Соединение меди и стали

Технология сварки разнородных металлов

В процессе сварки однородных деталей взаимная диффузия и растворение материалов, а также образование жидких и твердых растворов происходит без каких-либо ограничений и сложностей. Однако совсем иначе дело обстоит со сваркой разнородных металлов. В данном случае приходится сталкиваться с металлургической несовместимостью деталей, которые имеют принципиальные отличия в характеристиках кристаллической решетки, а также разные температуры плавления и показатели теплопроводности. Именно поэтому прежде чем начнется работа и осуществится, например, сварка алюминия со сталью, необходимо рассмотреть совместимость используемых металлов и учесть трудности, которые могут возникнуть в процессе их соединения.

Практически невозможно сварить металлы, неспособные взаимно раствориться между собой в расплавленном состоянии: железо и свинец, железо и магний, свинец и алюминий. Эти пары в жидком состоянии практически не смешиваются и создают слои, которые при дальнейшем затвердевании могут быть без особого труда отделены друг от друга. Что касается легко поддающихся сварке разнородных металлов, то их количество довольно ограничено. К ним можно отнести титан и железо, медь и железо, титан и ванадий, алюминий и серебро.

На данный момент самыми востребованными являются конструкции, получаемые путем сплава стали с алюминием, чугуном или медью. Сварка этих металлов широко используется в авиационном строении, радиоэлектронике, производстве бытовых приборов. Оптимальные свойства некоторых конструкций возможны только благодаря применению деталей из комбинированных материалов, ведь именно в этом случае изделие будет совмещать в себе преимущества сразу двух металлов. Однако приступая к работе с разнородными металлами, важно учитывать особенности их взаимодействия.

Переделываем водопровод, собранный из меди и железа

Эта статья является программной и входит в цикл “Занимательная сантехника”. Задачей этой статьи является исследование различных факторов, влияющих на качество, потребительские свойства и долговечность водопроводной системы частного дома.

Предыстория этого вопроса такова. Купив дом, мы включили отопление. Сразу поняли, что отопление надо переделывать. Нам досталась однотрубная система со стояком 2 дюйма, с магистралями диаметром дюйм с четвертью, безобразные панели (радиаторы такие), несколько из которых сразу потекли. Я же мечтал о городских удобствах. Радиаторы я хотел белые, а не зеленые, ну и вообще. Хотелось такого, что бы радовало, а не раздражало.

И вот тут я столкнулся с выбором. В результате остановился на медных трубах под пайку. С этими трубами у меня случилась любовь, причем взаимная. Любовь, как и положено, началась с неподдельной страсти. Теперь страсть прошла, но осталась такая, знаете, зрелая верность и признательность. О своих чувствах к медным трубам под пайку я написал специальную статью.

Особенности сварки меди

Необходимо отметить тот факт, что чем чище медь, тем лучше она сваривается. Но кроме этого на качество процесса влияют и ниже следующие факторы.

• Как и многие цветные металлы, при соприкосновении с кислородом медь начинает окисляться. Окисел – это тонкая жаропрочная пленка, которая мешает проводить сваривание медных заготовок. Поэтому на стадии подготовки оксидную пленку обязательно удаляют разными способами.
• Медь обладает очень большим коэффициентом линейного расширения. Он в полтора раза больше, чем у стали. Поэтому при охлаждении происходит сильная усадка. Именно этот фактор негативно влияет на качество шва, в котором во время усадки появляются трещины.
• В нагретом состоянии медь поглощает водород и кислород. Первый внутри металла после остывания образует поры. Второй окисел на поверхности.
• При резком нагреве и остывании структура металла меняется. Из мелкозернистой он превращается в крупнозернистую. А это увеличение хрупкости в зоне сварки.
• Коэффициент теплопроводности у меди в семь раз больше, чем у стали. То есть, при нагреве металл быстро расплавляется, при снижении температуры быстро становится твердым. Резкий переход от одной стадии в другую становится причиной образования внутри дефектов.
• Текучесть меди. Этот показатель в 2,5 раза больше, чем у стали. При высоком нагреве, а это иногда требуется для сваривания толстых заготовок, полная проплавка с одной стороны практически невозможна. Поэтому сварка меди и ее сплавов проводится по двусторонней технологии. Когда с одной стороны производится полная сварка шва, а с задней стороны окончательно формируется сварочный шов. Кстати, именно текучесть меди осложняет сварку в вертикальном и потолочном положении.
• Перед тем как варить медь, необходимо понять, что прочность и пластичность материала снижается с повышением температуры. До +200С эти показатели находятся еще в норме, а вот с повышением их значение резко снижается. К примеру, при нагреве в пределах 500-550С пластичность практически падает до нуля. Поэтому высока вероятность появления внутри сварочного шва трещин. При высоком значении тока не стоит проводить двухслойное заполнение зазора между свариваемыми заготовками, даже если детали будут иметь большую толщину. Надо постараться все сделать за один проход.

Как уже было сказано выше, проще всего сваривать чистую медь без примесей или раскисленную, в которой кислорода всего 0,01%. А так как такая медь встречается редко, в основном в промышленности используются ее сплавы, то рекомендуется сварку проводить в защитных газах или флюсах с присадочными материалами, в которые входят раскислители. А именно: кремний, марганец, алюминий и прочие добавки. Кстати, сварку меди электродами (расплавляющимися) также можно проводить. Единственно – это, чтобы в стержень входили раскислители, о которых было упомянуто выше.

Процесс соединения алюминия со сталью

Сварка алюминия и стали сопряжена с серьезными трудностями, которые возникают в связи с большой разницей температур плавления металлов и различиями в уровне их теплопроводности. На практике это выражается в том, что алюминий становится жидким еще до того, как сталь успевает прогреться, кроме того, шов получается недостаточно прочным. Чтобы соединить металлы с такими разными характеристиками и получить приемлемый результат, нередко используется диффузная, ультразвуковая, а также контактная с оплавлением и холодная сварка металла.

Покрытия для улучшения свариваемости

Проблемы, которые возникают при сварке плавлением алюминия и стали, вполне удачно решаются с помощью применения специальных покрытий. На сталь гальваническим или горячим погружением наносится металл, который обладает хорошей совместимостью со сталью. Чаще всего для этих целей используется слой цинка, который улучшает растекание алюминия. Кроме того, для сварки алюминия и стали применяется переходная вставка из тех же материалов, которая получается с помощью другого метода соединения, например, путем холодной ковки.

Теплофизические свойства материалов значительно затрудняют процесс сварки, при этом даже использование специальных покрытий и вставок не решает всех возможных проблем. Дело в том, что при соединении разнородных металлов на стыке могут образовываться интерметаллиды, которые отличаются чрезмерной хрупкостью. Чтобы избежать ненужных проблем, необходимо выбрать правильный режим сварки, который позволит избежать перегрева поверхности металлов. Если процесс произведен с учетом всех особенностей алюминия и стали, в результате проведенных сварочных работ появится надежное и долговечное соединение, которое, однако, лучше не использовать для конструкций, часто подвергающихся механическому воздействию.

Проблемы с водопроводом

И вот, одухотворенный своими светлыми чувствами, молодостью и задором, я сделал систему отопления, которая работает до сих пор просто “как часы”. Не знаю, правда, из-за труб и только ли из-за труб, и водопровод. С тех пор прошло 10 лет. Отопление я не трогал и трогать не собираюсь А вот водопровод решил переделать.

Почему я решил переделать свой водопровод или “не повторяйте моих ошибок”

Дело в том, что водопровод был банально непродуманно размещен. Доступ к насосу, бойлеру и другим важным его частям был затруднен. Летом, в жару, с труб капает конденсат, все это собирается на приборах, а вытереть эту грязь трудновато, ибо доступ, как я уже упоминал, затруднен. Бардак, короче.

Но самое главное. Я, когда делал водопровод, экономил. Водопровод я сделал комбинированным. Медные трубы я дополнил простыми железяками, точнее даже еще хуже. Железяки, кое-где даже неоцинкованные, я дополнил медью, которая осталась от отопления. Недостатки моего изделия стали видны очень быстро, но тем не менее, прошло почти 10 лет, прежде чем я сподобился на замену этого безобразия и переделку водопровода. Но зато теперь у меня на сайте есть цикл статей “Занимательная сантехника”.

Ручная дуговая сварка медных сплавов

Вообще, дуговая электросварка меди используется часто, особенно в домашних условиях. Целесообразность применения зависит от скорости процесса. При этом может использоваться сварка меди полуавтоматом или автоматом.

