СПОСОБ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ СО СТАЛЯМИ Российский патент 2009 года по МПК B23K9/167 B23K103/22 

Изобретение относится к области сварочного производства и может быть использовано в машиностроении, судостроении и других отраслях промышленности при изготовлении и монтаже различных узлов и конструкций, включающих детали и изделия из меди или ее сплавов и стали.

Во многих случаях сварку медных сплавов со сталями выполняют с применением электрической дуги в качестве источника теплоты и присадочного материала из медного сплава (проволоки, прутков, порошка или покрытых электродов). В процессе сварки дуга горит между электродом (неплавящимся или плавящимся) и одновременно или поочередно обоими свариваемыми металлами - медным сплавом и сталью. При этом сварку осуществляют с расплавлением дугой частей из медного сплава и стали (в месте их соединения) и присадочного металла и образованием общей сварочной ванны.

В результате расплавления дугой стали в металл шва переходит значительное количество железа. Из-за незначительной растворимости железа в меди и ее сплавах в металле шва при кристаллизации образуется новая фаза - железистая составляющая (æ-фаза), которая отсутствовала в исходных основных и присадочном металлах.

æ-фаза обладает высокой твердостью и очень низкими, близкими к нулю, пластическими свойствами (относительное удлинение и относительное сужение) и ударной вязкостью. При значительном содержании этой твердой и хрупкой фазы в металле шва существенно (в 2-3 раза) уменьшается ударная вязкость металла шва и сварных соединений по сравнению с металлом шва без или с небольшим (менее 7-8 мас.%) количеством этой фазы. Поэтому при сварке меди и ее сплавов со сталями целесообразно уменьшить переход железа из стали в металл шва до 6-7 мас.%.

Известны способы дуговой сварки меди и ее сплавов со сталями с использованием промежуточной вставки из медно-никелевого сплава, с перекрытием стальной детали медной деталью или с выступом медной свариваемой кромки на стали (например, по А.с. №1518097, А.с. №1447596, А.с. №1348110). Однако сварка по всем этим способам не всегда конструктивно возможна или целесообразна и не приводит к существенному уменьшению содержания железа в металле шва из-за непосредственного расплавления стали дугой в процессе сварки.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является принимаемый за прототип способ электродуговой сварки меди со сталью (А.Е.Вайнерман. Технология электродуговой сварки меди со сталью. Л.: ЛДНТП. 1963 г., с 5-9, 11-12, 15).

По этому способу медь и ее сплавы непосредственно сваривают со сталью электродуговым способом электродами марок «Комсомолец» или МНЖ5-1 с покрытием ЗТ или неплавящимся электродом в среде аргона с применением в качестве присадочного материала проволоки из меди марки M1, из бронзы марки БрКМц3-1 или из сплава типа МНЖ5-1. При этом сварочная дуга горит непосредственно между электродом и обоими свариваемыми металлами - медным сплавом и сталью, расплавляет их и образует общую сварочную ванну (как и при сварке однородных металлов: медных сплавов с медными сплавами или стали со сталью). В результате такой сварки образуется шов с медной основой и содержанием железа в нем до 30 мас.% и более. Хотя при этом способе сварки и обеспечивается высокое значение временного сопротивления разрыву металла шва и сварного соединения, недостатками этого способа являются значительный переход железа в металл шва, образование значительного количества выделений хрупкой и твердой æ-фазы, что обуславливает низкие значения ударной вязкости металла шва и сварных соединений.

Техническим результатом заявляемого изобретения является разработка способа сварки меди и ее сплавов со сталями, при котором обеспечивается повышение ударной вязкости сварных соединений при сохранении их прочностных свойств за счет минимального перехода железа из стали в металл шва.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается за счет того, что сварку меди или сплава на ее основе со сталью выполняют новым способом, а именно: дугу неплавящегося электрода возбуждают на основном металле из медного сплава на расстоянии 3-7 мм от края детали из медного сплава, прилегающего к стали, так, чтобы она не касалась стали и, следовательно, не расплавляла ее, создают на этом металле сварочную ванну за счет расплавления основного и присадочного материалов из медных сплавов и далее перемещают дугу и образовавшуюся сварочную ванну в сторону стали. При достижении стали перегретый жидкий металл сварочной ванны из медного сплава нагревает сталь в месте контакта за счет теплопередачи, смачивает ее и перемещается по ней до образования необходимой ширины шва. При этом процесс ведут таким образом, чтобы во время контакта сварочной ванны со сталью дуга все время горела между не плавящимся электродом и жидким медным сплавом так, чтобы анодное (катодное) пятно на поверхности сварочной ванны находилось на расстоянии 2-3 мм от ее головной части. Все это предохраняет сталь от непосредственного контакта со сварочной дугой и, следовательно, от ее значительного расплавления. Этот же процесс сохраняется и при возвратном перемещении дуги и сварочной ванны, формирующийся за счет расплавления присадочного металла, до основного металла из медного сплава и так до полного завершения процесса сварки и формирования металла шва. Если по каким-либо причинам происходит обрыв дуги, ее вновь возбуждают на основном металле из медного сплава или на металле шва. При предложенном способе сварки жидкий медный сплав, находящийся между дугой и сталью во все время нахождения сварочной ванны на стали, предотвращает расплавление стали непосредственно дугой или уменьшает до минимального значения расплавление стали в результате ее контакта с перегретым металлом сварочной ванны, что обеспечивает переход в сварной шов не более 5-6 мас.% железа. Благодаря этому ударная вязкость металла шва, получаемая при предложенном способе сварки, оказывается значительно более высокой, чем при известном способе сварки, принятом за прототип.

