Заваряване на мед и медни сплави

Медта се използва в химическото и енергийното инженерство поради високата си електрическа и топлопроводимост, висока устойчивост на корозия в някои агресивни среди. Всички тези свойства са по-високи, толкова по-висока е чистотата на метала, което налага специални изисквания за заваряване на продукти от чиста мед. Заваряването на бронз и месинг има свои собствени характеристики, но свойствата на чистата мед в тези сплави вече са значително загубени.

Физични и механични свойства на мед M0:

Влиянието на примесите върху свойствата на медта

Алуминият е безкрайно разтворим в разтопена мед; в твърдо състояние неговата разтворимост е 9,8%. Алуминият повишава корозионната устойчивост на медта, намалява окисляването и понижава електрическата и топлопроводимостта на медта.

Берилият намалява електрическата проводимост на медта, повишава механичните свойства и рязко намалява окисляемостта на медта при повишени температури.

Бисмутът е практически неразтворим в медта. При повишено съдържание на бисмут медта става крехка; Бисмутът няма значителен ефект върху електрическата проводимост на медта.

Желязото е слабо разтворимо в медта в твърдо състояние. При 1050 o C в твърдия разтвор влиза до 3,50% желязо, а при 635 o C разтворимостта му пада до 0,15%. Под въздействието на желязото механичните свойства на медта се повишават, нейната електропроводимост, топлопроводимост и устойчивост на корозия рязко намаляват.

Кислородът е много слабо разтворим в медта в твърдо състояние. Той е вреден примес, тъй като с повишеното му съдържание значително се влошават механичните, технологичните и корозионните свойства на медта.

Водородът има значително влияние върху медта. Разтворимостта му в мед зависи от температурата: от 0,06 до 13,6 cm 3 / 100 g метал при температура500 и 1500 около С, съответно. Водородът има особено разрушителен ефект върху съдържащия мед кислород. Такава мед, след отгряване във водород или редуцираща атмосфера, съдържаща водород, става крехка и се напуква поради образуването на водна пара от реакцията на водород с меден оксид. Получената водна пара не дифундира или дисоциира и, като има високо налягане, разрушава медта.

Арсенът е разтворим в мед в твърдо състояние до 7,5%. Той значително намалява електропроводимостта и топлопроводимостта, но значително повишава топлоустойчивостта на медта.

Оловото е практически неразтворимо в медта в твърдо състояние. Той няма забележим ефект върху електрическата и топлопроводимостта на медта, но значително подобрява нейната обработваемост.

Среброто не влияе върху техническите свойства на медта, има малък ефект върху неговата електрическа и топлопроводимост.

Антимонът е разтворим в мед в твърдо състояние при евтектична температура от 645 0 C до 9,5%. Разтворимостта му рязко намалява с понижаване на температурата. Антимонът значително намалява електрическата и топлопроводимостта на медта.

Сярата се разтваря в разтопена мед и когато се втвърди, нейната разтворимост намалява до нула. Сярата леко влияе върху електрическата и топлопроводимостта на медта, значително намалява пластичността. Под въздействието на сярата значително се подобрява обработваемостта на медта чрез рязане.

Фосфорът е ограничено разтворим в мед в твърдо състояние; границата на насищане на твърд α-разтвор при температура 700 ° C достига 1,3% фосфор, а при 200 ° C намалява до 0,4%. Фосфорът значително намалява електрическата и топлопроводимостта на медта, но има положителен ефект върху механичните свойства и заваряемостта и повишава течливостта.

Телурът е разтворим в медв твърдо състояние до 0,01%. Телурът няма значителен ефект върху електрическата проводимост на медта.

Селенът е слабо разтворим в мед в твърдо състояние - до 0,1% и се отделя при втвърдяване под формата на Se2O съединение. Ефектът върху медта е подобен на този на сярата.

Класификация на медните сплави

Поради недостатъчна якост, търговски чистата мед рядко се използва като конструктивен материал. Медните сплави - месинг, бронз - се използват широко в промишлеността.

Месингите се наричат медни сплави, в които основният легиращ елемент е цинкът. Такива медно-цинкови сплави се наричат двоен месинг. За да се подобрят механичните свойства и химическата устойчивост на месинга, в тях често се въвеждат легиращи елементи: алуминий, никел, манган, силиций и др.

Многокомпонентните медно-цинкови сплави се наричат специални месинги. Сплави на мед с калай, алуминий, силиций и други елементи, сред които цинкът не е основният легиращ елемент, се наричат бронз. В зависимост от основния легиращ елемент има две групи бронзи: калаени бронзи и специални бронзи.

Калаените бронзи в зависимост от съдържанието на други легиращи елементи в тях се разделят на: калаено-фосфорни, калаено-цинкови и калаено-цинково-оловни бронзи. СЪС

Специалните бронзи са двойни или по-сложни сплави на медна основа, съдържащи като добавки: алуминий (алуминиеви бронзове), берилий (берилиеви бронзове), никел (с добавка на желязо - никел-железен бронз), манган (манганов бронз), силиций (силициев бронз), кадмий (кадмиев бронз), хром (хромов бронз).

В зависимост от съдържанието на други основни легиращи елементи в алуминиевите бронзи те се делят на:алуминиево-манганови, алуминиево-железни, алуминиево-желязо-манганови, алуминиево-никелови бронзи. Силициевите бронзи, чрез въвеждане на манган или никел в тях, се разделят на: силициево-манганови и силициево-никелови.

Обща информация за заваряемостта

Инертна при обикновени температури, медта реагира с кислород, сяра, фосфор и халогени при нагряване. С водорода образува нестабилен хидрид CuH, с въглерода образува ацетилен мед Cu2C2 (експлозивен); медта не реагира с азот, което позволява азотът да се използва като защитен газ за заваряване на чиста мед.

Образуването на химични съединения с променлива валентност и разтворимостта на тези съединения в течна мед води до доста сложни диаграми на топимост и до промяна в химичния афинитет в зависимост от фазовото състояние. Медта при условия на заваряване може да се окисли поради газовата атмосфера или поради обменни реакции с компоненти на потоци или електродни покрития. Афинитетът на медта към кислорода се увеличава с разтварянето на медния оксид в течна мед, особено силно при ниски концентрации на Cu2O, и рязко намалява до нормалното, когато течният разтвор се разлага по време на образуването на евтектика Cu–Cu2O; Cu2O като отделна фаза лесно се редуцира до мед. Газовете, образувани в резултат на реакциите, не се разтварят в твърдата мед и прекъсват металната връзка между зърната, което води до образуване на пукнатини - "водородната болест" на медта.

Твърдите разтвори на мед с кислород имат изчезващо ниски концентрации при ниски температури. Следователно медта по време на процеса на заваряване трябва да бъде внимателно деоксидирана или заварена в атмосфера на инертни защитни газове или във вакуум.

Остатъчните концентрации на дезоксиданти влияят върху свойствата на заваръчния метал (електропроводимост, топлопроводимост, устойчивост на корозия) и следователнопри заваряване на продукти, изработени от чиста мед, проблемът с дезоксидацията на заваръчния метал е трудно разрешим.

Заварените съединения от чиста мед почти винаги са обект на високи изисквания за запазване на целия комплекс от физични свойства на заваръчния метал: електропроводимост, топлопроводимост, плътност и устойчивост на корозия, тъй като тези продукти работят при тежки условия на работа. Следователно по време на процеса на заваряване медта не трябва да бъде замърсена с примеси, които влияят на тези свойства.

Особено високи изисквания се налагат върху заваряването на вакуумно-плътни шевове в електронни продукти, в електроцентрали, в единици оборудване, работещи с вътрешно охлаждане. Механичните свойства на заварените съединения се определят от общите свойства на медта. Заваряването на чиста мед се различава значително от заваряването на стомани.

Големият коефициент на топлинна и термична дифузия създава високи температурни градиенти и скорости на охлаждане, както и кратко време на престой на заваръчната вана в течно състояние. Това налага използването на повишено влагане на топлина при заваряване на мед в сравнение със стоманите или използването на предварително нагряване на продукта, но последното е нежелано усложнение на заваръчната технология.

Значителният коефициент на линейно разширение и зависимостта му от температурата налагат заваряването с твърдо закрепване на продукта или с прихващания. При голяма дебелина на метала трябва да се регулира ширината на пролуката по време на заваряване. Краткият живот на заваръчната вана в течно състояние ограничава възможностите за нейната металургична обработка. По-специално, при дезоксидиране на мед са необходими по-активни дезоксиданти, отколкото при заваряване на стомани, за да се намали концентрацията на кислород до приемливи граници.

Високите температурни градиенти благоприятстват развитиетотермична дифузия на водород в зоната на топлинно въздействие, което води до обогатяване на метала с водород в близост до зоната на топене и увеличава вероятността от дефекти (пори, пукнатини). Високата чувствителност на медта към водород трябва да се вземе предвид при разработването на технологията за заваряване.

Изборът на технологичен процес за заваряване на продукт се определя преди всичко от неговото предназначение, сложност (наличие на къси или криволинейни заварки в различни пространствени позиции, труднодостъпни места), както и броя на произведените продукти (серии) и изискванията за тяхното качество. Процесите с висока производителност включват електродъгово заваряване под флюс с консуматив, електрошлаково заваряване на дебел метал и трябва да се използват в масово производство или операции за заготовка.

