Сварка меди водородно-кислородным пламенем

Сварка меди затруднена из-за высокой теплопроводности, большой жидкотекучести и значительной активности металла шва в расплавленном состоянии при взаимодействии с кислородом и водородом.

Высокая теплопроводность меди требует применения источников нагрева большой тепловой мощности. Проведенные исследования показали, что водородно-кислородное пламя обладает меньшей эффективностью нагрева, чем ацетилено-кислородное. Это, очевидно, должно вызвать определенные ограниченная применения водородно-кислородного пламени при сварке массивных деталей.

Известно, что медь с кислородом образует, в основном, два соединения: куприт Сu20 и тенорит СuО. Оксиды меди распадаются относительно легко. Наиболее устойчивый оксид Сu20, образующий растворы в жидкой меди.

Наличие в продуктах горения пламени свободного кислорода и водорода, а при добавлении паров углеводородных соединений и свободного оксида углерода, обусловливают возможность протекания реакций образовавшийся в результате реакции (31) оксид Сu20 в момент кристаллизации образует эвтектику Сu-Сu20, вызывающую красноломкость меди.

При кристаллизации значительно окисленной меди, наряду с образованием эвтектики Сu-Сu20, может выпадать фаза Сu20, которая восстанавливается газами по реакциям (32) и (33). Образующиеся при этом пары воды и диоксид углерода вызывают так называемую «водородную болезнь» — микропоры и трещины в металле по границам зерен.

Чтобы избежать красноломкости и «водородной болезни», сварку меди необходимо проводить только нормальным пламенем.

Для получения нормального пламени при сварке меди водород-но-кислородную смесь обогащали парами бензина, спирта и газообразного флюса БМ-1.

Газообразный флюс БМ-1 представляет собой пары летучей органической жидкости, которую заливают в устройство для регулирования состава газовой смеси. Основным компонентом этого флюса является метилборат, представляющий собой эфир борной кислоты. Метилборат образует с метиловым спиртом азеотроп-ную смесь, содержащую до 75,5% метилбората. Температура кипения метилбората 68°С, азеотропной смеси — 54,6°С, а метилового спирта — 64,7°С. Плотность метилбората Dп20 = 0,932, а флюса при 20°С — около 0,89 г/л. К недостаткам флюса БМ-1 относится то, что при 3-4-кратном переливании флюса БМ-1 из одного сосуда в другой теряется часть метилбората и его содержание во флюсе снижается до 64%. Кроме того, он легко гидролизуется:

Несмотря на удобство использования флюса БМ-1 для получения самофлюсующегося водородно-кислородного пламени, существенным недостатком его применения является то, что при соприкосновении паров флюса с влагой происходит выпадение осадка борной кислоты, который засоряет проходные каналы газовой аппаратуры. Поэтому при применении флюса БМ-1 перед устройством для регулирования состава газовой смеси должен обязательно стоять осушитель.

Возможность сварки меди водородно-кислородным пламенем определяли на образцах из листов из меди марки М1 толщиной 0,5 и 1,0 мм и образцах из проволоки — одножильного обмоточного провода диаметром 0,1 мм, скрученного с монтажным многожильным проводом диаметром 0,4 мм.

При сварке образцов из листов меди использовали присадочную проволоку из электротехнической меди М1 диаметром 1,0 мм, порошкообразный флюс из буры. Перед употреблением буру прокаливали для удаления кристаллизационный воды. Взаимодействие флюса с металлом происходит после нагрева и разложения буры образовавшаяся после реакции двойная соль натрия и меди метаборной кислоты переходит в шлак.

Перед сваркой образцы и присадочную проволоку тщательно очищали от загрязнений до металлического блеска, обезжиривали органическим растворителем, а затем травили в растворе, состоящем из 75 см3/л HN03; 100 см3/л H2S04 и 1 см3/л НС1, затем промывали в воде и щелочи, снова в чистой воде и сушили горячим воздухом.

Свариваемые листы собирали с зазором от 0 до 1,5 мм на прихватках на сварочном столе, используя ту же присадочную проволоку, что и для сварки. Флюс в сварочную ванну вводили присадочной проволокой, обмакивая разогретую проволоку во флюс или предварительно нанося флюс на смоченную жидким стеклом присадочную проволоку.

При сварке следили за расплавлением свариваемых кромок и образованием сварочной ванны, чтобы избежать непроплавления корня шва. Сварку образцов проводили за один проход без последующих подварок. Угол наклона горелки в процессе сварки изменялся в пределах 0-60°.

Сварку листовых образцов из меди М1 выполняли нормальным пламенем, полученным при сжигании водородно-кислородной смеси, обогащенной парами бензина А-76, при визуальном наблюдении за характером горения пламени, который регулировали вентилями сварочной горелки ГЗ-ОЗ с наконечником №3. При этом расход газовой смеси составлял 600-800 дм3/ч на 1 мм свариваемого металла. Качество сварных соединений оценивали по внешнему виду.

При сварке образцов из листовой меди сварного соединения удовлетворительного качества получено не было. Формирование сварного шва неудовлетворительное. На поверхности шва наблюдалось большое количество пор.

Очевидно, большая скорость охлаждения сварочной ванны, вызванная высокой теплопроводностью меди и двухосным теплоотводом в пластину, наличие в продуктах горения как свободного водорода, так и оксида углерода создают благоприятные условия для возникновения пор. Это вызвано недостаточным тепловым напряжением пламени.

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что использование водородно-кислородного пламени для сварки листовых и массивных медных деталей не рекомендуется, так как не обеспечивается требуемое качество сварного соединения.

Учитывая меньшую интенсивность охлаждения расплавленного металла при сварке проводов из-за малой массы детали и одноосного отвода теплоты из зоны сварки, исследовалась возможность сварки медных проводов водородно-кислородным пламенем.

Исследования возможности сварки медных проводов проводили на образцах из медного одножильного провода ПЭВ-0,14 диаметром 0,14 мм и многожильного МГТФ-0,14 диаметром 0,42 мм, катанки марки МОб по ГОСТ 859-66.

Провода подготавливали к сварке, скручивая одножильный провод без предварительной очистки поверхности от лаковой изоляции с многожильным, с которого предварительно удалили пластмассовую изоляцию.

Приспособление для сварки проводов позволяет устанавливать провода на фиксированном расстоянии от торца горелки. Это расстояние контролируют с помощью микроскопа МБС-2. Время сварки фиксируется электросекундомером, подключенным к прижимам, фиксирующим провода во время сварки (рис. 51). При вводе проводов в пламя электросекундомер включается и работает до тех пор, пока не разомкнется цепь в результате пережигания образцов во время сварки. На базе этого приспособления был разработан сварочно-монтажный стол для сварки проводов в промышленных условиях.

Рис. 51. Схема сварки многожильного провода с одножильным обмоточным проводом катушки электромагнита: 1 — многожильный провод; 2 — электрическая цепь; 3 — одножильный провод; 4 — левый прижим; 5 — пламя; 6 — правый прижим; 7 — источник питания; 8 — электросекундомер; 9 — правый ложемент; 10 — горелка; 11 — левый ложемент (Lо — расстояние между прижимами; I — расстояние между концом наконечника горелки и проводом)

Критерием оценки качества сварного соединения проводов, в соответствии с существующими техническими условиями на сварку одножильных обмоточных проводов с многожильными выводными проводами, при изготовлении катушек радиоэлектронной аппаратуры служили: диаметр сварного соединения (оплавленного шарика) в месте оплавления концов проводов и отсутствие видимых дефектов, таких как подрезы одножильного и многожильного проводов, поры на поверхности сварного соединения, образование сварного соединения нешаровидной формы и не на торце многожильного провода. Диаметр сварного соединения (оплавленного шарика) должен быть в соответствии с техническими условиями, в пределах 

Для исследуемого случая сварки проводов D~0,55...1 мм. Замеры сварного соединения производили с помощью микроскопа МБС-2 в двух направлениях: вдоль оси свариваемых проводов и перпендикулярно оси свариваемых проводов — D0 (рис. 52). Для оценки возможности сварки медных проводов и последующей отработки технологии предварительно исследовали условие устойчивого горения пламени при использовании в качестве наконечников горелки инъекционных игл типа «Рекорд».

Эксперименты показали, что устойчивое горение водородно-кислородного пламени обеспечивается при расходе смеси от 25 до 60 дм3/ч и при применении игл, с внутренним диаметром отверстий от 0,4 до 0,6 мм. Усредненные размеры ядра пламени при указанных диапазонах внутренних диаметров игл и расход водородно-кислородной смеси приведены в табл. 26.

При добавлении в водородно-кислородную смесь паров этилового спирта длина ядра практически не увеличивается. Добавка паров ацетона значительно увеличивает длину ядра (табл. 27).

При отработке технологии сварки проводов определяли оптимальное время образования сварного соединения, обеспечивающее заданные геометрические размеры оплавленного шарика при расходе газовой смеси 28, 42, 52, 57 м3/ч, диаметре наконечника горелок, равном 0,48 мм, учитывая расстояние от торца горелки до свариваемых проводов, теплоотвод в зажимы приспособления, состав газовой смеси. Сварочную горелку располагали посередине между зажимами.

Рис. 53. Время образования сварного соединения в зависимости от расстояния от наконечника горелки до проводов и расхода водородно-кислородной смеси; 1 — расход газовой смеси 28 дм3/ч; 2 — расход газовой смеси 42 дм3/ч; 3 — расход газовой смеси 52 дм3/ч; 4 — расход газовой смеси 57 дм3/ч. Диаметр наконечника горелки 0,48 мм

Результаты исследований приведены на рис. 53. Анализ времени образования сварного соединения показал, что оптимальный расход водородно-кислородной смеси, обеспечивающий заданные размеры оплавленного шарика при сварке медных проводов указанных выше диаметров находится в диапазоне от 42 до 57 дм3/ч. При этом расстояние от наконечника горелки до проводов должно быть равно длине ядра пламени, т. е. от 1,5 до 3 мм.

При одинаковом расходе газовой смеси изменение диаметра выходного канала наконечника горелки в диапазоне от 0,42 до 0,54 мм практически не влияет на скорость образования сварного соединения (рис. 54). Изменение расстояния оси факела пламени от медного ложемента и прижима, которые фиксируют положение проводов при сварке, с 2,5 мм (середина расстояния между прижимами) на 1,25 мм (смещенное в сторону левого прижима на расстояние L/4) показало, что из-за увеличения теплоотвода в зажим время образования сварного соединения увеличивается от 10 до 45%. Размерыоплавленного шарика уменьшаются незначительно (10-16%) и остаются в допустимых пределах.

Рис. 54. Время образования сварного соединения в зависимости от расстояния от конца горелки до проводов и диаметра наконечника горелки: 1 — диаметр наконечника 0,42 мм; 2 — 0,48 мм; 3 — 0,52 мм. Расход водородно-кислородной смеси 28 дм3/ч

Рис. 55. Время образования сварного соединения в зависимости от расстояния наконечника горелки до проводов горелки при добавлении в газовую смесь паров углеводородных соединении: 1 — водородно-кислородная смесь без добавок; 2 — водородно-кислородная смесь с парами спирта; 3 — водородно-кислородная смесь с парами бензина. Расход газовой смеси 52 дм3/ч, внутренний диаметр канала наконечника 0,48 мм

Добавление паров жидких углеводородных соединений при регулировании состава газовой смеси неоднозначно влияет на время образования сварного соединения (рис. 55). Если добавление в смесь паров спирта и спиртового раствора метилбората (флюс БМ-1) практически не влияет на время образования сварного соединения, то добавление паров бензина и особенно ацетона почти в два раза увеличивает время сварки.

Качество сварного соединения оценивали визуально, по внешнему виду, и металлографическими исследованиями плотности и структуры сварного соединения. При визуальном контроле использовали микроскоп МБС-2. При сварке проводов водородно-кислородным пламенем без добавления в смесь паров углеводородных соединении на расстоянии от наконечника горелки до проводов, равном длине ядра пламени, на торце проводов образуется гладкое без пор шаровидное сварное соединение с поверхностью темного цвета.

При нагреве не в этой зоне пламени и максимально допустимых при данном диаметре наконечника расходах газовой смеси (около 60 л/ч) шаровидность сварного соединения нарушается, размеры его увеличиваются, и оно смещается с торца проволоки. На оплавленной поверхности появляются поры.

При сварке пламенем, полученным при сжигании водородно-кислородной смеси с парами этилового спирта или спиртового раствора метилбората (флюс БМ-1), как правило, получали сварное соединение шаровидной формы с бордовой окраской. На поверхности возможно появление пор.

При сварке пламенем с парами бензина или ацетона, при тех же расходах газовой смеси, что и в предыдущем случае, увеличивается объем расплавленного металла и сварное соединение теряет шаровидную форму. Поверхность оплавленного металла — пористая.

Для металлографических исследований макро- и микроструктуры сварного соединения изготавливали образцы путем заливки сварного соединения эпоксидной смолой ЭД-6. Исследования показали наличие в нем пор, раковин и неметаллических включений и микродефектов. После шлифования и травления структура сварного соединения исследовалась с помощью микроскопа МИМ-8.

На рис. 56 показаны макроструктуры сварных соединений медных проводов, выполненных водородно-кислородным пламенем на основе смеси без углеводородных добавок. Металл сварного соединения плотный, поры имеются только в местах сплавления с проволокой. Одной из причин, вызвавших эти поры, может быть подсос в зону сварки воздуха из неплотно свитого жгута проволок и теплоотводом в проволоку большим, чем в массу шарика.

Исследование микроструктуры металла сварного соединения, при тех же условиях сварки показало (рис. 57) наличие в оплавленном металле по границам зерен и линии сплавления эвтектики.

Макроструктурные исследования поверхности оплавленного металла сварного соединения, выполненного водородно-кислород-ным пламенем на основе смеси с парами ацетона, показали большое количество пор, достаточно крупных размеров (рис. 58). При сварке водородно-кислородным пламенем с парами этилового спирта пор значительно меньше и поверхность оплавленного металла более плотная (рис. 59). Сопоставляя результаты металлографического исследования с исследованием состава продуктов горения, приведенного в гл. 2 (см. табл. 11), можно отметить, что меньшее количество свободного водорода и оксида углерода в продуктах горения пламени при сжигании водородно-кислородной смеси с парами спирта, по сравнению с количеством свободного водорода и оксида углерода в продуктах горения при сжигании смеси, содержащей пары ацетона и бензина, объясняют меньшую пористость сварного соединения.

Анализ макроструктуры сварного соединения указывает на связь между тепловой мощностью пламени и величиной пор. С увеличением расхода газовой смеси уменьшается размер и количество пор.

Рис. 57. Микроструктура металла сварного соединения медных проводов, выполненных водородно-кислородным пламенем: а — металл шва; б — линия сплавления (х.200)

Результаты проведенных исследований показали возможность использования водородно-кислородного пламени, полученного при сжигании смеси для сварки медных проводов. При этом рекомендуется использовать нормальное пламя, полученное путем добавления в газовую смесь паров спирта или раствора спирта с метилборатом (флюс БМ-1).

Данный раздел создан на основании материалов Книги: "Обработка материалов водородно - кислородным пламенем" Корж В. Н., Попиль Ю.С. 2010г.