Сварка цветных металлов медь и ее сплавы алюминий титан

Обновлено: 28.03.2024

Требования, типы соединений и другая информация, относящаяся к процессу сварки цветных металлов, содержится в ГОСТах, обязательных для выполнения.

ГОСТы

Дуговая сварка алюминия и сплавов в инертных газах:

Дуговая сварка трубопроводов из меди и медно-никелевого сплава:

Отличительные черты

Сварочный процесс (тип соединения и технология) цветных материалов зависит от их свойств, а именно:

Некоторые особенности поведения цветных металлов и сплавов при сварке отражены в таблице.

Оборудование

Применяемое оборудование для сварки цветных металлов зависит от их вида и метода сварки.

К сварочным принадлежностям и инструментам относятся:

    или устройство для сборки и закрепления элементов;
  • источник тока;
  • сварочный прибор;
  • дополнительные элементы и устройства (в зависимости от типа сварки);
  • кабель;
  • вещи сварщика (костюм, маска);
  • различные инструменты;
  • средства пожаротушения.

Технология процессов

Методы сварки цветных металлов выбираются в соответствии с их физико-химическими свойствами. При выборе способа учитывают наличие:

Также учитывается экономическая и техническая целесообразность метода и квалификация технологов и сварщиков.

Таблица свариваемых цветных металлов и применяемых типов сварки.

Наименование металла Дуговая Аргонодуговая Электрошлаковая Электронно-лучевая в вакууме Газовая
Алюминий + + + +
Магний + +
Медь + + +
Никель + + +
Титан + +
Тантал + +
Цирконий + +
Гафний + +
Молибден + +
Вольфрам + +
Ниобий + +
Цинк + +
Серебро + +
Ванадий +
Свинец + + +

Подготовка к работе

Процесс подготовки к проведению сварочных работ цветных металлов зависит от вида соединяемых материалов и типа сварки.

Перед началом работы производится подготовка деталей. Выполняется зачистка плоскостей и кромок в соединяемых местах от загрязнений и пленки окиси. В случае необходимости поверхность обезжиривается, промывается и просушивается.

Сварка алюминия

Сложность процесса заключается в наличии на поверхности алюминия и его сплавов оксидной тугоплавкой пленки, которую перед началом работ необходимо удалить.

Наиболее часто применяемый вид – ручная и механизированная сварка в защитных газах. Особенности процесса:

  • электроды – вольфрамовые и плавящиеся;
  • инертные газы: аргон (1 или 2 сорта), высокой чистоты гелий или их смесь.

В соответствии с маркой сплава подбирается присадочная проволока.

Ручной аргонодуговой метод неплавящимся электродом применяется при толщине алюминия до 10 мм и ведется на переменном токе. Способ плавящимся электродом проводится в аргоне или смеси гелия и аргона, ток – постоянный, обратной полярности. Процесс механизированной сварки проводится с фторидно-хлоридными флюсами. Метод автоматической сварки по флюсу одним электродом выбирают при толщине алюминия 5-10 мм. При толщине, превышающей этот диапазон, берут расщепленный электрод, обеспечивающий надежный провар.

При работе с металлами более 10 мм толщиной уместен метод полуавтоматической сварки плавящимся электродом в среде защитного газа. В процессе работы швы большой протяженности разбиваются на небольшие участки.

Метод автоматической сварки вольфрамовым электродом в инертных газах может быть однодуговым (толщина материала до 12 мм) или трехфазным (более 12 мм). С целью получения высококачественных швов работу выполняют одним проходом.

Электрошлаковая сварка производится пластинчатым электродом. Ток — переменный, используют флюсы.

Особенности сварки ручной дуговой покрытыми электродами:

  • толщина алюминия – более 4 мм;
  • ток – постоянный, полярность – обратная.

Необходим предварительный подогрев металла.

Ручная дуговая сварка угольными электродами на постоянном токе прямой полярности применяется для соединения неответственных конструкций. На присадочный пруток и соединяемые кромки накладывается слой флюса.

Газовая сварка выполняется с флюсами, левым способом. Применяется для соединения элементов встык.

Соединение меди и никеля

Медь и никель относятся к тяжелым цветным металлам.

Сварка меди

Плохая свариваемость обусловлена:

  • чрезмерной склонностью к образованию трещин;
  • жидкотекучестью;
  • высокой теплопроводностью.

Поэтому основная сложность – получение сварного шва без трещин, пор и окисных включений.

Наиболее используемые методы сварки:

  1. Ручная дуговая проводится короткой дугой, электрод – плавящийся покрытый. Ток – постоянный, полярность – обратная. Сплавы до 4 мм соединяются без проведения подогрева. Медь толщиной 5-10 мм заблаговременно подвергается подогреву до 250-300° С.
  2. В защитных газах проводится неплавящимся электродом. Ток – постоянный прямой полярности (для меди) и переменный (для бронзы). Дуга при работе защищается азотом, гелием, аргоном или их смесью.
  3. Под флюсом угольными электродами используется для работы с малоответственными деталями, толщина которых менее 15 мм. Графитовые электроды используют при толщине выше 15 мм. Ток – постоянный, прямой полярности.

Сварка никеля

  1. Дуговая вольфрамовым электродом (прямой полярности постоянный ток). Защитный газ – аргон 1 сорта, присадочная проволока с содержанием марганца. Сварка никеля толщиной более 4-5 мм проводится плавящимся электродом.
  2. Механизированная под флюсом сварка (ток постоянный, полярность – обратная). Применяемые флюсы – бескислородные или безокислительные, реже – керамические.
  3. Метод ручной дуговой сварки толстопокрытыми электродами (постоянный ток обратной полярности). Работа с тонким металлом производится угольным электродом с флюсом.
  4. Газовая – для сварки деталей небольших размеров до 4 мм толщиной.

Сварка свинца

Основные причины сложности сварки свинца – его низкая температура плавления и образование тугоплавких окислов с высокой температурой плавления. Применяемые типы сварки:

  1. Газовая ацетилено-кислородная. Применяют флюсы и присадочную свинцовую проволоку или полосы листового свинца.
  2. Ручная дуговая угольным электродом в среде защитных газов неплавящимися и плавящимися электродами. Производится короткой дугой. Ток – постоянный, полярность – прямая.

