Медные трубы – это детали для глобальных или локальных коммуникационных систем, транспортирующих газ, воду, продукты нефтепереработки, охлаждающие жидкости и прочие важные ресурсы. Для объединения отдельных фрагментов в единую сеть используется припой для пайки меди. Подбирают его в зависимости от условий, в которых проходит эксплуатация системы.
Правильно оформленное соединение обеспечивает герметичность всего комплекса и предотвращает утечку подающегося состава в окружающую среду. А их неправильное соединение в будущем может вылиться в массу проблем.
Давайте попробуем разобраться в видах припоя и в том, какому из них лучше отдать предпочтение в конкретной ситуации.
Где применяются медные изделия
Медную руду человек обнаружил более 5 тысяч лет назад. Неспроста век, следовавший за каменным, назвали медным.
С тех древних пор металл использовали для многих целей. Следующий исторический этап назывался бронзовым веком потому, что в это время научились сплавлять медь с оловом, делать изделия из бронзы. Затем появились латуни, мельхиоры, другие медные сплавы.
Популярность меди объясняется совокупностью физических и химических свойств. В настоящее время медь применяют для изготовления трубопроводов, подающих воду, газу, теплоносители. Делают медные провода, радиотехнические изделия.
Достоинства медных труб заключаются в устойчивости к коррозионным изменениям и хорошей пластичности. Изделия из меди имеют гладкий поверхностный слой, остаются неизменными при длительном облучении УФ светом, обладают большой теплопроводностью, термостойкостью, механической надежностью, долговечностью.
Продукция из меди стоит дороже, но расходы окупаются возможностью длительной эксплуатации. В некоторых ситуациях возникает необходимость в пайке меди и ее сплавов.
При потенциальных высоких нагрузках на места соединения процесс проводят при высокой температуре. Во всех иных случаях для пайки медной трубы достаточно небольших значений температуры.
Особенности технологий
Флюсы для пайки меди необходимы не всегда. При проведении процесса с нагреванием до больших температурных значений соединить медные фрагменты можно без добавления флюсовой массы.
Большое значение для получения качественного соединения при реализации пайки без флюса имеет состав припоя.
Лучший вариант — сплавы на основе олова, серебра, позволяющие паять медь при высокой температуре, получать хороший результат.
При низкотемпературной пайке приходится применять припой и флюс. Умеренного нагревания не хватает для полноценной подготовки поверхности деталей к соединению.
Медь – металл непритязательный, позволяющий работать со многими составами:
- растворами;
- мелкоизмельченными порошками;
- гелеобразными массами.
Компоненты флюсов имеют разное предназначение. Борная или соляная кислота, хлорид цинка активно реагируют с оксидами, удаляя их. Канифоль, восковые составы, смолы обеспечивают хорошую адгезию, распределение припоя по всему рабочему участку.
В среде мастеров популярен флюс в виде пасты для пайки меди. Его можно легко нанести только в то место, которое будет подвергаться пайке. Он не растекается по всей детали, легко удаляется по окончании работы.
Флюсы для газовой сварки меди
Основная роль флюсов при газовой сварке меди — это химическая очистка свариваемых кромок от оксидных плёнок, образующихся на их поверхностях. Происходит это путём растворения этих плёнок и включения их в шлак, вместе с остальными примесями.
Как правило, флюсы для газовой сварки меди являются кислыми. В их составе содержатся, в большом количестве, окислы бора. Эти флюсы обладают высокой жидкотекучестью и химической активностью.
Основным компонентом таких флюсов являются бура Na2B4O7 и борная кислота H3BO3. В некоторых случаях, в основном, при малой толщине свариваемого металла, в качестве флюса применяется одна бура.
Для сварки медных листов малой толщины рекомендуются флюсы №1 и 2. Флюс под №6 может применятся при любых толщинах свариваемого металла. Для сварки медных листов большой толщины применяют флюс №7, при этом, заменяя в его составе карбонат калия K2CO3 на карбонат натрия Na2CO3. Также для больших свариваемых толщин хорошо подходит флюс №3, при этом, заменяя хлорид натрия NaCl на фторид натрия NaF, а получившийся сварной шов обязательно проковывают.
