Сварка меди с помощью промышленных роботов

Медь и медные сплавы предлагают уникальное сочетание свойств материала, которое делает их идеальными для многих производственных сред. Они широко используются из-за их превосходной электрической и теплопроводности, выдающейся устойчивости к коррозии, простоты изготовления, хорошей прочности и сопротивления усталости. Другие полезные характеристики включают искростойкость, износостойкость при контакте металла с металлом, свойства низкой проницаемости и характерный цвет.

Процессы сварки меди

Медь часто соединяют сваркой. Процессы дуговой сварки имеют первостепенное значение. Дуговая сварка может выполняться с использованием дуговой сварки в среде защитного газа (SMAW), дуговой сварки в среде защитного газа (GTAW), дуговой сварки в среде защитного газа (GMAW), плазменно-дуговой сварки (PAW) и дуговой сварки под флюсом (SAW).

Как правило, предпочтительны сварочные процессы, в которых используется газовая защита, хотя SMAW может использоваться для многих некритических применений. Аргон, гелий или их смеси используются в качестве защитных газов для GTAW, PAW и GMAW. Как правило, аргон используется при ручной сварке материала толщиной менее 3 мм, низкой теплопроводностью или и тем, и другим. Гелий или смесь 75 % гелия и 25 % аргона рекомендуются для машинной сварки тонких профилей и для ручной сварки более толстых профилей из сплавов, обладающих высокой теплопроводностью. К защитному газу аргону можно добавить небольшое количество азота для увеличения эффективного подводимого тепла. Дуговая сварка в защитном металле может использоваться для сварки медных сплавов различной толщины. Покрытые электроды для сварки под флюсом (SAW) медных сплавов доступны в стандартных размерах от 2,4 до 4,8 мм.

Дуговая сварка вольфрамовым электродом

Газовольфрамовая дуговая сварка хорошо подходит для меди и медных сплавов из-за ее интенсивной дуги, которая создает чрезвычайно высокую температуру в месте соединения и узкую зону термического влияния (ЗТВ).

При сварке меди и более теплопроводных медных сплавов интенсивность дуги важна для завершения плавки с минимальным нагревом окружающего высокопроводящего основного металла. Узкая зона термического влияния особенно желательна при сварке медных сплавов, подвергшихся дисперсионному твердению.

Многие стандартные вольфрамовые или легированные вольфрамовые электроды можно использовать для GTAW при сварке меди и медных сплавов. Факторы выбора, обычно учитываемые для вольфрамовых электродов, в целом применимы к меди и медным сплавам. За исключением определенных классов медных сплавов, торированный вольфрам (обычно EWTh-2) предпочтительнее из-за его лучших характеристик, более длительного срока службы и большей устойчивости к загрязнению.

Дуговая сварка металлическим газом

Дуговая сварка металлическим газом используется для соединения меди и медных сплавов толщиной менее 3 мм, тогда как GMAW предпочтительна для сечения толщиной более 3 мм и для соединения алюминиевых бронз, кремниевых бронз и медно-никелевых сплавов.

Плазменная дуговая сварка

Сварка меди и медных сплавов с использованием PAW сравнима с GTAW этих сплавов. Аргон, гелий или их смеси используются для сварки всех сплавов. Газообразный водород никогда не следует использовать при сварке меди.

Плазменно-дуговая сварка имеет два явных преимущества перед GTAW:

1. Вольфрам скрыт и полностью экранирован, что значительно снижает загрязнение электрода, особенно для сплавов с компонентами с низкой температурой кипения, такими как латунь, бронза, фосфористая бронза и алюминиевая бронза.
2. Созданный факел дуги обеспечивает более высокую энергию дуги при минимизации роста ЗТВ. Как и в случае с GTAW, также могут использоваться пульсация тока и линейное изменение тока. Оборудование для плазменной дуговой сварки было миниатюризировано для выполнения сложных работ, известных как микроплазменная сварка.

Плазменно-дуговая сварка меди и медных сплавов может выполняться как в автогенном режиме, так и с присадочным металлом. Выбор присадочного металла такой же, как и для GTAW. Автоматизация и механизация этого процесса легко выполняются и предпочтительнее GTAW, где загрязнение может снизить эффективность производства. Положения сварки для PAW идентичны положениям для GTAW. Однако режим плазменной замочной скважины был оценен для более толстых срезов в вертикальном положении вверх. Как правило, вся информация, представленная для GTAW, применима к PAW.

Сварка под флюсом

Сварка толстолистового материала, такого как труба, изготовленная из толстолистового металла, может выполняться непрерывной дуговой сваркой под гранулированным флюсом. Эффективное раскисление и реакции шлака с металлом для формирования требуемого состава металла сварного шва имеют решающее значение, и процесс SAW для материалов на основе меди все еще находится в стадии разработки. Вариант этого процесса можно использовать для наплавки или наплавки. Для медно-никелевых сплавов следует использовать имеющиеся в продаже флюсы.

Металлургия сплавов и свариваемость

Многие распространенные металлы сплавляются с медью для получения различных медных сплавов. Наиболее распространенными легирующими элементами являются алюминий, никель, кремний, олово и цинк. Другие элементы и металлы добавляются в небольших количествах для улучшения определенных характеристик материала, таких как коррозионная стойкость или обрабатываемость.

Девять групп меди и медных сплавов:

1. Медь, содержащая не менее 99,3 % меди
2. Сплавы с высоким содержанием меди, содержащие до 5 % легирующих элементов.
3. Сплавы меди с цинком (латуни), содержащие до 40 % Zn
4. Сплавы меди с оловом (фосфористые бронзы), содержащие до 10 % Sn и 0,2 % P
5. Медно-алюминиевые сплавы (алюминиевые бронзы), содержащие до 10 % Al
6. Сплавы меди с кремнием (кремниевые бронзы), содержащие до 3 % Si
7. Медно-никелевые сплавы, содержащие до 30 % Ni
8. Сплавы меди, цинка и никеля (нейзильберы), содержащие до 7 % Zn и 18 % Ni
9. Специальные сплавы, которые содержат легирующие элементы для улучшения определенного свойства или характеристики, например обрабатываемости.

Многие медные сплавы имеют общепринятые названия, такие как бескислородная медь (минимум 99,95% Cu), бериллиевая медь (от 0,02 до 0,2% Be), металл Мунца (Cu40Zn), морская латунь (Cu-39,5Zn-0,75Sn) и промышленная медь. бронза (Cu-10Zn).

Свойства

Многие физические свойства медных сплавов важны для процессов сварки, включая температуру плавления, коэффициент теплового расширения, электрическую и теплопроводность. Некоторые легирующие элементы снижают электро- и теплопроводность меди и медных сплавов.

Свариваемость

Некоторые легирующие элементы оказывают заметное влияние на свариваемость меди и медных сплавов. Небольшие количества летучих токсичных легирующих элементов часто присутствуют в меди и ее сплавах. В результате потребность в эффективной системе вентиляции для защиты сварщика и/или оператора сварочного аппарата является более важной, чем при сварке черных металлов.

Цинк снижает свариваемость всех видов латуни пропорционально процентному содержанию цинка в сплаве. Цинк имеет низкую температуру кипения, что приводит к образованию токсичных паров при сварке медно-цинковых сплавов.

Кремний благотворно влияет на свариваемость медно-кремниевых сплавов благодаря своему раскисляющему и флюсующему действию.

Олово

Олово увеличивает склонность к образованию горячих трещин при сварке, если присутствует в количествах от 1 до 10%. Олово по сравнению с цинком гораздо менее летучее и токсичное. Во время сварки олово может преимущественно окисляться по сравнению с медью. Результатом будет захват оксида, который может снизить прочность сварного соединения.

Стойкие оксиды

Бериллий, алюминий и никель образуют стойкие оксиды, которые необходимо удалить перед сваркой. Образование этих оксидов в процессе сварки необходимо предотвращать с помощью защитного газа или флюсования в сочетании с использованием соответствующего сварочного тока. Оксиды никеля мешают дуговой сварке меньше, чем оксиды бериллия или алюминия. Следовательно, нейзильберы и медно-никелевые сплавы менее чувствительны к типу сварочного тока, используемого в процессе. Сплавы, содержащие бериллий, также выделяют токсичные пары при сварке.

Кислород

Кислород может вызвать пористость и снизить прочность сварных швов, выполненных из некоторых медных сплавов, которые не содержат достаточного количества фосфора или других раскислителей. Кислород можно найти в виде свободного газа или в виде закиси меди. Наиболее часто свариваемые медные сплавы содержат раскисляющий элемент, обычно фосфор, кремний, алюминий, железо или марганец.

Железо и марганец не оказывают существенного влияния на свариваемость содержащих их сплавов. Железо обычно присутствует в некоторых специальных латунях, алюминиевых бронзах и медно-никелевых сплавах в количестве от 1,4 до 3,5%. Марганец обычно используется в тех же самых сплавах, но в более низких концентрациях, чем железо.

Добавки для свободной обработки

Свинец, селен, теллур и сера добавляются в медные сплавы для улучшения обрабатываемости. Висмут также начинает использоваться для этой цели, когда желательны бессвинцовые сплавы. Эти второстепенные легирующие добавки, улучшая обрабатываемость, значительно влияют на свариваемость медных сплавов, делая сплавы восприимчивыми к горячему растрескиванию. Негативное влияние на свариваемость очевидно при 0,05% добавки и более сильное при больших концентрациях. Свинец является наиболее опасным из легирующих присадок с точки зрения склонности к образованию горячих трещин.

Факторы, влияющие на свариваемость

Помимо легирующих элементов, входящих в состав конкретного медного сплава, на свариваемость влияют несколько других факторов. Этими факторами являются теплопроводность свариваемого сплава, защитный газ, тип тока, используемый во время сварки, конструкция соединения, положение сварки, а также состояние и чистота поверхности.

Влияние теплопроводности

Поведение меди и медных сплавов при сварке сильно зависит от теплопроводности сплава. При сварке промышленных медей и легколегированных медных материалов с высокой теплопроводностью род тока и защитного газа необходимо выбирать таким образом, чтобы обеспечить максимальный подвод тепла к соединению. Это высокое тепловложение противодействует быстрому отводу напора от локализованной зоны сварки.

В зависимости от толщины сечения может потребоваться предварительный нагрев медных сплавов с более низкой теплопроводностью. Межпроходная температура должна быть такой же, как и при предварительном нагреве. Медные сплавы не так часто обрабатывают головку после сварки, как стали, но для некоторых сплавов может потребоваться контролируемая скорость охлаждения, чтобы свести к минимуму остаточные напряжения и короткое замыкание в горячем состоянии.

Положение сварки

Из-за высокой текучести меди и ее сплавов для сварки по возможности используется плоское положение. Горизонтальное положение используется при некоторых угловых сварках угловых и тавровых соединений.

Сплавы дисперсионно-твердеющие

Наиболее важные реакции дисперсионного твердения получают с бериллием, хромом, бором, никелем, кремнием и цирконием. При сварке дисперсионно-твердеющих медных сплавов необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать окисления и неполного сплавления. По возможности компоненты должны быть сварены в отожженном состоянии, а затем сварное соединение должно быть подвергнуто дисперсионно-упрочняющей термообработке.

Горячий крекинг

Медные сплавы, такие как медь-олово и медь-никель, подвержены горячему растрескиванию при температурах затвердевания. Эта характеристика проявляется во всех медных сплавах с широким диапазоном температур от ликвидуса до солидуса. Сильные усадочные напряжения вызывают междендритное расслоение во время затвердевания металла. Горячее растрескивание можно свести к минимуму за счет уменьшения ограничений во время сварки, предварительного нагрева для замедления скорости охлаждения и уменьшения величины сварочных напряжений, а также уменьшения размера корневого отверстия и увеличения размера корневого шва.

Пористость

Некоторые элементы (например, цинк, кадмий и фосфор) имеют низкие температуры кипения. Испарение этих элементов во время сварки может привести к пористости. При сварке медных сплавов, содержащих эти элементы, пористость можно свести к минимуму за счет более высоких скоростей сварки и присадочного металла с низким содержанием этих элементов.

Состояние поверхности

Перед сваркой необходимо удалить жир и окислы с рабочих поверхностей. Можно использовать проволочную щетку или яркое окунание. Накипь с поверхностей алюминиевых бронз и кремниевых бронз удаляют на расстоянии от зоны сварки не менее 13 мм, как правило, механическим путем. Смазка, краска, следы карандаша, заводская грязь и подобные загрязнения на медно-никелевых сплавах могут вызвать охрупчивание и должны быть удалены перед сваркой. Накипь на медно-никелевых сплавах должна быть удалена шлифованием или травлением; проволочная щетка неэффективна.

Сплавы для сварки меди

Идеальный электродный материал должен иметь прочность на сжатие инструментальной стали и проводимость серебра. К сожалению, такого материала нет. Поэтому было разработано несколько различных медных сплавов. Все материалы, рекомендованные RWMA, имеют более высокие температуры отжига или размягчения, чем чистая медь, а также повышенную прочность на сжатие и износостойкость. Поскольку медь была легирована для достижения более высоких прочностных и износостойких свойств, приходится жертвовать проводимостью.

Классы медных сплавов:

Класс 1:Этот класс чаще всего используется для сварки алюминия и других материалов с высокой проводимостью. Это самый проводящий из сплавов RWMA. Он также является самым мягким (и имеет самые низкие прочностные и износостойкие характеристики).

Класс 2:Этот класс медного сплава является наиболее широко используемым и рекомендуемым медным сплавом. Рекомендуется для широкого спектра стальных сплавов. Материал рекомендуется для точечной, шовной, рельефной сварки и сварки поперечной проволокой. Он имеет немного более низкую электропроводность, чем класс 1, и имеет более высокие прочностные и износостойкие характеристики.

Класс 3:имеет самую низкую электропроводность, но самые высокие прочностные характеристики из трех основных сортов медного электродного материала. Он рекомендуется для большинства применений, где необходимы высокая прочность и износостойкость.