Соединение сплавов из титана

Химическая активность материала к газам при высокой температуре является основной проблемой сварки титана. Поэтому при работе требуется защита от атмосферного взаимодействия всех участков материала, нагретого выше 500° С.

  1. Дуговая в среде инертных газов неплавящимся и плавящимся электродом. С постоянным током прямой полярности. Газ – аргон или гелий.
  2. Сварка плавящимся электродом проводится за два прохода с постоянным током обратной полярности.
  3. Способ под флюсом производится на оборудовании с постоянным током, полярность – обратная.
  4. Электрошлаковая с использованием бескислородных флюсов применяется для соединения титана толщиной более 40 мм.

Виды и особенности сварки цветных металлов и сплавов

При самостоятельной сварке цветных металлов необходимо знать особенности сплавов. Сложно сделать качественный шов на бытовом оборудовании, необходимо использовать тугоплавкие электроды, защитную атмосферу.

Сварка цветных металлов и их сплавов

Особенности сварки цветных металлов

В процессе фазового перехода легкие компоненты улетучиваются, выгорают, это пагубно сказывается на состоянии шва. Он растрескивается. Тугоплавкие окислы – еще одна проблема. Иногда необходимо увеличить рабочий ток, чтобы пробить оксид. При сварке цветных металлов и сплавов нередко расплав становится слишком текучим, необходимо изолировать ванну расплава. Для некоторых сплавов необходимо ограничить не только контакт с кислородом, но и другими компонентами воздуха. Азот в качестве защитной атмосферы для некоторых сплавов не годится.

Технология сварки цветных металлов

Подготовительный этап заключается в удалении жирных пятен, очищении деталей от грязи. Окислы зачищают до блеска, свариваемые поверхности протравливают перед работой. На толстых деталях формируют кромки. Сварку цветных металлов и их сплавов проводят в нижнем положении, некоторые расплавы по текучести напоминают ртуть. Выбор электродов, режима работы зависит от химического состава сплава. При выборе сварочного аппарата необходимо правильно оценивать свариваемость сплава, учитывать температуру плавления, толщину заготовки.

Алюминиевые сплавы

Дюрали, силумин, авмель и другие сплавы на основе алюминия сильно различаются по свариваемости. Электродугой алюминий сваривают плавящимися и неплавящимися электродами, используют оборудование, генерирующее постоянный ток. Контакты подключают в обратной полярности. Рекомендуется предварительный прогрев заготовок:

  • толщиной до 8 мм – до 200°С;
  • свыше 8 мм – до 400°С.

Сваривают алюминий на токах до 200 А при толщине листа до 4 мм без предварительной разделки кромок. У заготовок свыше 4 мм края стачивают под углом, варят на токах, в 35-40 раз больше толщины заготовки (до 160 А). Газовую среду используют высококлассную, чтобы облако не смещалось с рабочей зоны в процессе образования и застывания шва. Расстояние между прихватками делают с учетом толщины заготовки:

Толщина заготовки, мм

Интервал между прихватками, мм

Тугоплавкий или угольный электрод, разжигающий электродугу, держат под прямым углом к присадке, чтобы исключить непровары корня шва.

Медь и ее сплавы

Медные сплавы, латуни, бронзы сваривают несколькими способами:

  • электродуговой сваркой в атмосфере азота;
  • ручной, полуавтоматической, автоматической аргоновой;
  • электронно-лучевой, создающей высокую температуру в ограниченной зоне.

При сварке цветных металлов толщиной до 2 мм нужен постоянный ток обратной полярности. В качестве присадки используют наплавочную проволоку с большим содержанием раскислителей. Толщину подбирают под размер свариваемых заготовок. Минимальный диаметр присадки – 1,5 мм, максимальный – 8 мм. Сварку меди и цветных сплавов с высоким ее содержанием, проводят:

  • ручным электродуговым методом током прямой полярности, варят металл короткой дугой, длиной от 35 до 40 мм, чтобы сократить разбрызгивание металла (рекомендуется избегать поперечных движений электродом);
  • в атмосфере аргона током обратной полярности; если сплав плавится до 400°С, бронзовая проволока укладывается в стык с большой скоростью, чтобы не перегревались заготовки.

В качестве флюса используют буру или смесь буры с борной кислотой, поваренной солью, метилборатом.

Никелевые сплавы

Цветные сплавы на основе никеля отличаются высокой вязкостью, пластичностью. Детали из никеля плавятся при 700–1000°С, процесс сопровождается насыщением сплавов газами, шов становится пористым, непрочным. Хотя никель устойчив к коррозии. При аргонодуговой сварке подбирают электроды с ниобием, кремнием, алюминием. В расплаве также желательно присутствие марганца, магния. Свариваемость металла повышается, образуется прочное соединение.

Для работы с никелевыми сплавами нужны сварочные аппараты, выдающие постоянный рабочий ток. Сварка никелевых цветных заготовок производится на токе обратной полярности, чтобы защитный газ ионизировался, электродуга становится стабильнее. При обратной полярности заготовка нагревается меньше, чем электрод. Это особенно актуально для заготовок небольшой толщины. Регулируя потенциал тока, можно уменьшить температуру заготовки.

Обработка титана

Титан в расплавленном состоянии бурно реагирует с тремя компонентами воздуха: кислородом, водородом, азотом. Необходимо снизить их содержание в защитной атмосфере до минимума. Газ должен быть качественным, если нужен надежный шов. Он должен остывать в защитной атмосфере, чтобы не образовывались трещины. Для сварки титана в промышленных объемах используются герметичные камеры. При ручной сварке необходимо экранировать рабочую зону, чтобы облако инертного газа не смещалось со шва, аргон или гелий, смеси должны быть первого или высшего сорта. Защитный газ за счет высокой плотности вытеснит воздух. Используется сварочное оборудование, генерирующее постоянный ток. Сварка цветного металла проводится током прямой полярности. Основная термическая нагрузка концентрируется на поверхности заготовки, корень шва углубляется, дуга поддерживается стабильно, металл меньше разбрызгивается.

Работы с магнием

У магниевых деталей проваривают полностью всю кромку. Для работы с заготовками толще 10 мм, необходимо мощное сварочное оборудование, работающее от трехфазной сети мощностью 380 В, генерирующее переменный высокочастотный ток. В периоды обратной полярности дуга пробивает оксидную пленку, она расплавляется. При работе рекомендуется использовать подкладки с низкой теплопроводностью.

Сварка магния и цветных металлов на его основе производится под атмосферной защитой гелия или аргона, он предохраняет расплав от насыщения азотом, шов не пузырится, на нем не образуется окалина. Подачу газа в рабочую зону начинают до розжига дуги, прекращают через 20 секунд после затухания, когда верхняя часть шва схватится.

Сплавы из свинца

Разница между температурой плавления оксидов и самого свинца более 500°С, свинец становится жидким при 327°С, оксиды нужно прогревать до 888°С. Учитывая повышенную текучесть свинца, приходится экранировать зону расплава сварочной ванночкой. Сверху горячий цветной сплав оберегают флюсы, в состав которых входит стеарин, канифоль. Этими же флюсами смазывают стенки сварочной ванночки, чтобы исключить прилипание к ней свинца.

Сварка разнородных цветных металлов

Сложность процесса заключается в ограниченной взаимной растворимости. При сварке цветных металлов и сплавов между собой используют несколько технологий, обеспечивающих надежность соединения:

  • шов формируют, воздействуя на детали импульсным электронным лучом, скорость прогревания заготовок увеличивается, при высокой температуре происходит схватывание деталей;
  • при сварке давлением цветной металл разогревается за счет энергии, выделяющейся при пластической деформации структурной решетки, концентрированная тепловая энергия скапливается в зоне контакта, детали не нужно дополнительно прогревать;
  • для сварки цветных разнородных цветных металлов используют промежуточный слой, сцепляющийся с заготовками, риск охрупчивания швов снижается;
  • в среде аргона проводят автоматическую, ручную и полуавтоматическую сварку разнородных цветных металлов, электрод держат перпендикулярно деталям, чтобы шов был качественным.

Защитный газ снижает степень окисления, насыщения цветного металла азотом и водородом. Высокотемпературные технологии внутреннего воздействия увеличивают скорость сварки. За счет текучести цветных металлов заполняются пустоты, стык проваривается насквозь. При подборе буферного слоя учитывают компонентный состав заготовок, температуру плавления сплавов.

Имея аппарат для аргоновой сварки, можно заниматься ремонтом деталей из цветных металлов самостоятельно. В промышленных условиях применяют передовые технологии, не позволяющие расплавленному металлу реагировать с воздухом.

Газовая сварка цветных металлов

Медь и ее сплавы обладают большой теплопроводностью, что создает дополнительные трудности при их газопламенной обработке. Для преодоления теплопроводности меди требуется концентрация большего количества тепла, что влечет за собой перегрев металла и укрупнение его структуры. Кроме того, медь обладает низкой стойкостью к образованию трещин в массиве сварочного шва и склонностью к образованию газовых включений. Свариваемость меди во многом зависит от наличия примесей и, в первую очередь, оксидов. Чем меньше в меди содержится оксидов, тем выше ее свариваемость. Кроме того, образовавшийся при повышенных температурах оксид меди размещается по границам кристаллической решетки, что приводит к повышению хрупкости сварочного шва.

Подготовка к сварке медных деталей заключается в тщательной зачистке до металлического блеска кромок и протравке их в азотной кислоте. Детали плотно сжимают между собой без скоса кромок. Медь варят нормальным пламенем с применением защитных флюсов, что препятствует образованию оксидов меди. Сварку ведут быстро, без перерывов в работе. В качестве присадочного материала можно использовать обычную медную проволоку, диаметр которой зависит от толщины свариваемого металла. Кроме того, для сварки меди часто используют специальную проволоку марки МСр-1. Зависимость толщины присадочной поволоки от толщины свариваемых деталей отражена в таблице 1.

Таблица 1. Соотношение толщин присадочной проволоки и свариваемой детали

Сварку медных деталей ведут в один слой, а при необходимости сварки листов толщиной более 10 мм работают одновременно двумя горелками с двух сторон. Для защиты сварочной ванны используют флюсы, примерный состав которых приведен в таблице 2.

Таблица 2. Состав флюсов для защиты сварочной ванны

Компонент Состав флюса (помасое), %
№1 №2 №3 №4 №5 №6 №7 №8
Бура прокаленная 100 - 50 75 50 50 70 56
Борная кислота - 100 50 25 35 - 10
Поваренная соль - - - - 20 22
Фосфорнокислый натрий - - - - 15 15 - -
Кварцевый песок - - - - - - -
Древесный уголь - - - - - - -
Углекислый калий (поташ) - - - - - - - 22

Флюсы вводят в виде порошков, пасты или подают зону сварочной ванны в парообразном состоянии.

Для придания сварочному шву необходимых механических свойств после сварки осуществляют проковку, которую для листов толщиной до 4 мм выполняют в холодном состоянии. Листы толщиной более 4 мм перед проковкой подогревают до температуры 500 — 600°С. Необходимую вязкость сварочных швов получают при термической обработке. Для этого деталь нагревают до температуры 550 — 600°С и быстро охлаждают в воде.

Латунь представляет собой сплав меди с цинком. В специальную латунь могут вводить дополнительные добавки алюминия, свинца, никеля, кремния и других легирующих элементов. Сварочная ванна, получающаяся при газопламенной обработке, активно впитывает в себя газы, что способствует образованию пор и трещин. Кроме того, цинк, имеющийся в составе латуни, под действием высоких температур кипит и испаряется, что сказывается на свойствах сварочного шва. Зависимость температуры кипения цинка от состава латуни отражена на рис.1.

Рис.1. Зависимость температуры кипения цинка от состава латуни: 1 — температура кипения цинка; 2 — температура сварки; 3 — температура полного расплавления

Для того чтобы уменьшить это отрицательное явление, при сварке создают избыток кислорода, который способствует созданию окислов. Оксиды покрывают сварочную ванну пленкой, которая снижает испарения цинка. С этой же целью вводят в виде присадки кремний, который активно окисляется под действием кислорода, создавая над сварочной ванной тугоплавкую пленку. Диаметр присадочного материала подбирают в зависимости от толщины свариваемой латуни по таблице 3.

Таблица 3. Соотношение толщины латуни и диаметра присадочного материала

Марку присадочного материала подбирают, исходя из марки свариваемой латуни. Ацетилено-кислородную сварку ведут окислительным пламенем с применением флюсов, состав которых приведен в таблице 4.

Таблица 4. Флюсы для ацетилено-кислородной сварки

Компонент Состав флюса (по массе), %
№1 №2 №3 Марки БМ-1
Бура прокаленная 100 50 20 -
Борная кислота - 35 80 -
Фтористый натрий - 15 - -
Метилборат - - - 75
Метиловый сирт - - - 25

При толщине свариваемой латуни более 6 мм используют многослойную сварку, накладывая каждый последующий шов после тщательной зачистки предыдущего. Сварку латуни можно выполнять пропан-бутановыми смесями и керосино-кислородным пламенем.

Кромки металла перед сваркой зачищают до металлического блеска и протравливают 10%-ным раствором азотной кислоты с последующей промывкой и просушкой. Швы после сварки проковывают или проколачивают, придавая им нужные механические свойства.

Бронза представляет собой сплав меди с любым металлом кроме цинка, поэтому при ее сварке нет необходимости выполнять защиту кремнием. В зависимости от состава бронза может быть оловянистой (когда в сплаве присутствует олово) и безоловянистой, содержащей в составе алюминий, кремний, никель, хром и другие металлы, кроме олова.

Олово является легкоплавким металлом, поэтому во избежание его выгорания не допускается избыток в пламени кислорода. Избыток в пламени ацетилена может привести к пористости шва, поэтому оловянистые бронзы варят строго нормальным пламенем. Жидкотекучесть оловянистой бронзы не позволяет выполнять сварку в других положениях шва, кроме нижнего. Присадочный материал следует подбирать того же состава, что и основной. Допускается применение в качестве присадочного материала фосфористой бронзы, потому что фосфор является хорошим раскислителем. Сварочный шов после сварки подвергают отжигу при температуре 750°С и закалке при температуре 600 — 650°С. Это позволит придать шву необходимые физико-механические свойства, что особенно важно в ответственных конструкциях.

Бронза, имеющая в своем составе алюминий, требует нормального пламени, так как тугоплавкие окислы алюминия А120„ получающиеся при избытке кислорода, оседают на дно сварочной ванны. Флюсы используют те же, что и при сварке меди, а присадочный материал лучше использовать того же состава, что и свариваемая бронза. При наличии в бронзе кремния ответственные детали перед сваркой подвергают предварительному нагреву до температуры 300 — 350°С.

Газовая сварка алюминия и его сплавов

Алюминий плавится при относительно низких температурах (660°С), а его оксиды являются тугоплавкими, поэтому сварка алюминия и его сплавов при помощи газопламенной обработки требует высокой квалификации сварщика. В противном случае швы получаются с микротрещинами и с повышенной пористостью. Основной причиной образования пор является водород, который при кристаллизации алюминия остается в массиве шва. С трещинами, причиной которых является кремний, борются добавлением в алюминий железа. Для снижения вероятности образования оксидов сварку следует выполнять нормальным или слегка науглераживающим пламенем с пониженным содержанием кислорода. Не допускается применение окислительного пламени.

Трудности, связанные со сваркой алюминия и его сплавов, требуют тщательной предсварочной подготовки свариваемых кромок, которые зачищают от окисных пленок и загрязнений. Для этого пользуются напильниками, шаберами металлическими щетками и абразивными кругами. В ответственных деталях свариваемые кромки дополнительно обезжиривают ацетоновой смывкой, бензином, дихлорэтаном или подвергают травлению 10%-ным раствором едкого натра. После обезжиривания или травления кромки промывают горячей водой и высушивают при температуре 100 — 120°С. После травления кромки подвергают дополнительной нейтрализации 10%-ным раствором азотной кислоты. Подготовку кромок для сварки выполняют не позже, чем за 3 — 6 часов до сварки. Если за это время сварку не производили, то кромки готовят вторично, так как на поверхности успевают образоваться новые окислы.

Сборку деталей перед сваркой выполняют, исходя из толщины свариваемых деталей. При необходимости перед сваркой накладывают прихваточные швы, расстояние между которыми устанавливают по таблице 5.

Таблица 5. Интервалы между прихваточными швами

Присадочную проволоку выбирают того же состава, что и основной металл. Термически упрочняемые сплавы «АМц» варят проволокой Св АК5, содержащей кремний, который повышает жидкотекучесть сварочной ванны и снижает величину усадки шва. Сплавы типа «АМг» варят присадочным материалом с несколько большим содержанием магния, чем в основном металле. После сварки шов проковывают в холодном состоянии. Составы флюсов, применяемых при газопламенной обработке алюминия и его сплавов, приведены в таблице 6. Все флюсы, применяемые для сварки алюминия и его сплавов, гигроскопичны, поэтому они активно поглощают влагу. Во избежание повышенного влагосодержания флюсы следует хранить в герметической таре. Оставшиеся после сварки флюсы удаляют промывкой в горячей воде, так как они способствуют возникновению коррозии шва.

Таблица 6. Флюсы для газопламенной обработки алюминия

Компонент Марка флюса и состав (по массе), %
АФ-4А АН-А201 АН-4А ВАМИ КМ-1
Хлористый калий 55 - - 50 45
Хлористый натрий 28 - 30 20
Хлористый литий 14 15 - - -
Хлористый барий - 70 - - 70
Фтористый натрий 3 - 70 - 15
Фтористый литий - 15 30 - -
Криолит - - - 20 -

Газовая сварка свинца

Трудности, возникающие при сварке свинца, вызваны большой разницей температуры плавления основного металла и его оксидов. Так, свинец плавится при температуре 327°С, а его оксиды — при температуре около 888°С. Поэтому сварку свинца следует вести нормальным пламенем после тщательной предсварочной подготовки. Предсварочная подготовка свинцовых кромок подобна той, которую применяют при сварке алюминия и его сплавов. Защиту сварочной ванны выполняют флюсом, в качестве которого при небольших толщинах свариваемого металла применяют стеарин, которым натирают кромки свариваемых деталей перед сваркой. При больших толщинах свариваемых кромок в качестве флюса используют смесь стеарина с канифолью.

Жидкотекучесть свинца вызывает трудности при сварке вертикальных швов. Такие швы в большинстве случаев накладывают при помощи кристаллизатора, представляющего собой полукольцо (рис. 2). Кристаллизатор прикладывают к свариваемым кромкам и после кристаллизации сварочной ванны, заполняющей его полость, перемещают вверх. В качестве присадочного материала применяют свинцовую проволоку или полоски свинца.

Рис. 2. Сварка вертикального шва с кристаллизатором: 1 — кристаллизатор; 2 — присадочный пруток; 3 — горелка

СВАРКА АЛЮМИНИЯ и его СПЛАВОВ

Сварка цветных металлов и их сплавов нашла значительное применение в последнее время как в судостроении, так и в энергетике. Сварочные отделы для этих материалов имеются и в нашем институте. Затруднения, возникающие при сварке цветных металлов, вызываются главным образом следующими их свойствами: большой окисляемостью и газопоглощающей способностью, большой теплопроводностью и теплоемкость, большим коэффициентом линейного расширения, низкой температурой плавления и кипения, уменьшением прочности металлов при нагреве, изменением структуры в зоне теплового влияния и крупнозернистым строением металла шва. По особенностям свойств и методам сварки цветные металлы можно условно разбить на группы:

- легкие металлы и их сплавы,

- медь и ее сплавы.

При сварке этого металла необходимо учитывать в первую его высокую теплопроводность (она в три раза больше чем у железа), что вызывает быстрый отвод тепла от места сварки. Высокая теплопроводность и большая скрытая теплота плавления требует при сварке алюминия применения больших мощностей дуги. Необходимо учитывать также увеличенный коэффициент линейного расширения (в два раза больше чем у железа), что вызывает увеличенные деформации, могущие привести к короблению и трещинам. Одной из особенностей при сварке является легкая окисляемость этого металла. Это затрудняет сварку, так как окисная пленка перед сваркой необходимо удалить. Кроме того, эта пленка имеет значительно более высокую температуру плавления (2050°С), чем алюминий (658°С), и больший удельный вес (3,9), чем алюминий (2,7). Следует также учитывать низкую прочность алюминия при температурах 400-500°С, что может вызвать разрушение свариваемых деталей под действием собственного веса.

Образование тугоплавкого оксида алюминия с большей плотностью, чем у алюминия, что усложняет сплавление кромок соединения и способствует загрязнению металла шва частичками этой пленки. Перед сваркой для удаления пленки требуется очищать поверхности кромок и прилегающего основного металла и особенно тщательно поверхность присадочного металла. Оксидную пленку, образующуюся при сварке алюминия, удаляют либо с помощью катодного распыления, либо с применением флюсов, которые обеспечивают ее растворение или разрушение с переводом в летучее соединение.

При высоких температурах резко снижается прочность, и твердый металл нерасплавившейся части кромок может разрушиться под действием массы сварочной ванны. Алюминий обладает высокой жидкотекучестью и может вытекать через корень шва. Он практически не меняет своего цвета при нагреве, поэтому во время сварки сложно контролировать размеры сварочной ванны. Чтобы избежать прожогов или провалов при однослойной сварке металла или сварке первых слоев многопроходных швов на высокой погонной энергии используют формирующие подкладки из керамики, стали или графита.

В связи с высокой величиной коэффициента линейного расширения и низким модулем упругости алюминиевые сплавы обладают повышенной склонностью к короблению. Для снижения деформаций могут применяться специальные технологические мероприятия (оптимальные режимы сварки, подогрев и др.).

Сварка затрудняется не только появлением оксидной пленки, но и обусловленной водородом пористостью, уменьшающей пластичность и прочность металла. Поры возникают в основном в металле шва, а также у линии сплавления. В связи с этим необходимо выполнять очень тщательную химическую очистку сварочной проволоки и механическую очистку и обезжиривание свариваемых кромок.

Ввиду высокой теплопроводности алюминия для его сварки требуются мощные источники тепла. В некоторых случаях рекомендуется предварительный подогрев начальных участков сварного шва до температуры 120-150 о С или сопутствующий подогрев.

При сварке в металле шва могут образовываться горячие трещины, что вызвано процессами внутренней деформации и напряжения при кристаллизации металла сварочной ванны. Для уменьшения вероятности их появления в сварные швы могут добавляться специальные модификаторы, улучшающие кристаллическую структуру шва, а также следует не допускать близкого расположения швов.

Применяемые методы сварки:

1. РЭДС покрытыми электродами марок ОЗА-1 и ОЗАНА-1, а для заварки дефектов литья ОЗА-2 и ОЗАН-2 с хлористыми и фтористыми солями в обмазке на постоянном токе обратной полярности.

2. TIG – аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом(наиболее широко)

3. MIG – аргонодуговая сварка плавящимся электродом

4. PAW – плазменная сварка сжатой дугой или дугой постоянного тока при обратной полярности (самый производительный метод на 50-70% выше TIG, расход аргона в 4-6 раз меньше и лучше качество.

5. АДС полуоткрытой дугой по слою флюса или закрытой дугой под флюсом марок АН-А1 и АН-А4

6. EBW – электронно-лучевая сварка (один из эффективных способов). Она обеспечивает минимальное коробление изделия вследствие малой ширины шва.

7. ESW – электрошлаковая сварка применяется для толщин изделия от 50 до 250 мм и более на переменном токе плавящимся мундштуком или пластинчатым электродом с использованием флюсов на основе галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов (АН-301, АН-302)

8. Газовая сварка с использованием в качестве горючего газа ацетилена (расход – 100 л/час на 1 мм толщины). Присадка – проволока из алюминия или его сплавов диаметром 1,5-5,5 мм. Флюс для удаления оксидов марки АФ-4А (50% KCl, 28% NaCl, 14% LiCl, 8% NaF)/

Особенности сварки алюминия, меди, титана и их сплавов

1.По свариваемости стали подразделяют на четыре группы: первая группа – хорошо сваривающиеся; вторая группа – удовлетворительно сваривающиеся; третья группа – ограниченно сваривающиеся; четвертая группа – плохо сваривающиеся.

Основные признаки, характеризующие свариваемость сталей, – склонность к образованию трещин и механические свойства сварного соединения.

К первой группе относятся стали, сварка которых может быть выполнена по обычной технологии, т. е. без подогрева до сварки и в процессе сварки и без последующей термообработки. Однако применение термообработки для снятия внутренних напряжений не исключается.

Ко второй группе относят в основном стали, при сварке которых в нормальных производственных условиях трещин не образуется. В эту же группу входят стали, которые для предупреждения образования трещин нуждаются в предварительном нагреве, а также в предварительной и последующей термообработке.

К третьей группе относят стали, склонные в обычных условиях сварки к образованию трещин. При сварке их предварительно подвергают термообработке и подогревают. Кроме того, большинство сталей, входящих в эту группу, подвергают обработке после сварки.

К четвертой группе относят стали, наиболее трудно поддающиеся сварке и склонные к образованию трещин. Эти стали свариваются ограниченно, поэтому сварку их выполняют с обязательной предварительной термообработкой, с подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой.

2. Углеродистые и низколегированные стали относятся к категории конструкционных сталей. Эти стали применя­ют в состоянии закалки и отпуска как материал повы­шенной прочности для изготовления деталей машин и конструкций. В нормализованном состоянии (закалка с охлаждением на воздухе) они имеют перлитную струк­туру и по этому признаку являются сталями перлитного класса.

Стали, одновременно легированные Сr, Мо и V, отно­сятся к категории теплоустойчивых сталей (15ХМ, 15ХФ, 20Н2М и т. д.). По структуре в нормализован­ном состоянии теплоустойчивые стали могут быть пер­литного и мартенситного классов.

Электродуговая сварка углеродистых и легированных сталей ведется электродными материалами, обеспечива­ющими необходимые механические свойства или тепло­устойчивость наплавленного металла. Основная трудность при сварке углеродистых и легированных сталей заклю­чается в закалке околошовиой зоны и возможности обра­зования холодных трещин.

Для предупреждения образования холодных трещин рекомендуется:

1) производить подогрев изделий до темпера­тур 100…300°С;

2) заменять однослойную сварку многослойной; при этом сварку ведут валиками небольшого сечения по неостывшим (ниже 100…300°С) нижним слоям металла;

3) применять для сварки электроды с покрытием ос­новного типа, перед сваркой необходимо производить прокалку электродов при 400…450° С в течение нескольких часов, сварку ведут на постоянном токе обратной полярности;

4) производить отпуск изделий непосредственно после сварки до температуры 300°С и выше.

Контактная точечная сварка конструкционных сталей ведется на мягких режимах, т. е. с большим временем нагрева током и быстрым удалением заготовок из маши­ны во избежание отвода тепла электродами. Контактная стыковая сварка этих сталей производится методом пре­рывистого оплавления, что обеспечивает подогрев дета­лей перед сваркой.

3. Высокохромистые стали, содержащие 12…28% Сr, обладают нержавеющими и жаропрочными свойствами. В зависимости от содержания хрома и углерода высоко­хромистые стыли но структуре в нормализованном состо­янии делятся на ферритные (15X25, 15X28), феррито-мартенситные (20X13, Х14, 12X17) и мартенситные (20X13, 30X13, 40X13) стали.

Трудности при сварке ферритных сталей связаны с тем, что в процессе охлаждения в области высоких тем­ператур (около 1000°С) возможно выпадение карбидов хрома на границах зерен. Выпадение карбидов хрома является диффузионным процессом и имеет место в слу­чае пребывания металла в зоне опасных температур свы­ше определенного периода времени. Выпадение карбидов хрома приводит к обеднению пограничных участков зерен и снижает коррозионную стойкость стали. С целью пре­дупреждения указанных выше явления при сварке этих сталей необходимо:

1) производить сварку при малых погонных энерги­ях, т. е. применять пониженные значения тока и накла­дывать валики малого сечения с целью обеспечить боль­шие скорости охлаждения при сварке;

2) вводить в сталь и наплавленный металл сильные карбидообразователи (Ti, Сr, Zr, V), способные связать углерод в собственные карбиды;

3) производить отжиг после сварки при 900°С для вы­равнивания содержания хрома в зернах и на границах.

При сварке феррито-мартенситных и мартенситных сталей основная трудность заключается в закалке шва и околошовной зоны и образовании холодных трещин. Для предупреждения трещин эти стали сваривают с по­догревом до 200…300°С.

1) вести сварку при малых погонных энергиях с теплоотводящими медными подкладками и водяным охлаж­дением;

2) вводить в сталь и шов карбидообразующие эле­менты и снижать содержание углерода;

3) производить закалку после сварки с 1600°С. Повышение содержания хрома до 25% и никеля до 20% обеспечивает стойкость стали против коррозии в вы­сокотемпературной газовой среде и концентрированных кислотах. При сварке аустенитных сталей этого типа ме­талл шва склонен к образованию крупнокристалличес­кой первичной структуры и возникновению горячих тре­щин. Для уменьшения образования горячих трещин необ­ходимо:

1) применять специальную аустенитную сварочную проволоку (Св. Х25Н15Г7ВЗ, Х25Н15Г7Ф), основные электродные покрытия и флюсы;

2) вести сварку па небольших токах и пониженном напряжении, чтобы получать широкие и выпуклые (но не вогнутые) сварные швы;

3) в отдельных случаях полезно применять подогрев до 300…400°С.

Аустенитные хромоникелевые стали хорошо сварива­ются контактной сваркой. Точечную и шовную сварку производят на пониженных плотностях тока, так как эти стали обладают высоким удельным сопротивлением и при повышенном давлении, поскольку они отличаются значительной прочностью при высоких температурах.

Диффузионная сварка позволяет сваривать жаро­прочные сплавы на никелевой основе, аустенитные хро­моникелевые сплавы при температурах значительно ниже температуры плавления. В этом случае отсутствуют про­цесс первичной рекристаллизации металла и опасность возникновения горячих трещин.

Оптимальные режимы при диффузионной сварке в вакууме сплава ХН75МБТЮ: t = 1150…1175°С, р = 2,5…3,0 кгс/мм 2 , τ = 6 мин, вакуум 1·10 -4 мм рт. ст. Полу­ченные соединения практически имеют механические свойства основного материала.

Отсутствие зоны термического влияния, а также простота технологии соединения, отсутствие трещин, коррозии, необходимости в последующем термической обработке, простота и дешевизна процесса делают его весьма перспективным для сварки соответствующих из­делий из жаропрочных и жаростойких сталей и сплавов.

4. Серый чугун относится к категории ограниченно сва­риваемых сплавов. Серый чугун сваривают с целью ис­правления дефектов литья и ремонта при наличии в де­талях пор, раковин, трещин, отколов и т. п. Дуговая сварка холодного металла чугунными обмазанными элек­тродами не обеспечивает хорошего качества сварных сое­динений. Металл шва и переходной зоны приобретает отбеленную структуру, а околошовная зона закаливается. Для устранения закалки и отбельной структуры необхо­дим высокотемпературный длительный отжиг.

Горячая сварка чугуна производится с предваритель­ным подогревом свариваемых деталей до температуры 400…600°С. Детали подогревают в нагревательных пе­чах и в горнах с помощью древесного угля и воздушного дутья. Перед сваркой в деталях вырубают дефектные места и разделывают кромки, которые затем заформовывают с помощью графитных пластин и кварцевого песка, замешанного на жидком стекле.

Сварку ведут чугунными электродами диаметром 8…25 мм со стабилизирующей или специальной обмазкой. Ток выбирают из расчета 50…90 А на 1 мм диаметра электрода. Охлаждение сваренных деталей производят вместе с печью. Горячая сварка чугуна дает сварное сое­динение без твердых отбеленных и закаленных участков. Однако горячая сварка является дорогим и трудоемким процессом и применяется для ремонта уникальных де­талей.

Холодная сварка чугуна производится стальными, медно-железными, медно-никелевыми электродами и элек­тродами из аустенитного чугуна. При сварке стальными электродами наплавка валиков производится малоугле­родистыми электродами со стабилизирующей или качест­венной обмазкой. Сварка ведется при малых погонных энергиях электродами малых диаметров.

Медно-железные электроды состоят из медного прутка с оплеткой из жести или пучка из медных и стальных стержней. Электроды имеют специальное или стабилизи­рующее покрытие. Медно-никелевые электроды состоят из стержней из монель-металла (70% Ni, 28% Сu, остальные Fe) или мельхиора (80% Сu и 20% Ni) со стабилизирую­щей обмазкой. Применение медно-железных и медно-никелевых электродов позволяет получить наплавку, у ко­торой отбеливание в переходной зоне наблюдается толь­ко и отдельных участках. Наибольшее применение имеют медно-железные электроды как более дешевые и обеспе­чивающие достаточную прочность металла шва.

Хорошие результаты получены при сварке чугуна с чугуном и чугуна со сталью диффузионной сваркой. Диф­фузионное соединение не требует специальной техноло­гии и осуществляется на стандартном оборудовании. Благодаря отсутствию грата, шлака, короблений и деформаций не требуется последующая механиче­ская и термическая обработка, отпадает необходи­мость в электродах, флюсах, защитных газах и припоях.

5.На свариваемость меди большое влияние оказывают содержащиеся в ней вредные примеси (О2, Н2, Bi, Pb). Кислород, находящийся в меди в виде закиси Cu2О, яв­ляется причиной образования горячих трещин. Закись меди образует с медью легкоплавкую эвтектику (Cu2О – Сu) с температурой плавления 1064°С, которая располагается по границам кристаллитов сварного шва. В результате действия сварочных деформаций и напря­жений шов может разрушаться по жидким прослойкам с образованием горячих трещин. Наличие сетки эвтек­тики по границам зерен делает шов хрупким и при ком­натных температурах. Для расплавленной меди харак­терно сильное растворение газов, которые при затверде­вании сварочной ванны могут вызнать пористость в случае относительно быстрого охлаждения и задержки процесса их выделении и атмосферу.

В настоящее время получили развитие ручная и ав­томатическая дуговая сварка меди угольным и металли­ческим электродами. При ручной сварке угольным элект­родом применяются присадочные прутки из оловянистой или кремнистой бронзы и флюсы, основной частью кото­рых является бура. Сварка ведется длинной дугой на по­стоянном токе прямой полярности. Металлические элект­роды состоят из медного стержня, покрытого специальной обмазкой. Сварка металлическими электродами ведется короткой дугой па постоянном токе обратной полярности. Сварочный ток выбирают из расчета 50…60 А на 1 мм диаметра электрода; при большой толщине свариваемых листов применяют подогрев.

Автоматическую сварку угольным электродом ведут под слоем плавленого флюса, применяемого для сварки малоуглеродистых и легированных сталей. Присадочный материал в виде полосы из латуни укладывают на свари­ваемый стык. Цинк, входящий в состав латуни, является раскислителем медного сварного шва. Автоматическую сварку металлическим электродом ведут медной прово­локой под слоем плавленого флюса.

Применение специальных керамических флюсов для автоматической сварки меди обеспечивает наряду с хо­рошим формированием сварного шва требуемые физи­ческие свойства.

Успешно применяется и настоящее время метод свар­ки меди в атмосфере защитных газов (аргон, азот или их смеси). Сварка ведется вольфрамовым электродом на постоянном токе прямой полярности. В качестве приса­дочного материала применяют прутки из меди, содержа­щей кремний, олово, марганец. Рекомендуется подогрев до 550°С.

Латуни являются сплавами меди, содержащими до 38% Zn. Основной трудностью при сварке латуни явля­ется испарение цинка. В результате испарения цинка ла­тунный шов теряет свои свойства и возможно возникно­вение пор. Пары цинка ядовиты и требуют защиты свар­щиков специальными масками (респираторами).

Дли сварки латуни применяют те же методы, что и для сварки меди. Однако при этом используют ряд приемов с целью сокращения испарения цинка. Газовую сварку латуни производят с применением газового флю­са. При этом способе в пламя горелки вместе с ацетиле­ном подают пары боросодержащих жидкостей. Образу­ющийся на поверхности сварочной ванны борный ангидрид связывает окислы цинка и образует сплошной слой шлака. Шлак препятствует выходу паров цинка из сварочной ванны. Возможна также газовая сварка ла­туни окислительным пламенем, что приводит к появле­нию тугоплавкой пленки окиси цинка на поверхности сварочной ванны, препятствующей испарению цинка. Сварка ведется таким образом, чтобы не разрушить эту пленку. Во всех случаях ядро пламени удерживается на удалении от сварочной ванны и направляется на при­садочный пруток. Сварка ведется с большой скоростью.

При сварке угольной дугой в качестве присадочного материала применяют кремнистые и марганцовистые бронзы или латунь с повышенным содержанием цинка. Дуга зажигается и поддерживается не на основном металле, а на конце присадочного прутка. Сварка ме­таллическими электродами со специальными покрытия­ми ведется очень короткой дугой без колебаний конца электрода. Почти все методы сварки латуни не обеспе­чивают необходимое качество сварных швов. Исключе­ние составляют газоэлектрическая и автоматическая сварка под керамическим флюсом.

Латунь можно успешно сваривать с помощью кон­тактной сварки, поскольку электропроводность и тепло­проводность латуни приблизительно такие же, как и у малоуглеродистой стали.

Большинство бронз является литейными материала­ми и сварка их применяется только с целью заварки дефектов или ремонта. Наиболее широко применяется дуговая сварка металлическим электродом. Электроды для сварки бронз представляют собой стержень, близ­кий по составу к основному металлу, с нанесенным на него специальным покрытием. Сварку оловянных бронз рекомендуется вести быстро, чтобы не вызвать перегрев основного металла, так как при перегреве возможно выплавление легкоплавкой составляющей.

Сварка алюминия затруднена вследствие наличия на поверхности прочной и тугоплавкой пленки окисла А12О3, плавящейся при 2050°С. Пленка окиси покрывает также капли расплавленного металла и препятствует сплавлению их между собой и основным металлом. Только применение активных флюсов позволяет раство­рить этот окисел и обеспечить условия для нормального формирования сварного шва. Все флюсы и обмазки для сварки алюминия и его сплавов состоят из смеси хло­ристых и фтористых солей щелочноземельных металлов (NaC1, KC1, LiF и т.п.).

Алюминий можно сваривать различными способами дуговой и газовой сварки. При ручной дуговой сварке металлическим электродом применяют прутки того же состава, что и свариваемый металл, с обмазкой из смеси хлористых и фтористых солей. При низкой температуре плавления (657°С) алюминий имеет высокую теплопро­водность и большую теплоту плавления и для его свар­ки необходимо применению Электрической дуги относи­тельно большой мощности. Сварка ведется на постоян­ном токе обратной полярности.

Автоматическая сварка металлическим электродом производится полуоткрытой дугой по слою флюса. Для формирования корня шва применяют медные и желез­ные прокладки. Необходимо иметь в виду, что при тем­пературах 400…500°С алюминий имеет низкую проч­ность и нагретое сварное соединение может разрушиться под действием собственной массы. В таких случаях на­личие подкладок является полезным.

Наиболее широко применяется сварка алюминия и его сплавов в защитных газах. Листы толщиной 0,5…10 мм сваривают неплавящимся вольфрамовым элект­родом с присадочным материалом, листы большой толщины – плавящимся металлическим электродом. Тол­стые листы и литьё рекомендуется подогревать до 400°С. Способы сварки в защитных газах дают более высокое качество сварных швов по сравнению с други­ми способами дуговой сварки.

Сварка сплавов алюминия с магнием и цинком (АМг и АМц) не вызывает затруднений и производится теми же способами, что и сварка алюминия. Исключение составляют дюралевые сплавы, представляющие со­бой сплавы алюминия и меди. Эти сплавы термически упрочняются закалкой и последующим старением. В ре­зультате старения значительно повышается прочность и твердость сплавов. Нагрев свыше 500°С приводит к оплавлению и окислению границ зерен, вследствие чего происходит резкое снижение механических свойств. Свойства перегретого дюралевого сплава не могут быть восстановлены никакой термической обработкой. Таким образом, сварка дюралей связана с разупрочнением зоны термического влияния на 40…50%. При сварке дуралюмина в атмосфере защитного газа также проис­ходит снижение прочности, однако термообработкой можно восстановить прочность до 80…90% от прочности основного металла.

Алюминий и некоторые его сплавы удовлетворитель­но сваривают контактной сваркой. Дли точечной кон­тактной сварки алюминия, обладающего высокими элек­тропроводностью и теплопроводностью, необходима большая мощность тока при очень коротком времени его протекания. Стыковая сварка ведется методом оплав­ления при повышенной плотности сварочного тока.

Хорошо сваривается алюминий диффузионной свар­кой при оптимальном режиме: t = 500°С, р=1 кгс/мм 2 , τ = 10 мин, вакуум 1 · 10 -5 мм рт. ст.

Сварка титана производится в атмосфере защитных газов с дополнительной газовой защитой корня и еще не остывшего участка шва до температуры 400°С. Ти­тановые сплавы склонны к образованию холодных тре­щин при сварке. Сильное влияние на образование тре­щин оказывают газы – водород и кислород. Допустимое содержание этих газов составляет: водорода 0,01%, кислорода 0,15%. Перед сваркой проволоку и металл подвергают дегазации.

Читайте также: