Способ сварки плавлением меди и ее сплавов со сталями

Изобретение может быть использовано в машиностроении, судостроении и других отраслях промышленности при изготовлении различных узлов и конструкций, включающих соединения медных сплавов со сталями, кроме деталей или изделий из оловянных бронз. Предварительно на кромку стальной детали наплавляют медный сплав таким образом, чтобы доля участия основного металла в наплавленном не превышала 0,08. Производят сварку наплавленного промежуточного слоя с медью или медным сплавом. Наплавку медного сплава на сталь и сварку наплавленного слоя с деталью из медного сплава осуществляют с применением присадочного материала из одного и того же медного сплава. Способ обеспечивает минимальный переход железа в металл шва, уменьшение химической и структурной неоднородности, а также высокую прочность, пластические свойства и ударную вязкость металла шва. 1 табл.

 

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, кроме деталей или изделий из оловянных бронз.

Как показали исследования, для сварки меди и ее сплавов со сталями в качестве электродных или присадочных материалов применяют проволоку, прутки, порошки или стержни электродов из медных сплавов. При непосредственной сварке плавлением меди и ее сплавов со сталями в металл шва переходит значительное количество железа. Из-за незначительной растворимости железа в меди и ее сплавах в металле шва образуется новая фаза - железистая составляющая (æ-фаза), которая отсутствовала в исходных основных и присадочном (электродном) металлах. Образующаяся в металле шва æ-фаза обладает высокой твердостью и очень низкими, близкими к нулю, пластическими свойствами (относительное удлинение и относительное сужение) и ударной вязкостью. При значительном содержании æ-фазы в металле шва существенно уменьшаются относительное удлинение, относительное сужение, угол загиба и ударная вязкость металла шва и сварных соединений. Поэтому при сварке меди и ее сплавов со сталями целесообразно уменьшить переход железа из стали в металл шва.

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 уменьшению содержания железа в металле шва.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является принимаемый нами за прототип способ электродуговой сварки меди со сталью (А.Е.Вайнерман. Технология электродуговой сварки меди со сталью. Л.: ЛДНТП, 1963 г.).

По этому способу медь и ее сплавы непосредственно сваривают со сталью электродуговым способом электродами марок «Комсомолец» или МНЖ5-1 с покрытием 3Т и неплавящимся электродом в среде аргона с применением в качестве присадочного материала проволоки из меди марки M1 и из бронзы марки БрКМц3-1 (для сварки меди со сталью) или из сплава марки МНЖ5-1 (для сварки медноникелевого сплава со сталью). В результате такой сварки образуется шов с медной основой и включениями стали до 34%. 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, низкие пластические свойства и ударная вязкость металла шва и сварных соединений.

Техническим результатом заявляемого изобретения является разработка способа сварки плавлением меди и ее сплавов со сталями, при котором обеспечивается минимальный переход железа в металл шва, уменьшение химической и структурной неоднородности в металле шва, а также высокие прочность, пластические свойства и ударная вязкость сварных соединений.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается за счет того, что сварку меди и ее сплавов со сталями выполняют через промежуточный слой медного сплава, наплавляемый на свариваемую кромку стали, причем этот промежуточный слой наплавляется на сталь таким образом, чтобы доля участия стали в наплавленном металле не превышала 0,08 (в соответствии с работой [Г.Л.Петров. Сварочные материалы., Л. Машиностроение, 1972 г, стр.19] доля участия основного металла в наплавленном определяется по выражению ψ=S_ом/(S_ом+S_нм), где ψ - доля основного металла в наплавленном, S_ом - площадь противления основного металла; S_нм - площадь наплавленного металла), а сварку наплавленного промежуточного слоя с медной деталью осуществляют с применением того же присадочного материала, который применяется для сварки меди или ее сплавов со сталью. При таком способе сварки обеспечивается как минимальный переход железа в металл шва, так и уменьшение химической и структурной неоднородности в металле шва, так как для наплавки металла подслоя применяют тот же присадочный (электродный) металл, который принят для сварки медного сплава со сталью.

Опробование предложенного способа сварки меди и ее сплавов со сталью проводили путем аргонодуговой сварки неплавящимся электродом пластин толщиной 12-15 мм из стали марок Ст3, 20 или АБ2-ПК с пластинами толщиной 12-15 мм из меди, сплава марки МНЖ5-1 или бронзы марки БрА9Ж4Н4 с применением в качестве присадочного материала проволоки из сплавов марок БрКМц3-1, МНЖКТ5-1-0,2-0,2, БрАМц9-2 и БрАЖНМц8,5-4-5-1,5, причем экспериментальным путем техника и режимы наплавки медного сплава на сталь были определены такими, что доля участия стали в наплавленном металле составляла ψ=0,065-0,07. При этом на пластинах из медных сплавов выполнялся скос кромок, подлежащих сварке, под углом 55-60°, а на стальных пластинах скос кромок, подлежащих сварке, составлял 90°. На стальные кромки, подлежащие сварке, наплавляли на постоянном токе прямой полярности слой медного сплава толщиной 2-3 мм проволоками из сплавов марок БрКМц3-1 и МНЖКТ5-1-0,2-0,2 и на переменном токе аналогичный слой медного сплава проволоками из алюминиевых бронз марок БрАМц9-2 и БрАЖНМц8,5-4-5-1,5. После этого выполняли сварку аргонодуговым способом неплавящимся электродом стальных пластин, кромки которых были наплавлены присадочным материалом из медного сплава, с пластинами из медного сплава. При этом на постоянном токе прямой полярности сваривали: с применением проволоки из бронзы марки БрКМц3-1 пластину из меди с пластиной из стали с кромкой, наплавленной бронзой марки БрКМц3-1; с применением проволоки из сплава марки МНЖКТ5-1-0,2-0,2 пластину из сплава марки МНЖ5-1 с пластиной из стали с кромкой, наплавленной сплавом марки МНЖКТ5-1-0,2-0,2; на переменном токе сваривали: с применением проволоки из бронзы марки БрАМц9-2 пластину из бронзы марки БрА9Ж4Н4 с пластиной из стали с кромкой, наплавленной бронзой марки БрАМц9-2 и с применением проволоки из бронзы марки БрАЖНМц8,5-4-5-1,5 пластину из бронзы марки БрА9Ж4Н4 с пластиной из стали с кромкой, наплавленной бронзой марки БрАЖНМц8,5-4-5-1,5. Для сравнения была выполнена сварка аналогичных пластин из стали с пластинами из меди и медных сплавов по способу, принятому нами за прототип.

Из полученных сварных соединений пластин из меди и медных сплавов с пластинами из сталей были изготовлены образцы для определения временного сопротивления разрыву, относительного удлинения и ударной вязкости металла шва. Результаты определения свойств металла шва в сварных соединениях медных сплавов со сталями приведены в таблице. Анализ полученных результатов показывает следующее. Относительное удлинение и ударная вязкость металла шва при надрезе как по центру шва, так и по границе сплавления со сталью при предложенном способе сварки значительно (преимущественно в 2-3 раза) выше, чем при способе сварки по прототипу; в то же время временное сопротивление разрыву металла шва при обоих способах сварки обеспечивает его равнопрочность с медным сплавом. Поэтому обеспечивается более высокая работоспособность и надежность сварных соединений, полученных по предложенному способу сварки и эксплуатирующихся при знакопеременных и ударных нагрузках, чем при способе сварки по прототипу.

Таблица
Механические свойства металла шва сварных соединений меди и ее сплавов со сталями
Основной металл	Присадочный металл	Способ сварки	σв, МПа	δ, %	Ударная вязкость, Дж/см2 при надрезе
Медный сплав	Сталь	по центру шва	по границе со сталью
Медь	20	БрКМц3-1	по прототипу				-
по изобретению				-
МНЖ5-1	20	МНЖКТ5-1-0,2-0,2	по прототипу
по изобретению
БрА9Ж4Н4	АБ2-ПК	БрАЖНМц8,5-4-5-1,5	по прототипу		-
по изобретению
БрА9Ж4Н4	Ст3	БрАМц9-2	по прототипу
по изобретению
Примечание: * приведены значения ударной вязкости

Способ сварки плавлением меди и ее сплавов со сталью с использованием присадочного материала из медного сплава, отличающийся тем, что предварительно на кромку стальной свариваемой детали наплавляют промежуточный слой из медного сплава, доля основного металла в котором не превышает 0,08, а затем сваривают промежуточный слой из медного сплава с деталью из меди или ее сплава, при этом наплавку промежуточного слоя на сталь и его сварку с деталью из меди или ее сплавов выполняют с использованием одного и того же присадочного материала.