Сварка меди

Медь обладает целым рядом уникальных свойств, в числе которых: высочайшая электро- и теплопроводность, пластичность, коррозионная стойкость. К чисто техническим качествам добавляется и высокая эстетичность металла, способствующая его большой востребованности в качестве декоративного материала.

Все это обеспечивает меди широкое применение в самых различных областях. Пайка и сварка меди - операции, с которыми рано или поздно приходится сталкиваться любому мастеру, любящему работать с металлом. Кроме технически чистой меди широко распространены ее сплавы: бронзы и латуни.

Свариваемость меди и некоторые особенности

Свариваемость меди зависит от ее химической чистоты: чем меньше в ней вредных примесей - серы, фосфора, свинца и пр. - тем лучше она сваривается. К факторам, отрицательно влияющим на сваривание, относятся следующие:

• Склонность меди к окислению. Соединение с кислородом с образованием тугоплавких окислов приводит к образованию хрупких зон и трещин в области термической обработки.
• Высокий коэффициент линейного расширения (в 1,5 раза больше, чем у стали) вызывает большую усадку при затвердевании, приводящую к возникновению горячих трещин.
• Склонность металла к поглощению газов в расплавленном состоянии из воздуха (в основном кислорода и водорода) также крайне отрицательно сказывается на качестве сварного шва. Водород, в частности, в момент кристаллизации металла соединяется с кислородом закиси меди и образует водяной пар, вызывающий образование пор и трещин.
• Расположенность к росту зерна приводит к появлению хрупких структур в зоне термического влияния.
• Большой коэффициент теплопроводности (в 7 раз выше, чем у стали) требует источника нагрева с высокой мощностью и концентрацией энергии в зоне плавления. Из-за быстрого отвода тепла ухудшается формирование шва, растет склонность к возникновению в нем дефектов - подрезов, наплывов и пр.
• Большая жидкотекучесть меди (в 2-2,5 раза больше чем у стали) не позволяет производить на весу одностороннюю стыковую сварку с полным проплавлением кромок и хорошим формированием шва с обратной стороны. Для стыковых швов могут потребоваться подкладки с противоположной стороны, плотно прилегающие к свариваемому металлу. Большая жидкотекучесть меди затрудняет также сварку в вертикальном и особенно в потолочном положении.
• При температуре выше 200°С снижается прочность меди с одновременным уменьшением пластичности (в отличие от других металлов, например стали, у которых снижение прочности при повышенной температуре связано с повышением пластичности). В интервале температур 250-550°С, при которых пластичность меди достигает минимальных значений, могут возникать трещины. В связи с этим следует избегать жестких закреплений. Не рекомендуется выполнять швы в два прохода, так как первый проход уже создает жесткое закрепление. Прихватки следует заменять скользящими закреплениями.

Лучше всего сваривается раскисленная медь (М-1р, М-2р, М-3р), в которой содержание кислорода не превышает 0,01%.

Для преодоления трудностей сваривания, технология сварки меди предусматривает газовую или флюсовую защиту сварочной ванны, в состав электродов и присадочной проволоки вводят раскислители: кремний, алюминий, марганец и прочие.

Способы сварки меди

При изготовлении сварных конструкций из меди, используются разные виды сварки - без защитного газа покрытыми электродами, с защитными газами неплавящимися и плавящимися (проволокой) электродами, под флюсом и пр. Наиболее распространены два вида: ручная дуговая сварка металлическими покрытыми электродами и сварка вольфрамовыми электродами в защитных газах.

Подготовка меди к сварке

Как и прочие цветные металлы, медь требует тщательной очистки перед сваркой. Прежде всего, нужно удалить с помощью ветоши, ацетона или других растворителей все загрязнения, способные быть поставщиками вредных примесей, особенно свинца и серы. Их могут содержать смазочные и охлаждающие жидкости, жиры, масла и краски.

Затем полностью удаляется окисная пленка - металлической щеткой или сеткой из нержавейки, или каким-то абразивным инструментом - обработкой детали до блеска.

Очистка детали - очень важный этап, прямо влияющий на качество сварного шва. Без неё невозможно получить прочный и красивый шов.

При толщине стенок от 5 мм, сварку выполняют с предварительным подогревом детали до 300-700°C. Особенно важен подогрев для массивных деталей, и чем массивнее деталь, тем выше должен быть нагрев.

Сварка меди металлическими покрытыми электродами (режим MMA)

С помощью покрытых электродов варят медь толщиной более 2 мм. Металл до 4-5 мм можно сваривать без разделки кромок, при большей толщине необходимо выполнять V-образную или X-образную разделку с углом раскрытия 60-70°. Сварку выполняют постоянным током обратной полярности. Ориентировочные значения диаметра электрода и сварочного тока в зависимости от толщины меди приведены в нижеследующей таблице.

Толщина меди, мм	Диаметр электрода, мм	Ток сварки меди, А
2	2-3	100-120
3	3-4	120-160
4	4-5	160-200
5	5-6	240-300
6	5-7	260-340
7-8	6-7	380-400
9-10	6-8	400-420

В процессе сварки тонколистового металла может потребоваться уменьшение первоначально установленного тока - из-за разогрева детали и возникновения в связи с этим опасности прожогов.

Для сварки меди предназначены электроды Комсомолец-100, АНЦ/ОЗМ-2, АНЦ/ОЗМ-3, АНЦ/ОЗМ-4, ОЗБ-2М (для бронз) и пр. Электроды перед использованием рекомендуется прокаливать.

Покрытые электроды для сварки меди не могут обеспечить такое же качество шва, какое обеспечивает сварка в аргоне. Прочность сварного соединения, выполненного с их использованием, зависит от многих факторов: правильного выбора марки электрода, соблюдения требуемой технологии (тщательности очистки, предварительного подогрева, оптимального токового режима) и, разумеется, от квалификации сварщика.

Сварка меди вольфрамовым электродом в среде аргона (режим DC/AC TIG)

С точки зрения результата этот способ - наилучший. Швы, выполненные в режиме TIG, отличаются прочностью и аккуратностью. Сварка выполняется вольфрамовым электродом на переменном или постоянном токе прямой полярности. Величина сварочного тока выбирается в зависимости от толщины свариваемого металла и диаметра электрода.

Толщина меди, мм	Диаметр электрода, мм	Диаметр присадочного прутка, мм	Ток сварки меди, А	Расход аргона, л/мин
1,2	2,5-3,0	1,6	120-130	7,0-8,5
1,5	2,5-3,0	2,0	140-150	7,0-8,5
2,5	3,5-4,0	2,5-3,0	220-230	7,5-9,5
3	3,5-4,0	2,5-3,0	230-240	7,5-9,5

В качестве защитных газов используются аргон, гелий, азот или их смесь. Эти газы отличаются своими технологическими свойствами, в чем-то превосходя, в чем-то уступая друг другу. Азот, в частности, требует меньшего сварочного тока в сравнении с аргоном, но швы, выполненные с его использованием, имеют некоторую склонность к порообразованию. Кроме этого, при прочих равных условиях расход азота превышает расход аргона. Поэтому последний, с учетом еще и его универсальности, используется чаще других газов.

В качестве присадочного материала применяются прутки меди (M1, М2, М3) или бронзы (Бр КМц3-1 и пр.). На практике часто используют медные жилы из электрических кабелей и проводов. Желательно, чтобы температура плавления присадки была ниже температуры плавления основного металла. Для лучшей защиты шва, пруток следует вести перед горелкой, а не за ней (см. второе фото). Листы меди толщиной до 4 мм можно сваривать с отбортовкой без присадочного материала.

Во избежание загрязнения вольфрамового электрода при поджоге дуги, последнюю можно возбуждать на угольной или графитовой пластине, перенося ее затем на изделие.

Сварка может производиться в нижнем и вертикальном положении шва.

В отличие от алюминия, который варится без поперечных движений, сварка меди требует манипуляций горелкой для формирования шва и обеспечения его соединения со стенками. Металл нужно "расталкивать" круговыми или зигзагообразными движениями горелки.

Тонколистовые детали не рекомендуется сваривать сплошным швом во избежание прожогов. Они варятся короткими швами с прерыванием дуги и перекрытием валиками друг друга.

Заварку кратера нужно производить, удлиняя дугу постепенным отводом горелки, - в том случае, если сварочный аппарат не имеет специальной функции "заварка кратера".

Сварка меди полуавтоматом (режим MIG)

Медь можно сваривать и полуавтоматом в режиме MIG на постоянном токе обратной полярности с использованием аргона, азота или гелия в качестве защиты. Технология сварки в данном случае, в своей основе, не отличается от сварки стали.

Литература