ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«МАТИ» – Российский государственный технологический университет
им. К.Э. Циолковского
Кафедра «Технология сварочного производства»
Курсовая работа
по дисциплине «Теория сварочных процессов»
на тему: Анализ свариваемости сплавов на основе меди (М1) Студент группы 1СВ-4-41 /Бондарец Д.С./ Руководитель /Резниченко Б.М./
Москва 2007 г.
Содержание
1. Введение ………………………………………………………………………………… 3
2. Структура и свойства меди ……………………………………………………………… 6
3. Характеристика меди и ее сплавов …………………………………………………….17
4. Пористость ……………………………………………………………………………… 17
5. Особенности технологии сварки………………………………………………………. 19
5.1. Подготовкапод сварку……………………………………………………………… 20
5.2. Газоваясварка………………………………………………………………………. 21
5.3. Ручнаясварка………………………………………………………………………… 22
5.4. Автоматическаясварка под флюсом……………………………………………… 23
5.5. Электрошлаковаясварка меди и ее сплавов……………………………………… 25
5.6. Дуговаясварка в защитных газах…………………………………………………… 25
6. Свариваемость меди……………………………………………………………………… 27
7. Вывод……………………………………………………………………………………… 28
8. Список литературы ……………………………………………………………………… 30
Введение
Медь (лат. Cuprum) — химическийэлемент I группы периодической системы Менделеева (атомный номер 29, атомнаямасса 63,546). В соединения медь обычно проявляет степени окисления +1 и +2,известны также немногочисленные соединения трехвалентной меди. Важнейшиесоединения меди: оксиды Cu2O,CuO, Cu2O3;гидроксид Cu(OH)2, нитрат Cu(NO2)2*3H2O, сульфид CuS,сульфат(медный купорос) CuSO4*5H2O, карбонат CuCO3*Cu(OH)2,хлорид CuCl2*2H2O.
Медь — один из семи металлов,известных с глубокой древности. Переходный период от каменного к бронзовомувеку (4 — 3-е тысячелетие до н.э.) назывался медным веком или халколитом ( отгреческого chalkos — медь и lithos — камень) или энеолитом (от латинскогоaeneus — медный и греческого lithos — камень). В этот период появляются медныеорудия. Известно, что при возведении пирамиды Хеопса использовались медныеинструменты.
Чистая медь — ковкий и мягкийметалл красноватого, в изломе розового цвета, местами с бурой и пестройпобежалостью, тяжелый (плотность 8,93 г/см3), отличный проводниктепла и электричества, уступая в этом отношении только серебру (температураплавления 1083 °C). Медь легковытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы, но сравнительно малоактивна. В сухом воздухе и кислороде при нормальных условиях медь неокисляется. Но она достаточно легко вступает в реакции: уже при комнатнойтемпературе с галогенами, например с влажным хлором образует хлорид CuCl2,при нагревании с серой образует сульфид Cu2S, с селеном. Но с водородом, углеродом и азотом медь невзаимодействует даже при высоких температурах. Кислоты, не обладающиеокислительными свойствами, на медь не действуют, например, соляная иразбавленная серная кислоты. Но в присутствии кислорода воздуха медьрастворяется в этих кислотах с образованием соответствующих солей:
2Cu + 4HCl + O2= 2CuCl2 + 2H2O.
В атмосфере, содержащей CO2,пары H2O и др.,покрывается патиной — зеленоватой пленкой основного карбоната, ядовитоговещества.
Медь входит более чем в 170минералов, из которых для промышленности важны лишь 17, в том числе: борнит(пестрая медная руда — Cu5FeS4), халькопирит (медный колчедан — CuFeS2),халькозин (медный блеск — Cu2S), ковеллин (CuS), малахит (Cu 2 (OH)2CO3).Встречается также самородная медь. Производство меди
Медь добывают из оксидных исульфидных руд. Из сульфидных руд выплавляют 80% всей добываемой меди. Какправило, медные руды содержат много пустой породы. Поэтому для получения медииспользуется процесс обогащения. Медь получают методом ее выплавки изсульфидных руд. Процесс состоит из ряда операций: обжига, плавки, конвертирования,огневого и электролитического рафинирования. В процессе обжига большая частьпримесных сульфидов превращается в оксиды. Так, главная примесь большинствамедных руд пирит FeS2 превращается в Fe2O3. Газы, образующиеся при обжиге, содержат CO2,который используется для получения серной кислоты. Получающиеся в процессеобжига оксиды железа, цинка и других примесей отделяются в виде шлака при плавке.Жидкий медный штейн (Cu2Sс примесью FeS) поступает в конвертор, где через него продувают воздух. В ходеконвертирования выделяется диоксид серы и получается черновая или сырая медь.Для извлечения ценных (Au, Ag, Te и т.д.) и для удаления вредных примесейчерновая медь подвергается сначала огневому, а затем электролитическомурафинированию. В ходе огневого рафинирования жидкая медь насыщается кислородом.При этом примеси железа, цинка и кобальта окисляются, переходят в шлак иудаляются. А медь разливают в формы. Получающиеся отливки служат анодами приэлектролитическом рафинировании.
Основным компонентом раствора приэлектролитическом рафинировании служит сульфат меди — наиболее распространеннаяи дешевая соль меди. Для увеличения низкой электропроводности сульфата меди вэлектролит добавляют серную кислоту. А для получения компактного осадка меди враствор вводят небольшое количество добавок. Металлические примеси,содержащиеся в неочищенной («черновой») меди, можно разделить на двегруппы:
1) Fe, Zn, Ni, Co. Эти металлы имеют значительно болееотрицательные электродные потенциалы, чем медь. Поэтому они анодно растворяютсявместе с медью, но не осаждаются на катоде, а накапливаются в электролите ввиде сульфатов. Поэтому электролит необходимо периодически заменять.
