Ручне дугове і газове зварювання кольорових металів і їхніх сплавів - Технічні науки - Скачать бесплатно

Зварювання міді і її сплавів

Зварюваність міді. Мідь зварюється погано через її високу теплопровідність, водопровідність і підвищеної схильності до утворення тріщин при зварюванні.

Теплопровідність міді при кімнатній температурі в шість разів більше теплопровідності технічного заліза, тому зварювання міді і її сплавів повинна вироблятися зі збільшеною погонною тепловою енергією, а в багатьох випадках з попереднім і супутнім підігрівом основного металу.

При переході з твердого стану в рідке мідь виділяє велика кількість теплоти (схована теплота плавлення), тому зварювальна ванна підтримується в рідкому стані більш тривалий час, чим при зварюванні стали. Підвищена водопровідність міді утрудняє її зварювання у вертикальному, горизонтальному й особливо в стельовому положеннях.

Водень у присутності кисню робить негативна дія на властивості міді. Водень, що проникає в мідь при підвищених температурах зварювання, реагує з киснем оксиду міді (Сu2О + 2Н Н2О + 2Сu), утворить водяна пара, що, прагнучи розширитися, приводить до появи дрібних тріщин. Це явище при зварюванні міді називають «водневою хворобою». Якщо зварювати мідь покритими мідними електродами без підігріву виробу, що зварюється, (зі швидким охолодженням), то виникають гарячі тріщини.

Однак при зварюванні з підігрівом, що створює умови повільного охолодження, водяна пара в більшості випадків до затвердіння металу виходить назовні; невелика частина водяної пари залишається між шаром зварювального шлаку і поверхнею металу шва. У результаті цього поверхня металу шва після видалення ще гарячого шлаку стає нерівної з дрібними поглибленнями, що можна уникнути при дуже повільному охолодженні шва і шлаку.

Чим більше утримується кисню в міді, що зварюється, тим значніше виявляється «воднева хвороба».

Домішки в міді миш'яку, свинцю, сурми, вісмуту і сірки утрудняють зварювання. Вони практично не розчиняються в міді, не утворять з нею легкоплавкі хімічні сполуки, що, знаходячись у вільному стані, розташовуються по границях зерен і послабляють міжатомні зв'язки. У результаті під дією усадочної сили, що розтягує, у процесі охолодження звареного з'єднання утворяться гарячі тріщини. Тому зміст кожної зі шкідливих домішок (кисню, вісмуту, свинцю в міді й у зварювальних матеріалах) не повинне бути більш 0,03 %, а для особливо відповідальних зварених виробів — 0,01 %.

Коефіцієнт лінійного розширення міді більше коефіцієнта лінійного розширення заліза, у зв'язку з чим зварювальні деформації при зварюванні конструкцій з міді і її сплавів трохи більше, ніж при зварюванні сталей.

Основні види зварювання міді плавленням: дугова покритими електродами; дугова порошковим дротом, дугова в газі, автоматична дугова під флюсом, плазменна зварювання, газове зварювання й ін.

Зварювання міді покритими металевими електродами дає задовільну якість у випадках, якщо мідь, що зварюється, містить кисню не більш 0,01 %. При змісті в міді кисню в кількостях більш 0,03 % зварені з'єднання мають низькі механічні властивості.

Для зварювання міді застосовують покриті електроди марок ДО-100 (завод «Комсомолець»), ОМЗ-1 (досвідчений Московський завод) і ін. Склад електрода марки ДО-100 наступний: стрижень з металу марки М1; покриття — плавиковий шпат 12,5%, польовий шпат—15%, феромарганець Мn1, Мn2 — 47,5%, кремениста мідь (73 — 75% міді, 23 — 25% кремнію й інше домішки) — 25 %.

Зварювання ведуть у нижнім положенні на постійному струмі зворотної полярності. При зварюванні аркушів товщиною більш 6 мм потрібен попередній підігрів основного металу до 300 — 400 °С.

