СПОСОБ ДУГОВОЙ СВАРКИ МЕДИ И МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ СО СТАЛЬЮ
METHOD OF ARC WELDING OF COPPER AND COPPER-NICKEL ALLOYS WITH STEEL

Изобретение относится к области сварки и может быть использовано в машиностроении, судостроении, нефтехимической, металлургической и других отраслях промышленности при изготовлении различных изделий, конструкций и узлов, включающих соединения из меди или ее сплавов и стали.
Во многих случаях соединение деталей из меди или медно-никелевых сплавов со сталями выполняют с применением дуговой сварки. При этом в качестве присадочного металла применяют проволоку, или прутки из медного сплава, или покрытые электроды со стержнем из медного сплава. Сварку могут осуществлять аргонодуговым способом плавящимся или неплавящимся электродом, ручным дуговым способом покрытыми электродами, автоматическим и механизированным способами под слоем флюса.
В результате расплавления стали в сварочную ванну переходит значительное количество железа. Из-за незначительной растворимости железа в меди или в медно-никелевом сплаве в твердом состоянии в металле шва при его кристаллизации выделяется фаза на основе железа, которая отсутствовала в исходных стали, медно-никелевом сплаве и в присадочном (электродном) металле. Металл шва сварного соединения меди и медно-никелевых сплавов со сталью при наличии в нем значительного количества фазы на основе железа (более 6-7 мас.% по результатам исследований) характеризуется низкими пластичностью и ударной вязкостью по сравнению со свойствами исходных свариваемых металлов. Для повышения свойств металла шва и сварных соединений сварку меди и медно-никелевых сплавов со сталью следует выполнять таким образом, чтобы ограничить содержание фазы на основе железа в металле шва.
Имеется способ дуговой сварки меди со сталью по авторскому свидетельству №450942, опубликованному 25.11.74 г., бюллетень №43 (дата опубликования описания 15.12.74), согласно которому для повышения качества сварки перед сваркой производят скос свариваемых кромок медной и стальной заготовок под углом 15-60°, собирают косой стык с перекрытием стали медью со стороны дуги, а электрод смещают от верхней линии стыка в сторону меди на величину, равную 0,5-1,5 ее толщины.
Однако этот способ сварки может применяться только для получения стыковых соединений деталей из стали и меди и только при малой толщине, т.к. при большей толщине меди ее нельзя переплавить на всю толщину по всей длине стыка. Кроме того, при сварке стыкового соединения, несмотря на смещение электрода в сторону меди, возможно существенное проплавление стали у верхней поверхности собранных под сварку деталей и переход большого количества железа в металл шва. Для получения угловых, тавровых, нахлесточных и торцовых соединений этот способ сварки применить нельзя.
Известен способ сварки плавлением меди и ее сплавов со сталями по патенту №2346793 от 20 февраля 2009 г., согласно которому с целью уменьшения проплавления стали сварочную дугу возбуждают на детали из медного сплава на расстоянии 3-7 мм от ее края, примыкающего к детали из стали, и образовавшуюся сварочную ванну из медного сплава и присадочного металла перемещают по детали из медного сплава до стальной детали и по стальной детали на величину сварного шва, обеспечивая при этом нагрев стали только за счет контакта со сварочной ванной (без непосредственного воздействия сварочной дуги на сталь), и при этом в процессе контакта сварочной ванны со сталью дугу между неплавящимся электродом и сварочной ванной удерживают на расстоянии 2-3 мм от ее головной части.
Известен также способ сварки плавлением меди и ее сплавов со сталью по патенту №2325252 от 27 мая 2008 г., в соответствии с которым 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.
Однако для применения способов сварки плавлением меди и ее сплавов со сталями по патентам №2346793 и №2325252 необходимо, чтобы сварку выполняли только высококвалифицированные и специально обученные сварщики при выполнении сварки ручным способом, либо отработать автоматизированный процесс сварки, чтобы обеспечить стабильное поддержание дуги в аргоне только между сварочной ванной из медного сплава на расстоянии 2-3 мм от ее головной части и неплавящимся электродом и перемещение сварочной ванны по поверхности стали с обеспечением смачивания стали жидким медным сплавом по всей поверхности ее контакта со сварочной ванной.
