Сварка меди и стали

Для композитных сварных соединений разнородных сплавов используются различное премиальное оборудование брендов EWM и Esab, сварочные аппараты других известных фирм и корпораций. Однако не только электрической дугой сваривается Fe и Cu. Прежде чем описать основные методы данной композитной пары металлов, изложим теоретические основы сплавления железа и меди.

По совокупности кристаллографических и физико-химических свойств Fe и Cu в основных промышленных сплавах между собой близки. Это касается и атомных радиусов чистых металлов, и вида кристаллографической структуры, атомарного строения и т.д. Однако непосредственный расплав меди в железе осложнен целым рядом обстоятельств:

• Большая разница в температурах плавления (порядка 1.080 °С у меди против 1.540 °С у железа), т.е. в полтора раза;
• Еще большее отличие теплопроводности этих металлов (400 Вт/(м*К) у меди и 80.4 Вт/(м*К) у железа), то есть почти в пять раз;
• Большое химическое сродство Cu к кислороду, следствием чего является высокая концентрация соединений типа Сu + Сu₂O в зоне кристаллизующегося расплава. Эвтектические образования вида Сu + Сu₂O приводят к высокой хрупкости даже «чисто медных» швов, в термических соединениях с железом их еще больше;
• Характерные свойства медного расплава – значительная текучесть в жидком виде (когда железо даже не размягчилось) и склонность к порообразованию при кристаллизации.

Наибольшее негативное влияние на качество термического соединения Cu и Fe оказывает межкристаллитное проникновение медных атомов в стальную решетку. Оно актуально и для обычной сварки этих двух металлов (сплавов на их основе), и при пайке или наплавке железной основы припоями с высоким содержанием меди. Число таких клиновидных проникновений достигает нескольких десятков на квадратный сантиметр шва (наплавки), а их глубина составляет от долей миллиметра до нескольких сантиметров. Многие методы неразрушающего контроля бессильны, когда необходимо диагностировать межкристаллитное проникновение Cu в Fe. Однако на практике сварки данной композитной пары выяснилась высокая степень сродства такого «клиновидного» проникновения и образования горячих трещин в обыкновенной стали. С таким известным дефектом борются давно и успешно, начиная от разработок Кемпи сварочного оборудования, цена и аппаратные возможности которого позволяют экономично минимизировать горячее растрескивание стальных швов.

Точно такие же методы используются не только при сваривании железа со сталью, но и вообще при любом контакте жидкой медной фазы с железом (в том числе нерасплавленным):

• Общее сокращение времени межметаллического контакта;
• Использование в ЗТВ подставок и накладок с барьерно-разделительными функциями;
• Ведение процесса соединения при возможно низкой температуре4
• Легирование зоны шва (стыка) элементами, увеличивающими стойкость железа к возникновению горячих трещин;
• Предпочтительное использование стали с высокой концентрацией феррита.

Разновидности сварки меди с железом

Выполняется практически всем арсеналом сварочных методов, а именно:

1. Трением. Актуальна для тонких медных деталей, наплавляемых на стальную основу, обычно требует последующего отжига. В связи с низкой температурой процесса (≤ 800 °С) горячих трещин и межкристаллитных клиньев при сварке трещин не образуется вовсе, но имеются большие ограничения на геометрию заготовок и тщательность поверхностной обработки. Да и стоимость таких специализированных установок весьма высока, это же не на Кемпи сварочное оборудования цена бюджетного размера.
2. Взрывом. Используется для получения многослойных или биметаллических лент и листов, медный слой лежит в пределах 3…10 мм. Поверхность соприкосновения металлов имеет волнообразный характер, имеются различные дефекты (закалочные структуры, низкая пластичность).
3. Прокатом. Предназначен для биметаллического соединения с высокой точностью размеров, контакт обычно равнопрочен механическим качествам стали. Для высоких эксплуатационных характеристик биметаллические ленты и полосы «сталь + латунь» и «медь + сталь» подвергают термической нормализации (T = 700…750 °С, t = 25…40 минут).
4. Диффузионная сварка. Отличается широким диапазоном свариваемых соединений – от различных марок бронзовых и латунных сплавов до константана, армко-железа и сильнолегированной стали. Рабочая температура диффузионной сварки достигает 1000 °С, то есть наличествует жидкая фаза медной составляющей и оплавление стальной заготовки. Частым техническим приемом является предварительное нанесение на медь тонкой никелевой прослойки (толщиной в доли миллиметра). Никель значительно увеличивает прочностные качества и надежность сварного соединения Сu + Fe.
5. Сварка железа и меди плавлением. Выполняется ручными дуговыми инверторами и полуавтоматами с неплавящимися электродами, пол флюсовым слоем и в инертной газовой среде, работу может вести газопламенный Esab сварочный аппарат и даже электронно-лучевые установки для сваривания металлов. Сварка Fe и Cu плавлением отличается рядом общих особенностей:

- Рекомендуется смещение источника тепла (дугового факела и др.) на «медную» сторону соединения;

- Качество таких стыков во многом зависит от высокой концентрации тепла и точной фокусировки оборудования;

- Вспомогательные накладки и вставки в ЗТВ должны обладать хорошей абсорбцией и с железом, и с медью, а также не инициировать образование трещин (особенно горячих).

Сварочные работы по биметаллическим стыкам часто осложняются потерей прочности стыков и швов и высокой концентрацией дефектов в зоне расплава. Для всех упомянутых методов неразъемного соединения изделий на основе железных и медных сплавов необходимы вспомогательные технологические методы для приемлемой надежности сварки. Наиболее универсальный из них – вариации послесварочной термической обработки стыков. Кратковременный нагрев до точки размягчения чистой Cu (900…950 °С) и длительный низкотемпературный отпуск (200…250°С) благотворно сказываются на эксплуатационной надежности биметаллических стыков стали с медными сплавами.