При подходяща подготовка на консумативите за заваряване (калциниране на флюса до 400-450 0 C), тези видове заваряване осигуряват добри резултати (защита и ниско замърсяване на заваръчния метал, относително ниски температурни градиенти, които намаляват ефекта на водорода). За единични производствени и ремонтни работи се препоръчва използването на газово заваряване, по време на което се извършва нагряване и първоначална топлинна обработка на продукта. Ниските температурни градиенти намаляват въздействието на термичния цикъл на заваряване върху метала в зоната на заваряване (шев, зона на топлинно въздействие). Може би дезоксидация и легиране на метала през телта за пълнене.

Газовото заваряване може да се използва както за чиста мед, така и за нейните сплави. Ръчното дъгово заваряване с електроди с покритие води до замърсяване на заваръчния метал с легиращи компоненти, което нарушава физичните свойства на заваръчния метал в сравнение с чистата мед.

В ход е заваряване на медни сплави (бронз).задоволително, но в месинга цинкът се губи поради изпаряване и окисление. Дъговото заваряване в защитни газове, което се използва широко в заваръчната технология, се използва и за производството на заварени изделия от мед и неговите сплави. За продукти за заваряване, изработени от чиста мед, по-често се използва заваряване с неконсумативен волфрамов електрод в среда от аргон, хелий или азот. Защитните газове трябва да бъдат особено чисти.

Стабилността на волфрамовия електрод в чист азот е доста задоволителна и използването на този недефицитен и евтин газ осигурява значителен икономически ефект. Въпреки използването на защита с инертни газове, медта се окислява по време на заваряване и за нейното дезоксидиране трябва да се използват микролегирани телове за пълнене, съдържащи силни дезоксиданти (титан, цирконий, бор, редкоземни метали). В резултат на това е възможно да се получи заваръчен метал със свойства на ниво чиста мед (AN).

За заваряване на медни сплави в защитни газове (Ag и He) могат да се използват телове за пълнене, които са идентични по състав с основния метал или съдържат малко количество дезоксиданти (81 и Mn). Заваряването на мед в среда на защитен газ с консумативен електрод се използва по-рядко, тъй като в този случай металните капки на електрода са подложени на значително прегряване. При заваряване на мед и нейните сплави с електрическа дъга в защитни газове се създават високи температурни градиенти в зоната на заваряване и следователно условия за дифузия на водород в зоната на топлинно въздействие.

Медта може да се заварява във въздушна атмосфера без защита, но в този случай телта трябва да съдържа високи концентрации на дезоксиданти, а заваръчният метал, отговарящ на механичните свойства, ще се различава значително от основния метал по отношение на топлинна и електрическа проводимост. Медта, като силно пластичен метал, е добразаварени чрез всички видове заваряване от термомеханичен клас, с изключение на контактно заваряване, тъй като има ниско преходно електрическо съпротивление.

За заваряване на проводници от тънки медни проводници в електронни продукти се използва термокомпресионно заваряване. За по-големи продукти със сложна конфигурация широко се използва вакуумно дифузионно заваряване, което прави възможно получаването на медни съединения не само с мед, но и с други метали и дори неметални материали.

Основното предимство на вакуумно-дифузионното заваряване е липсата на остатъчни напрежения, ако се заваряват хомогенни материали. В случай на заваряване на различни метали, разликата в коефициентите на линейно разширение на съединяваните метали може да доведе до термични напрежения. Студеното заваряване на мед чрез пластично срязване или компресионна деформация се използва за заваряване на медни шини в електроцентрали. Осигурява задоволително електрическо съпротивление на заварени съединения.

Газова заварка. За медта се използва кислородно-ацетиленово заваряване, което осигурява най-висока температура в сърцевината на пламъка. Газовата горелка е източник на топлина с ниска концентрация; следователно поддържането на нормалните размери на заваръчната вана е трудно.

За продукт с дебелина над 10 mm се препоръчва използването на две горелки, от които едната осигурява отопление, а втората служи за заваряване. При двустранно заваряване с две горелки отпада нуждата от отопление.

За заваряване на мед и бронз се използва нормален пламък. Дезоксидацията на метала на заваръчната вана, въпреки защитата от околната среда от продуктите на горенето, се извършва чрез извличане на меден оксид с флюси или чрез въвеждане на дезоксиданти през телта за пълнене. Заваръчните флюси за мед съдържат борни съединения(борна киселина, борен анхидрид, боракс), които разтварят медния оксид, образувайки евтектика с ниска топимост и го отстраняват в шлака.

В допълнение към съединенията на бора, флюсовете могат да съдържат фосфати (Таблица 1).

Таблица 1. Състави на флюса за заваряване на мед и нейните сплави, %