Особенности сварки меди. Влияние примесей на её свариваемость

Температура плавления меди составляет. По разным данным, 1063-1083°С, плотность 8900 кг/м3. Сварка меди сильно затрудняется в связи с её высокой теплопроводностью (в 6 раз выше, чем теплопроводность стали). Медь обладает высокой жидкотекучестью и сильно окисляется в нагретом и, особенно, расплавленном состоянии. На её свариваемость сильно влияют примеси, присутствующие в её составе (кислород, фосфор, мышьяк, сурьма, сера, свинец, висмут), об этом подробно рассказано ниже по тексту.

Медь в жидком состоянии активно поглощает водород. При остывании, металл сварочной ванны быстро кристаллизуется из-за его высокой теплопроводности. При этом растворимость водорода резко уменьшается и находящийся в металле атомарный водород не успевает его покинуть, что приводит к образованию трещин и пор в металле шва.

В околошовной зоне водород взаимодействует с оксидом меди Cu₂O, который располагается по границам зёрен. В результате образуются пары воды по реакции:

Cu₂O + 2H = 2Cu + H₂O

Образующиеся пары воды не растворяются в меди и не могут из неё выйти. Это приводит напряжениям в металле, которые становятся причиной появления большого количества микротрещин. Это явление получило название "водородной болезни меди". Чтобы её предупредить, следует снизить количество водорода в зоне сварки. Для этого перед сваркой электроды и флюсы прокаливают, используют сварку в среде защитных газов.

Марки меди для сварки, их химический состав и механические свойства

Наиболее применяемые марки меди представлены в ГОСТ 859. Их обозначение, и примерный химический состав, (в %), приведены в таблице:

Согласно ГОСТ 495, толщина изготавливаемых медных листов находится в пределах 0,4-25мм, но, по согласованию с заказчиком, возможно изготовление листов большей толщины. Предел прочности листовой меди может составлять 242,5 МПа, а относительное удлинение - около 40%.

Для примера, листовая медь марки М3 имеет предел прочности порядка 217,5 МПа и относительное удлинение 32,6%. В наклёпанном состоянии возможно увеличение её предела прочности до 490 МПа.

Вообще, у меди относительной большой предел прочности, при комнатной температуре достигающий 245-265 МПа. Однако, при нагревании её прочность резко снижается. Так, при нагревании до 400°C, её прочность составляет менее 10МПа, при температурах свыше 500°C медь становится очень хрупкой, а при нагревании до 700-800°C её хрупкость увеличивается настолько, что даже лёгкие удары молотком приводят к трещинам. Плавиться медь при температуре 1083°C.

Поэтому, при сварке меди, необходимо защищать медь от разрушения. Чистая медь, при почти полном отсутствии примесей, обладит плохой жидкотекучестью и хорошо растворяет газы. Эти её свойства усложняют получение бездефектного сварного шва при сварке плавлением.

Влияние химического состава на процесс сварки меди

На свариваемость меди влияет толщина свариваемых деталей. При увеличении толщины, сварка меди усложняется и обусловлено это её физико-химическими свойствами. Кроме толщины, на качество сварки оказывают влияние ещё ряд факторов, например, чистота меди. Влияние легирующих элементов на свариваемость меди достаточно сильное, а также, воздействие примесей. Особенно сильное влияние оказывают кислород, водород и другие газы, об этом мы поговорим чуть ниже.

В большой степени, свариваемость медных изделий определяется содержанием в них различных примесей, таких как свинец, висмут, сурьма, мышьяк. Медь в расплавленном состоянии достаточно легко взаимодействует с кислородом, образуя оксид меди (I) - Cu₂O и хорошо растворяет водород и угарный газ. При охлаждении металла, в нём образуются капельки воды и углекислый газ, которые не растворяются в металле. Водяные пары и углекислый газ создают большое давление на остывающий металл и становятся причиной образования мелких холодных трещин.