Технология сварки меди заключается в следующем.

• Производится очистка кромок соединяемых заготовок от загрязнений, для чего используется любой растворитель.
• Затем счищается оксидная пленка с помощью железных щеток, наждачки или другим абразивным инструментом.
• Далее производится сам процесс сваривания электродом.

Но так как толщина медных деталей может варьироваться в больших пределах, то и сам режим сварки будет отличаться. К примеру, для соединения заготовок толщиною 6-12 мм, необходимо разделать кромки так, чтобы образовался V -образный зазор. При этом угол между кромками должен быть в пределах 60-70°. Если используется двусторонняя сварка, то угол можно уменьшить до 50°. Зазор между деталями создается путем сдвига заготовок, чтобы между ними образовалась щель шириною 2,5% от длины самого сварочного шва.

Если раздвижение деталей не производится, то необходимо провести их прихватку. Прихватка проводится неполным проваром шва длиною по 30 мм через каждые 300 мм. При этом должен сохраняться зазор размером 2-4 мм. При самой сварке меди инвертором, доходя до прихватки, ее необходимо удалить, сбив любым ударным инструментом. Потому что двойной провар меди приведет к изменению ее структуры и появлению дефектов внутри сварочного шва.

Если свариваемый металл имеет толщину больше 12 мм, то лучше использовать Х-образную разделку кромок, а соответственно и двустороннюю обварку. Если по каким-то причинам использовать данную разделку невозможно, то можно использовать V -образную. Правда, придется полностью заполнять зазор, на что уйдет больше электродов и времени.

Полезные советы

• Стыковые соединения варить лучше на подкладках, которые будут понижать температуру в зоне сварки и не давать металлу утекать сквозь зазор. Здесь можно использовать подкладки стальные, медные, графитовые и другие. Ширина подкладки 40-50 мм.
• Перед сваркой меди электродом необходимо кромки подогреть до 300-400С.
• Стержень электродов, используемых для сварки медных сплавов, должен изготавливаться из меди или бронзы с легирующими добавками (кремний, марганец и так далее).

Свариваемость чугуна и стали

Несмотря на то, что чугун и сталь обладают схожестью химического состава, процесс сварки этих металлов также характеризуется определенными трудностями. Дело в том, что чугун содержит большое количество углерода, а потому достаточно плохо поддается плавлению. Чтобы сварить эти разнородные материалы, используются специальные электроды. Для получения надежного и прочного шва перед обработкой детали следует тщательно зачистить, особенно это касается заготовки из чугуна, который легко впитывает различные технические жидкости.

Подогрев изделия в процессе работы

Чтобы соединить чугун и сталь, как правило, используется сварочный ток обратной полярности. Однако обратите внимание, что в случае применения аппаратов с высоким током холостого хода, необходимо использовать переменный ток. В процессе работы детали необходимо прогреть до 600 градусов по Цельсию. Такая температура позволит избежать чрезмерного расширения металла, которое нередко приводит к необратимой деформации материала. В результате сварочных работ, проведенных по описанной технологии, прочный герметичный шов образуется всего за один проход.

В случае, если подогрев заготовок невозможен, сварка чугуна со сталью производится несколько иначе. Когда необходимо соединить слишком большие детали или металл имеет легкоплавкие вкрапления, процесс сварки осуществляется с помощью коротких валиков, каждый из которых необходимо охлаждать перед использованием следующего. Стоит отметить, что данный метод сварки не обеспечивает должную прочность шва, поэтому для соединения чугуна и стали более предпочтителен метод, предусматривающий предварительный подогрев деталей.

Ручная аргонодуговая сварка

Сварка меди аргоном – это еще один вариант соединения медных заготовок. Для этого используется постоянный ток прямой полярности, вольфрамовый неплавящийся электрод и присадочный материал из меди, бронзы или медно-никелевого сплава марки МНЖКТ.

Перед началом работ кромки стыка прогревают до 800С. Сварку ведут справа налево, присадочный пруток впереди горелки. Дуга короткая.

Свариваемость меди со сталью

Определенные трудности в процессе соединения данных металлов возникают в связи с различием в уровне их теплопроводности, а также из-за низкой температуры плавления меди. Именно поэтому прежде чем приступать к процессу, следует учесть все особенности материалов и подобрать наиболее оптимальный способ сварки. Только в этом случае можно получить качественное соединение, которое будет обладать всеми необходимыми характеристиками.

Применение защитных газов

На самом деле медь и все ее сплавы довольно неплохо сваривается со сталью. Пожалуй, самым высоким качеством обладает соединение, которое производится путем аргонодуговой сварки. С ее помощью образуется шов, который характеризуется хорошей герметичностью и прочностью. Аргонодуговая сварка производится с применением вольфрамовых электродов либо плазменной струи и специальной присадочной проволоки. Обратите внимание, что в процессе работы дугу следует немного смещать к меди, что поможет предотвратить перегрев стали.

Сварка меди и стали также может быть произведена с помощью флюсов в среде защитных газов. В этом случае используют плавящиеся либо неплавящиеся электроды и проволоку. При наплавлении меди на сталь вполне эффективен дуговой метод сварки керамических флюсов, который позволяет добиться требуемой износостойкости и твердости материала. Данный вид работы предполагает использование плоских электродов.

Технология закалки стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической с последующим быстрым охлаждением.

Мангал из металла — это занятие, которое по силам каждому сварщику. Как сделать его своими руками, читайте в этой статье.

Сваривание угольными и графитовыми электродами

Эта разновидность сварки медных сплавов применяется редко. Угольные электроды используются при соединении заготовок толщиной до 15 мм, графитовые больше данной величины. Режим сварки:

• Ток постоянный.
• Полярность прямая.
• Присадочный стержень в сварочную ванну не погружают. Расстояние 5-6 мм.
• Процесс производится в защитном флюсе. Его наносят на присадочный стержень, который предварительно обмакивается в жидкое стекло.
• Зазор – 0,5 мм.
• Используется подкладка асбестовая или графитовая.
• Медь толщиною до 5 мм варится без предварительного подогрева.
• Сваривание необходимо проводить за один проход.

Соблюдение технологии — гарантия качества

Сварка разнородных металлов — достаточно трудоемкий процесс, который осложняется существующими различиями в свойствах материалов. Однако если грамотно подойти к процессу и учесть все рекомендации, связанные с особенностями металлов, можно получить прекрасный результат в виде качественного и надежного соединения, которое будет обладать преимуществами всех его компонентов.

Промежуточные итоги по совместному использованию железных и медных (латунных и прочих цветных труб)

Друзья! Я готов выразить свое личное мнение. Оно у меня вот сейчас вполне хорошо сформировалось и заключается в следующем.

Использовать совместно цветные и железные детали не совсем хорошо и лучше этого избегать. Если говорить о железном водопроводе, то при использовании разъемных соединений стоит остановиться на железных. Они существуют и значительно дешевле цветных, но выглядят откровенно погано. Использовать в своем водопроводе детали из черного железа я не советую. Они ржавеют, ржавчина с них стекает, все грязнит, водопровод в целом выглядит очень непрезентабельно.

Я не могу сказать, существуют ли в природе железные краны и вентили. Похоже, что нет, и это очень узкий момент (в прямом и переносном смысле). Без вентилей мы не обойдемся, а использование цветных вентилей даст нам все вышеперечисленные недостатки. Больше всего меня испугало сужение прохода и камень внутри этого сужения.

Срок действия железного водопровода я по ощущениям установлю в 20 лет. После 25-го года службы такого водопровода я настоятельно советую подумать о его замене.

Лично я, после этого своего опыта по переделке водопровода, торжественно отказываюсь от использования железных деталей раз и навсегда. Это теперь мой еще один нерушимый принцип.

Сварка меди и алюминия

Два этих металла можно сварить двумя способами: контактной сваркой и замковым соединением. В первом случае необходимо учитывать, что алюминиевый материал обладает низшей температурой плавления, чем медь. Поэтому при стыковке нужно алюминиевую заготовку брать длиною больше, на поправку плавления.

При сварке рекомендуется проводить обдув зоны сваривания, используя для этого азот. Воздух здесь не пойдет, он тут же будет образовывать оксидную пленку. Если свариваются медные и алюминиевые трубки, то их необходимо надеть на стержень, состыковав в одной точке.

Замковое соединение – это когда на пластину из алюминия накладывается плоская деталь из меди. При этом производится сварка медной заготовки по периметру. При этом ширина шва должна быть равна толщине медной накладки. Процесс проводится с использованием графитовых вставок, которые и будут формировать шов соединения.

Можно ли использовать медные детали под пайку повторно?

Для начала давайте вспомним, технологию пайки медных деталей

Напомню коротко и тезисно. Этой теме посвящена статья про достоинства медных труб и повторяться не хотелось бы.

• В деле пайки медных деталей нет никакого творчества. Либо делаем по указанным шагам, либо ничего не получается.
• Готовим наши детали. Отрезаем, зачищаем заусенцы и поверхности.
• Намазываем флюсом и вставляем детали друг в друга.
• Нагреваем газовой горелкой и паяем обычным оловянным припоем.
• Охлаждаем получившееся соединение.

Сварка меди со сталью

Варить медь со сталью сложно, но можно. Для этого используются все те же методы, что и при сварке двух стальных заготовок. Единственное, на что необходимо обратить внимание, это разная температура плавления металлов. Поэтому при формировании кромок нужно кромку стальную делать более длиной (в 3,5 раза) и тонкой, чтобы в процессе сварки тонкий металл начинал быстрее плавиться.

Если сварка производится угольными электродами, то процесс проводится на постоянном токе прямой полярности. Длина дуги 14-20 мм, ее напряжение 40-55 вольт, а сила тока 300-550 ампер. Сварка проводится в защитном флюсе, который имеет точно такой же состав, как и при сварке медных сплавов. Сам флюс засыпается в зазор между заготовками.

Иногда встречаются ситуации, когда надо приварить медную шпильку к стальной детали. Для этого нужно применять обратную полярность, сам процесс проводится под флюсом без предварительного прогрева кромок. Стальные шпильки к медным деталям привариваются плохо, поэтому на шпильку надевают в натяг медное кольцо, которое и приваривается к медной заготовке.

Вот такие способы сварки медных сплавов и заготовок, которые сегодня применяются в промышленности и в домашних мастерских. Обязательно посмотрите видео, размещенное на этой странице сайта.

Сложности повторной пайки

Очевидно, когда мы нагрели спаянное соединение и разобрали его, обе детали будут покрыты припоем. Этот припой не позволит вставить одну деталь в другую для повторной пайки. Таким образом, наша технология пайки нарушается. Мы не можем выполнить один ее шаг, а именно вставить одну деталь в другую. Поскольку все шаги одинаково важны, то можно сделать вывод, что повторная пайка будет ненадежна. Это так и есть.

Чтобы соединение получилось хорошо, нам надо счистить припой, чтобы детали можно было намазать припоем и вставить одну в другую перед пайкой. Счищать припой нудно и тяжело, но возможно. Приходится использовать подручные средства.

К сожалению, нагреть деталь и почистить ее от старого припоя, у меня не получилось. Максимум, что возможно, так это только стряхнуть капли. Но их обычно и так нет.

Припой на внешних частях трубы можно легко зачистить напильником. Но к сожалению, чистить приходится чаще всего не трубы, а фитинги. Именно их охота использовать повторно, а у фитингов надо чистить внутреннюю поверхность. Приходится использовать круглый или треугольный напильник, шарошки в сочетании с дрелью или сверлильным станком, другие подходящие насадки. И все равно, добиться сопряжения деталей реально трудно, нудно и долго.

Часто дело осложняется тем, что фитинг немного деформирован. Тогда нужно править. Это дело еще нуднее и доводит до исступления. Лично мне нравится нудная работа, она меня успокаивает, но не до такой же степени.

Мне как-то раз так надоело это выравнивание, что я зажал переход на резьбу в тиски (но очень осторожно), направил на него горящую горелку, и когда и конец трубы и фитинг нагрелись, просто с силой вставил один в другой и провернул. И получилось. Детали сопряглись.

В итоге все равно пайка медных деталей, уже бывших в употреблении не кажется мне экономически выгодным делом, ибо на него тратится куча времени и газа, а вероятность неудачи вырастает при этом почти до 25 процентов. Это значит, что соединение нужно сразу проверять и, в случае течи, переделывать. Процесс немного облегчается, если использовать старый фитинг и новую трубу, например, подрезать старую, срезать кусочек с припоем.

Но я, все таки, потратил время и, несмотря на затраты времени и выросший риск, использовал повторно несколько дорогостоящих деталей.

Знающий, что экономия выходит боком, но наступающий на те же грабли
Дмитрий Белкин