Сварка меди и ее сплавов представляет собой уникальную задачу из-за их высокой теплопроводности и склонности к образованию трещин. В этой статье рассматриваются различные технологии сварки, материалы и методы подготовки, необходимые для получения успешных сварных швов меди и ее сплавов. Читатели узнают о специфических проблемах свариваемости, предварительной подготовке к сварке и выборе подходящих методов и материалов для сварки. Понимая эти факторы, можно повысить производительность и надежность медных сварных швов, имеющих решающее значение для применения в различных отраслях промышленности.
Медь и медные сплавы широко используются в различных отраслях промышленности благодаря исключительному сочетанию свойств. Эти материалы обладают превосходной электро- и теплопроводностью, высокой устойчивостью к окислению и отличной коррозионной стойкостью в различных средах, включая пресную и соленую воду, щелочные растворы и органические химикаты. Однако важно отметить их уязвимость к коррозии в окислительных кислотах.
Медные сплавы демонстрируют отличную формуемость как при холодной, так и при горячей обработке, а также повышенную прочность по сравнению с чистой медью. Их универсальность привела к широкому применению в таких важных отраслях, как электротехника и электроника, химическая промышленность, пищевая промышленность, энергетика, транспорт, аэрокосмическая и оборонная промышленность.
Промышленное производство меди и медных сплавов позволяет получать разнообразные материалы, которые обычно классифицируются по химическому составу. К основным категориям относятся:
1. Чистая медь: Для сварки конструкций предпочтительна мягкая отожженная чистая медь. К распространенным маркам относятся T1, T2, T3, T4, а также варианты бескислородной меди, такие как TU1 и TU2.
2. Латунь: Эти медно-цинковые сплавы обеспечивают баланс прочности, пластичности и коррозионной стойкости. Широко используемые марки включают H62, H68, H96, а также специализированные сплавы, такие как свинцовая латунь (HPb59-1) и оловянная латунь (HSn62-1).
3. Бронза: первоначально относилась к медно-оловянным сплавам, теперь этот термин охватывает медные сплавы, в которых цинк или никель не являются основными легирующими элементами. К известным типам относятся:
4. Белая медь (купроникель): Эти медно-никелевые сплавы демонстрируют замечательную коррозионную стойкость, особенно в морской среде.
Каждый из этих материалов на основе меди обладает уникальным сочетанием свойств, что позволяет инженерам и конструкторам выбирать оптимальный сплав для конкретных применений. Постоянная разработка новых медных сплавов и методов их обработки продолжает расширять возможности их применения в передовых технологиях и сложных условиях.
Сайт свариваемость медь и медные сплавы сравнительно плохие, что делает их сварку гораздо более сложной по сравнению с низкоуглеродистой сталью. Основные трудности наблюдаются в следующих аспектах:
(1) Плохая способность к формированию сварного шва:
При сварке меди и большинства медных сплавов возникают трудности с получением плавления, неполное проплавление шва и плохое формирование поверхности. В основном это связано с высокой теплопроводностью меди: теплопроводность меди и большинства медных сплавов в 7-11 раз выше, чем у обычной углеродистой стали.
В результате тепло быстро отводится от зона сварки. Чем толще заготовка, тем сильнее отвод тепла. Хотя медь имеет более низкую температуру плавления и удельную теплоемкость по сравнению с железом, ей все равно сложно достичь температуры плавления в зоне сварки, что затрудняет сплавление основного и присадочного металла.
Кроме того, отличная теплопроводность меди приводит к расширению зоны термического влияния, что может привести к значительной деформации, если заготовка имеет низкую жесткость. И наоборот, когда жесткость высока, это может вызвать значительные сварочные напряжения в заготовке.
Плохое формирование поверхности меди и медных сплавов в основном объясняется тем, что поверхностное натяжение при плавлении составляет одну треть от стального, а текучесть в 1-1,5 раза выше, чем у стали, что делает ее более восприимчивой к потере металла при плавлении.
Поэтому при сварке чистой меди и большинства высокопроводящих медных сплавов, помимо использования мощных и высокоэнергетических плотностей методы сваркиТакже необходимо включать различные степени предварительного подогрева. Не допускается использование односторонней сварки без поддержки, а при выполнении односторонней сварки необходимо добавлять опорную пластину для контроля формирования сварного соединения.
(2) Высокая восприимчивость к термическому растрескиванию в сварных швах и зонах термического воздействия:
Склонность к образованию термических трещин в сварных швах связана с влиянием примесей в сварном шве, а также зависит от напряжений, возникающих во время процесс сварки. Кислород является распространенной примесью, содержащейся в меди, и он оказывает значительное влияние на склонность к термическому растрескиванию в сварных швах.
