Курсовая работа: Анализ свариваемости сплавов на основе меди (М1)

Промышленность выпускает медь марок М0,М1 и др. М1(99,9% Cu , примеси не более 0,1%) Чистая медь хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячих состояниях, малочувствительна к изменениям низких температур.. При повышении температуры прочностные свойства меди изменяются в довольно широких пределах.

В машиностроении получили распространение сплавы на основе меди – латуни и бронзы, которые имеют лучшие прочностные и технологические характеристики.

Медь и ее сплавы свариваются многими способами сварки плавлением. При оценке свариваемости необходимо учитывать, что медь и ее сплавы отличаются от большинства конструкционных материалов более высокой теплопроводностью (в 6 раз выше, чем у железа), коэффициентом линейного расширения (в 1,5 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 технические характеристики.

Кислород малорастворим в твердой меди. При повышении температуры медь активно окисляется, образуя оксид меди Cu₂ O, который при затвердевании образует с медью эвтектику Cu-Cu₂ O. Располагаясь по границам зерен, эвтектика снижает коррозионную стойкость и пластичность меди. При содержании в меди кислорода более 0,1% затрудняются процессы горячей деформации, сварки, пайки и других видов горячей обработки.

Водород хорошо растворяется в жидкой меди. В затвердевшей меди растворимость водорода незначительна. С повышением температуры растворимость водорода возрастает, особенно при переходе в жидкое состояние.

Медь и ее сплавы в жидком состоянии могут взаимодействовать также с оксидами углерода. Азот имеет весьма малое сродство к меди и нерастворим в ней.

Пористость

Медь и ее сплавы проявляют повышенную склонность к образованию пор в металле шва и околошовной зоне. Причиной образования пор является водород, водяные пары или образующийся углекислый газ при взаимодействии окиси углерода с закисью меди.

Рис. 4 Растворимость водорода в меди (). [4]

Высокие градиенты температуры способствуют развитию термической диффузии водорода в зоне термического влияния, что приводит к сегрегации водорода вблизи лини сплавления и увеличивает вероятность возникновения дефектов: пор, трещин. Растворимость водорода в меди зависит от содержания в ней кислорода и легирующих компонентов.

При сварке латуней причиной пористости может стать испарение Zn, температура кипения которого ниже температуры плавления Cu и составляет 907°С. Испарение Znуменьшает введение Mnи Si.

При сварке бронз выгорание легирующих примесей также может стать причиной появления пористости.

Возникновение пор и микротрещин может быть также связано и с усадочными явлениями, протекающими в процессе кристаллизации сварного шва. Низкая стойкость меди и ее сплавов против возникновения пор в сварных швах в основном обусловлена активным взаимодействием меди с водородом и протеканием при этом сопутствующих процессов (образование водяных паров выделение водорода).

Медь и ее сплавы при сварке подвержены образованию горячих трещин. Это обусловлено высоким значением коэффициента теплового расширения, большой величиной усадки при затвердевании и высокой теплопроводностью наряду наряду с наличием в меди и ее сплавах вредных примесей (кислорода, сурьмы, висмута, мышьяка, серы, свинца), которые образуют с медью легкоплавкие эвтектики. При затвердевании металла шва эвтектики сосредотачиваются по границам кристаллов, снижая межкристаллитную прочность. Для обеспечения высоких свойств металла концентрацию примесей в меди ограничивают. Так, например, в меди допускается не более 0,005 сурьмы, 0,005 висмута, 0,004% серы.

При сварке меди и ее сплавов в швах формируется крупнокристаллическая структура. Это связано с тем, что высокая теплопроводность меди и ее сплавов при сварке способствует интенсивному распространению теплового потока от центра сварного шва в основной металл. При этом создаются благоприятные условия для направленной кристаллизации от зоны сплавления в глубь сварочной ванны. Поскольку в этих условиях не появляются новые центры кристаллизации, в сварном шве образуется зона с кристаллитами с избирательной ориентацией; кристаллиты вытягиваются в направлении теплового потока, образуя крупнозернистую столбчатую структуру сварного шва.

Интенсивное распространение теплоты в основной металл при сварке способствует росту зерна в зоне термического влияния.

Особенности технологии сварки

В связи с высокой теплопроводностью меди и сплавов на ее основе для местного расплавления металла необходимо применять источники теплоты с высокой тепловой мощностью и концентрацией энергии в пятне нагрева. Из-за высокой теплопроводности и быстрого отвода теплоты ухудшается формирование шва, возрастает склонность к появлению в сварных швах дефектов (непроваров, подрезов, наплывов , трещин, пористости). В связи с этим сварку металла большой толщины (свыше 10-15 мм) обычно выполняют с предварительным и сопутствующим подогревом. Предварительный подогрев обеспечивает более равномерное распределение теплоты в сварочной ванне, улучшает условия кристаллизации сварного шва, снижает внутренние напряжения и вероятность возникновения трещин. Изделия подогревают газовым пламенем, рассредоточенной дугой и другими способами. Изделия из меди подогревают до температуры 250-300°С.

Тонколистовые конструкции с толщиной стенки 1,5-2 мм сваривают встык без разделки или с отбортовкой кромок. Высота отбортовки 1,5-2s (s- толщина свариваемых листов). Листы толщиной до 5 мм сваривают также без разделки кромок, но с зазором до 2мм. Листы толщиной свыше 10мм сваривают с разделкой кромок: под ручную дуговую сварку (РДС) с углом разделки 70° и притуплением кромок до 3мм.

Стыковое соединение сваривают, как правило, на формирующих подкладках из меди, графита, керамики и флюсовой подушке. Тавровые соединения больших толщин для удержания жидкой ванны рекомендуется сваривать в «лодочку».

Применяют прессованные прутки или проволоку диаметром 3-10мм. Химический состав присадочных стержней (проволоки) выбирают в зависимости от требований к сварным швам и метода 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 указанных раскислителей происходит восстановление Cu₂ O. Продукты реакции переходят в шлак, металл шва очищается от кислорода. Для повышения прочностных свойств металла шва используют присадочные стержни, легированные кремнием, фосфором, марганцем, оловом, железом и другими элементами.

Дуговую сварку покрытыми электродами выполняют на постоянном токе обратной полярности, стремясь поддержать короткую дугу без колебания конца электрода. Силу тока выбирают в зависимости от диаметра электрода. Физические и механические свойства сварных швов обеспечивают соответствующим подбором химического состава электродного стержня и покрытия.

Если при сварке необходимо обеспечить высокие теплопроводность и электропроводимость металла шва, используют электрода «Комсомолец-100» со стержнем из меди (М1).

Автоматическую сварку меди и ее сплавов под флюсом выполняют на постоянном токе обратной полярности. В сочетании с электродной проволокой М1 используют флюсы АН-348, ОСЦ-45, АН-20, АН-26 и другие или керамические флюсы.

Дуговая сварка в среде защитных газов (ручная или автоматическая) может быть выполнена в среде аргона, гелия или их смесей вольфрамовым электродом или плавящейся электродной проволокой.

При сварке в качестве присадочного материала используют сварочную проволоку БрХ0,7, БрКМп3-1 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.

Подготовка под сварку.

Свариваемый металл и электродная проволока перед сваркой тщательно очищаются от окислов механически (шабером, наждаком и прочее)или химически (травлением в растворе, содержащем в 1л 75мл HNO₃ , 100мл H₂ SO₄ , 1мл HCl, остальное- дистиллированная вода, с последующей промывкой в воде, затем обезжириваются).

Выбор технического процесса сварки изделия в первую очередь определяется его назначением, сложностью (наличие коротких или криволинейных швов в различных пространственных положениях, труднодоступных мест) , а также числом изготавливаемых изделий (серия) и требованиями, предъявляемыми к их качеству.

Газовая сварка.

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.

Газовая горелка- тепловой источник малой сосредоточенности, поэтому для сварки меди желательно использовать ацетиленокислородную сварку, обеспечивающую наибольшую температуру ядра пламени. Для сварки толщин более 10мм рекомендуется применять две горелки, из которых одна используется для подогрева, а вторая для образования сварочной ванны.

Для сварки меди и бронз используют нормальное пламя , а для сварки латуней (с целью уменьшения выгорания цинка).