Сварка цветных металлов: особенности технологических процессов

В чем проблема? Сварка цветных металлов осложняется тем, что во время нагрева сплавы выделяют ядовитые вещества. Из-за этого сварщик должен быть предельно осторожным и верно подбирать подходящий способ соединения кромок.

Что учесть? Сварка цветных металлов требует тщательной подготовки, использования специального оборудования, правильного выбора технологии и учета индивидуальных особенностей каждого материала.

Особенности сварки цветных металлов

Цветными называют все металлы, кроме железа и его сплавов. Перечень их весьма обширен, но наиболее востребованными являются медь, цинк, алюминий, олово, никель, свинец. Они применяются повсюду для изготовления металлических конструкций. Прежде всего, это машиностроение, химическое производство, приборостроение.

Сталкиваемся мы с изделиями, содержащими цветные металлы, и в быту, причем сварка сплавов может быть произведена и в домашних условиях.

Сейчас существует множество видов сварки как стали, так и цветных металлов, и при планировании и проведении работ нужно учитывать ключевые характеристики данного процесса:

• Окисление. Металлы подвержены влиянию кислорода, и кислородная коррозия приводит к образованию на поверхности оксидной пленки, которая мешает прочному соединению сплавов и может спровоцировать появление трещин в шве.
• Теплопроводность. У металлов она велика – сплавы быстро нагреваются и быстро остывают. В силу этой особенности для качественного соединения необходим предварительный нагрев деталей, так что потребуется источник сильного тепла.
• Температура плавления. Она отличается у разных металлов – порой в несколько раз, как, к примеру, у олова и меди. Соответственно, при сварке есть вероятность, что более легкоплавкий элемент начнет испаряться. Чтобы этого избежать, нужно ускорить технологический процесс сваривания.
• Прочность. Она тоже имеет разные значения, и потому при работе с хрупкими металлами нужна аккуратность.
• Взаимодействие с окружающей средой. Так, отдельные виды сварки требуют создания подходящей газовой среды, чтобы результат соединения оказался качественным.

Сварщикам приходится учитывать эти и многие другие нюансы, поэтому, кроме собственно сварки, они занимаются предварительной обработкой деталей – прежде всего, это подразумевает удаление оксидной пленки и обезжиривание поверхности.

Подходящие виды сварки для цветных металлов

Технология сварки цветных металлов определяется с учетом их физико-химических свойств. От этого зависит выбор:

• необходимой оснастки;
• сварочных материалов.

Другими важными факторами являются экономическая и техническая целесообразность сварки, а также уровень квалификации работников.

Основная таблица по применяемости различных видов сварки деталей из цветных металлов.

Наименование металла	Дуговая	Аргонодуговая	Электрошлаковая	Электронно-лучевая в вакууме	Газовая
Алюминий	+	+	+		+
Магний		+			+
Медь	+	+			+
Никель	+	+			+
Титан		+	+
Тантал		+		+
Цирконий		+		+
Гафний		+		+
Молибден		+		+
Вольфрам		+		+
Ниобий		+		+
Цинк		+			+
Серебро		+			+
Ванадий		+
Свинец	+	+			+

От выбранного метода будет зависеть набор оборудования для сварки цветных металлов.

Универсальные принадлежности и инструменты:

• сварочный стол или аналогичное приспособление;
• сварочный аппарат;
• источник тока – если используется электроэнергия;
• дополнительные устройства – в зависимости от вида сварки;
• кабели;
• защитные приспособления – костюм, маска сварщика;
• различные инструменты;
• средства пожаротушения.

Сначала при любой сварке (без разницы – железа, чугуна и цветных металлов) нужно подготовить детали к соединению – зачистить кромки. Также при необходимости поверхность обезжиривается, промывается и сушится.

Сварка алюминия

Сложность сварки алюминия заключается в наличии тугоплавкой оксидной пленки, которая продолжает образовываться даже в процессе работы, поэтому необходимо ограничить доступ воздуха к сварочной ванне.

Виды сварки цветных металлов, пригодные для алюминия:

• дуговая;
• автоматическая и полуавтоматическая;
• в инертных газах;
• газовая;
• электрошлаковая.