Такой механизм развития трещин, при сварке медных изделий, часто называют водородной болезнью меди. Медь сваривают в нижнем положении или при небольших углах наклона от нижнего положения.

Влияние кислорода на свариваемость меди

Присутствие кислорода в составе меди в виде соединения Cu₂O, может стать причиной образования дефектов сварных швов из-за повышенной хрупкости металла. Такими дефектами могут стать холодные и горячие трещины при сварке, которые проявляются как в металле сварного шва, так и в зоне термического влияния.

Оксид меди (I) Cu₂O образует с медью структуру Cu₂O - Cu, которая плавится при более низкой температуре (1064°C), чем медь (1083°C). Эта эвтектика концентрируется вокруг зёрен меди, ослабляя связи между ними.

По результатам исследования Градусова П.И., присутствие кислорода в составе меди увеличивает её прочность, снижая, при этом, пластичность. Влияние кислорода на прочность и пластичность меди показано в таблице:

При сварке меди, влияние на процесс сварки металла оказывает не только кислород, содержащийся в составе меди, но и кислород, поглощаемый из воздуха, а также кислород, содержащийся в составе присадочных металлов, электродов, защитных покрытий и флюсов.

На практике было выявлено, что содержание кислорода оказывалось больше в тех участках, которые при сварке были подвержены термическому влиянию. При детальном изучении этого момента оказалось, что поглощение кислорода увеличивается, по мере увеличения температуры нагрева меди и достигает пика при температуре её плавления.

Исследователи Шашков А.Н. и Абрамович В.Р., используя металлографический метод исследования, обнаружили, что участки основного металла, вблизи сварного шва, оказывались обеднённые кислородом. Они сделали вывод, что кислород, при затвердевании, перешёл из зоны термического влияния в металл сварного шва.

При попадании кислорода, кроме образования оксида меди (I) Cu₂O, также образовывается оксид меди (II) CuO. Эти соединения не растворяются в твёрдом металле и затрудняют процесс сварки меди. Поэтому, их необходимо удалять с помощью флюсов, или обмазок.

При газовой сварке меди эти оксиды можно удалять механическим способом, т.к. они хорошо различимы в расплавленной ванне металла. Оксид меди (I) Cu₂O окрашен в голубой цвет, а оксид меди (II) CuO имеет очень тёмный, почти чёрный оттенок.

Оксиды тонким слоем формируются на поверхности металла. Их можно легко удалить механическим способом перед сваркой, а также, химическим способом, например, применением сварки под флюсом.

Влияние водорода и окиси углерода на свариваемость меди

Медь при сварке поглощает не только кислород, но и другие газы, например, водород и оксид углерода (II) CO (окись углерода). Эти газы также проникают в металл и затрудняют процесс сварки. Он взаимодействуют с кислородом, содержащимся в меди, либо в воздухе и образуют пары воды (H₂O) и углекислого газа (CO₂), которые не растворяются в металле и стремятся из него выделиться (особенно, водород).

Эти пары могут являться причиной образования холодных трещин при сварке, т.к. начинают раздувать медь при её затвердевании. Такое явление часто называют "водородной болезнью".

При образовании водяных паров и углекислого газа, в металле происходят реакции:

H₂ + Cu₂O = 2Cu + H₂O
CO + Cu₂O = 2Cu + CO₂

Влияние фосфора и других примесей на свариваемость меди

Кроме вредного влияния паров воды и углекислоты, на механические свойства и свариваемость меди сильно влияют другие элементы, присутствующие в её составе. Это такие примеси, как фосфор, сера, висмут, мышьяк, железо и свинец. Они по-разному влияют на процесс сварки.

Фосфор является хорошим раскислителем. При его содержании в основном или металле в небольшом количестве, он положительно влияет на прочность сварного соединения и свариваемость меди, т.к. исключает вредное влияние окислов, переводя их в шлак. Висмут, свинец и мышьяк являются вредными примесями для меди, снижая свариваемость металла.

Дополнительные материалы по теме: