Глава 11

СВАРКА МЕДИ, СВИНЦА, БЕРИЛЛИЯ, СЕРЕБРА И ИХ СПЛАВОВ

СВАРКА БЕРИЛЛИЯ

Бериллий - легкий металл 11 группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева; порядковый номер 4; относительная атомная масса 9,01; принадлежит к числу редких элементов. Бериллий - металл серебристо-серого цвета, хрупкий и не ковкий на холоде; плотность 1,82 г/см при 20 С; температура плавления 1285° С; температура кипения 2970° С; удельная теплоемкость 0,508 кал/г (г*°С) в интервале температур О-100° С. Коэффициент теплопроводности 0,392 кал/(см-с-г - С) (при 20° С). Твердость ИВ 98 (диаметр шарика 2,5 мм; нагрузка 187 кгс); модуль упругости 30 ООО кгс/мм-; удельное электрическое сопротивление при 0° С 5,88-16 Ом-см.

Изделия из бериллия получают прессованием его порошка с последующим спеканием полученных заготовок в вакууме при 450-500° С, либо плавкой и литьем в глубоком вакууме или в атмосфере инертного газа. В литом состоянии бериллий особенно хрупок. Величина и ориентирование зерна влияют иа механические свойства этого металла. Горячепрессованные брикеты являются исходным материалом для прокатки и других видов обработки. При 20° С компактный бериллий устойчив по отношению к кислороду и воде, так как тонкая пленка окиси, ..покрывающая металл, защищает его от окисления. При высоких температура.к бериллий обладает высокой химической активностью по отношению к кислороду, азоту, водороду, галогенам и т. д. Бериллий в тонкоизмельченном виде и его окись ВеО обладают высокой токсичностью. Бериллий применяют для нанесения твердого диффузионного слоя на поверхность стали, в результате чего она приобретает высокую поверхностную твердость, хорошее сопротивление коррозии в разных средах, а также высокую жаростойкость, т. е. сопротивляемость газовой коррозии при высоких температурах.

Наибольшее распространение в промышленности получили следующие способы сварки бериллия: дуговая вольфрамовым электродом в камере с контролируемой атмосферой, электронно-лучевая, диффузионная, контактная.

Дуговая сварка вольфрамовым электродом в камере с контролируемой атмосферой возможна как ручная, так и автоматическая. Перед началом сварочных работ в камере создается разряжение 1 10~ 5-10 мм рт. ст.; затем в камеру подают инертный газ (аргон или смесь аргона с 50% гелия), предварителыю высушенный и дополнительно очищенный от кислорода и азота, до создания избыточного давления (0,2 кгс/см). Для очистки мест сварки от окисной пленки деталь перед сваркой протравливают при 20° С в ванне с 40% HNOg, 2% HF и 58*1о HjO. Время травления детали устанавливают опытным путем, оно зависит от ее размеров и конфигурации. После травления деталь промывают в воде и сушат.

Вследствие того, что бериллий в расплавленно.м состоянии может вступить во взаимодействие с многими металлами с образованием химических соединений и твердых растворов, что вызывает растрескивание и пористость шва, детали сборочно-сварочных приспособлений, находящиеся в непосредственном контакте со швом (например, подкладки), рекомендуется изготовлять из коррозиоипо-стойкой стали аустенитного класса с покрытием из окиси алюминия толщиной 0,1 мм.

При сварке бериллия чаще используют переменный ток, преимущество которого перед постоянным - катодное распыление, которое разрушает пленку окис-

лов, образующуюся в процессе сварки на поверхности ванны. При дуговой сварке вольфрамовым электродом в контролируемой атмосфере на формирование и качество шва влияет подбор сварочного тока. С ростом сварочного тока в результате значительного перегрева расплавленного металла увеличиваются размеры зерен при кристаллизации шва, что является одной из причин появлгния горячих трещин. Оптимальный сварочный ток, обеспечивающий удовлетворительное формирование и качество шва при ручной сварке листов толщиной 1,27-6,35 мм, приведен на рис. 1. Повышение тока на 25% но сравнению с оптимальным приводит к увеличению размеров зерен на 50% .