2) Au, Ag, Pb, Sn. Благородные металлы (Au, Ag) не претерпеваютанодного растворения, а в ходе процесса оседают у анода, образуя вместе сдругими примесями анодный шлам, который периодически извлекается. Олово же исвинец растворяются вместе с медью, но в электролите образуют малорастворимыесоединения, выпадающие в осадок и также удаляемые.Применение медиМедь, ее соединения исплавы находят широкое применение в различных отраслях промышленности. Вэлектротехнике медь используется в чистом виде: в производстве кабельныхизделий, шин голого и контактного проводов, электрогенераторов, телефонного ителеграфного оборудования и радиоаппаратуры. Из меди изготавливаюттеплообменники, вакуум-аппараты, трубопроводы. Более 30% меди идет на сплавы.Сплавы меди с другими металлами используют в машиностроении, в автомобильной итракторной промышленности (радиаторы, подшипники), для изготовления химическойаппаратуры. Высокая вязкость и пластичность металла позволяют применять медьдля изготовления разнообразных изделий с очень сложным узором. Проволока изкрасной меди в отожженном состоянии становится настолько мягкой и пластичной,что из нее без труда можно вить всевозможные шнуры и выгибать самые сложныеэлементы орнамента. Кроме того, проволока из меди легко спаивается сканымсеребряным припоем, хорошо серебрится и золотится. Эти свойства меди делают еенезаменимым материалом при производстве филигранных изделий. Коэффициентлинейного и объемного расширения меди при нагревании приблизительно такой же,как у горячих эмалей, в связи с чем при остывании эмаль хорошо держится намедном изделии, не трескается, не отскакивает. Благодаря этому мастера дляпроизводства эмалевых изделий предпочитают медь всем другим металлам. Как инекоторые другие металлы, медь входит в число жизненно важных микроэлементов.Она участвует в процессе фотосинтеза и усвоении растениями азота, способствуетсинтезу сахара, белков, крахмала, витаминов. Чаще всего медь вносят в почву ввиде пятиводного сульфата — медного купороса CuSO4*2H2O. В большомколичестве он ядовит, как и многие другие соединения меди, особенно для низшихорганизмов. В малых же дозах медь необходима всему живому.
Структураи свойства Меди
Среди техническихметаллов Медь по своему значению и распространению занимает особое место.Чистая медь обладает высокой теплопроводностью и электропроводимостью идостаточно высокой коррозионной стойкостью.
Ниже приведеныфизические константы меди:Атомный вес 63,54 Кристаллическая решетка Г.ц.к. Периоды решетки, А 3,6080
Плотность, г/см3 8,94
Атомный объем, см3/г-атом 7,21 Температура плавления, °С 1083 Температура кипения, °С 2595 Удельная теплоемкость при 20°С, кал/см сек град 0,0915 Теплопроводность при 20°С, кал/см сек град 0,984 Удельный вес меди 8,93 г/cм3 Удельная теплота плавления меди 42 кал/г
Коэффициент линейного расширения меди
(при температуре около 20oC) 16,7 *106(1/град) Удельное сопротивление меди при 20oC 0,0167 Ом*мм2/м
Весьма ценным качеством медиявляется также ее высокая пластичность в горячем и холодном состояниях. Этопозволяет изготавливать из меди различные деформируемые полуфабрикаты- листы,ленты, полосы, прутки, трубы, проволоку и др. широко применяемые в различныхобластях техники.
Промышленныемарки меди и области их применения указаны в Табл.1.
Табл.1.Химический состав меди промышленных марок по ГОСТ 859-51.[1]
/>
Как видно из этой таблицы,указанные марки отличаются друг от руга различным содержанием примесей.
Содержание в медигазовых и легкоплавких примесей может быть значительно сниженоэлектронно-лучевой плавкой.
Эффективность очистки меди при электронно-лучевой плавкепоказана в Табл. 2.
Табл.2. Изменение содержанияпримесей в меди при электронно-лучевой плавке.[1]
/>
Медь, полученнаяэлектронно-лучевой плавкой, характеризуется более высокой электропроводностью итеплопроводностью. И обеспечивает большую стабильность и долговечность в работеизделий электровакуумной и радиотехнической промышленности. Поэтому потребностьв такой меди возрастает с каждым годом.
Прочность и твердостьмеди можно значительно повысить путем холодной деформации. Однако при этомснижается пластичность и электропроводность меди.
Свойства наклепанноймеди можно восстановить путем отжига (рекристаллизации).
Механические свойствамеди, так же как и других металлов, существенно изменяются с повышениемтемпературы. Причем для меди имеется характерный провал пластичности винтервале температур 200-800°С, причинакоторого пока не выяснена.
Чистая медь устойчивапротив атмосферной коррозии в следствии образования на поверхности тонкойзащитной пленки. Пресная вода и конденсат пара практически не действуют намедь. Незначительна также скорость коррозии меди в морской воде. Медь плохосопротивляется действию аммиака, хлористого аммония, щелочных цианистыхсоединений, окислительных минеральных кислот, сернистого газа и др.
Взаимодействие меди скислородом отмечается уже при комнатной температуре. При температурах до 100°С на поверхности меди образуется пленкаокиси меди черного цвета. При более высоких температурах скорость окислениямеди значительно возрастает и на поверхности образуется пленка закиси медикрасного цвета.
При деформировании мединаблюдается раздробление и удлинение отдельных зерен и создается определеннаяих ориентация. При больших степенях деформации материал приобретает волокнистуюструктуру. При нагреве (отжиге) деформированной меди происходитрекристаллизация, в результате чего создается качественно новая структура.