При высоких температурах медь реагирует с кислородом воздуха, образуя Cu2O. Cu2O растворим в жидкой меди, но не растворим в твердой меди, образуя эвтектику с низкой температурой плавления. Примеси, такие как Bi и Pb в меди и медных сплавах, имеют низкие температуры плавления.
В процессе затвердевания сварочной ванны они образуют эвтектику с низкой точкой плавления, которая распределяется между дендритами или по границам зерен, вызывая значительную термическую хрупкость меди и медных сплавов. Когда сварной шов находится в твердо-жидкой фазе, эвтектики с низкой температурой плавления в зоне термического влияния повторно расплавляются под воздействием сварочных напряжений, что приводит к тепловые трещины.
Медь и медные сплавы имеют относительно высокие коэффициенты линейного расширения и скорости усадки, а также обладают высокой теплопроводностью. При сварке требуются мощные источники тепла, что приводит к расширению зоны термического воздействия. В результате сварные соединения испытывают значительные внутренние напряжения, что является еще одним фактором, приводящим к образованию трещин в сварных швах из меди и медных сплавов.
Кроме того, при сварке чистой меди металл шва состоит из однофазной структуры. Из-за высокой теплопроводности чистой меди сварной шов имеет тенденцию к образованию крупных зерен. Это еще больше усугубляет образование термических трещин.
Поэтому для предотвращения образования термических трещин при использовании сварки плавлением для сварка меди и медных сплавов, необходимо принять следующие металлургические меры:
1) Строго контролируйте содержание примесей (таких как кислород, висмут, свинец, сера и т.д.) в меди.
2) Повышение способности сварного шва к раскислению путем добавления в сварочную проволоку легирующих элементов, таких как кремний, марганец, фосфор и т.д.
3) Выберите сварочные материалы что позволяет получить дуплексную структуру, которая нарушает сплошность эвтектических пленок с низкой температурой плавления и изменяет направление столбчатых зерен.
4) Применяйте такие меры, как предварительный подогрев и медленное охлаждение для снижения сварочных напряжений, минимизации размера корневого зазора и увеличения размеров корневого прохода для предотвращения образования трещин.
(3) Восприимчивость к образованию пористости:
При сварке плавлением меди и медных сплавов тенденция к образованию пористости гораздо более значительна по сравнению с низкоуглеродистой сталью. Для уменьшения и устранения пористости в медных сварных швах основными мерами являются уменьшение источников водорода и кислорода и предварительный подогрев для увеличения времени существования расплавленной ванны, что облегчает выход газов.
Использование сварочных проволок с сильными раскислителями, такими как алюминий, титан, и т.д. (которые также могут удалять азот и водород) или добавление таких элементов, как алюминий и олово, в медные сплавы может дать хорошие результаты в плане раскисления.
(4) Уменьшение сварное соединение производительность:
В процессе сварки плавлением меди и медных сплавов в сварных соединениях происходит интенсивный рост зерна, испарение и выгорание легирующих элементов, а также проникновение примесей, что приводит к снижению механических свойств, электропроводности и коррозионной стойкости сварных соединений.
1) Значительное снижение пластичности:
В сварном шве и зоне термического влияния происходит огрубление зерна, а на границах зерен появляются различные хрупкие эвтектики с низкой точкой плавления, что ослабляет прочность соединения металла и значительно снижает пластичность и вязкость шва. Например, при использовании сварочных электродов из чистой меди для дуговая сварка или дуговой сварки под флюсом, удлинение соединения составляет всего от 20% до 50% основного материала.
2) Снижение электропроводности:
Добавление любого элемента к меди снижает ее электропроводность. Поэтому плавление примесей и легирующих элементов в процессе сварки в определенной степени ухудшает электропроводность меди суставы.
3) Снижение коррозионной стойкости:
Коррозионная стойкость медных сплавов достигается за счет легирования такими элементами, как цинк, марганец, никель, алюминий и т. д. Испарение и окисление этих элементов в процессе сварки плавлением в определенной степени снижает коррозионную стойкость соединения. Возникновение сварочных напряжений также повышает риск коррозии под напряжением.
Меры по улучшению характеристик соединения в основном включают контроль содержания примесей, уменьшение выгорания сплава и термическую обработку для изменения микроструктуры сварного шва. Также полезны минимизация теплового воздействия во время сварки и снятие напряжения после сварки.
Сварка меди и медных сплавов представляет собой уникальную задачу из-за исключительной теплопроводности материала. Существует широкий спектр методов сварки, каждый из которых обладает определенными преимуществами для различных областей применения. К распространенным методам относятся газовая сварка, дуговая сварка в защитной оболочке (SMAW), сварка вольфрамовым электродом в инертном газе (TIG), газовая дуговая сварка металлов (GMAW/MIG) и дуговая сварка под флюсом (SAW).