Опробование предложенного способа сварки меди и ее сплавов со сталью проводили путем аргонодуговой сварки неплавящимся электродом пластин толщиной 12-15 мм из стали типа Ст3 и АБ2 с пластинами толщиной 12-15 мм из медных сплавов марок МНЖ5-1 по ГОСТ 492-73 и БрА9Ж4Н4Мц1 по ГОСТ 493-79 с применением в качестве присадочного материала прутков из сплавов марок соответственно МНЖКТ5-1-0,2-0,2 и БрАЖНМц 8,5-4-5-1,5 диаметром 3 мм. Сварку стали со сплавом МНЖ5-1 выполняли на постоянном токе прямой полярности, а с бронзой БрА9Ж4Н4Мц1 - на переменном токе. Для сравнения была выполнена сварка аналогичных пластин из стали с пластинами из аналогичных медных сплавов по способу, принятому за прототип.

Из полученных сварных соединений пластин были изготовлены и испытаны образцы для определения их временного сопротивления разрыву и ударной вязкости (при надрезе по центру шва и границе сплавления металла шва со сталью). Результаты определения содержания железа в сварных швах и свойств сварных соединений приведены в таблице.

Анализ полученных результатов показывает, что временное сопротивление разрыву сварных соединений, полученных по предложенному способу сварки и при сварке по прототипу, находится на одном уровне, тогда как ударная вязкость сварных соединений, полученных по предложенному способу сварки, в 1,5-3 раза выше ударной вязкости сварных соединений, полученных при сварке по прототипу.

Таблица
Механические свойства сварных соединений медных сплавов со сталямиОсновной металлПрисадочный металлСпособ сваркиСодержание железа в металле шва, мас.%Временное сопротивление разрыву, МПаУдарная вязкость, Дж/см², при надрезеМедный сплавСтальпо центру швапо границе металла шва со стальюМНЖ5-120МНЖКТ5-1-0,2-0,2по прототипу28,2по изобретению5,7БрА9Ж4Н4Мц1АБ2-ПКБрАЖНМц8,5-4-5-1,5по прототипу27,5по изобретению5,9Примечание. В числителе приведены предельные, в знаменателе - средние значения по результатам испытаний 3-5 образцов.

Изобретение может быть использовано при изготовлении и монтаже различных узлов и конструкций, включающих детали и изделия из меди или ее сплавов и стали. Сварочную дугу возбуждают на детали из медного сплава на расстоянии 3-7 мм от ее края, прилегающего к детали из стали. Получают сварочную ванну за счет расплавления основного металла медного сплава и присадочного металла из меди. Перемещают дугу по детали из медного сплава до стальной детали и по стальной детали на величину сварного шва с поддержанием непрерывного горения дуги из условия обеспечения нагрева стали только за счет ее контакта со сварочной ванной. Совершают указанным образом возвратно-поступательное перемещение сварочной ванны и дуги до полного формирования сварного шва между деталями. В процессе контакта сварочной ванны со сталью дугу между неплавящимся электродом и сварочной ванной удерживают на расстоянии 2-3 мм от ее головной части. Техническим результатом изобретения является повышение ударной вязкости сварных соединений при сохранении их прочностных свойств за счет минимального перехода железа из стали в металл шва. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ сварки деталей меди и ее сплавов со сталью, включающий использование в качестве источника теплоты сварочной дуги между неплавящимся электродом и основным металлом с применением присадочного материала из медного сплава, отличающийся тем, что сварочную дугу возбуждают на детали из медного сплава на расстоянии 3-7 мм от ее края, прилегающего к детали из стали, получают сварочную ванну за счет расплавления основного металла медного сплава и присадочного металла, и перемещают ее по детали из медного сплава до стальной детали и по стальной детали на величину сварного шва с поддержанием непрерывного горения дуги между неплавящимся электродом и сварочной ванной из условия обеспечения нагрева стали только за счет ее контакта со сварочной ванной, при этом совершают указанным образом возвратно-поступательное перемещение сварочной ванны и дуги до полного формирования сварного шва между деталями.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе контакта сварочной ванны со сталью дугу между неплавящимся электродом и сварочной ванной удерживают на расстоянии 2-3 мм от ее головной части.