Размер зернарекристаллизованной меди оказывает заметное влияние на е механические свойства.Чрезмерное повышение температуры отжига приводит к сильному росту зерна ирезкому падению прочности меди. Это явление в практике называется перегревом. Притемпературах отжига, близких к температуре начала оплавления, кроме того,возможно окисление границ зерен и частичное их оплавление (пережог). Перегревможно исправить повторной деформацией с последующим отжигом при более низкихтемпературах. Пережог является непоправимым браком.
Чистота меди оказываетбольшое влияние как на ее свойства, так и на поведение при последующейобработке. Многие примеси даже в ничтожных количествах (тысячные и сотые долипроцента) резко снижают электропроводность и теплопроводность меди, а такжеухудшают способность меди к обработке давлением.
В зависимости отхарактера взаимодействия с медью все примеси можно условно разделить на тригруппы:
1) К первой группе относятся элементы, растворимые в твердой меди (Al, Fe, Ni, Sn, Zn, Au, Ag, Al, pt, Cd, Sb).
2) Вторую группу составляют элементы, практически нерастворимые вмеди и образующие с ней легкоплавкие эвтектики (Pb, Bi, и др.)
3) К третьей группе относятся элементы, образующие с медью хрупкиехимические соединения (S, O2,P и др.)
/>
Рис.1Влияние добавок на твердость меди.[1]
Растворимые элементы при малыхконцентрациях не могут быть обнаружены под микроскопом, так как они входят втвердый раствор. Эти примеси в допустимых пределах практически не уменьшаютспособности меди к пластической деформации. В большинстве случае добавки этихэлементов повышают ее твердость и прочность, снижают электропроводность итеплопроводность.
Нерастворимыепримеси – свинец и висмут – образуют с медью эвтектики, состоящие почти изчистых металлов (содержание висмута в эвтектике 99,8 %, а свинца 99,94 %).Вследствие почти полной нерастворимости свинца и висмута в твердой меди этиэвтектики появляются в сплавах при любом их содержании и, кристаллизуясьпоследними, залегают по границам зерен меди.
/>
Рис.2Влияние добавок на электропроводность меди.[1]
Висмут (точнее богатаявисмутом эвтектика) образует тончайшие прослойки между зернами меди, причемтолщина таких прослоек, по некоторым данным, по некоторым данным можетдостигать нескольких атомных слоев. Поэтому обычно бывает достаточно ужетысячных долей процента висмута, чтобы подобные прослойки образовались на значительнойчасти межзеренной поверхности.
Свинец при малых егосодержаниях, так же, как и висмут, образует по границам зерен меди тонкиелегкоплавкие прослойки, которые хорошо видны на нетравленом шлифе в виде темнойсетки. При больших содержаниях последний обнаруживается в виде темных точек пограницам зерен меди.
При микроскопическоманализе литой меди на свинец необходимо иметь в виду, что, подобно свинцу,могут выглядеть имеющиеся в отливках поры и мелкие раковины, которые тожерасполагаются преимущественно по границам зерен. Микропоры легко отличить отвключений свинца следующим простым приемом: поворотом микрометрического винтамикроскопа микрошлиф слегка выводят из фокуса и снова наводят на фокус, приэтом края микропор в отличие от включений свинца то сходятся, то расходятся.
Примеси третьей группы –сера и кислород – образуют с медью химические соединения Cu2S и Cu2O, которые также располагаются по границам зерен меди в видеэвтектик Cu-Cu2O и a(Cu)-Cu2O.
Ввиду того, чтоэвтектические точки на диаграммах состояния Cu-Cu2O иCu-Cu2S сильно сдвинуты в сторону чистой меди, то основой эвтектикв этом случае является медь, в которой вкраплены включения сульфида или закисимеди. При малом содержании кислорода эвтектика образует тонкую оторочку вокругзерен меди, намечая их контуры даже без травления. По мере увеличениясодержания кислорода количество эвтектики увеличивается и при содержании 0,39 %O2 сплав имеет чисто эвтектическое строение.
Эвтектика a(Cu)-Cu2Oимеет точечное строение, где отдельные темные точки являются частичками закисимеди (Cu2O); основуэвтектики (светлое поле) составляет медь (точнее твердый раствор кислорода вмеди). Растворимость кислорода в меди при эвтектической температуре (1065°С) составляет 0,0035 %, при 600°С 0,0007 %. При переходе за эвтектическуюточку (0,39 % O2) выпадают первичныекристаллы закиси меди, имеющие форму дендритов. Под микроскопом закись меди нанетравленом шлифе выявляется в форме темно-голубых включений. В поляризованномсвете частички закиси меди принимают рубиново-красную окраску, что являетсяхарактерным ее признаком, так как другие включения – сульфиды, фосфиды – в этихусловиях не дают цветной реакции.
При травлении смесью 3% -ого FeCl3 в 10 %-ной HCl закись меди принимает темную окраску в отличие от включенийсульфидов, фосфидов, которые не меняют свое окраски.
По количеству эвтектикив доэвтектическом сплаве можно определить приблизительно содержание кислорода вмеди
/> [1]
где Fэвт-площадь поля зрения микрошлифа, занимаемая эвтектикой, %
0,39 – содержание кислорода вэвтектике.
При деформациинарушается литая структура металла и частицы закиси меди располагаются пограницам сильно вытянутых зерен меди., образуя так называемую строчечнуюструктуру. При отжиге происходит перестройка структуры основного металла ичастиц закиси меди, несколько укрупняясь за счет их слияния, располагаются ввиде цепочек внутри рекристаллизационных зерен.
Структура меди спримесями серы во многом подобна сплавам меди с кислородом, что объясняетсяодинаковым характером взаимодействия этих примесей с медью. Однако в сплавахмеди с серой в сильной степени сказывается явление коалесценции, в результатечего вместо раздробленных выделений сульфидов наблюдается образование крупныхскоплений в форме капель и эвтектика часто не имеет характерного точечногостроения.Рис.3.
/>
Рис.3Микроструктура литой меди с примесью серы. ´250. По границам зерен меди (светлые) располагаютсявключения сульфида меди (Cu2S) (темные).
Сульфид меди нанетравленом шве по своей окраске ничем не отличается от закиси меди и толькоприменение идикаторного травителя (смеси 3%ого FeCl3в 10%-ой HCl) и поляризованного света позволяет этисоединения друг от друга.
Примеси, образующие смедью легкоплавкие эвтектики и хрупкие химические соединения, ухудшают еемеханические свойства и сильно снижают способность к пластической деформации.При небольших содержаниях кислород и сера не оказывают заметного отрицательноговлияния на горячую обработку меди.
Кислород являетсяпричиной так называемой «водородной болезни» меди. Сущность этого явлениязаключается в том, что при нагреве кислородосодержащей меди в восстановительнойатмосфере ( в среде, содержащей H2, CO, CH4 и т.п. газы)водород и другие газы, проникая в твердую медь, взаимодействуют с содержащимсяв ней кислородом и образуют водяные пары (или CO2),нерастворимые в меди и стремящиеся выделиться из нее под некоторым давлением. Врезультате этого в местах их выхода образуются микротрещины, которые служатпричиной разрушения металла при последующей обработке давлением или в процессеработы деталей, изготовленных из такой меди. По этой причине в отношениисодержания кислорода в стандартах на медь и медные изделия даются весьмажесткие нормы.
Для раскисления медиобычно применяют небольшие добавки фосфора. Весьма эффективным раскислителеммеди является также литий.
Влияние серы икислорода на механические свойства меди показано на Рис.4.
/>
Рис.4Влияние серы и кислорода на механические свойства меди.[1]
Наиболеевредными примесями в меди и ее сплавах являются висмут и свинец. Эти примесиуже при ничтожных содержаниях (тысячные и сотые доли процента) резко снижаютпластичность меди при повышенных температурах. Висмут вследствие его хрупкостиспособствует также понижению пластичности и в холодном состоянии. Влияние свинцана механические свойства меди показано на Рис.5.
/>
Рис.5 Влияние свинца на механические свойства меди.[1]
Вредной примесьюсчитают также сурьму, отождествляя ее действие с поведением висмута и меди.Однако это не вполне обосновано. Сурьма, согласно последним данным, до 2%входит в твердый раствор с медью (см. Рис.6) и поэтому не должнаухудшать ни горячей, ни холодной обработки меди. В сплавах на основе меди, гдерастворимость сурьмы уменьшается в десятки раз, влияние на ее свойствасказывается весьма существенно.
/>
Рис.6 Диаграмма состояния Cu-Sb [1]
1 – Марц и Матьюсон (1931г.);
2 – Шибота;
3 – по данным автора (1938 г.)
Вредное влияниелегкоплавких примесей можно устранить путем введения специальных присадок,связывающих эти примеси в тугоплавкие химические соединения. Наиболееэффективными являются такие добавки, которые образуют с примесью химическиесоединения, кристаллизующиеся при температуре либо выше, чем сама медь, либо,по крайней мере, при температуре выше горячей обработки сплава. Легкоплавкиесоединения могут способствовать горячеломкости. Зная формулы этих соединений,при известном содержании примеси можно приблизительно подсчитать необходимоеколичество нейтрализующей присадки.
Однако при выбореприсадок нельзя не учитывать и той среды, в которой происходит образованиесоответствующих соединений. Во многих случаях вводимые добавки могут химическивзаимодействовать с другими компонентами сплава или образовывать с ними твердыерастворы. При образовании химических соединений или твердых растворов действиетаких добавок на примеси частично или полностью парализовываться.
Для связывания свинца ивисмута наиболее эффективными присадками оказались:
Для висмута- литий, кальций, церий,цирконий, магний;
Для свинца- кальций, церий ицирконий.
При введении указанных добавокобразующиеся тугоплавкие соединения (см. Табл. 3) кристаллизуются не ввиде легкоплавких интеркристаллических прослоек, а в форме компактныхизолированных тугоплавких соединений.
Табл.3 Химические соединения свинца и висмута и температуры их плавления.[1]
/>
При этом происходитзаметное очищение границ зерен от примесей и значительная часть включенийрасполагается внутри зерен меди.
В результате такогоизменения (модифицирования) структуры достигаются существенные улучшениямеханических свойств, особенно при высоких температурах. Одновременно с этимустраняются горячеломкость и хладноломкость сплавов, типичные для меди,содержащей легкоплавкие и хрупкие примеси.
Указанные методыобезвреживания свинца и висмута в меди позволяют расширить возможностииспользования низкосортных и вторичных металлов для производства медныхсплавов.
Как уже отмечалось,чистая медь имеет невысокую прочность и поэтому ограниченно применяется какконструкционный материал.
Для повышения прочностии придания меди особых свойств (жаропрочности, коррозионной стойкости и т.д.)ее легируют различными добавками.
Сплавы на основе медиобладают высокими механическими и другими ценными свойствами и нашли широкоеприменение в технике.ХарактеристикаМеди и ее сплавов
Благодаря высокойэлектропроводимости, теплопроводности и коррозионной стойкости медь занялапрочное место в электропромышленности, приборной технике и химическоммашиностроении для изготовления разнообразной аппаратуры. Медь и многие другиеее сплавы применяют при изготовлении криогенной техники.
Промышленностьвыпускает медь марок М0, М1 и др. М1(99,9% Cu, примесине более 0,1%) Чистая медь хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячихсостояниях, малочувствительна к изменениям низких температур… При повышениитемпературы прочностные свойства меди изменяются в довольно широких пределах.
В машиностроенииполучили распространение сплавы на основе меди – латуни и бронзы, которые имеютлучшие прочностные и технологические характеристики.
Медь и ее сплавысвариваются многими способами сварки плавлением. При оценке свариваемостинеобходимо учитывать, что медь и ее сплавы отличаются от большинстваконструкционных материалов более высокой теплопроводностью (в 6 раз выше, чем ужелеза), коэффициентом линейного расширения (в 1,5 раза больше, чем у стали).Медь и ее сплавы склонны к пористости и возникновению кристаллизационныхтрещин, активно поглощают газы, особенно кислород и водород, которые оказываютвредное влияние на прочностные и технические характеристики.
Кислород малорастворимв твердой меди. При повышении температуры медь активно окисляется, образуяоксид меди Cu2O, который при затвердеванииобразует с медью эвтектику Cu-Cu2O. Располагаясь по границам зерен, эвтектика снижает коррозионнуюстойкость и пластичность меди. При содержании в меди кислорода более 0,1%затрудняются процессы горячей деформации, сварки, пайки и других видов горячейобработки.
Водород хорошорастворяется в жидкой меди. В затвердевшей меди растворимость водороданезначительна. С повышением температуры растворимость водорода возрастает,особенно при переходе в жидкое состояние.
Медь и ее сплавы вжидком состоянии могут взаимодействовать также с оксидами углерода. Азот имеетвесьма малое сродство к меди и нерастворим в ней.Пористость
Медьи ее сплавы проявляют повышенную склонность к образованию пор в металле шва иоколошовной зоне. Причиной образования пор является водород, водяные пары илиобразующийся углекислый газ при взаимодействии окиси углерода с закисью меди.
/>
Рис.4 Растворимость водорода в меди (/>). [4]
Высокие градиентытемпературы способствуют развитию термической диффузии водорода в зонетермического влияния, что приводит к сегрегации водорода вблизи лини сплавленияи увеличивает вероятность возникновения дефектов: пор, трещин. Растворимостьводорода в меди зависит от содержания в ней кислорода и легирующих компонентов.
При сварке латунейпричиной пористости может стать испарение Zn,температура кипения которого ниже температуры плавления Cu и составляет 907°С.Испарение Zn уменьшает введениеMn и Si.
При сварке бронзвыгорание легирующих примесей также может стать причиной появления пористости.
Возникновение пор имикротрещин может быть также связано и с усадочными явлениями, протекающими впроцессе кристаллизации сварного шва. Низкая стойкость меди и ее сплавов противвозникновения пор в сварных швах в основном обусловлена активнымвзаимодействием меди с водородом и протеканием при этом сопутствующих процессов(образование водяных паров выделение водорода).
Медь и ее сплавы присварке подвержены образованию горячих трещин. Это обусловлено высоким значениемкоэффициента теплового расширения, большой величиной усадки при затвердевании ивысокой теплопроводностью наряду наряду с наличием в меди и ее сплавах вредныхпримесей (кислорода, сурьмы, висмута, мышьяка, серы, свинца), которые образуютс медью легкоплавкие эвтектики. При затвердевании металла шва эвтектикисосредотачиваются по границам кристаллов, снижая межкристаллитную прочность.Для обеспечения высоких свойств металла концентрацию примесей в медиограничивают. Так, например, в меди допускается не более 0,005 сурьмы, 0,005висмута, 0,004% серы.
При сварке меди и еесплавов в швах формируется крупнокристаллическая структура. Это связано с тем,что высокая теплопроводность меди и ее сплавов при сварке способствуетинтенсивному распространению теплового потока от центра сварного шва в основнойметалл. При этом создаются благоприятные условия для направленнойкристаллизации от зоны сплавления в глубь сварочной ванны. Поскольку в этихусловиях не появляются новые центры кристаллизации, в сварном шве образуетсязона с кристаллитами с избирательной ориентацией; кристаллиты вытягиваются внаправлении теплового потока, образуя крупнозернистую столбчатую структурусварного шва.
Интенсивноераспространение теплоты в основной металл при сварке способствует росту зерна взоне термического влияния.Особенноститехнологии сварки
В связи с высокойтеплопроводностью меди и сплавов на ее основе для местного расплавления металланеобходимо применять источники теплоты с высокой тепловой мощностью и концентрациейэнергии в пятне нагрева. Из-за высокой теплопроводности и быстрого отводатеплоты ухудшается формирование шва, возрастает склонность к появлению всварных швах дефектов (непроваров, подрезов, наплывов, трещин, пористости). Всвязи с этим сварку металла большой толщины (свыше 10-15 мм) обычно выполняют спредварительным и сопутствующим подогревом. Предварительный подогревобеспечивает более равномерное распределение теплоты в сварочной ванне,улучшает условия кристаллизации сварного шва, снижает внутренние напряжения ивероятность возникновения трещин. Изделия подогревают газовым пламенем,рассредоточенной дугой и другими способами. Изделия из меди подогревают дотемпературы 250-300°С.
Тонколистовыеконструкции с толщиной стенки 1,5-2 мм сваривают встык без разделки или сотбортовкой кромок. Высота отбортовки 1,5-2s (s- толщинасвариваемых листов). Листы толщиной до 5 мм сваривают также без разделкикромок, но с зазором до 2мм. Листы толщиной свыше 10мм сваривают с разделкойкромок: под ручную дуговую сварку (РДС) с углом разделки 70° и притуплением кромок до 3мм.