Газове зварювання мідних аркушів товщиною до 10 мм виконується полум'ям потужністю 150 дм3 ацетилену/год на 1 мм товщини металу. Аркуші

більшої товщини зварюють полум'ям з розрахунку 200 дм3/год на 1 мм товщини металу. Зварювання краще робити одночасно двома пальниками з двох сторін відбудовним полум'ям, для того щоб не допускати утворення в зварювальній ванні оксидів міді. Зварювання міді на вуглевоживаючим полум'ям не допускаються, тому що при цьому утворяться пори і тріщини у шві внаслідок утворення З2 і Н2О по реакціях: З + Сn2О-+З2 + 2Сn; Н2 + Сn2ОН2О + 2Сn.

Шов заповнюється за один шар. Багатошарове газове зварювання викликає перегрів металу і тріщини у швах. Щоб уникнути перегріву міді, зварювання варто вести з високими швидкостями нагрівання й охолодження зварених з'єднань.

Метал товщиною до 2 мм зварюють встик без присадочного матеріалу, при товщині 3 мм і більш застосовують скіс крайок з кутом оброблення 90° і притупленням 1,5 - 2 мм. Толсті мідні аркуші зварюють встик з обробленням крайок у вертикальному положенні одночасно з двох сторін двома пальниками. Присадочний дротом служить чиста мідь або мідь зі змістом розкислювачів: фосфору — до 0,2 % і кремнію — до 0,15 - 0,30%. Дріт підбирають діаметрами від 1,5 до 8 мм у залежності від товщини аркушів, що зварюються; дріт діаметром 8 мм уживається для аркушів товщиною 15 мм і більш.

Газове зварювання міді виконується з флюсами, що складаються в основному з бури.

Висока якість звареного з'єднання одержують, застосовуючи газофлюсового зварювання, при якій порошкоподібний флюс засмоктується ацетиленом і подається безпосередньо в полум'я пальника від спеціальної установки КГФ-2-66.

Застосуванню проковування металу шва (краще околошовного металу) ще більш поліпшує механічні властивості зварених з'єднань.

Зварювання латуні. Латунь являє собою сплав міді з цинком; температура плавлення латуні 800-1000 С.

При дуговому зварюванні з латуні інтенсивно випаровується цинк; розплавлений метал поглинає водень, що не устигає виділитися при затвердінні рідкого металу в зварювальній ванні, у результаті чого у шві утворяться газові пори. Водень попадає в зварювальну ванну з покриття, флюсу або повітря.

Зварювання латуней покритими електродами знаходить обмежене застосування, в основному для виправлення шлюбу лиття. Це порозумівається сильним випаром цинку в порівнянні насамперед з газовим зварюванням або дуговий під флюсом, або дуговий у захисному газі.

Для дугового зварювання латуні застосовують електроди з покриттям виду ЗТ. Склад електрода наступний: стрижень із кремніємарганцевої бронзи Бр КМц 3-1, що містить 3% кремнію і 1% марганцю; покриття з 17,5% марганцевої руди, 13% плавикового шпату, 16% сріблистого графіту, 32% ферросилиция 75 %-ного, 2,5 % алюмінію в порошку. Зварювання ведеться постійним струмом при зворотній полярності короткою дугою з метою зниження вигоряння цинку. Від витікання металу зі зварювальної ванни стик захищають прожареною азбестовою підкладкою зі зворотної сторони стику. При товщині аркушів до 4 мм оброблення крайок така ж, як і для сталі. Після зварювання шов проковують, а потім випалюють при 600-650 °С для вирівнювання хімічного складу і додання металові дрібнозернистої структури.

Зварювання латуні можна виконувати вугільним електродом на постійному струмі прямої полярності з застосуванням флюсу.

Дугове зварювання латуней порошковим дротом і в газі; в останні роки стали застосовувати плазменно-дугове зварювання латуней, міді й ін.

Газове зварювання латуней забезпечує кращу якість зварених з'єднань, чим дугова покритими електродами. Для зменшення випару цинку зварювання латуні ведуть окисним полум'ям; при цьому на поверхні зварювальної ванни утвориться рідка плівка оксиду цинку, що перешкоджає його випарові. Надлишковий кисень окисляє частина водню полум'я, тому поглинання рідким металом водню зменшується.

Для видалення оксидів міді і цинку при газовому зварюванні користуються флюсом, складеним на основі бури.

Для зменшення випару цинку і поглинання зварювальною ванною водню кінець ядра полум'я повинний знаходитися від металу, що зварюється, на відстані в 2 - 3 рази більшому, ніж при зварюванні стали.

Для газового зварювання латуней застосовують присадочний дріт марки ЛК62-0,5 (ДСТ 16130-72), що містить 60,5-63,5% міді, 0,3-0,7% кремнію, інше — цинк. Як флюс при зварюванні цієї присадочним дротом застосовують прожарену буру. Без застосування флюсу можна користуватися самофлюсуючийся присадочний дротом марки ЛКБ062-004-05.

Гарна якість газового зварювання латуней досягається застосуванням флюсу БМ-1 (розроблений ВНИИавтогенмаш), що складається з 25% метилового спирту і 75% метилбората або флюсу БМ-2, що складається з одного метилбората. Ці флюси вводяться в зварювальну ванну у виді пар. Ацетилен пропускається через рідкий флюс, що знаходиться в особливій судині (флюсопитателі), насичується парами флюсу і подається в пальник. У полум'ї флюс згоряє по реакції: 2В(СН3О)3 + 9О2 = В2О3 + 6З2 + 9Н2О. Борний ангідрид В2О3 є речовиною, що флюсує. Застосування флюсу БМ-1 підвищує продуктивність зварювання, дає метал шва з високими механічними властивостями і забезпечує майже повну нешкідливість процесу для зварника.

Зварювання бронзи. Бронза — це сплави міді з оловом (3 —14% — оловянисті бронзи), кремнієм (до 1 % — кременисті бронзи), марганцем, фосфором, бериллієм і ін. Звичайно бронзи застосовуються для виготовлення литих деталей.

Зварені з'єднання марганцевої бронзи (0,2 - 1 % — марганцю) відрізняються високою пластичністю і міцністю, що трохи перевищує міцність зварених з'єднань міді.

Берилієві бронзи, що містять до 0,05% бериллія, утворять зварені з'єднання з задовільною міцністю.

Зміст більш 0,5% бериллія в мідному сплаві приводить при зварюванні до окислювання бериллія; оксиди, що утворилися, із працею віддаляються зі зварювальної ванни. Тому якість зварених з'єднань з таких бронз невисоке.

Існує кілька десятків марок бронз. По зварюваності бронзи значно відрізняються друг від друга, тому і технологія зварювання бронз різноманітна.

Зварювання бронзи можна виконувати вугільним електродом із присадочним металом, покритими електродами, що не плавиться (вольфрамовим) електродом в аргоні, плазменою дугою й ін.

Звичайно присадочний матеріал підбирають близьким до хімічного складу металу, що зварюється.

Зварювання марганцевої бронзи (наприклад, марки Бр Мц6) виконують електродами марки ДО-100, обов'язково з попереднім підігрівом до 400 — 500 °С. Для зварювання алюмінієвих і алюмінієво-нікелевих бронз (виправлення дефектів лиття) можна застосовувати електроди марки АНМц/ЛКЗ-АБ з попереднім підігрівом до 150-300 °С. Зварювання виконують на постійному струмі при зворотній полярності короткими ділянками.

Як правило, бронзи зварюють у нижнім або похилому (до 15°) положенні.

Газове зварювання бронз ведеться відбудовним полум'ям, тому що при окисному полум'ї відбувається вигоряння легуючих елементів (олова, алюмінію, кремнію). Потужність полум'я встановлюють 100-150 дм3 ацетилену/год на 1 мм товщини металу, що зварюється. При зварюванні користуються тими ж флюсами, що і для зварювання міді і латуні.

Газове зварювання бронз дає міцність зварених з'єднань, рівну 80—100% міцності металу, що зварюється.

Зварювання алюмінію і його сплавів

Алюміній має низьку міцність (в 10 • 107 Па), тому його застосовують в основному в хімічному аппаратостроєнні, для віконних і дверних плетінь і декоративних виробів у будівництві. Він має малу щільність (2,7 г/см3), підвищеної корозійною стійкістю і великою пластичністю в порівнянні з низьковуглеводною сталлю.

Підвищену міцність мають сплави алюмінію з марганцем, магнієм, кремнієм, цинком і міддю.

Алюміній і його сплави поділяють на ливарні і деформуючі (катані, пресовані, куті). Деформуючі сплави підрозділяють на термічно нестійкі, до яких відносяться сплави алюмінію з марганцем і магнієм, і термічно стійкіші, до яких відносяться сплави алюмінію з міддю, цинком, кремнієм.