Выбор оптимального метода сварки должен основываться на множестве факторов:
Превосходная теплопроводность меди (почти в 6 раз выше, чем у стали) требует применения методов сварки с высокой плотностью мощности и концентрированным подводом тепла. Это помогает преодолеть быстрый отвод тепла и обеспечить надлежащее сплавление. Как правило, предпочтение отдается методам, обеспечивающим более высокую тепловую эффективность и сфокусированное выделение энергии.
Толщина медного материала существенно влияет на выбор метода сварки:
Новые технологии, такие как лазерная сварка и гибридная лазерно-дуговая сварка находят все большее применение при сварке меди, обеспечивая высокую точность и минимальные зоны термического влияния.
Правильный выбор присадочных металлов, защитных газов и предварительной/послесварочной термообработки имеет решающее значение для достижения оптимального качества сварки меди и ее сплавов. Кроме того, из-за чувствительности меди к окислению и загрязнению необходима строгая чистота и подготовка поверхности.
1) Сварочная проволока:
При выборе сварочной проволоки для меди и медных сплавов важно не только соответствовать общим технологическим и металлургическим требованиям, но и тщательно контролировать содержание примесей и повышать способность к раскислению. Это необходимо для предотвращения образования термических трещин и пористости, которые являются распространенными проблемами при сварке меди.
Для сварки чистой меди проволока обычно легируется раскисляющими элементами, такими как кремний (Si), марганец (Mn) и фосфор (P). Эти элементы способствуют удалению кислорода из сварочной ванны, снижая риск образования пористости и улучшая общее качество сварки. Широко распространенным вариантом является сварочная проволока из меди высокой чистоты HSCu. Эта проволока универсальна и может применяться в различных сварочных процессах:
2) Сварочные электроды:
Электроды для дуговой сварки меди можно разделить на два основных типа: медные и бронзовые. Среди них чаще всего используются бронзовые электроды благодаря их превосходным эксплуатационным характеристикам.
Медные электроды, особенно содержащие цинк (как в латунных сплавах), редко используются в процессах дуговой сварки. В первую очередь это связано с высоким давлением паров цинка при температуре сварки, что может привести к чрезмерному образованию дыма, пористости и нестабильному поведению дуги.
Бронзовые электроды, с другой стороны, обеспечивают более стабильную дугу и лучшую свариваемость. Они особенно эффективны при сварке меди с самой собой или с другими медными сплавами. Два широко используемых типа электродов этой категории:
При выборе электродов следует тщательно учитывать такие факторы, как состав основного металла, требуемые механические свойства и специфические требования к применению, чтобы обеспечить оптимальные результаты сварки.
Требования к предварительной обработке сварных швов из меди и медных сплавов являются жесткими из-за высокой теплопроводности материалов и их восприимчивости к окислению. Основной задачей предварительной очистки является удаление загрязнений и оксидных пленок для обеспечения оптимального качества и производительности сварного шва.
Начните с тщательного обезжиривания сварного шва и прилегающей к нему области (примерно 30 мм с каждой стороны) с помощью подходящего растворителя, например ацетона или изопропилового спирта. Этот шаг очень важен для удаления любых масел или органических загрязнений, которые могут нарушить целостность сварного шва.
После обезжиривания используйте двухступенчатый процесс химической очистки:
Для механического удаления окислов используйте проволочную щетку из нержавеющей стали или круг, специально предназначенный для меди. Пневматические инструменты могут повысить эффективность, но следует соблюдать осторожность, чтобы избежать чрезмерного удаления материала или загрязнения поверхности. Продолжайте чистить щеткой до достижения равномерного, яркого металлического блеска.
Наплавочные металлы требуют аналогичного внимания. Непосредственно перед использованием очищайте сварочную проволоку механически с помощью безворсовой ткани или мелкозернистой наждачной бумаги, чтобы удалить поверхностные окислы. При больших объемах работ следует использовать автоматизированные системы очистки проволоки для поддержания постоянного качества.
После очистки сократите время между подготовкой и сваркой, чтобы предотвратить повторное окисление. Если немедленная сварка невозможна, храните подготовленные компоненты в контролируемой среде с низкой влажностью и защищайте поверхности подходящими антиокислительными составами, совместимыми с процессом сварки.
Соблюдайте меры безопасности при работе с химическими веществами, включая соответствующие средства индивидуальной защиты (СИЗ) и адекватную вентиляцию. Соблюдайте местные экологические нормы по утилизации отработанных чистящих растворов.
Газовая сварка:
Газовая сварка подходит для соединения тонких медных компонентов, ремонта медных деталей или сварки некритичных конструкций. Универсальность этого метода делает его особенно полезным в операциях технического обслуживания и ремонта.