При дуговой сварке вольфрамовым электродом в контролируемой атмосфере основными дефектами соединения являются продольные и поггеречные трещины, возникающие в момент кристаллизации, что указывает на их образованне при высокой температуре. В месте образования трещин обнаруживается структурная составляюп1ая, появление которой связывают с присутствием в бериллии алюминия, образующего с ним легкоплавкую эвтектику (температура образования эвтектики 644° С). При содержании примеси алюминия меньше 0,06% продольные трещины в швах отсутствуют. Для предотвращения образования горячих трещин в швах рекомендуется подогрев изделия перед сваркой, причем повышение сварочного тока и скорости сварки должно сопровождаться увеличением температуры предварительного подогрева. Например в шве, вьнюлнеином на бериллии толщиной 3 мм током 150 А при скорости сварки 10 м/ч, необходим подогрев до 200° С, а при токах 225-400 А и скорости сварки 16,8-23 м/ч - подогрев до 600° С. При последующей термической обработке в вакууме при 825° С с выдержкой 30 мин заметно увеличивается прочность на растяжение и относительное удлинение сварного соединения.

та/7/г

ЮО 200 500,А

Рис. 1. Рекомендуемый сварочный ток для ручной дуговой сварки бериллия вольфрамовым электродом в контролируемой атмосфере (смесь аргона и 50% гелия)

Рис. 2. Влияние тепловлож:ения и давления в камере на способьость возгонки бериллия и диапазон режимов сварки:

/ - обеспечивающих получение сварных соединений без дефектов; 2 - п11Н;г>дя1и,их к образованию горячих трещин в швах; 3 - приводящих к образованию холодных трещин в сварных соединениях

100 S 80 60 40 ь 20

Ш *tin рт.ст.

. Электронно-лучевую сварку выполняют в герметичных камерах, в которых поддерживается глубоки1 вакуум (10~*-Ю * мм рт. ст.), что обеспечивает надежную защиту сваривас!\,!Ого металла. При сварке бериллия в вакууме наблюдается его интенсивная возгонка. При давлении 1 10 * мм рт. ст. теоретическая точка кипения (1170° С) бериллия значительно ниже точки его плавлении (1285° С). Степень возгонки бериллия возрастает по мере увеличения вакуума. Предполагается, что при очень высокой плотности электронного луча более вероятна возгонка металла, чем его расплавление (рис. 2). Режимы сварки бериллия приведены в табл. 1.

Электронно-лучевая сварка бериллия при низком ускоряющем напряжении (9-14 кВ) приводит к значительному росту зерна. Использование для сварки

I. Режимы электронно-лучевой сварки бериллия (давление в камере 8-IO-s мм рт. ст.; скорость сварки 12 м/ч)

6д, кгс/пм

этого металла более высокого напряжения и высоких скоростей сварки может привести к получению мелкозернистой структуры металла. Величина зерна металла шва при сварке электронным лучом влияет на прочность (рис. 3).

Лмффузионно-вакуумная сварка основана на взаимной диффузии атомов контактирующей пары металлов, находящихся в твердом состоянии. Процесс заключается в пластической деформации, рекристаллизации и сращивании зерен по поверхности раздела при высоких температурах и разряжении в камере 5-10~-1 10 мм рт. ст. Прочность на разрыв сварного соединения бериллия, выполненного диффузионным методом, зависит от шероховатости свариваемых поверхностей, температуры сварки и прочности основного металла. При сварке отполированных поверхностей прочность соединения увеличивается с повышением температуры сварки

до 900-975° С. При более высокой температуре прочность уменьшается вследствие интенсивного роста зерна в основном металле. Максимальная прочность сварного соединения близка к прочности основного металла: 28 кгс/мм при относительном удлинении 0,3-1,0% на образцах, полученных путем горячего прессования порошка бериллия, и 42 кгс/мм при относительном удлинении 5,6% на образцах бериллия, подвергнутых после прессования горячей вытяжке.

Контактная сварка. Точечную сварку бериллия осуществляют на серийных контактных машинах, оснащенных устройством для постепенного нарастания и спада тока. Для уменьшения остаточных напряжений вокруг сварной точки, приводящих к образованию трещин, рекомендуется предварительный и последующий нагрев сварного соединения. Детали перед сваркой нагревают от внешнего источника до появления красноты. После завершения цикла сварки внешний источник отключают. Испытания растяжением на срез сварных соединений бериллия толщиной 0,4 мм показали, что при 20° С нагрузка разрушения составляет 70 кгс (хрупкий излом).

. 70

28 74

о 0,5 1 1.5 2 пп

Рис. 3. Зависимость предела прочности основного металла и металла шва от диаметра зерна: / - основной металл; 2 - металл шва

СВАРКА СВИНЦА

Температура плавления свинца 327° С, кипения 1525° С. На воздухе свинец окисляется, образуя тугоплавкую окись РЬО. Свинец используют главным образом для облицовки стальной кислотоупорной аппаратуры и трубопроводов. Химический состав различных марок чушкового и рулонного свинца приведен в табл. 2.

Наличие сурьмы в свинце придает металлу шва хрупкость. Поэтому для сварки используют только бессурмянистый свинец. Пары свинца ядовиты, поэтому сварка без респиратора не допускается. Сварку свинца осуществляют преимущественно газовым пламенем и дугой, угольным или графитовым электродом.

Перед сваркой свариваемые кромки долл<иы быть зачищены до металлического блеска на ширину не менее 30 мм от каждой кромки. Очищенная поверхность свинца сохраняется незначительное время, и может потребоваться повторная зачистка кромок перед сваркой. При двусторонней сварке металла толщиной

до 10 мм скос кромок не производят. Для полного провара металла толщиной более 6 мм при односторонней сварке рекомендуется производить односторонний скос кромок под углом 35 с каждой стороны с притуплением до 4 мм. При вертикальной сварке свинца следует применять передвижные формирующие планки-подкладки. Применять подкладки рекомендуется и при сварке других стыковых соединений, причем для толщин до 4 мм подкладки могут быть из асбеста.

2. Химический состав свинца (ГОСТ 3778-74)

Присадочную проволоку или полоски прямоугольного сечения выбирают в соответствии с маркой свариваемого свинца. Диаметр проволоки принимают равным толщине свариваемого металла; он не должен превышать 10 мм. Длина прутков должна быть 300-350 мм. Целесообразно присадочный металл закладывать в стык, что повышает производительность сварки и до некоторой степени предохраняет от вытекания металла. Зачистка проволоки до металлического блеска перед сваркой обязательна.

При газовой сварке применяют ацетилено-кислородное и водородно-кислородное пламя. Как правило, газовую сварку используют при облицовке гальванических ванн, сварке свинцовых трубопроводов небольших диаметров, наплавке свинца на черные металлы. В качестве флюса применяют стеарин или расплав стеарина с канифолью, который перед сваркой наносят на зачищенные кромки листов и поверхность присадочного прутка. Перед нанесением флюса свариваемые листы в стыке подогревают горелкой. Ацетилено-кислородную сварку производят пламенем нормального состава. Мощность пламени (л/ч) W = 100 S, где S - толщина свариваемого металла, мм. Процесс сварки необходимо осуществлять с максимально возможной скоростью, чтобы не допускать вытекания свинца из стыка. Для обеспечения минимального количества пор на поверхности шва применяют левую сварку с наклоном горелки под углом 30° к изделию.

Дуговая сварка угольным или графитовым электродом. При возбуждении дуги на свинце образуется жидкая ванна металла, которая при передвижении электрода образует шов. При бесфлюсовой сварке на поверхности расплавленной ванны образуется тонкая пленка тугоплавкого шлака (окись РЬО), которую необходимо в процессе сварки непрерывно удалять механическим путем с помощью стального крючка. При небольшой толщине свариваемого металла (до 4 мм) рекомендуется применять флюс (стеарин или расплав стеарина с канифолью). При сварке используют как постоянный, так и переменный ток. Однако предпочтительней сварку вести на постоянном токе прямой полярности. В качестве источника сварочного тока могут быть использованы зарядные агрегаты или источники тока для гальванических ванн. Режимы сварки приведены в табл. 3. Скорость Сварки угольным электродом составляет в среднем 1,3 м/ч для толщины свариваемого металла 10 мм.

Металл малых толщин (до 4 мм) сваривают встык за один проход, при больших толщинах - за два или три прохода. Сварку за первый проход осуществляют без присадочного металла за счет расплавления кромок. В этом случае конец

электрода перемещают по схеме, привсдснпой на ркс. 4, а, при колебании электрода вдоль его оси. При втором проходе используют присадочный металл. Происходит увеличение размеров сварочной ванны, что достигается круговым движением электрода (рис. 4, б). Третий проход выполняют при сварке свинца значительных толщин. Для полного и лучшего провара электрод и присадочный пруток должны перемещаться так. как показано на рис. 4, в. Угольный электрод располагают

(к Iv his Ьч fWb N.

Рис. 4. Схемы движения угольного электрода при дуговой сварке свинца

перпендикулярно к свариваемому шву (стыку), а присадочный пруток - под углом 30-45° к шву; таким образом их перемещают вдоль стыка. Сварку рекомендуется вести, перемещая электрод в горизонтальной плоскости и производя им незначительные вертикальные колебания. В начале сварки путем задерл\.ки дуги подогревают первый участок стыка. Сварку ведут без перерыва. При случайном обрыве дуги необходимо вначале зачистить участок вокруг кратера до металлического блеска и лишь после этого продолжать сварку.

3. Рекомендуемые режимы дуговой сварки свинца угольным электродом

Температура плавления свинца и его теплопроводность низкие, а дуга между угольным (графитовым) электродом и свинцом стабильна, что позволяет вести процесс сварки на малом токе без разбрызгивания. Поэтому здесь допустимо применять наиболее светлые сварочные стекла (ДС-100). Прочность сварного соединения равна прочности основного металла; угол загиба сварного соединения 180°. Допускается обрубка и проковка шва.

СВАРКА СЕРЕБРА И БИМЕТАЛЛА СТАЛЬ - СЕРЕБРО

Температура плавления серебра 960,5° С; коэффициент линейного расширения 19,7- Ю * 1/°С; плотность 10,49 г/см. В промышленности при.меняют серебро различных марок в зависимости от чистоты, а также сплавы серебра (табл. 4-5).

4. Химический состав серебра, % (ГОСТ G836-72)

5. Химический состав серебряно-медных сплавов, % (ГОСТ 6836-72) (0,005%, РЬ; 0,002 Sb; 0,002 Bi)

6. Некоторые механические свойства серебра марки Ср 999,9

Марка

Примеси,

не более

0,08

Всего

0,18

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

В технике используют также серебряно-платиновые, серебряно-палладиевые и серебряно-палладиево-медные сплавы. Сварка серебра затруднена из-за большой теплопроводности, что требует применения концентрированных источников тепла и использования предварительного подогрева до 500-600° С (табл. 6).

В табл. 6 приведены некоторые механические свойства серебра.

Наиболее распространенным способом сварки серебра и его сплавов является газовая и дуговая сварка вольфрамовым электродом в аргоне. При газовой сварке используют метаио-кислородное и ацетилено-кислородное нормальное пламя, а также присадочную проволоку, раскисленную алюминием (0,5-1,0%), и флюс, приготовленные на этиловом спирте из равных количеств буры и борной кислоты С добавкой 10% флюса, применяемого для газовой сварки алюминия. Флюс наносят перед сваркой па соединяемые кромки или присадочный пруток. Мощность пламени (л/ч) V/ =-- (100 ~ 150) S, где S - толщина свариваемого металла, мм. Применяют левый способ сварки, при этом расстояние от ядра пламени до поверхности сварочной ванны должно быть 3-4 мм. Горелку располагают по отношению к свариваемой поверхности под прямым углом. Нагрев осуществляют С максимально возможной скоростью без перерывов и повторений. Сборку соединяемых элементов необходимо производить, как правило, без прихваток в специальных приспособлениях. Свариваемые кромки и присадочная проволока расплавляются одновременью, причем проволока нагревается до более высокой температуры. Горелка отводится от л<идкого металла только после полного его затвердевания. Механические свойства сварных соединений, выполненных ацетилено-кислородной сваркой: предел прочности 10-13 кгс/мм; угол загиба 30-180°.

Дуговая сварка вольфрамовым электродом в аргоне возможна на любом токе. Сварочные работы выполняют преимущественно иа постоянном токе прямой полярности.. Для обеспечения качественных швов рекомендуется применять аргон первого сорта по Г(Х2Т 10157-73. Присадочную проволоку выбирают по составу свариваемого металла. Возможна ручная и автоматическая сварка. Ручную сварку осуществляют справа налево углом вперед без поперечшлх колебаний; угол наклона горелки к поверхности свариваемых деталей 60-70 ; присадочная Яроволока подается гюд углом 90° к вольфрамовому электроду. Выводить при-