Стыковое соединениесваривают, как правило, на формирующих подкладках из меди, графита, керамики ифлюсовой подушке. Тавровые соединения больших толщин для удержания жидкой ваннырекомендуется сваривать в «лодочку».
Применяют прессованныепрутки или проволоку диаметром 3-10мм. Химический состав присадочных стержней(проволоки) выбирают в зависимости от требований к сварным швам и методасварки.
Конструкции из медисваривают с присадочной проволокой аналогичного состава или легированнойфосфором и кремнием до 0,2-0,3%. При введении в сварочную ванну указанныхраскислителей происходит восстановление Cu2O. Продукты реакции переходят в шлак, металл шва очищается откислорода. Для повышения прочностных свойств металла шва используют присадочныестержни, легированные кремнием, фосфором, марганцем, оловом, железом и другимиэлементами.
Дуговую сваркупокрытыми электродами выполняют на постоянном токе обратной полярности,стремясь поддержать короткую дугу без колебания конца электрода. Силу токавыбирают в зависимости от диаметра электрода. Физические и механическиесвойства сварных швов обеспечивают соответствующим подбором химического составаэлектродного стержня и покрытия.
Если при сваркенеобходимо обеспечить высокие теплопроводность и электропроводимость металлашва, используют электрода «Комсомолец-100» со стержнем из меди (М1).
Автоматическую сваркумеди и ее сплавов под флюсом выполняют на постоянном токе обратной полярности.В сочетании с электродной проволокой М1 используют флюсы АН-348, ОСЦ-45, АН-20,АН-26 и другие или керамические флюсы.
Дуговая сварка в средезащитных газов (ручная или автоматическая) может быть выполнена в среде аргона,гелия или их смесей вольфрамовым электродом или плавящейся электроднойпроволокой.
При сварке в качествеприсадочного материала используют сварочную проволоку БрХ0,7, БрКМп3-1 или медьмарки М1 с добавкой фосфора и кремния до 0,1-0,2 %. Фосфор и кремний хорошораскисляют сварочную ванну, снижают пористость и обеспечивают высокиефизико-механические свойства сварных швов.Подготовка под сварку.
Свариваемый металл иэлектродная проволока перед сваркой тщательно очищаются от окислов механически(шабером, наждаком и прочее)или химически (травлением в растворе, содержащем в1л 75мл HNO3, 100мл H2SO4, 1мл HCl, остальное- дистиллированная вода, споследующей промывкой в воде, затем обезжириваются).
Выбор техническогопроцесса сварки изделия в первую очередь определяется его назначением,сложностью (наличие коротких или криволинейных швов в различныхпространственных положениях, труднодоступных мест), а также числомизготавливаемых изделий (серия) и требованиями, предъявляемыми к их качеству.Газовая сварка.
При единичномпроизводстве и ремонтных работах рекомендуется использовать газовую сварку, впроцессе которой осуществляется подогрев и начальная термическая обработкаизделия. Невысокие температурные градиенты уменьшают воздействие сварочного термическогоцикла на металл в зоне сварки (шов, зона термического влияния). Возможно Раскислениеи легирование металла через присадочную проволоку. Газовую сварку можноприменять как для чистой меди, так и для ее сплавов.
Газовая горелка-тепловой источник малой сосредоточенности, поэтому для сварки меди желательноиспользовать ацетиленокислородную сварку, обеспечивающую наибольшую температуруядра пламени. Для сварки толщин более 10мм рекомендуется применять две горелки,из которых одна используется для подогрева, а вторая для образования сварочнойванны.
Для сварки меди и бронзиспользуют нормальное пламя />, а для сварки латуней /> (с целью уменьшения выгорания цинка).
Раскисление металласварочной ванны, несмотря на защиту от окружающей среды продуктами сгорания,производится извлечение закиси меди флюсами или введением раскислителей черезприсадочную проволоку.
Сварочные флюсы длямеди содержат соединения бора(борная кислота, борный ангидрид, бура), которыерастворяют закись меди, образуя легкоплавкую эвтектику, и выводят ее в шлак.Кроме соединений бора, флюсы могут содержать фосфаты. (Табл.4)
Табл.4.Состав Флюсов для сварки меди и ее сплавов % (по массе) [2]
/>
Флюсы наносят назачищенные и обезжиренные свариваемые кромки по 10-12 мм на сторону.Дополнительно их можно вносить с помощью присадочного металла, на которыйнаносят покрытие из компонентов флюса и жидкого стекла с добавлением древесногоугля [10-20%(по массе)].При сварке алюминиевых бронз в состав флюса надовводить фториды и хлориды, растворяющие Al2O3, который получается при окисленииалюминия в составе бронзы.
При сварке Cu толщинойдо 3 мм разделку кромок не производят, в качестве присадочной проволокииспользуют медь М1 или М2, так как медь не успевает существенно окислиться. Прибольших толщинах применяют присадочную проволоку, легированную раскислителями.При сварке медных сплавов состав присадочной проволоки должен совпадать ссоставом основного металла. Медь больших толщин сваривают в вертикальномположении. После сварки осуществляют проковку в подогретом состоянии (до300-400 град.Цельсия) с последующим отжигом. При проковке получается мелкозернистаяструктура шва и повышаются его пластические свойства.
При правильновыполненной сварке и последующей проковке сварные швы имеют прочность />и угол загиба 120-180°. Ручная сварка.
Выполняется напостоянном токе обратной полярности. Ориентировочные режимы приведены в Табл.5
Медь толщиной до 4 смсваривают без разделки кромок, до 10 мм- с односторонней разделкой при углескоса кромок до 60-70 град. и притуплении 1,5-3 мм. При большей толщинерекомендуется Х-образная разделка.
Теплопроводность иэлектропроводность металла шва при сварке покрытыми электродами значительноснижаются. В процессе плавления электрода с покрытием в металл шва переходитчасть легирующих компонентов и электропроводность шва составляет порядка 20% отэлектропроводности меди М1. Механические свойства швов, выполненных дуговойсваркой покрытыми электродами, вполне удовлетворительны:
/>, уголзагиба 180°.
Табл.5. Ориентировочные режимыручной однопроходной сварки меди покрытыми электродами [2]Толщина, мм Диаметр электрода, мм Ток дуги, А Напряжение, В 2 2-3 100-120 25-27 4 4-5 160-200 25-27 6 5-7 260-340 26-28 7-8 6-7 380-400 26-28 9-10 6-8 400-420 28-30 Автоматическая сварка под флюсом.
основным преимуществомавтоматической сварки Cu под флюсом является возможность получения стабильныхвысоких механических свойств без предварительного подогрева. Поэтому приизготовлении крупногабаритных сварных конструкций их Cu больших толщинтехнологический процесс достаточно прост и почти не отличается от процессасварки сталей.
При сварке меди подтакими кислыми флюсами в металл шва переходят Si и Mn, в результате ухудшаютсятепло- и электрофизические свойства соединений по сравнению с основнымметаллом. Применение бескислородных фторидных флюсов, например марки АН-М1,позволяет получать швы, удельное сопротивление которых в 1,5 раза ниже, атеплопроводность в 2 раза выше по сравнению со швами, выполненными под кислымфлюсом АН-348А.
Для электродуговойсварки меди используются керамические флюсы: ЖМ-1 для сварки меди и К-13МВТУдля сварки меди со сталью.
Режимы сварки меди подфлюсом К-13МВТУ приведены в Табл.6.
Табл.6.Режимы сварки меди под флюсом К-13МВТУ.[2]Толщина металла, мм Диаметр проволоки, мм Ток, А Напряжение, В
1-2
5-6
1-2
2-3
160-180
400-500
26-27
28-30
Сварку ведут напостоянном токе обратной полярности при жестком закреплениина подкладках изохлаждающей меди(толщиной до 2,5 мм) или на графите(толщиной 5-6 мм). Составфлюса К-13МВТУ,% (пол массе):
· глинозем-20
· плавиковый шпат-20
· кварцевый песок-8-10
· магнезит-15
· мел-15
· бура безводная-15-19
· порошок алюминия-3-5
Применение керамического флюсапозволяет раскислить и легировать металл
шва, электро- и теплопроводностьметалла шва получаются на уровне исходного металла.
С увеличением толщиныметалла керамические флюсы становятся ограниченно пригодными, так как необеспечивают требуемой плотности и необходимой пластичности соединения. Снизитьпористость при сварке Cu позволила смесь, состоящая из 80% (по массе) флюсаАН-26С и 20% флюса АН-20С. Лучшие результаты по плотности швов обеспечиваетфлюс сухой грануляции АН-М13 (ВТУ ИЭС 56Ф-72).
Автоматическую дуговуюсварку под флюсом применяют для соединения меди со сталью. Сварка производитсясо смещением электрода на медь, практически без оплавления стали: расплавленнаямедь смачивает стальную кромку и соединение образуется за счет диффузии меди всталь. Применяется специальная разделка кромок: скос только медной кромки подуглом 45 град. с притуплением, равным половине толщины. Стыковое или угловоесоединения собираются без зазора, расстояние оси электрода от края меднойкромки составляет 0,65-0,75 толщины меди. Режим сварки такой же, как и присварке медных соединений, но сварочный ток снижают до 15-20%. Сварныесоединения медь — низкоуглеродистая сталь
обладают хорошими механическимисвойствами.Электрошлаковая сварка меди и ее сплавов.
Применяется для Cuбольших толщин 30-55мм. Легирование шва осуществляют, применяя пластинчатыеэлектроды соответствующего состава. Температура плавления флюса должна бытьниже температуры плавления меди, применяются легкоплавкие флюсы системыNaF-LiF-CaF2, которые обеспечивают устойчивый процесс, подогрев и плавлениекромок на требуемую глубину, хррошее формирование шва и легкое удалениешлаковой корки. Особенностью режимов электрошлаковой сварки меди являютсяповышенные сварочные токи: I=800-1000 A; Uд =40-50 В, скорость подачи пластинчатого электрода 12-15 м/ч. Механическиесвойства металла шва мало отличаются от свойств основного металла.Дуговая сварка в защитных газах.
Ручную, полуавтоматическуюи автоматическую сварку Cu и ее сплавов можно производить плавящимся инеплавящимся электродом. Наиболее часто применяют сварку вольфрамовымэлектродом с подачей присадочного металла в виде проволоки непосредственно взону дуги, узкой профилированной проставки, закладываемой в стык, или сприменением технологического бурта на одной из стыкуемых деталей. Режеприменяется сварка плавящимся электродом.
В качестве защитныхгазов используют азот особой чистоты по МРТУ 6-02-375-66, аргон сорта высший поГОСТ 10157-79, гелий высшей категории качества марок А и Б по ТУ 51-940-80, атакже их смеси в соотношении по объему 50-75% аргона.
При сварке в средеаргона плавящимся электродом процесс неустойчив, с трудом устанавливаетсястабильный струйный перенос металла в сварочной дуге. При сварке в среде азотаэффективный и термический КПД дугового разряда выше, чем аргона и гелия.Глубина проплавления получается выше, но устойчивость дугового разряда в азотениже, чем в аргоне и гелии. Несмотря на высокую чистоту защитных газов, медьпри сварке подвергается окислению и может возникать пористость, что определяетнеобходимость применения легированных присадочных и электродных проволок.
Сварку мединеплавящимся электродом осуществляют на постоянном токе прямой полярности. Присварке электрод располагают строго в плоскости стыка, наклон электрода 60-80°«углом назад». При сварке Cu толщиной более 4-5 мм рекомендуетсяподогрев до 300-400°.
Присадочные проволокииз чистой меди М1, М0 при сварке обеспечивают получение металла шва, по составуи физическим свойствам близкого к основному металлу, однако механическиесвойства сварного соединения понижены, наличие пористости уменьшает плотностьметалла шва. При введении в состав присадочных проволок раскислителей илегирующих компонентов механические свойства возрастают, но, как правило,тепло- и электропроводность металла шва, что в ряде случаев недопустимо. Втаких случаях рекомендуются присадочные проволоки, легированные сильнымираскислителями в микроколичествах, которые после сварки не остаются в составетвердых растворов, а переходят в свои соединения и образуют высокодисперсныешлаковые включения и поэтому не влияют на физические свойства металлов.
Составы присадочныхпроволок приведены в Табл.7., позволяет получить металл шва сфизическими и механическими свойствами на уровне основного металла М1,коррозионная стойкость сварных соединений такая же, как у основного металла.
Табл.7.Марки присадочного металла для сварки меди и ее сплавов неплавящимсяэлектродом. [2]
/>Свариваемостьмеди
Общие вопросысвариваемости определяются влиянием термического цикла сварки на физическиесвойства металла: его прочность и пластичность. Для Cu эти свойства будут зависеть от степени ее чистоты. Так, Cu с повышенной концентрациейводорода может иметь провал пластичности в интервале температур 350-450°С, который для чистой меди обычно нерегистрируется.
Сварка чистой Cu существенно отличается от сваркисталей в силу особенностей теплофизических свойств этих металлов. Большиетепло- и температуропроводности Cu создаютвысокие градиенты температуры и скорости охлаждения, а также определяют малоевремя существования сварочной ванны, что требует применения повышенной погоннойэнергии или предварительного подогрева, а это является нежелательнымосложнением технологии сварки. Значительный коэффициент линейного расширения иего зависимость от температуры вызывают необходимость сварки при жесткомзакреплении кромок или по прихваткам. При большой толщине металла следуетрегулировать величину зазора при сварке. Малое время существования сварочнойванны в жидком состоянии ограничивает возможности ее металлургическойобработки. В частности, при раскислении меди требуются более активныераскислители, чем при сварке сталей.
Особенностью сварки Cu и ее сплавов является склонностьшвов к образованию горячих трещин. Кислород, сурьма, висмут, сера и свинецобразуют с медью легкоплавкие эвтектики, которые скапливаются по границамкристаллитов. Это требует ограничения содержания примесей в меди:O2 – до 0,03 % Bi – до 0,003 % Sb – до 0,005 % Pb – до 0,03 %
Для ответственных конструкцийсодержание этих примесей должно быть еще ниже. Для особо ответственных изделийсодержание O2 должно быть значительно ниже– менее 0,003% (по массе). Содержание S не должно превышать 0,1 % (по массе).
Вывод
Al, Fe, Ni, Sn, Zn, Ag повышаютпрочность и твердость меди и используются для легированных сплавов на меднойоснове. Нерастворимые элементы Pb иNi ухудшают механическиесвойства меди и однофазных сплавов на ее основе. Образуя легкоплавкиеэвтектики, располагающиеся по границам зерен основной фазы, они вызываюткрасноломкость. Висмут, будучи хрупким металлом, охрупчивает медь и ее сплавы.Свинец, обладая низкой прочностью, снижает прочность медных сплавов, однаковследствие хорошей пластичности не вызывает их охрупчивания. Кроме того, свинецулучшает антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием медных сплавов,поэтому его применяют для легирования. Нерастворимые элементы O,S, Se, Te присутствуют в меди и ее сплавах в виде промежуточных фаз(например, Cu2O, Cu2S), которые образуют с медью эвтектики с высокой температуройплавления и не вызывают красноломкости. Кислород при отжиге меди в водородевызывает «водородную болезнь», которая может привести к разрушению металла приобработке давлением или эксплуатации готовых деталей. Механические свойствамеди в большей степени зависят от ее состояния и в меньшей от содержанияпримесей.
Медь обладает высокойтехнологичностью. Она прокатывается в тонкие листы и ленту, из нее получаюттонкую проволоку, медь легко полируется, хорошо паяется и сваривается.
СписоклитературыМ.В.Мальцев «Металлография промышленных цветных металлов и сплавов» (2 изд. Изд-во «Металлургия», 1970, 364с.) Справочник «Сварка и свариваемые материалы» (Том 1. Изд-во «Металлургия» 1991г.) Теория сварочных процессов /Под ред. В.В. Фролова/. – М.: Высшая школа, 1988.-599 с. Технология и оборудование сварки плавлением /Под ред. Г.Д. Никифорова/,-2-е изд. –М.: Машиностроение, 1986?/ — 320 c. Технологические основы сварки и пайки в авиастроении. /Под ред. В.А. Фролова/. –М.: Интермет-инжиниринг, 2002. -456 с. www.sak.ru/ «Материаловедение» учебник для ВУЗов /Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. Под общ. Ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. -3-е изд., переработ. И доп. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.э. Баумана, 2001. – 648 с., ил.