Флюс под №3 показывает хорошие результаты при сварке меди всех марок, с использованием присадочной проволоки и без последующей проковки сварного соединения. Все флюсы изготавливаются в виде порошков, или пасты, которые могут быть растворены в воде, либо в спирте.
Необходимо учитывать следующие особенности меди ее сплавов, влияющие на технологию сварки.
1. В связи с высокой температурой и теплопроводностью, затрудняющими локальный разогрев, требуются более концентрированные источники нагрева и повышенные режимы сварки. Однако в связи со склонностью меди к росту зерна при сварке многослойных швов металл каждою прохода дли измельчения зерна проковывают при температурах 550—800° С.
2. Легкая окисляемость меди при высоких температурах приводит к засорению металла шва тугоплавкими окислами. Закись меди растворима в жидком металле и ограниченно — в твердом. С медью закись образует легкоплавкую эвтектику Си—Сu20 (температура плавления 1064 0С), которая сосредоточивается по границам зерен и снижает пластичность меди, что может привести к образованию горячих трещин.
3. Наличие некоторых примесей может способствовать склонности сварных соединений к образованию трещин. Так, например, висмут, образующий ряд окислов дает легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 270 0С, а свинец, образуя окислы дает легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 326 0С. По указанной причине должно быть резко ограничено содержание этих примесей (Bi< 0,002%; Pb< 0,005%), либо они должны быть связаны в тугоплавкие соединения введением в сварочную ванну таких элементов, как церий, цирконий, играющих одновременно роль модификаторов.
При сварке алюминиевых бронз легко образуется тугоплавкий окисел засоряющий сварочную ванну, ухудшающий сплавление металла и свойства сварного соединении. Для его разрушения применяют флюсы, состоящие из фторидов и хлоридов, щелочных и других металлов.
4. При сварке латуней возможно испарение цинка (температура кипении 907 0С, т. е. ниже температуры плавления меди). Образующийся окисел цинка ядовит, поэтому при сварке требуется хорошая вентиляции. Испарение цинка может привести к пористости металла шва. Это осложнение удается преодолеть предварительным подогревом металла до температуры 200-3000 С и повышением скорости сварки, уменьшающим растекание жидкого металла и испарение цинка.
Высокий коэффициент линейного расширения (в 1,5 раза больше, чем у стали) может вызвать при сварке повышенные температурные и остаточные сварочные напряжения и деформации. Сочетание высоких температурных напряжений со снижением механических свойств может способствовать образованию трещин. Для уменьшения деформации конструкции сварку ведут в жестком закреплении, по прихваткам. При повышенной толщине металла регулируют величину зазора.
5. Медь в расплавленном состоянии поглощает значительные количества водорода. При кристаллизации металла сварочной ванны с большой скоростью ввиду высокой теплопроводности меди и резким уменьшением растворимости водорода в металле атомарный водород не успевает покинуть металл за счет десорбции. Закись меди восстанавливается водородом с образованием паров воды:
Сu 2 O+2Н = 2Сu + Н 20,
что приводит к образованию в шве пор и трещин.
6. Повышеннаяжидкотекучесть расплавленной меди и ее сплавов (особенно бронзы) затрудняет сварку в вертикальном и потолочном положениях, поэтому чаще всего сварку ведут в нижнем положении. Для формирования корня шва без дефектов необходимы подкладки.
Для меди и сплавов на ее основе могут быть использованы все основные способы сварки плавлением.
Медь находит широкое применение при изготовлении изделий различного назначения: сосудов, трубопроводов, электрораспределительных устройств, химической аппара- туры и т. д. Многообразие использования меди связано с ее особыми физическими свойствами. Медь обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью, устойчива в отношении коррозии. Плотность меди 8,93 Н/см3, температура плавления 1083°С, температура кипения 2360°С. Трудности сварки меди обусловлены ее физико-химическими свойствами4. Медь склонна к окислению с образованием тугоплавких оксидов, поглощению газов расплавленным металлом, обладает высокой теплопроводностью, значительной величиной коэффициента линейного расширения при нагревании.
Склонность к окислению вызывает необходимость применения при сварке специальных флюсов, защищающих расплавленный металл от окисления ,и растворяющих образующиеся оксиды, переводя их в шлаки. Высокая теплопроводность требует применения более мощного пламени, чем при сварке стали. Свариваемость Си зависит от ее чистоты, особенно ухудшают свариваемость Си наличие в ней В1, РЪ, 3 и Оз. Содержание рг в зависимости от марки Си колеблется от 0,02 до 0,15%, Ш и РЬ придают меди хрупкость и красноломкость.. Наличие в Си кислорода в виде оксида меди Си20 вызывает образование хрупких прослоек металла и трещин, которые появляются в зоне термического влияния. Оксид меди образует с медью легкоплавкую эвтектику, которая обладает более низкой температурой плавления. Эвтектики располагается вокруг зерен меди и таким образом ослабляет связь между зернами. На процесс сварки Си оказывает влияние не только кислород, растворенный в меди, но и кислород, поглощаемый из атмосферы. При этом наряду с оксидом меди СиаО образуется оксид меди СиО. При сварке оба эти оксида затрудняют процесс газовой сварки, поэтому их необходимо удалять с помощью флюса.
Водород и оксид углерода также отрицательно влияют на процесс сварки Си. В результате их взаимодействия с оксидом меди СиаО образуются пары воды и углекислый газ, которые образуют поры в металле шва.
Основная роль флюсов при газовой сварке меди — это химическая очистка свариваемых кромок от оксидных плёнок, образующихся на их поверхностях. Происходит это путём растворения этих плёнок и включения их в шлак, вместе с остальными примесями.
Как правило, флюсы для газовой сварки меди являются кислыми. В их составе содержатся, в большом количестве, окислы бора. Эти флюсы обладают высокой жидкотекучестью и химической активностью.
Основным компонентом таких флюсов являются бура Na2B4O7 и борная кислота H3BO3. В некоторых случаях, в основном, при малой толщине свариваемого металла, в качестве флюса применяется одна бура.
Для сварки медных листов малой толщины рекомендуются флюсы №1 и 2. Флюс под №6 может применятся при любых толщинах свариваемого металла. Для сварки медных листов большой толщины применяют флюс №7, при этом, заменяя в его составе карбонат калия K2CO3 на карбонат натрия Na2CO3. Также для больших свариваемых толщин хорошо подходит флюс №3, при этом, заменяя хлорид натрия NaCl на фторид натрия NaF, а получившийся сварной шов обязательно проковывают.
Флюс под №3 показывает хорошие результаты при сварке меди всех марок, с использованием присадочной проволоки и без последующей проковки сварного соединения. Все флюсы изготавливаются в виде порошков, или пасты, которые могут быть растворены в воде, либо в спирте.
Необходимо учитывать следующие особенности меди ее сплавов, влияющие на технологию сварки.
1. В связи с высокой температурой и теплопроводностью, затрудняющими локальный разогрев, требуются более концентрированные источники нагрева и повышенные режимы сварки. Однако в связи со склонностью меди к росту зерна при сварке многослойных швов металл каждою прохода дли измельчения зерна проковывают при температурах 550—800° С.
2. Легкая окисляемость меди при высоких температурах приводит к засорению металла шва тугоплавкими окислами. Закись меди растворима в жидком металле и ограниченно — в твердом. С медью закись образует легкоплавкую эвтектику Си—Сu20 (температура плавления 1064 0С), которая сосредоточивается по границам зерен и снижает пластичность меди, что может привести к образованию горячих трещин.
3. Наличие некоторых примесей может способствовать склонности сварных соединений к образованию трещин. Так, например, висмут, образующий ряд окислов дает легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 270 0С, а свинец, образуя окислы дает легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 326 0С. По указанной причине должно быть резко ограничено содержание этих примесей (Bi< 0,002%; Pb< 0,005%), либо они должны быть связаны в тугоплавкие соединения введением в сварочную ванну таких элементов, как церий, цирконий, играющих одновременно роль модификаторов.
При сварке алюминиевых бронз легко образуется тугоплавкий окисел засоряющий сварочную ванну, ухудшающий сплавление металла и свойства сварного соединении. Для его разрушения применяют флюсы, состоящие из фторидов и хлоридов, щелочных и других металлов.
4. При сварке латуней возможно испарение цинка (температура кипении 907 0С, т. е. ниже температуры плавления меди). Образующийся окисел цинка ядовит, поэтому при сварке требуется хорошая вентиляции. Испарение цинка может привести к пористости металла шва. Это осложнение удается преодолеть предварительным подогревом металла до температуры 200-3000 С и повышением скорости сварки, уменьшающим растекание жидкого металла и испарение цинка.
Высокий коэффициент линейного расширения (в 1,5 раза больше, чем у стали) может вызвать при сварке повышенные температурные и остаточные сварочные напряжения и деформации. Сочетание высоких температурных напряжений со снижением механических свойств может способствовать образованию трещин. Для уменьшения деформации конструкции сварку ведут в жестком закреплении, по прихваткам. При повышенной толщине металла регулируют величину зазора.
5. Медь в расплавленном состоянии поглощает значительные количества водорода. При кристаллизации металла сварочной ванны с большой скоростью ввиду высокой теплопроводности меди и резким уменьшением растворимости водорода в металле атомарный водород не успевает покинуть металл за счет десорбции. Закись меди восстанавливается водородом с образованием паров воды:
Сu 2 O+2Н = 2Сu + Н 20,
что приводит к образованию в шве пор и трещин.
6. Повышеннаяжидкотекучесть расплавленной меди и ее сплавов (особенно бронзы) затрудняет сварку в вертикальном и потолочном положениях, поэтому чаще всего сварку ведут в нижнем положении. Для формирования корня шва без дефектов необходимы подкладки.
Для меди и сплавов на ее основе могут быть использованы все основные способы сварки плавлением.
Медь находит широкое применение при изготовлении изделий различного назначения: сосудов, трубопроводов, электрораспределительных устройств, химической аппара- туры и т. д. Многообразие использования меди связано с ее особыми физическими свойствами. Медь обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью, устойчива в отношении коррозии. Плотность меди 8,93 Н/см3, температура плавления 1083°С, температура кипения 2360°С. Трудности сварки меди обусловлены ее физико-химическими свойствами4. Медь склонна к окислению с образованием тугоплавких оксидов, поглощению газов расплавленным металлом, обладает высокой теплопроводностью, значительной величиной коэффициента линейного расширения при нагревании.
Склонность к окислению вызывает необходимость применения при сварке специальных флюсов, защищающих расплавленный металл от окисления ,и растворяющих образующиеся оксиды, переводя их в шлаки. Высокая теплопроводность требует применения более мощного пламени, чем при сварке стали. Свариваемость Си зависит от ее чистоты, особенно ухудшают свариваемость Си наличие в ней В1, РЪ, 3 и Оз. Содержание рг в зависимости от марки Си колеблется от 0,02 до 0,15%, Ш и РЬ придают меди хрупкость и красноломкость.. Наличие в Си кислорода в виде оксида меди Си20 вызывает образование хрупких прослоек металла и трещин, которые появляются в зоне термического влияния. Оксид меди образует с медью легкоплавкую эвтектику, которая обладает более низкой температурой плавления. Эвтектики располагается вокруг зерен меди и таким образом ослабляет связь между зернами. На процесс сварки Си оказывает влияние не только кислород, растворенный в меди, но и кислород, поглощаемый из атмосферы. При этом наряду с оксидом меди СиаО образуется оксид меди СиО. При сварке оба эти оксида затрудняют процесс газовой сварки, поэтому их необходимо удалять с помощью флюса.
Водород и оксид углерода также отрицательно влияют на процесс сварки Си. В результате их взаимодействия с оксидом меди СиаО образуются пары воды и углекислый газ, которые образуют поры в металле шва.
Некоррозионная группа
Обычная светлоокрашенная канифоль относится к неактивным флюсам, легко удаляется этиловым спиртом любой степени очистки, техническим ацетоном.
Такой флюс пригоден для пайки меди и сплавов на ее основе. Его применяют при пайке проводов, радиодеталей.
В местах углублений, не очень удобных для нанесения чистого канифольного флюса, можно проводить обработку поверхности раствором канифоли в этиловом спирте.
Если предполагается эксплуатация медных изделий при больших нагрузках, нужно обеспечить соединение с повышенными прочностными характеристиками. Для этих целей пайку проводят со смесью канифоли с глицерином, растворенной в спирте.
Составы с умеренной коррозионной активностью
Слабой коррозионной активностью характеризуются флюсы из канифоли, спирта к которым добавлено какое-либо из следующих веществ:
- уксусная кислота,
- хлорид цинка,
- ортофосфорная кислота.
При пайке хорошо работает флюс для меди из раствора канифоли в спирте с добавкой хлоридов цинка и аммония. Эффективно применение смеси из глицерина, и раствора хлоридов цинка, аммония, натрия.
Качественное соединение при пайке обеспечивает флюс из раствора глицерина в воде, к которой добавлен солянокислый гидразин. С успехом можно применять смесь из спирта и раствора фосфорной кислоты.
Флюсы, содержащие канифоль, используют при температурах до 300 °С. Остальные составы можно нагревать до 350 °С.
Сильного кислого действия
Составы, содержащие или образующие кислоту, активно удаляют оксидный слой, обладают хорошими очищающими свойствами. Однако остатки флюса после пайки могут провоцировать порчу металла впоследствии. Поэтому рабочую зону по окончании процесса нужно хорошо промывать.
Для пайки меди и ее сплавов применяют растворы хлорида цинка в воде, хлоридов цинка и аммония в воде, хлоридов цинка в растворе соляной кислоты. Эффективно применение смеси хлоридов цинка, аммония, натрия.
Если в припоях содержится много свинца и цинка, то в качестве флюсов рекомендуют использовать раствор смеси хлоридов: калия, цинка, меди, натрия в растворе соляной кислоты.
Припои со свинцом не пригодны для пайки труб, поставляющих питьевую воду. Свинец обладает большой токсичностью, контакт с водой для питья не допускается санитарными нормами.
Выбор параметров режима
Сварку ведут на постоянном гоке прямой полярности. Сварочный ток (А) ориентировочно определяют по формуле:
Iсв=100?S,
где S — толщина металла, мм
Защитными газами могут быть аргон, гелий, азот и их смеси. Длина дуги в аргоне и гелии должна быть не более 3 мм. В азоте ее увеличивают до 12 мм. Поэтому возрастают напряжение на дуге и ее мощность (в 3-4 раза) но сравнению со сваркой в аргоне. В гелии же мощность дуги по сравнению со сваркой в аргоне повышается вдвое.
Расход защитного газа:
- аргон — 8-10 л/мин
- гелий -10-20 л/мин
- азот — 15-20 л/мин
Скорость сварки выбирают из условий формирования шва с нужной геометрией. Конструкции толщиной 4-6 мм сваривают без предварительного подогрева в аргоне, а до 6-8 мм — в гелии и азоте. Для сварки металла большей толщины требуется предварительный подогрев от 200 до 300°С.
Для пайки тугоплавкими припоями
Пайку меди в определенных ситуациях проводят припоями, плавящимися при высоких температурах. В качестве флюса при этих процессах можно использовать только буру или смесь буры и борной кислоты.
Применяют также раствор буры и борной кислоты в воде с хлоридом цинка или смесь буры, борной кислоты и фторида кальция.
Припоями в такой пайке служат сплавы, содержащие медь. Для обеспечения качества соединения буру перед самостоятельным изготовлением флюсов нужно хорошо прокаливать. В готовых средствах все компоненты прошли предварительную обработку.
Техника сварки
Сварку в аргоне ведуг «углом вперед» при выпуске электрода 5-7мм. В качестве присадочной проволоки используют:
- раскисленную медь
- медно-никелевый сплав МНЖКТ-5-1-0,2-0,2
- бронзы БрКМц 3-1, Бр ОЦ 4-3
- специальные сплавы с эффективными раскислителями.
Для повышения стойкости металла шва против горячих трещин применяют сварочные проволоки:
- БрАЖНМн 8,5-4-5-1,5
- БрМц АЖН 12-8-3-3
- М Мц 40
Чтобы расплавленный металл не попал на конец W-электрода, присадочную проволоку вводят не в столб дуги, а подают к краю сварочной ванны и несколько сбоку