Найбільш високою міцністю володіють термічно стійкіші алюмінієві сплави. Наприклад, механічні властивості дюралюмінію марки - Д16 (3,8-4,9% міді, 1,2-1,8% магнію, 0,3 — 0,9% марганцю, інше — алюміній) наступні: до термічної обробки в = 22 • 107 Па і = 2%; після термічної обробки в = 42 • 107 Па і =18%.

Термічно зміцнені алюмінієві сплави разупрочняются при зварюванні.

З термічно неупрочняемых сплавів найбільшою міцністю володіють сплави системи А1 - Мg - Т1, наприклад сплав Амг6, механічні властивості якого наступні: в = (32 38) • 107 Па, т = (1618)-107 Па, =15-20% і аn = (34) • 105 Дж/м2. Конструкції з алюмінієво-магнієвого сплаву марки Амг6 виготовляються в основному звареними.

Зварюваність алюмінію і його сплавів. Алюміній і його сплави мають велику теплопровідність, теплоємність і сховану теплоту плавлення. Теплопровідність алюмінію в три рази вище теплопровідності низьковуглеводної стали; при нагріванні від 20 до 600 0С різниця в теплопровідності ще більш зростає. Отже, зварювання алюмінію і його сплавів повинні виконуватися з відносно могутнім і концентрованим джерелом нагрівання.

Коефіцієнт лінійного розширення алюмінію в два рази вище, ніж коефіцієнт розширення заліза. Це сприяє збільшеним деформаціям і коробленню при зварюванні алюмінієвих виробів.

Низька питома щільність (2,7 г/см3) і температура плавлення (660 °С) алюмінію в порівнянні з високою питомою щільністю оксиду алюмінію А12О3 (3,85 г/см3) і його температурою плавлення (2050 °С) утрудняють процес зварювання. Тугоплавкий і важкий оксид може залишатися в металі і знижувати працездатність звареного з'єднання. При зварюванні алюмінію і його сплавів необхідно застосовувати різні способи боротьби з оксидом А12О3. В усіх випадках поверхня металу виробу повинна зачищатися безпосередньо перед зварюванням, а процес зварювання повинний протікати з захистом розплавленого металу від дії газів повітря.

Використовують два способи боротьби з оксидом алюмінію: зварювання з розчинником оксидів (електродні покриття, флюси), зварювання без розчинників, але з так називаним катодним розпиленням.

Розчинниками оксиду А12О3 і інших оксидів є галогенні солі щілочноземельних металів (хлористий, фтористий літій і ін.), що розчиняють оксиди і разом з ними піднімаються зі зварювальної ванни в зварювальний шлак. Тому що розчин має знижену температуру плавлення, меншою питомою щільністю і меншою в'язкістю, чим кожен компонент окремо, то він виводиться з металу шва в зварювальний шлак.

Сутність катодного розпилення полягає в тому, що при дуговому зварюванні в аргоні на постійному струмі і тільки при зворотній полярності відбувається дроблення оксидної плівки А12О3 з наступним розпиленням часток оксиду. Тонка оксидна плівка, що покриває зварювальну ванну, руйнується під ударами важких позитивних іонів аргону (атомна вага аргону приблизно в 10 разів важче атомної ваги гелію і тому при зварюванні в гелії катодного розпилення не відбувається), що утворяться при горінні дуги.

Алюмінієві сплави мають підвищену схильність до утворення пір. Пористість металу при зварюванні алюмінію і його сплавів викликається воднем, джерелом якого служить адсорбована волога на поверхні основного металу й особливо зварювального дроту, а також повітря, підсосуваємий у зварювальну ванну. У цьому випадку алюміній у зварювальній ванні взаємодіє з вологою по реакції: 2А1 + ЗН2ОА12О3 + 6Н.

Для одержання безпористих швів при зварюванні алюмінію і його сплавів навіть невеликої товщини іноді потрібен підігрів, що знижує швидкість охолодження зварювальної ванни і сприятливий більш повному видаленню водню з металу при повільному охолодженні. Наприклад, при наплавленні на лист алюмінію товщиною 8 мм безпористий шов можна одержати при підігріві металу до 1500С. При збільшенні товщини металу до 16 мм навіть підігрів до температури 3000С не забезпечує безпористих швів.

Однак підігрівши аркушів для зварювання деяких сплавів варто застосовувати обережно. Наприклад, при зварюванні товстолистових алюмінієво-магнієвих сплавів допускається підігрів до температури не вище 100-150 0С. Більш висока температура підігріву може підсилити пористість шва за рахунок виділення з твердого розчину магнію й утворення при цьому водню по реакції: Мg + Н2О МgО + 2Н. Крім того, при зварюванні підігрітого металу (алюмінієво-магнієвих сплавів) знижуються механічні властивості зварених з'єднань.

При аргонодуговому зварюванню алюмінію і його сплавів боротьбу з порами ведуть за допомогою окисної атмосфери. Найкращі результати виходять при добавці до аргону 1,5% кисню. Окисна атмосфера в районі поверхні зварювальної ванни не дає водневі розчинятися в металі, тому що водень буде знаходитися насамперед в окисленому стані і пори у швах не утворяться.

Види зварювання алюмінію і його сплавів. Деталі з алюмінію і його сплавів можна з'єднувати як зварюванням плавленням, так і зварюванням тиском. Широке поширення одержали наступні види зварювання: ручне або механізоване дугове зварювання електродом, що не плавиться, у захисному інертному газі (в основному в аргоні); механізоване дугове зварювання металевим електродом, що плавиться, у захисному газі; автоматичне дугове зварювання зварювальним дротом, що плавиться, по шарі дозованого флюсу; стикове або крапкове контактне зварювання й ін.

Склад флюсів і покрить для зварювання алюмінію і його сплавів. Ручне зварювання алюмінію дугою або газовим полум'ям виконують з підігрівом аркушів від 100 до 400 С; чим товстіша деталь, тим вище температура підігріву. Для зварювання уживають флюс, найчастіше марки АФ-4а, що містить 50% хлористого калію, 14% хлористого літію, 8% фтористого натрію і 28% хлористого натрію.

Склади електродних покрить можуть бути наступні: покриття 1 — 65 % флюсу АФ-4а і 35 % кріоліту і покриття II — 50 % хлористого калію, 30 % хлористого натрію і 20% кріоліту Na3А1F6.

Підбор присадочного електродного металу. ДСТ 7871—75 передбачає для зварювання алюмінію і його сплавів дріт 14 марок: з технічного алюмінію (Св-А97, Св-А85Т, Св-А5), алюминієво-марганцеву (Св-аМц), алюминієво-магнієву (Св-аМг3, Св-аМг4, Св-аМг5, Св-1557, Св-аМгб, Св-аМг63, Св-аМг61), алюмінієво-кремнієву (Св-АК5, Св-АК10) і алюминієво-мідну (Св-1201).

Стандарт поширюється на тягнена і пресовану (марка Св-АК10) дріт діаметрами від 0,8 до 12,5 мм. Дріт поставляється в упакуванні, термін збереження не більш 1 року з дня виготовлення.

Звичайно зварювальний дріт підбирають з умови однорідності з основним металом або з трохи підвищеним змістом одного або декількох елементів проти основного металу з урахуванням неминучого збідніння металу шва деякими елементами (Мg, Zn) при зварюванні.

Технологія зварювання. Для дугового зварювання алюмінію застосовують покриті електроди марки ОЗА-1 (досвідчений завод, для алюмінію, модель 1) зі стрижнем з алюмінієвого дроту.

Зварювання цими електродами виробляється в нижнім і вертикальному положеннях постійним струмом зворотної полярності, короткою дугою без поперечних коливань. При діаметрі електрода 4 мм струм береться 120-140 А, для інших діаметрів — вище. Зварювання здійснюють з підігрівом виробу до температури 200-250 °С при товщині металу 6 - 10мм, 300-350°С при 10-16 мм. Електроди перед уживанням (за кілька хвилин) просушують при температурі 200 °С в плин 2 ч. Після зварювання зварювальний шлак негайно видаляють сталевою щіткою з промиванням гарячою водою.

Для заварки ливарних пороків у виробах застосовують покриті алюмінієві електроди марки ОЗА-2.

Форма підготовки крайок під зварювання алюмінієвих сплавів подібна підготовці при зварюванні сталей. Шви по можливості виконуються однопрохідними і на великих швидкостях.

Зварювання вугільним електродом виробляється на постійному струмі прямої полярності. Аркуші товщиною до 3 мм бажано зварювати з отбортовкой крайок без присадочного металу. Зварювання більш товстих аркушів вимагає оброблення крайок і застосування присадки. Бажане застосування масивних мідних або сталевих підкладок під аркуші, що зварюються. Можна використовувати флюс марки АФ-4а або флюс наступного складу: 45% хлористого калію, 15% хлористого літію, 30% хлористого натрію, 7 % фтористого калію і 3 % сірчанокислого натрію.

Газове зварювання алюмінію і його сплавів забезпечує задовільну якість зварених з'єднань. Потужність газового полум'я при зварюванні підбирається в залежності від товщини металу, що зварюється.

При газовому зварюванні алюмінію і його сплавів застосовують флюси. Флюс АФ-4а розводять дистильованою водою і наносять на крайки, що зварюються. При зварюванні застосовують присадочний дріт тієї ж марки, що і метал, що зварюється.

Зварювання титанових сплавів

При питомій щільності в 4,5 г/см3 титан і його сплави мають тимчасовий опір розривові (45150) • 107 Па. Заміна стали титаном зменшує масу виробів на 20 - 30%.

Титан має також високу антикорозійну стійкість. Для зварених виробів використовується технічний титан марок ВТ 1-00, ВТ 1-0, ВТ-1 і його сплави з алюмінієм, хромом, молібденом, оловом, ванадієм, марганцем, церієм марок ВТ5, ВТ5-1, ВТ6, ВТ8, ВТ 14 і ін.

Титан більш активний у порівнянні з алюмінієм до поглинання кисню, азоту і водню в процесі нагрівання. Тому при зварюванні технічного титана необхідний особливо надійний захист від цих газів. Такий захист здійснюється при дуговому зварюванні в інертному газі, а також при використанні флюсу-пасти, наносимої на крайки, що зварюються. Інститут електрозварювання ім. Е. О. Патона розробив серію спеціальних флюсів-паст (від АН-ТА до АН-Т17А), що по складу є бескислородними фторидно-хлоридними. Дугове зварювання гитана і його сплавів покритими електродами, вугільною дугою, а також газовим полум'ям не застосовується. Останніми видами зварювання не можна забезпечити висока якість зварених з'єднань через занадто велику активність титана до кисню, азотові і водневі.

Технічний титан з'єднують аргоно-дуговий, дуговий під флюсом і деякими видами зварювання тиском.

Зварювання магнієвих сплавів

Магній має велику спорідненість до кисню, чим титан. Магній, з'єднуючись з киснем, утворить тугоплавкий і важкий оксид магнію. Температури плавлення магнію й оксиду магнію відповідно рівні 651 і 2150°С, питомі щільності — відповідно 1,74 і 3,2 г/см3. Щільність магнієвих сплавів близько 1,8 г/см3. Тимчасовий опір сплавів при розтяганні складає (2134)105 Па.

Магнієві сплави зварюють вольфрамовим електродом в аргоні. Газове зварювання, дугове зварювання покритими електродами і вугільним електродом застосовуються рідко. Аргонодугового зварювання рекомендується застосовувати тільки для всіх магнієвих сплавів. Газове зварювання можна застосовувати тільки для сплавів марок МА1, МА2, МА8, МЛ2, МЛ5 і МЛ7 і лише з застосуванням флюсу з фтористих солей. Найкращим флюсом вважають флюс марки ВФ-156 (33,3% фтористого барію, 24,8% фтористого магнію, 19,5% фтористого літію, 14,8% фтористого кальцію, 4,8 натрієві кріоліти, 2,8 % оксиду магнію).

Основні вимоги безпеки праці при зварюванні кольорових металів і їхніх сплавів

1. При дуговому і газовому зварюванні кольорових металів і сплавів необхідно дотримувати вимоги.

2. Необхідно підсилити від місця зварювання кольорових металів відсос пар і зварювального пилу.

3. Зварювання латуней на відкритій площадці необхідно виконувати з респіратором марок ШБ-1., «Пелюсток», «Астра-2» і ін., а в замкнутих резервуарах - зі шланговим протигазом, щоб не допустити влучення в дихальні органи пар цинку, що входить до складу латуней.