Известен способ сварки алюминиевой бронзы с аустенитной нержавеющей сталью по заявке №57-130795 (Япония), заявленный 05.02.81 г., №56-15026, опубликованный 13.08.82, согласно которому используется специальная вставка, ввариваемая между бронзой и сталью: с бронзой - присадочным металлом из медного сплава, а со стороны стали - присадочным металлом, содержащим Ni>92%, Al<1%, Ti - 0,4-3%.
Применение вставки, как указывают авторы, исключает образование трещин, вызываемых межкристаллитными проникновениями меди. Однако содержание железа в металле шва со стороны стали, по данным авторов, составляет 13-14,6%. Это не позволяет применить указанный способ сварки меди и медно-никелевых сплавов со сталью для получения низкого содержания железа в металле шва.
Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является принимаемый нами за прототип способ дуговой сварки меди со сталью с перекрытием стальной детали медной деталью с использованием промежуточной вставки из медно-никелевого сплава и со смещением электрода на медную деталь, отличающийся тем, что при сварке стальной детали с охватывающей ее медной деталью на медной детали выполняют паз глубиной, равной толщине промежуточной вставки, и шириной 0,4-0,5 толщины медной детали, в паз устанавливают промежуточную вставку до упора в торец, ширину вставки выбирают равной толщине медной детали, а электрод смещают от торца медной детали на величину 0,3-0,4 ее толщины, при этом суммарное содержание никеля и кобальта в металле промежуточной вставки выбирают в пределах 0,5-2 мас.% (авторское свидетельство СССР №1348110).
Указанный способ был предложен с целью повышения качества при сварке стальной детали с медной деталью. Однако этот способ сварки предназначен только для сварки стали с медью и только для сварки одного типа соединения, когда стальная деталь охватывается медной деталью, и при этом применяется промежуточная вставка из медно-никелевого сплава с суммарным содержанием в нем никеля и кобальта в пределах от 0,5 до 2 мас.%.
Следует отметить, что в аналоге промежуточную вставку устанавливают на стальную деталь без прикрепления вставки к стальной детали. Поэтому из-за нагрева вставки возможен ее отход от поверхности стали и, в результате, может образоваться несплавление в отдельных местах, где отсутствует контакт расплавленного металла вставки с металлом стальной детали. Кроме того, в результате нагрева стальной детали и промежуточной вставки до высоких температур без защиты нагреваемых поверхностей от контакта с воздушной средой металл стальной детали и вставки может окисляться еще до образования сварочной ванны, что может привести к образованию в сварных швах дефектов в виде несплавлений, окисных пленок, пор.
Техническим результатом заявленного изобретения является разработка нового способа дуговой сварки меди и медно-никелевых сплавов со сталью, при котором обеспечивается возможность получения всех типов сварных соединений из этих металлов при минимальном переходе железа из стали в металл шва, а также обеспечивается устранение возможности образования несплавления из-за возможного отхода металла вставки при ее нагреве от стальной детали и возможности образования дефектов в шве из-за окисления стали и металла вставки перед образованием сварочной ванны.
Технический результат предлагаемого изобретения достигается за счет того, что сварку меди или медно-никелевого сплава со сталью выполняют новым способом. При этом для сварки в качестве присадочного металла для получения шва применяют два металла: ленту толщиной 0,5-1,6 мм из медно-никелевого сплава, содержащего от 4 до 6 мас.% никеля, предварительно привариваемую к поверхности стальной детали вдоль всей ее зоны сварки с деталью из медного сплава, и сварочный пруток или сварочную проволоку, с использованием которых производят сварку стальной детали, к которой предварительно приварена лента, с деталью из меди или медно-никелевого сплава любым дуговым способом плавящимся или неплавящимся электродом, при этом перед приваркой ленты на поверхность стальной детали наносят слой флюса-пасты. В качестве флюса-пасты при сварке стальной детали с деталью из меди или из медно-никелевых сплавов, не содержащих алюминий, используют спиртовой раствор буры, а при сварке стальной детали с деталью из медно-никелевого сплава, содержащего алюминий, используют спиртовой раствор флюса для аргонодуговой сварки изделий из алюминиевых бронз. Присадочный металл в виде ленты прижимают к стальной детали в зоне сварки, включающей свариваемую кромку и примыкающую к ней поверхность стальной детали на ширину 5-7 мм от кромки, и приваривают к ней точечными швами путем локального расплавления ленты дугой неплавящегося электрода в аргоне в отдельных точках диаметром 2-5 мм, расположенных по поверхности ленты в шахматном порядке с шагом между точками 12-20 мм. В качестве сварочного прутка или сварочной проволоки для сварки стальной детали, к которой предварительно приварена лента, с деталью из меди или медно-никелевого сплава, используют пруток или проволоку из сплава, применяемого для сварки изделий соответственно из меди или аналогичного медно-никелевого сплава.
Опробование предложенного способа сварки меди или медно-никелевого сплава со сталью производили следующим образом.
Для получения сварного соединения были взяты: пластина размерами 12×150×250 мм из стали АБ2, пластина из сплава МНЖ 5-1 размерами 12×150×250 мм, лента из медно-никелевого сплава, содержащего 5,3% никеля, и сварочные прутки из сплава марки МНЖКТ 5-1-0,2-0,2 диаметром 3,0 мм.
Перед присоединением ленты на кромку и прилегающие поверхности стальной детали наносили кисточкой тонкий слой флюса-пасты в виде раствора буры в спирте. После нанесения слоя флюса-пасты на стальную пластину устанавливается лента таким образом, чтобы вся поверхность стали в районе будущего шва плюс 5-7 мм с каждой из сторон были ею закрыты. После этого лента по всей поверхности была плотно прижата к стали и прихвачена к стали точечными швами дугой неплавящегося электрода в точках с шагом между точками 12-20 мм.
После прихватки ленты к стальной пластине производилась сборка пластин под сварку.
св
д
Сварку стальной пластины (с приваренной к ней лентой) с пластиной из сплава МНЖ 5-1 выполняли аргонодуговым способом неплавящимся электродом на постоянном токе прямой полярности на режиме: сварочный ток I=190-210 А, напряжение на дуге U=13-14 В.
Сварку выполняли в 4 прохода.
После завершения сварки была произведена подрубка корня шва. Затем на поверхности стали в зоне сварки корневого шва был нанесен кисточкой тонкий слой спиртового раствора буры в этиловом спирте, после чего по всей этой поверхности была прихвачена лента присадочного металла.
Затем аргонодуговым способом неплавящимся электродом на приведенном выше режиме была произведена заварка корня шва.
Выполненное сварное соединение стали с медно-никелевым сплавом было проконтролировано рентгеновским методом. Как показал рентгеновский контроль, трещины, несплавления и другие недопустимые дефекты в сварном соединении стали с медно-никелевым сплавом отсутствуют.
Методом микрорентгеноспектрального анализа было определено содержание железа в пластине из сплава МНЖ 5-1, в ленте, в прутках из сплава МНЖКТ 5-1-0,2-0,2 и в сварном шве. Содержание железа составило (в мас.%): в пластине из сплава МНЖ 5-1 - 1,25; в прутках из сплава МНЖКТ 5-1-0,2-0,2 - 1,3; в ленте - 1,3; в металле шва:
- у поверхности - 2,1-2,65;
- в центре шва - 2,05-2,59;
- в корне шва - 2,25-2,85.
Таким образом, в сварной шов из стали перешло дополнительно 0,75-1,6 мас.% железа.
Металлографическое исследование шлифов из сварных соединений показало наличие в металле шва у границы со сталью единичных выделений фазы на основе железа.