Технология сварки меди и медных сплавов со сталью

Министерство образования  и науки РФ

Федеральное государственное  бюджетное  образовательное учреждение высшего профессионального образования

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра оборудование и технология сварочного производства

 

 

 

Семестровая работа на тему:

Технология сварки меди и  медных сплавов со сталью

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                      Выполнил:

                                                                      студент группы с–530 Грибенюк К. А.

                                                                      Проверил:

                                                                      старший преподаватель 
                                                                           Полесский О. А.

 

 

 

Волгоград, 2012 г

Сварка стали с медью  и медными сплавами

 

При нормальной температуре  сплавы железа с медью представляют собой твердые растворы железа в  меди (ε-фаза, содержание Fe≤0,2%), меди в  α-железе (<0,3% Сu) и смеси этих растворов (α + ε). Растворимость меди в α-железе меньше, чем в γ–железе. При 20 °С при равновесных условиях в α-железе растворяется менее 0,3 % Сu. При 850 °С максимальная растворимость меди в δ-, γ- и α-железе составляет соответственно 6,5; 8 и 1,4%. Растворимость железа в меди уменьшается с понижением температуры с 4 % при 1094 °С до 0,4 % при 750 °С, при 650 °С падает до 0,2 % и с дальнейшим снижением температуры изменяется незначительно.

Введение углерода в железомедные сплавы несколько снижает растворимость  меди. Марганец и кремний улучшают растворимость Марганец расширяет  область γ–твердого раствора, в котором медь растворяется интенсивнее.

Физико-химические свойства Сu и Fe близки (строение кристаллической решетки, атомные радиусы и т. д.), что дает возможность получения непосредственного соединения меди (медных сплавов) с железом (сталью). Осложняющим фактором является различие в температурах плавления, сильная разница в теплопроводности и теплоемкости, высокая сродство меди к кислороду, ее высокая жидкотекучесть, склонность к пористости, появление эвтектики Сu + Сu2O, охрупчивающей металл.

Типичным дефектом, сопровождающим сварку стали с медью (медными  сплавами), наплавку, пайку сталей медьсодержащими  припоями, т. е. процессы, в которых  имеет место контакт стали  с жидкой медью, является межкристаллитное проникновение меди в сталь (МКП). Дефект представляет собой трещины  в виде «клиньев», заполненных медью, часто охватывающей группу зерен. Его  глубина от 0,01 до 40 мм. Локализация  в районе действия напряжения растяжения, у концентраторов напряжений. Частота  появления дефекта от единиц до десятков на одном квадратном сантиметре. Дефект существенно снижает механические свойства стали (σ0,2, σв, σ1, δ) и особенно пластические. Трудно или вовсе невозможно обнаружить его неразрушающими методами контроля. Избежать появления дефекта для многих марок сталей без применения специальных методов не удается. Механизм МКП объясняется на основе представлений об адсорбционном понижении прочности, межзеренной коррозии и диффузии под напряжением, расклеивающего действия жидкой меди. Исследования показали общность условий образования МКП меди в сталь и горячих трещин (ГТ) в стали.

Все пути и приемы, способствующие предотвращению появления ГТ в стали, способствуют и предотвращению МКП меди.

Сокращение времени контакта жидкой меди со сталью, ведение процесса в твердой фазе при возможно более  низкой температуре, легирование металла  шва элементами, повышающими стойкость  ГТ, применение барьерных подслоек и подставок, повышение содержания ферритной фазы в стали способствуют предотвращению появления этого дефекта.

Сварка трением дает сварные соединения с прочностью на уровне основного материала в отожженном состоянии. Нет МКП меди в сталь, что связано со спецификой процесса: максимальные температуры развиваются на соединяемых поверхностях и обычно составляют 700–800 °С (ниже температуры плавления более легкоплавкого металла).

Сварка взрывом дает соединение высокой прочности. Появления пор и микротрещин в зоне сварки крайне редки. Поверхность контакта имеет чаще всего типичные для сварки взрывом волнообразный характер. Вблизи границы имеет место наклеп, а на стороне стали возможно появление в узкой зоне закалочных структур вследствие высокой скорости охлаждения. Толщина плакирующего слоя (медный сплав) обычно 4–10 мм. Отжиг при температуре 700–900 °С сваренных биметаллических листов приводит к росту пластических свойств, некоторому снижению предела прочности и уменьшению анизотропии свойств по площади листа. Метод применяется для получения слоистых листов и лент.

Сваркой прокаткой применяется для получения биметаллических листов и лент сталь + медь, сталь + латунь, сталь + монель-металл и других сочетаний. В большинстве случаев соединение равнопрочно основному металлу. В результате термической обработки (нормализация при 750 °С в течение 30 мин) биметалла сталь – медь в углеродистой стали наблюдается скопление углерода непосредственно у медного слоя, а вблизи ее находится зона, обедненная углеродом.

Диффузионная  сварка позволяет получать сварные соединения медных сплавов со сталями на большой номенклатуре пар (БрОЦС5–5–5 + сталь 20ХНР, бронза БрОЦ10–10 + сталь 10, бронза БрОЦ8–12+сталь 12ХН3А, бронза БрХ0,8 + сталь Э, латунь Л59 + сталь, константан+12Х18Н10Т, бронза БрАЖМЦ10–3–1,5 + сталь 30ХГСА, медь М1 + армко-железо и т. д.).

Температура сварки зависит  от состава медного сплава и лежит  в диапазоне 700–1000 °С. Сварка меди МБ, МОБ, M1 с армко-железом ведется при 7–1000 °С. Этот температурный режим при соединении БрОСНЮ–2–3 со сталью 40Х вследствие наличия в сплаве свинца приведет к оплавлению поверхности уже при температуре 760–780 °С. В таких случаях целесообразна предварительная наварка на сталь медной прокладки малой толщины (порядка 1 мм) при температуре 900 °С, а затем сваркой получают заготовки с бронзой БрОСН10–2–3 при 7 = 750 °С. Сварка стали с медной прокладкой при предварительном нанесении на медь слоя никеля (200 мкм) повышает качество соединения и позволяет производить закалку стали. К применению прослойки никеля прибегают тогда, когда необходимо добиться повышения прочности соединения.

Контактная сварка ведется с применением подкладок под электрод, обеспечивающих интенсификацию тепловыделения в зоне сварки и высокие градиенты температур (например, листовой молибден толщиной 0,6 мм со стороны медного сплава при сварке стали 10 с латунью Л63).

Возможна ультразвуковая сварка деталей малых толщин. Колебания подводятся со стороны меди.

Сварка плавлением выполняется различными методами – ручная электродуговая плавящимся и неплавящимся электродами, полуавтоматическая и автоматическая сварка под флюсом и в среде аргона, электронно-лучевая, газопламенная и др.

Для получения качественных соединении используются различные приемы: процесс ведут с преимущественным плавлением медного сплава (смещение пятна нагрева на медь), используют концентрированный источник тепла, применяют наплавки и проставки из материалов, не склонных к образованию трещин и т. п.

При изготовлении изделий  из листового биметалла, получаемого  сваркой взрывом и прокаткой, соединения выполняются послойно. В  случае, если глубина ванны превосходит  толщину свариваемого слоя, возможен переход меди в стальной шов и  стали– в медный. В местах расплава контакта меди со сталью может иметь место МКП меди. Все это ведет к ухудшению механических свойств и коррозионной стойкости биметалла. Для явлений прибегают к использованию специальной конструкции сварного соединения (рисунок 1).

I – стальной слой; 2 – медный слой; 3 – проставка; 4 – накладка; 5 – наплавка; 6 – подслой.

Рисунок 1 – Варианты конструктивного оформления соединения при сварке биметалла медь–сталь

 

При сварке биметалла и  его использовании в качестве проставки в результате нагрева в зоне перехода сталь – медь может иметь место снижение прочности. Термическая обработка такого материала показала, что кратковременный нагрев до 5 мин вплоть до 950 °С и длительный до температуры 250°С не оказывают существенного влияния на механические свойства биметалла. Это необходимо учитывать при выборе размеров проставки.