прототип.
Из полученных сварных соединений пластин из меди и медных сплавов с пластинами из сталей были изготовлены образцы для определения временного сопротивления разрыву, относительного удлинения и ударной вязкости металла шва. Результаты определения свойств металла шва в сварных соединениях медных сплавов со сталями приведены в таблице. Анализ полученных результатов показывает следующее. Относительное удлинение и ударная вязкость металла шва при надрезе как по центру шва, так и по границе сплавления со сталью при предложенном способе сварки значительно (преимущественно в 2-3 раза) выше, чем при способе сварки по прототипу; в то же время временное сопротивление разрыву металла шва при обоих способах сварки обеспечивает его равнопрочность с медным сплавом. Поэтому обеспечивается более высокая работоспособность и надежность сварных соединений, полученных по предложенному способу сварки и эксплуатирующихся при знакопеременных и ударных нагрузках, чем при способе сварки по прототипу.
Способ сварки плавлением меди и ее сплавов со сталью с использованием присадочного материала из медного сплава, отличающийся тем, что предварительно на кромку стальной свариваемой детали наплавляют промежуточный слой из медного сплава, доля основного металла в котором не превышает 0,08, а затем сваривают промежуточный слой из медного сплава с деталью из меди или ее сплава, при этом наплавку промежуточного слоя на сталь и его сварку с деталью из меди или ее сплавов выполняют с использованием одного и того же присадочного материала.
www.findpatent.ru