Читайте также: «Режимы и параметры сварки: как правильно подобрать»

Чаще всего алюминий сваривают ручным или механизированным способом в инертных газах. Особенности:

• электроды берутся вольфрамовые и плавящиеся;
• в качестве инертного газа подойдут аргон, гелий высокой чистоты либо их смесь.

Присадочная проволока подбирается по марке сплава.

Ручная аргонодуговая сварка неплавящимся электродом используется, если толщина алюминиевой детали не превышает 10 мм: при этом применяется переменный ток. Соединение с помощью плавящегося электрода ведется в аргоне или аргоново-гелиевой смеси, и при этом ток постоянный, обратной полярности. При механизированной сварке используются фторидно-хлоридные флюсы.

Автоматический метод по флюсу одним электродом применим при толщине заготовки 5-10 мм; для более толстых деталей берут расщепленный электрод, что обеспечивает надежный провар.

Также при сварке деталей из цветных металлов толщиной более 10 мм уместно использование полуавтомата с плавящимся электродом и защитного газа.

Автоматическая сварка вольфрамовым электродом в инертных газах может быть выполнена однодуговым или трехфазным методом. При этом, чтобы получить качественные швы, работа делается одним проходом. Электрошлаковая сварка ведется переменным током с флюсами и пластинчатым электродом.

Также возможна ручная дуговая сварка покрытыми электродами при следующих условиях:

• толщина алюминиевой заготовки – от 4 мм;
• ток – постоянный, с обратной полярностью;
• предварительный нагрев металла.

Для сварки неответственных конструкций из цветных металлов применим ручной дуговой метод с угольными электродами на постоянном токе прямой полярности. Здесь на присадочный пруток и соединяемые кромки накладывается флюс.

Наконец, для соединения деталей встык пригодна газовая сварка – с флюсами, левым способом.

Сварка меди и никеля

Медь и никель являются тяжелыми цветными металлами с достаточно высокой температурой плавления – более 1000 градусов.

Сварка меди

Сложности в сваривании медных сплавов:

• склонность металла к образованию трещин из-за наличия закиси;
• жидкотекучесть;
• высокая теплопроводность.

Тем не менее современные технологии дают возможность получить прочный сварной шов без трещин, пор и окисных включений, причем разными способами.

Читайте также: «Как варить электросваркой: советы, инструкция и основные ошибки»

Основные методы сварки меди:

• Ручная дуговая – используются короткая дуга и плавящийся покрытый электрод, а также постоянный ток обратной полярности. Для тонких заготовок предварительный нагрев не требуется, однако детали толщиной 5-10 мм нуждаются в разогреве до 250-300°С.
• Сварка в защитных газах неплавящимся электродом. Ток зависит от вида сплава: постоянный прямой полярности – для чистой меди, а для бронзы – переменный. Применяемые газы – азот, гелий, аргон.
• Под флюсом угольными электродами – в случае соединения малоответственных деталей. Для толстых заготовок необходимы графитовые электроды. Ток – постоянный, прямой полярности.

Сварка никеля

Никель имеет еще более высокую температуру плавления – около 1450 градусов.

Виды его соединения:

• Дуговая сварка цветных металлов вольфрамовым электродом с постоянным током прямой полярности. Процесс идет в аргоновой среде, берется присадочная проволока с марганцем. Для соединения заготовок толщиной более 4-5 мм используется плавящийся электрод.
• Механизированная под флюсом. При этом применяют различные флюсы – чаще бескислородные.
• Ручная дуговая сварка с помощью толстопокрытых электродов. Для тонких деталей пригодны угольные электроды с флюсом.
• Газовая – применима только для соединения небольших деталей толщиной до 4 мм.

Сварка свинца

Сварка свинца тоже имеет свои особенности. В данном случае сложность обусловлена сочетанием низкой температуры плавления самого сплава и формированием тугоплавких окислов на его поверхности. Основные разновидности сварки свинца:

1. Газовая ацетиленокислородная – с флюсами и присадочной свинцовой проволокой.
2. Ручная дуговая в среде инертных газов – сварка ведется короткой дугой с постоянным током прямой полярности.

Сварка бронзы и латуни

Латунь представляет собой сплав, основными элементами которого являются медь и цинк. Также могут добавляться примеси других металлов – олово, никель, марганец и др.

Главной проблемой при работе с латунью является выгорание цинка, температура кипения и испарения которого едва превышает 900°С. При попадании в воздух пары цинка окисляются и выпадают в виде белого осадка. Данные окислы ядовиты, так что от сварщика требуется неукоснительное соблюдение правил безопасности.

Сварка латунных заготовок возможна теми же способами, что и меди. В случае с использованием угольных электродов берутся латунные прутья, в составе которых есть кремний – в пределах 3 процентов. При этом следует рассчитывать, что по доле содержания меди присадочный материал должен примерно соответствовать основной детали. Также при сваривании применяются флюсы.

Допустима для латуни и газовая сварка цветных металлов, хотя здесь тоже имеются нюансы. При сварке латунных заготовок обычным пламенем выделяются пары, которые негативно влияют на шов, делая его пористым. Чтобы этого не допустить, необходимо повысить содержание кислорода в горелке до 30–40 %. При этом цинк будет вступать во взаимодействие с кислородом, что выразится в образовании оксидной пленки, которая станет препятствовать выделению паров.

Перед началом сварочных работ следует тщательно зачистить детали – до образования блеска. С целью препятствования окислению металла поверхность можно обработать 10%-ным раствором азотной кислоты: сам раствор потом смывается горячей водой, и заготовка сушится. Для эффективного соединения латунных деталей удельная мощность пламени должна быть 100–150 л/ч. Также нужно правильно держать приспособления: мундштук горелки фиксируется под наклоном 80–90°, а присадочный пруток – под таким же углом к нему.

Поскольку окисление сплава невозможно остановить, то следует стараться производить соединение как можно быстрее, без перерывов. Ядро пламени необходимо располагать на расстоянии 7–10 мм от сварочной ванны. Массивные заготовки, особенно если их толщина более 15 мм, нужно разогреть до температуры 500–550°C. По окончании сварки шов желательно проковать, причем проведение этой процедуры зависит от содержания меди в латуни: при показателе 60 % и более обрабатывается холодный шов, в противном случае – еще не остывший, после чего производится отжиг, а затем изделие медленно охлаждается.

Читайте также: «Как правильно выбрать сварочный аппарат»

Дефекты можно заваривать без подогрева – главное, чтобы поверхность детали была хорошо подготовлена. Газовая сварка ведется на постоянном токе с обратной полярностью.

Бронза тоже является медным сплавом, но роль второго по объему компонента обычно играет олово, содержание которого составляет 8-10 %. Кроме того, бывают безоловянные бронзовые сплавы с добавлением железа, алюминия, марганца, никеля и других примесей. Литейная бронза широко используется в различных видах производства: из нее делают втулки, шестерни, фурнитуру. С помощью сварки можно не только соединять детали, но и производить ремонт, а также устранять дефекты отливки.

Бронзовые детали предварительно подогревают до температуры 200-550°С и сваривают металлическими и угольными электродами. Впрочем, температура может варьироваться: чем проще операция соединения, тем менее требовательны заготовки к такой обработке – детали сложной конфигурации, наоборот, нуждаются в более сильном нагревании.

Сварка латунных заготовок производится в полувертикальном или нижнем положении. Если возникает необходимость в стыковке швов и заваривании сквозных дефектов, то во избежание протекания материала употребляются подкладки, изготавливаемые из огнеупорной глины, асбеста или стальных листов. Их форма должна соответствовать конфигурации изделия с внутренней стороны области сварки.

Для соединения оловянной бронзы угольным электродом применяются присадочные прутки, состоящие из меди с небольшими добавками кремния (3-4 %) и фосфора (около 0,25 %). В качестве флюса берут борный шлак либо прокаленную буру.

После завершения сваривания заготовка покрывается листом асбеста, чтобы обеспечить медленное остывание – благодаря этому снижается риск возникновения трещин из-за остаточного напряжения. Если свариваются безоловянные бронзы, то присадочные прутки должны иметь состав, аналогичный основному материалу.

Для кремнистой бронзы лучше всего взять в качестве флюса прокаленную буру, а при сварке фосфористого сплава – борный шлак. Наконец, алюминиевая бронза сваривается с использованием такого же флюса, что и при работе с обычным алюминием. Прутки здесь рекомендуется брать такие, чтобы они по содержанию элементов не отличались от самой детали.

В целом при сварке цветных металлов типа бронзы нужно обязательно учитывать и состав сплава, особенно если сваривание ведется металлическим электродом. Так, для фосфористой бронзы годятся стержни, содержащие 0,5–1 % фосфора, 9–11 % олова, до 0,75 % примесей, а весь остальной объем – медь.

Сварка титана

Сварка титановых сплавов стала широко осваиваться лишь во второй половине ХХ в., когда они нашли масштабное применение в различных отраслях промышленности: машиностроение, кораблестроение, авиастроение, химическое производство.

Технологически данный процесс сложен по той причине, что титан плавится при очень высокой температуре и при нагревании приобретает химическую активность по отношению к кислороду, азоту и водороду, поэтому сварка этого цветного металла производится в защитной среде аргона. Более того, для соединения особо сложных и ответственных деталей применяются специальные камеры с контролируемой атмосферой.

Читайте также: «Как выбрать сварочную маску правильно»

Сварка титана в настоящее время очень востребована, поскольку этот металл обладает выдающимися характеристиками – высокой прочностью, коррозионной стойкостью и малой плотностью (всего лишь 4,5 г/см³). Благодаря сочетанию низкой теплопроводности и достаточно высоких показателей электрического сопротивления при соединении титана потребляется меньше электроэнергии, чем при аналогичной обработке других цветных металлов.

Для получения качественного шва требуется защитить сварочную ванну от взаимодействия с атмосферой.

Титан можно сваривать разными способами. Главным условием хорошего соединения является тщательная подготовка кромок путем травления с помощью специального раствора, в составе которого содержится 60 % воды, 35 % соляной кислоты и 5 % плавиковой кислоты. Поверхность детали обрабатывается до блеска механическим способом, а потом обезжиривается.

Сварка титана обычно производится неплавящимся электродом в защитных газах, с использованием флюса и титановой проволоки.

Ручная аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом идет постоянным током прямой полярности. Если толщина детали составляет 0,5–4 мм, то сила сварочного тока должна быть 40–170 А, дуга – 1-2 мм, а вылет электрода – 6–8 мм. Расход газа при этом рассчитывается около 20–25 л/мин. При автоматической сварке в аргоне применяется титановая проволока диаметром 1,5–3 мм.

При сварке под флюсом необходимо защитить обратную сторону шва – для этого потребуются хорошо подогнанные медные, титановые либо даже стальные подкладки.

Часто задаваемые вопросы о сварке цветных металлов

Почему все эти металлы обозначаются как цветные?

Цветные металлы имеют отличную от железа и его сплавов окраску: цвет может варьировать от белого, как у алюминия, до красного, присущего меди. Эти оттенки выступают как специфическая особенность каждого из таких металлов.

Каковы технологические особенности сварки разнородных цветных металлов?

Как правило, сваривать разнородные сплавы значительно сложнее, поскольку металлы могут отличаться теплопроводностью, склонностью к окислению, температурой плавления и другими характеристиками, влияющими на надежность соединения. Чтобы нивелировать эти факторы, используется сварка в защитных газах.

Читайте также: «Где изобрели сварку: создание технологии и первый патент»

Также позитивно сказывается на качестве работы применение высокотемпературных технологий внутреннего воздействия: так повышается скорость сварки, уменьшается пористость шва. Состав заготовок обязательно учитывается и при выборе буферного слоя.

Как сваривают бронзу?

Сварка бронз ведется металлическим электродом на постоянном токе обратной полярности: сила тока определяется по принципу 40 А на 1 мм диаметра электрода.

Таким образом, сварка цветных металлов имеет много особенностей, и подобная работа требует знаний, опыта, а также хорошего оборудования. Впрочем, при имеющемся разнообразии методов всегда можно обеспечить приемлемое качество соединения.