1) Предварительный нагрев перед сваркой:
Предварительный подогрев необходим для газовой сварки чистой меди, чтобы уменьшить внутренние напряжения, предотвратить растрескивание, уменьшить пористость и обеспечить полное проплавление. Для тонких листов и небольших сварных изделий предварительно нагрейте до 400-500°C (752-932°F). Для толстых и крупных сварных изделий увеличьте температуру предварительного нагрева до 600-700°C (1112-1292°F). Латунные и бронзовые сплавы обычно требуют немного более низких температур предварительного нагрева из-за их различных тепловых свойств.
2) Выбор параметров и техники сварки:
Учитывая высокую теплопроводность меди, энергия пламени при сварке должна быть в 1-2 раза выше, чем при сварке углеродистой стали. При сварке чистой меди очень важно поддерживать нейтральное пламя.
Окислительное пламя может привести к окислению сварного шва и потере легирующих элементов, что нарушает целостность соединения. И наоборот, науглероживающее пламя увеличивает содержание водорода в сварном шве, способствуя образованию пористости.
Для тонких листов используйте левосторонний метод сварки, чтобы минимизировать рост зерен. Для заготовок толщиной более 6 мм (0,24 дюйма) предпочтительнее использовать правосторонний метод сварки, поскольку он способствует более высокому нагреву основного металла и обеспечивает лучшую видимость расплавленного слоя, повышая эффективность работы.
Обеспечьте быстрое, непрерывное движение сварочной горелки, избегая случайных прерываний в каждом сварном шве. В идеале завершайте каждый сварной шов за один проход, чтобы обеспечить однородность и снизить риск возникновения дефектов.
При сварке длинных швов учитывайте соответствующие припуски на усадку перед сваркой и обеспечивайте правильное позиционирование. Используйте метод сегментированного обратного шага во время сварки для минимизации деформации и остаточных напряжений.
При сварке медных изделий, находящихся под напряжением или имеющих критическое значение, проводите послесварочную обработку:
Такая послесварочная обработка способствует улучшению структуры зерна, снятию остаточных напряжений и повышению общего качества сварки, обеспечивая оптимальные эксплуатационные характеристики сваренных медных деталей.
Имеется водяная рубашка электрода, изготовленная из раскисленной меди TU1. Электродное соединение сваривается с помощью сварки MIG, а конкретный процесс сварки приведен в таблице 5-37.
Таблица 5-37 Технологическая карта сварки для соединения TU1
| Технологическая карта сварки для стыковой сварки | Номер | |||
Совместная диаграмма: | Материал основания Материал | TU1 | TU1 | |
| Толщина основного материала | 15 мм | 15 мм | ||
| Положение при сварке | Плоская сварка | |||
| Техника сварки | Прямая траектория сварки | |||
| Температура предварительного нагрева | 500℃ | |||
| Температура перепуска | ≥500℃ | |||
| Диаметр сопла | Φ26 мм | |||
| Защитный газ | Ar | Скорость потока газа (л/мин) | Спереди: 25~30 Назад: | |
| Последовательность сварки | |
| 1 | Проверьте размеры пазов и качество поверхности. |
| 2 | Удалите масло и грязь из паза и его окрестностей. Очистите смазку с помощью водного раствора 10% NaOH при температуре 30~40℃, затем промойте чистой водой и высушите. Удалите оксидную пленку путем шлифования проволочным кругом из нержавеющей стали, затем промойте щелочной водой, после чего промойте чистой водой и высушите. |
| 3 | Выполните прихваточную сварку для первого слоя, используя технику внешней позиционной сварки. Длина должна составлять 100 мм, а расстояние между точками сварки не должно превышать 300 мм. Если в шве прихватки появляются трещины, удалите их и заварите заново. |
| 4 | Соедините электроды на специально разработанном приспособлении. Разогрейте заготовку с помощью электронагревателя с температурой предварительного нагрева 500℃ и убедитесь, что температура межслойной прослойки не ниже 500℃. |
| 5 | Начинайте сварку с внешней стороны, чтобы избежать образования сварочных шариков на внутренней стороне сварного шва. Убедитесь, что округлость внутренней окружности электрода и гладкости внутренней поверхности. |
| 6 | Выполните визуальный осмотр. |
| 7 | При необходимости выпрямите. |
| 8 | Выполните послесварочную термообработку. |
Параметры сварочных характеристик
| Проходит | Метод сварки | Марка сварочного материала | Спецификация сварочных материалов | Виды тока и полярность | Сварочный ток (ампер) | Напряжение дуги (вольт) | Скорость сварки (мм/за проход) | Примечания |
| 1~2 | MIG (полуавтоматическая) | HSCu | 1.6 | DCEP | 350~400 | 30~35 | 250~300 |
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO