Курсовая работа сварка меди
Обновлено: 01.05.2024
Медь относится к тяжелым цветным металлам, ее плотность составляет 8,9 г/см3, что выше, чем у железа. Благодаря высокой электропроводности, теплопроводности и коррозионной стойкости медь заняла прочное место в электропромышленности, приборной технике и химическом машиностроении для изготовления разнообразной аппаратуры. Медь и многие ее сплавы применяют для изготовления изделий криогенной техники. Промышленность выпускает медь марок МО (99, 95% Cu, примеси не более 0,05%), Ml (99,90% Cu, примеси не более 0,1%) и др. Чистая медь хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии, малочувствительна к изменениям низких температур. При повышении температуры прочностные свойства меди изменяются в широких пределах.
Работа содержит 1 файл
Сварка меди и ее сплавов.doc
Сварка меди и ее сплавов
Медь относится к тяжелым цветным металлам, ее плотность составляет 8,9 г/см3, что выше, чем у железа. Благодаря высокой электропроводности, теплопроводности и коррозионной стойкости медь заняла прочное место в электропромышленности, приборной технике и химическом машиностроении для изготовления разнообразной аппаратуры. Медь и многие ее сплавы применяют для изготовления изделий криогенной техники. Промышленность выпускает медь марок МО (99, 95% Cu, примеси не более 0,05%), Ml (99,90% Cu, примеси не более 0,1%) и др. Чистая медь хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии, малочувствительна к изменениям низких температур. При повышении температуры прочностные свойства меди изменяются в широких пределах.
В машиностроении получили распространение сплавы на основе меди - латуни и бронзы, которые имеют лучшие прочностные и технологические характеристики. Латуни-сплавы меди с цинком, их подразделяют на две группы: простые (однофазные) и многокомпонентные (или специальные). Однофазные латуни (не более 39% Zn) имеют структуру a-фазы и называются a-латунями. Они пластичны, хорошо деформируются в холодном и горячем состоянии. Латуни с содержанием более 39% Zn имеют (а + b)-структуры, более твердые и прочные, в сварных конструкциях применяются редко.
Бронзы - сплавы меди с оловом, алюминием, марганцем, железом и другими элементами. Бронзы, у которых основным легирующим элементом является олово, называют оловянными бронзами (БрОФб,5-0,4; БрОФ4-0,25 и др.). Остальные бронзы в зависимости от основного легирующего компонента называют алюминиевыми, кадмиевыми и т.д. В отдельную группу выделяются сплавы меди с никелем - мельхиоры, в качестве лигирующего компонента содержащие никель, например МН20 (20% Ni), и нейзильберы - сплавы с никелем и цинком, например МНц 19-20 (19% Ni и 20% Zn). В них могут вводиться и другие элементы, такие сплавы получили название специальных мельхиоров и нейзильберов. Сплавы этой группы обладают повышенной коррозионной устойчивостью и применяются в судовой и химической аппаратуре.
Медь и ее сплавы свариваются многими способами. При оценке свариваемости необходимо учитывать, что медь и ее сплавы отличаются от большинства других конструкционных материалов более высокой теплопроводностью (в 6 раз выше, чем у железа), коэффициентом теплового расширения (в 1,5 раза больше, чем у стали) и величиной усадки при затвердевании (в 2 раза больше, чем у стали). Медь и ее сплавы склонны к пористости и возникновению кристаллизационных трещин, активно поглощают газы, особенно кислород и водород, которые оказывают вредное влияние на прочностные и технологические характеристики.
Кислород растворим в твердой меди. При повышении температуры медь активно окисляется, образуя оксид (закись) меди Cu2О, который при затвердевании образует с медью эвтектику Cu-Cu2О. Располагаясь по границам зерен, эвтектика снижает коррозионную стойкость и пластичность меди. При содержании в меди кислорода более 0,1% затрудняются процессы горячей деформации, сварки и других видов горячей обработки. Водород хорошо растворяется в жидкой меди. В затвердевшем металле растворимость водорода незначительна. С повышением температуры растворимость водорода возрастает, особенно при переходе в жидкое состояние. Азот имеет малое сродство к меди и нерастворим в ней. Насыщение металла шва газами может быть предпосылкой к образованию пористости. Пористость в швах могут вызвать водяные пары, появившиеся в металле в результате реакции с кислородом оксида меди Cu2О. Водяные пары, накапливаясь в микродефектах металла, создают в них давление, разрушающее металл с образованием микротрещин. Это явление носит название водородной болезни меди. Возникновение пор и микротрещин может быть связано и с усадочными явлениями, протекающими в процессе кристаллизации сварного шва. Низкая стойкость меди и ее сплавов против возникновения пор в швах в основном обусловлена активным взаимодействием меди с водородом и протеканием при этом сопутствующих процессов (образование водяных паров, выделение газообразного водорода).
Специфика сварки меди и ее сплавов
Медь и ее сплавы при сварке подвержены образованию горячих трещин. Это обусловлено высоким значением коэффициента теплового расширения, большой величиной литейной усадки при затвердевании и высокой теплопроводностью в сочетании с наличием в меди и ее сплавах вредных примесей (кислорода, сурьмы, висмута, серы, свинца), которые образуют с медью легкоплавкие эвтектики. При затвердевании металла шва эвтектики сосредоточиваются по границам кристаллитов, снижая межкристаллитную прочность. Для обеспечения высоких свойств металла концентрацию примесей в меди ограничивают. Например, в меди допускается не более 0,005% сурьмы, 0,005% висмута, 0,004% серы.
При сварке меди и ее сплавов в швах формируется крупнокристаллистическая структура. Это связано с тем, что высокая теплопроводность меди и ее сплавов при сварке способствует интенсивному распространению теплоты от центра сварного шва в основной металл. При этом создаются благоприятные условия для направленной кристаллизации от зоны сплавления в глубь сварочной ванны. В шве кристаллиты вытягиваются в направлении теплового потока, образуя крупнозернистую столбчатую структуру. Интенсивное распространение теплоты в основной металл при сварке способствует также росту зерна в зоне термического влияния Основными трудностями при сварке меди являются: .
легкая окисляемость в расплавленном состоянии, что способствует образованию горячих трещин;
влияние вредных примесей, усугубляющих склонность к трещинообразованию и охрупчиванию металла швов;
высокая чувствительность к вредному влиянию водорода;
склонность к росту зерна и связанному с этим охрупчиванию под влиянием сварочного нагрева в зоне термического влияния
Дополнительными технологическими трудностями при сварке меди являются высокая теплопроводимость, высокий коэффициент теплового расширения, жидкотекучесть. Способы и технологию сварки выбирают с учетом рассмотренных особенностей. Одна из главных задач заключается в том, чтобы не допустить образования и нейтрализовать вредное влияние оксида Cu3O. С этой целью для защиты используют инертный газ, флюсы и покрытия, содержащие борные соединения (бура, борный ангидрид, борная кислота), и сварочные проволоки с активными раскислителями, например, проволоку БрКМцЗ-1, содержащую кремний и марганец и др.
В связи с высокой теплопроводностью меди и ее сплавов для осуществления местного расплавления при сварке необходимо применять источники нагрева с высокой тепловой мощностью и концентрацией энергии в пятне нагрева. Из-за быстрого отвода теплоты ухудшается формирование шва, возрастает склонность к появлению в нем дефектов (наплывов, подрезов и др.). В связи с этим сварку деталей свыше 10-15 мм обычно выполняют с предварительным и сопутствующим подогревом. Изделия из меди подогревают до температуры 250-300°С, латуней -до 300 - 350°С, |6ронзы - до 500-600°С. Тонколистовые конструкции с толщиной стенки 1,5-2 мм сваривают встык без скоса кромок или с отбортовкой кромок. Листы толщиной до 5 мм можно сваривать также без скоса кромок, но с зазором до 1,5 мм. Детали большой толщины сваривают со скосом кромок.
Способы сварки меди
Основными способами сварки меди являются ручная дуговая покрытыми электродами, автоматическая под флюсом, в защитных газах плавящимся и неплавящимся электродами. Сварку проводят в нижнем положении на подкладках из меди, графита, флюсовой подушке. Соединения больших толщин с угловыми швами рекомендуется сваривать "в лодочку". В качестве присадочного металла применяют прессованные прутки или проволоку диаметром 3-10мм. Химический состав присадки выбирают в зависимости от требований к сварным швам и способов сварки. Конструкции из меди сваривают с присадочной проволокой аналогичного состава или легированной фосфором и кремнием до 0,2-0,3%. При введении в сварочную ванну раскислителей происходит восстановление Cu2О и металл шва очищается от кислорода. Для повышения прочности шва используют присадку, легированную другими элементами.
Все латуни хорошо свариваются аргонодуговой сваркой неплавящимся вольфрамовым электродом. При сварке простых латуней присадкой рекомендуется сварочная проволока из алюминиевой и кремниевой бронзы. При сварке сложных латуней и бронз присадочную проволоку используют того же состава, что и свариваемый материал. Дуговую сварку покрытыми электродами выполняют на постоянном токе обратной полярности, стремясь поддерживать короткую дугу без колебаний конца электрода. Силу тока выбирают в зависимости от диаметра электрода из расчета /св = (50 / 60) d. Физические и механические свойства швов обеспечивают подбором химического состава электродного стержня и покрытия.
Автоматическую сварку под флюсом выполняют на постоянном токе обратной полярности. в сочетании с электродной проволокой М1 используют флюсы АН-348, ОСЦ-45, АН-26 и др. Дуговая сварка в защитных газах (ручная или автоматическая) может быть выполнена в среде аргона, гелия и их смесей вольфрамовым электродом или плавящейся электродной проволокой. Защитным газом для меди может служить и азот, но требуется его предварительная тщательная очистка от паров влаги. При сварке в качестве присадочного материала используют сварочную проволоку БрХ0,7, БрКМцЗ-1 или медь марки М1 с добавкой фосфора и кремния до 0,1-0,2%. Фосфор и кремний хорошо раскисляют сварочную ванну, снижают пористость и обеспечивают высокие физико-механические свойства сварных швов. При сварке латуней марок Л59, Л63, Л68 и других рекомендуется применять присадочный металл, легированный кремнием и железом (ЛК80-3, ЛМц59-0,2, ЛЖМц59-1-1, БрКМцЗ-1). Для сварки сложных латуней и бронз присадочный металл выбирают аналогичным основному.
Специфической особенностью при сварке латуней является интенсивное испарение цинка в процессе сварки, так как температура испарения цинка 907°С близка к температуре плавления латуни 910°С. При этом снижается содержание цинка в металле шва и ухудшаются механические свойства соединения. Кроме того, пары цинка опасны для работающего. Для уменьшения выгорания цинка целесообразны сварка на пониженной мощности, применение присадочного металла, содержащего кремний, который создает на поверхности ванны защитную оксидную пленку SiO2 препятствующую испарению цинка, использование защитных флюсов. Специфической трудностью при сварке бронз является их повышенная жидкотекучесть. При сварке бронз, содержащих алюминий, возникают трудности, вызванные образованием оксида алюминия Аl2ОЪ поэтому способы и технологию выполнения сварки выбирают такие же, как и при сварке алюминия, а режимы -характерные для медных сплавов.
Анализ свариваемости сплавов на основе меди (М1)
Характеристика меди и ее сплавов. Пористость. Особенности технологии сварки. Подготовка под сварку. Газовая сварка. Ручная сварка. Автоматическая сварка под флюсом. Дуговая сварка в защитных газах. Свариваемость меди.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 25.05.2007 |
| Размер файла | 2,7 M |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«МАТИ» - Российский государственный технологический университет
им. К.Э. Циолковского
Кафедра «Технология сварочного производства»
по дисциплине «Теория сварочных процессов»
Анализ свариваемости сплавов на основе меди (М1)
Студент группы
Руководитель
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. Подготовка под сварку…………………………………………………………….. 20
5.2. Газовая сварка………………………………………………………………………. 21
5.3. Ручная сварка……………………………………………………………………….. 22
5.4. Автоматическая сварка под флюсом……………………………………………… 23
5.5. Электрошлаковая сварка меди и ее сплавов……………………………………… 25
5.6. Дуговая сварка в защитных газах………………………………………………….. 25
6. Свариваемость меди…………………………………………………………………….. 27
7. Вывод…………………………………………………………………………………….. 28
8. Список литературы ……………………………………………………………………… 30
Введение
Медь (лат. Cuprum) - химический элемент I группы периодической системы Менделеева (атомный номер 29, атомная масса 63,546). В соединения медь обычно проявляет степени окисления +1 и +2, известны также немногочисленные соединения трехвалентной меди. Важнейшие соединения 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 бронзовому веку (4 - 3-е тысячелетие до н.э.) назывался медным веком или халколитом ( от греческого chalkos - медь и lithos - камень) или энеолитом (от латинского aeneus - медный и греческого lithos - камень). В этот период появляются медные орудия. Известно, что при возведении пирамиды Хеопса использовались медные инструменты.
Чистая медь - ковкий и мягкий металл красноватого, в изломе розового цвета, местами с бурой и пестрой побежалостью, тяжелый (плотность 8,93 г/см 3 ) , отличный проводник тепла и электричества, уступая в этом отношении только серебру (температура плавления 1083 C). Медь легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы, но сравнительно мало активна. В сухом воздухе и кислороде при нормальных условиях медь не окисляется. Но она достаточно легко вступает в реакции: уже при комнатной температуре 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 не взаимодействует даже при высоких температурах. Кислоты, не обладающие окислительными свойствами, на медь не действуют, например, соляная и разбавленная серная кислоты. Но в присутствии кислорода воздуха медь растворяется 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, ядовитого вещества.
Медь входит более чем в 170 минералов, 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 и сульфидных руд. Из сульфидных руд выплавляют 80% всей добываемой меди. Как правило, медные руды содержат много пустой породы. Поэтому для получения меди используется процесс обогащения. Медь получают методом ее выплавки из сульфидных руд. Процесс состоит из ряда операций: обжига, плавки, конвертирования, огневого и электролитического рафинирования. В процессе обжига большая часть примесных сульфидов превращается в оксиды. Так, главная примесь большинства медных руд пирит FeS2 превращается в Fe2O3. Газы, образующиеся при обжиге, содержат CO2, который используется для получения серной кислоты. Получающиеся в процессе обжига оксиды железа, цинка и других примесей отделяются в виде шлака при плавке. Жидкий медный штейн (Cu2S с примесью FeS) поступает в конвертор, где через него продувают воздух. В ходе конвертирования выделяется диоксид серы и получается черновая или сырая медь. Для извлечения ценных (Au, Ag, Te и т.д.) и для удаления вредных примесей черновая медь подвергается сначала огневому, а затем электролитическому рафинированию. В ходе огневого рафинирования жидкая медь насыщается кислородом. При этом примеси железа, цинка и кобальта окисляются, переходят в шлак и удаляются. А медь разливают в формы. Получающиеся отливки служат анодами при электролитическом рафинировании.
Основным компонентом раствора при электролитическом рафинировании служит сульфат меди - наиболее распространенная и дешевая соль меди. Для увеличения низкой электропроводности сульфата меди в электролит добавляют серную кислоту. А для получения компактного осадка меди в раствор вводят небольшое количество добавок. Металлические примеси, содержащиеся в неочищенной ("черновой") меди, можно разделить на две группы:
1) Fe, Zn, Ni, Co. Эти металлы имеют значительно более отрицательные электродные потенциалы, чем медь. Поэтому они анодно растворяются вместе с медью, но не осаждаются на катоде, а накапливаются в электролите в виде сульфатов. Поэтому электролит необходимо периодически заменять.
2) Au, Ag, Pb, Sn. Благородные металлы (Au, Ag) не претерпевают анодного растворения, а в ходе процесса оседают у анода, образуя вместе с другими примесями анодный шлам, который периодически извлекается. Олово же и свинец растворяются вместе с медью, но в электролите образуют малорастворимые соединения, выпадающие в осадок и также удаляемые.
Применение меди
Медь, ее соединения и сплавы находят широкое применение в различных отраслях промышленности. В электротехнике медь используется в чистом виде: в производстве кабельных изделий, шин голого и контактного проводов, электрогенераторов, телефонного и телеграфного оборудования и радиоаппаратуры. Из меди изготавливают теплообменники, вакуум-аппараты, трубопроводы. Более 30% меди идет на сплавы. Сплавы меди с другими металлами используют в машиностроении, в автомобильной и тракторной промышленности (радиаторы, подшипники), для изготовления химической аппаратуры. Высокая вязкость и пластичность металла позволяют применять медь для изготовления разнообразных изделий с очень сложным узором. Проволока из красной меди в отожженном состоянии становится настолько мягкой и пластичной, что из нее без труда можно вить всевозможные шнуры и выгибать самые сложные элементы орнамента. Кроме того, проволока из меди легко спаивается сканым серебряным припоем, хорошо серебрится и золотится. Эти свойства меди делают ее незаменимым материалом при производстве филигранных изделий. Коэффициент линейного и объемного расширения меди при нагревании приблизительно такой же , как у горячих эмалей, в связи с чем при остывании эмаль хорошо держится на медном изделии, не трескается , не отскакивает. Благодаря этому мастера для производства эмалевых изделий предпочитают медь всем другим металлам. Как и некоторые другие металлы, медь входит в число жизненно важных микроэлементов. Она участвует в процессе фотосинтеза и усвоении растениями азота, способствует синтезу сахара, белков, крахмала, витаминов. Чаще всего медь вносят в почву в виде пятиводного сульфата - медного купороса CuSO 4*2H 2O. В большом количестве он ядовит, как и многие другие соединения меди, особенно для низших организмов. В малых же дозах медь необходима всему живому.
Структура и свойства Меди
Среди технических металлов Медь по своему значению и распространению занимает особое место. Чистая медь обладает высокой теплопроводностью и электропроводимостью и достаточно высокой коррозионной стойкостью.
Реферат на тему "Сварка меди и её сплавов"
Медь используют в химическом и энергетическом машиностроении ввиду высокой электро- и теплопроводности, высокой коррозионной стойкости в некоторых агрессивных средах. Все эти свойства тем выше, чем выше чистота металла, что предъявляет особые требования к сварке изделий из чистой меди. Сварка бронз и латуней имеет свои особенности, но свойства чистой меди в этих сплавах уже значительно утрачены.
Просмотр содержимого документа
«Реферат на тему "Сварка меди и её сплавов"»
УЧАЩЕГОСЯ гр. 212
МЕНАННОГО РУСТЕМА
РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:
«СВАРКА МЕДИ И ЕЁ СПЛАВОВ»
ПРИМОМОРСКИЙ ПРОМЫШЛЕННЫЙ ТЕХНИКУМ
Сварка меди и её сплавов.
В зависимости от количественного содержания примесей, различают пять основных марок технической меди: М0 – с суммарным содержанием примесей не более 0,05%, М1 – не более 0,10%, М2 – не более 0,30%, М3 – не более 0,50% и М4 – с содержанием примесей не более 1,00%.
Физические и механические свойства меди М0:
плотность при 20 о С, г/см 3
температура плавления, о С
скрытая теплота плавления, Дж/г
температура кипения, о С
скрытая теплота парообразования, Дж/г
удельная теплоёмкость, Дж/(г* о С)
теплопроводность при 20 о С, Дж/(см*с* о С)
удельное электросопротивление, Ом*мм 2 /м
температурный коэффициент электросопротивление
модуль нормальной упругости, ГПа
модуль сдвига, ГПа
временное сопротивление разрыву при растяжении деформированной меди, МПа
временное сопротивление разрыву при растяжении отожжённой меди, МПа
предел текучести деформированной меди, МПа
предел текучести отожжённой меди, МПа
временное сопротивление разрыву при сжатии литой меди, МПа
относительное удлинение деформированной меди, %
относительное удлинение отожжённой меди, %
относительное сужение деформированной меди, %
относительное сужение отожжённой меди, %
твёрдость по Бринеллю деформированной меди, МПа
твёрдость по Бринеллю отожжённой меди, МПа
ударная вязкость литой меди при 20 о С, кН*м
Влияние примесей на свойства меди
Алюминий неограниченно растворим в расплавленной меди; в твёрдом состоянии растворимость его равна 9,8%. Алюминий повышает коррозионную стойкость меди, уменьшает окисляемость и понижает электропроводность и теплопроводность меди.
Бериллий понижает электропроводность меди, повышает механические свойства и резко уменьшает окисляемость меди при повышенных температурах.
Висмут практически не растворим в меди. При повышенном содержании висмута медь делается хрупкой; на электропроводность меди висмут заметного влияния не оказывает.
Железо незначительно растворимо в меди в твёрдом состоянии. При 1050 о С до 3,50% железа входит в твёрдый раствор, а при 635 о С растворимость его падает до 0,15%. Под влиянием железа повышаются механические свойства меди, резко снижаются её электропроводность, теплопроводность и коррозионная стойкость.
Кислород очень мало растворим в меди в твёрдом состоянии. Он является вредной примесью, так как при повышенном его содержании заметно понижаются механические, технологические и коррозионные свойства меди.
Водород оказывает значительное влияние на медь. Растворимость его в меди зависит от температуры: от 0,06 до 13,6см 3 /100гр металла при температуре 500 и 1500 о С соответственно. Особенно разрушительное воздействие водород оказывает на медь, содержащую кислород. Такая медь после отжига в водороде или восстановительной атмосфере, содержащей водород, делается хрупкой и растрескивается, вследствие образования водяных паров реакции водорода с закисью меди. Образовавшиеся водяные пары не диффундируют и не диссоциируют и, имея высокое давление, разрушают медь.
Мышьяк растворим в меди в твёрдом состоянии до 7,5%. Он значительно понижает электропроводность и теплопроводность, но значительно повышает жаростойкость меди.
Свинец практически не растворяется в меди в твёрдом состоянии. Заметного влияния на электропроводность и теплопроводность меди он не оказывает, но значительно улучшает её обрабатываемость резанием.
Серебро не оказывает влияния на технические свойства меди, мало влияет на её электропроводность и теплопроводность.
Сурьма растворима в меди в твёрдом состоянии при температуре эвтектики 645 0 С до 9,5%. Растворимость её резко уменьшается при понижении температуры. Сурьма значительно понижает электропроводность и теплопроводность меди.
Сера растворяется в расплавленной меди, а при затвердевании её растворимость снижается до нуля. Сера незначительно влияет на электропроводность и теплопроводность меди, заметно снижает пластичность. Под влиянием серы значительно улучшается обрабатываемость меди резанием.
Фосфор ограничено растворим в меди в твёрдом состоянии; предел насыщения твёрдого α-раствора при температуре 700 о С достигает 1,3% фосфора, а при 200 о С он снижается до 0,4%. Фосфор значительно понижает электропроводность и теплопроводность меди, но положительно влияет на механические свойства и свариваемость, повышает жидкотекучесть.
Теллур растворим в меди в твёрдом состоянии до 0,01%. На электропроводность меди теллур значительного влияния не оказывает.
Селен мало растворим в меди в твёрдом состоянии – до 0,1% и выделяется при затвердевании в виде соединения Se2О. Влияние на медь аналогично влиянию серы.
Классификация медных сплавов.
Вследствие недостаточной прочности технически чистую медь применяют редко в качестве конструкционного материала. Широкое распространение в промышленности имеют сплавы меди – латуни, бронзы.
Латунями называют медные сплавы, в которых основным легирующим элементом является цинк. Такие медноцинковые сплавы принято называть двойными латунями. Для повышения механических свойств и химической стойкости латуней в них часто вводят легирующие элементы: алюминий, никель, марганец, кремний и т.д.
Многокомпонентные медноцинковые сплавы принято называть специальными латунями. Сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием и другими элементами, среди которых цинк не является основным легирующим элементом, называют бронзами. В зависимости от основного легирующего элемента, различают две группы бронз: оловянные бронзы и специальные бронзы.
Оловянные бронзы, в зависимости от содержания в них других легирующих элементов подразделяют на: оловяннофосфористые, оловянноцинковые и оловянноцинкосвинцовые бронзы. Специальные бронзы – это двойные или более сложные сплавы на медной основе, содержащие в качестве добавок: алюминий (алюминиевые бронзы), бериллий (бериллиевые бронзы), никель (с добавлением железа – никелевожелезная бронза), марганец (марганцевая бронза), кремний (кремниевая бронза), кадмий (кадмиевая бронза), хром (хромовая бронза).
В зависимости от содержания в алюминиевых бронзах других основных легирующих элементов, их подразделяют на: алюминиевомаргацевые, алюминиевожелезные, алюминиевожелезомарганцевые, алюминиевоникелевые бронзы. Кремнистые бронзы, введением в них марганца или никеля, подразделяют на: кремниевомарганцевые и кремниевоникелевые.
Общие сведения по свариваемости
Инертная при обычных температурах медь при нагреве реагирует с кислородом, серой, фосфором и галогенами. С водородом она образует неустойчивый гидрид СuН, с углеродом образует ацетиленистую медь Сu2С2 (взрывчатую); с азотом медь не реагирует, что позволяет азот использовать как защитный газ для сварки чистой меди.
Медь в условиях сварки может окисляться за счет газовой атмосферы или за счет обменных реакций с компонентами флюсов или электродных покрытий. Сродство меди к кислороду возрастает при растворении закиси меди в жидкой меди, особенно сильно при малых концентрациях Си2О, и резко снижается до нормального при распаде жидкого раствора в процессе образования эвтектики Сu—Сu2О; Сu2О как отдельная фаза легко восстанавливается до меди. Газы, образующиеся в результате реакций, не растворяются в твердой меди и нарушают металлическую связь между зернами, приводя к образованию трещин - "водородная болезнь" меди.
Твердые растворы меди с кислородом имеют исчезающие малые концентрации при низких температурах. Поэтому медь в процессе сварки необходимо тщательно раскислять или вести сварку в среде инертных защитных газов или в вакууме.
Остаточные концентрации раскислителей влияют на свойства металла шва (электропроводность, теплопроводность, коррозионную стойкость), и поэтому при сварке изделий из чистой меди задача раскисления металла шва решается с трудом.
К сварным соединениям из чистой меди почти всегда предъявляют высокие требования по сохранению в металле сварных швов всего комплекса физических свойств: электропроводности, теплопроводности, плотности и коррозионной стойкости, так как эти изделия работают в тяжелых условиях эксплуатации. Поэтому в процессе сварки медь не должна загрязняться какими-либо примесями, влияющими на эти свойства.
Особенно высокие требования предъявляются к сварке вакуум-плотных швов в изделиях электронной техники, в энергетических установках, в узлах аппаратуры, работающей с внутренним охлаждением. Механические свойства сварных соединений определяются общими свойствами меди. Сварка чистой меди существенно отличается от сварки сталей.
Большие тепло- и температуропроводность создают высокие градиенты температуры и скорости охлаждения, а также малое время пребывания сварочной ванны в жидком состоянии. Это обусловливает необходимость применения повышенной погонной энергии при сварке меди по сравнению со сталями или применения предварительного подогрева изделия, но последнее является нежелательным осложнением технологии сварки.
Значительный коэффициент линейного расширения и его зависимость от температуры вызывают необходимость сварки при жестком закреплении изделия или по прихваткам. При большой толщине металла следует регулировать ширину зазора при сварке. Малое время существования сварочной ванны в жидком состоянии ограничивает возможности ее металлургической обработки. В частности, при раскислении меди требуются более активные раскислители, чем при сварке сталей, для снижения концентрации кислорода до допустимых пределов.
Высокие градиенты температуры способствуют развитию термической диффузии водорода в зоне термического влияния, что приводит к обогащению водородом металла вблизи зоны сплавления и увеличивает вероятность возникновения дефектов (пор, трещин). Высокая чувствительность меди к водороду должна учитываться при разработке технологии сварки.
Выбор технологического процесса сварки изделия в первую очередь определяется его назначением, сложностью (наличие коротких или криволинейных швов в различных пространственных положениях, труднодоступных мест), а также числом изготовляемых изделий (серия) и требованиями, предъявляемыми к их качеству. К высокопроизводительным процессам относятся электродуговая сварка под флюсом плавящимся электродом, электрошлаковая сварка металла больших толщин, и их следует использовать при серийном производстве или на заготовительных операциях.
При соответствующей подготовке сварочных материалов (прокалке флюса до 400—450 0 С) эти виды сварки обеспечивают хорошие результаты (защиту и малое загрязнение металла шва, относительно невысокие температурные градиенты, снижающие влияние водорода). При единичном производстве и ремонтных работах рекомендуется использовать газовую сварку, в процессе которой осуществляется подогрев и начальная термическая обработка изделия. Невысокие температурные градиенты уменьшают воздействие сварочного термического цикла на металл в зоне сварки (шов, зона термического влияния). Возможно, раскисление и легирование металла через присадочную проволоку.
Газовую сварку можно применять как для чистой меди, так и для ее сплавов. Ручная дуговая сварка покрытыми электродами приводит к загрязнению металла шва легирующими компонентами, что нарушает физические свойства металла шва по сравнению с чистой медью.
Сварка медных сплавов (бронз) идет удовлетворительно, но в латунях при этом теряется цинк за счет испарения и окисления. Дуговую сварку в защитных газах, широко применяемую в сварочной технике, используют также для изготовления сварных изделий из меди и ее сплавов. Для сварки изделий из чистой меди чаще используют сварку неплавящимся вольфрамовым электродом в среде аргона, гелия или азота. Защитные газы должны быть особо чистыми.
Стойкость вольфрамового электрода в чистом азоте вполне удовлетворительная, и применение этого недефицитного и недорогого газа обеспечивает значительный экономический эффект. Несмотря на применение защиты инертными газами, при сварке происходит окисление меди, и для ее раскисления следует применять микролегированные присадочные проволоки, содержащие сильные раскислители (титан, цирконий, бор, редкоземельные металлы). В результате этого можно получить металл шва со свойствами на уровне чистой меди.
Для сварки сплавов меди в защитных газах (Аг и Не) можно использовать присадочные проволоки, по составу совпадающие с основным металлом или содержащие небольшое количество раскислителей (81 и Мп). Сварку меди в среде защитных газов плавящимся электродом применяют реже, так как в этом случае капли электродного металла подвергаются существенному перегреву. При сварке меди и ее сплавов электрической дугой в защитных газах в зоне сварки создаются высокие градиенты температур и, следовательно, условия для диффузии водорода в зоне термического влияния.
При достаточном количестве водорода, растворенного в основном металле, вероятно возникновение дефектов (пор, трещин). Поэтому при сварке изделия из меди и ее сплавов следует контролировать содержание водорода в основном металле, так как его содержание в зоне сплавления, учитывая коэффициенты сегрегации, может оказаться выше допустимого. Выравнивание концентраций водорода, создавшихся в процессе сварки, возможно в результате последующей термической обработки.
Медь можно сваривать в воздушной атмосфере без защиты, но в этом случае проволока должна содержать раскислители высоких концентраций, и металл шва, удовлетворяя по механическим свойствам, будет существенно отличаться от основного металла по тепло- и электропроводности. Медь, как металл высокой пластичности, хорошо сваривается всеми видами сварки термомеханического класса, кроме контактной сварки, так как обладает малым переходным электрическим сопротивлением.
Для приварки выводов из тонких медных проволок в изделиях электронной техники используют термо-компрессионную сварку. Для более крупных изделий сложной конфигурации широко применяют диффузионную сварку в вакууме, позволяющую получать соединения меди не только с медью, но и с другими металлами и даже неметаллическими материалами.
Основным преимуществом диффузионной сварки в вакууме является отсутствие остаточных напряжений, если сваривают однородные материалы. В случае сварки разнородных металлов различие в коэффициентах линейного расширения соединяемых металлов может привести к возникновению температурных напряжений. Холодную сварку меди пластической деформацией сдвига или сдавливания используют для сварки медных шин в энергетических установках. Она обеспечивает удовлетворительное электрическое сопротивление сварных соединений.
Газовая сварка.
Для меди используют ацетилено-кислородную сварку, обеспечивающую наибольшую температуру ядра пламени. Газовая горелка — тепловой источник малой сосредоточенности; поэтому поддержание нормальных размеров сварочной ванны затрудняется.
Для изделия толщиной более 10 мм рекомендуется применять две горелки, из которых одна осуществляет подогрев, а вторая служит для сварки. При двусторонней сварке двумя горелками необходимость подогрева отпадает.
Для сварки меди и бронз используют нормальное пламя. Раскисление металла сварочной ванны, несмотря на защиту от окружающей среды продуктами сгорания, производится извлечением закиси меди флюсами или введением раскислителей через присадочную проволоку. Сварочные флюсы для меди содержат соединения бора (борная кислота, борный ангидрид, бура), которые растворяют закись меди, образуя легкоплавкую эвтектику, и выводят ее в шлак.
Читайте также: