RU2325252C2 - Method of fusion welding of copper and its alloys with steel - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: copper alloy is welded in advance onto an edge of the steel part so that the portion of the base metal in the deposited weld metal would not exceed 0.08. The deposited intermediate weld layer is welded with copper or copper alloy. When welding the copper alloy onto steel and welding the deposited weld metal layer with the copper alloy part, the filler material of the same copper alloy is used.

EFFECT: minimum transition of iron into weld metal; decrease of chemical and structural inhomogeneity; high mechanical strength; plastic properties; impact strength of weld metal.

1 tbl

Description

Изобретение относится к области сварочного производства и может быть использовано в машиностроении, судостроении и других отраслях промышленности при изготовлении и монтаже различных узлов и конструкций, включающих детали и изделия из меди или ее сплавов и стали, кроме деталей или изделий из оловянных бронз.The invention relates to the field of welding production and can be used in mechanical engineering, shipbuilding and other industries in the manufacture and installation of various components and structures, including parts and products from copper or its alloys and steel, except for parts or products from tin bronzes.

Как показали исследования, для сварки меди и ее сплавов со сталями в качестве электродных или присадочных материалов применяют проволоку, прутки, порошки или стержни электродов из медных сплавов. При непосредственной сварке плавлением меди и ее сплавов со сталями в металл шва переходит значительное количество железа. Из-за незначительной растворимости железа в меди и ее сплавах в металле шва образуется новая фаза - железистая составляющая (æ-фаза), которая отсутствовала в исходных основных и присадочном (электродном) металлах. Образующаяся в металле шва æ-фаза обладает высокой твердостью и очень низкими, близкими к нулю, пластическими свойствами (относительное удлинение и относительное сужение) и ударной вязкостью. При значительном содержании æ-фазы в металле шва существенно уменьшаются относительное удлинение, относительное сужение, угол загиба и ударная вязкость металла шва и сварных соединений. Поэтому при сварке меди и ее сплавов со сталями целесообразно уменьшить переход железа из стали в металл шва.Studies have shown that for welding copper and its alloys with steels, wire, rods, powders or rods of electrodes made of copper alloys are used as electrode or filler materials. In direct fusion welding of copper and its alloys with steels, a significant amount of iron passes into the weld metal. Due to the insignificant solubility of iron in copper and its alloys in the weld metal, a new phase is formed - the glandular component (æ-phase), which was absent in the initial base and filler (electrode) metals. The æ phase formed in the weld metal has high hardness and very low, close to zero, plastic properties (relative elongation and relative narrowing) and impact strength. With a significant content of the æ phase in the weld metal, the relative elongation, relative narrowing, bending angle and toughness of the weld metal and welded joints significantly decrease. Therefore, when welding copper and its alloys with steels, it is advisable to reduce the transition of iron from steel to weld metal.

Известны способы дуговой сварки меди и ее сплавов со сталями с использованием промежуточной вставки из медно-никелевого сплава, с перекрытием стальной детали медной деталью или с выступом медной свариваемой кромки на стали (например, по А.с. №1518097, А.с. №1447596, А.с. №1348110). Однако сварка по всем этим способам не всегда конструктивно возможна или целесообразна и не приводит к уменьшению содержания железа в металле шва.Known methods for the arc welding of copper and its alloys with steels using an intermediate insert made of a copper-nickel alloy, overlapping a steel part with a copper part or with a protrusion of a copper welded edge on steel (for example, according to A.S. No. 1518097, A.S. No. 1447596, A.S. No. 1348110). However, welding by all these methods is not always structurally possible or expedient and does not lead to a decrease in the iron content in the weld metal.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является принимаемый нами за прототип способ электродуговой сварки меди со сталью (А.Е.Вайнерман. Технология электродуговой сварки меди со сталью. Л.: ЛДНТП, 1963 г.).The closest analogue of the claimed invention is the method of electric arc welding of copper and steel adopted by us as a prototype (A.E. Weinerman. Technology of electric arc welding of copper and steel. L .: LDNTP, 1963).

По этому способу медь и ее сплавы непосредственно сваривают со сталью электродуговым способом электродами марок «Комсомолец» или МНЖ5-1 с покрытием 3Т и неплавящимся электродом в среде аргона с применением в качестве присадочного материала проволоки из меди марки M1 и из бронзы марки БрКМц3-1 (для сварки меди со сталью) или из сплава марки МНЖ5-1 (для сварки медноникелевого сплава со сталью). В результате такой сварки образуется шов с медной основой и включениями стали до 34%. Хотя при этом способе сварки и обеспечивается высокое значение временного сопротивления разрыву металла шва и сварного соединения, недостатками этого способа являются значительный переход железа в металл шва, образование значительного количества выделений хрупкой и твердой æ-фазы, низкие пластические свойства и ударная вязкость металла шва и сварных соединений.According to this method, copper and its alloys are directly welded to steel by an electric arc method using Komsomolets or MNZh5-1 3T coated electrodes and a non-consumable electrode in argon atmosphere using copper wire of M1 grade and BrKMts3-1 bronze as an additive material ( for welding copper with steel) or from an alloy of the MNZh5-1 grade (for welding a copper-nickel alloy with steel). As a result of such welding, a seam with a copper base and steel inclusions of up to 34% is formed. Although this method of welding provides a high value of the tensile strength of the weld metal and welded joint, the disadvantages of this method are the significant transition of iron into the weld metal, the formation of a significant amount of precipitates of brittle and solid æ-phase, low plastic properties and the toughness of the weld metal and welded compounds.

Техническим результатом заявляемого изобретения является разработка способа сварки плавлением меди и ее сплавов со сталями, при котором обеспечивается минимальный переход железа в металл шва, уменьшение химической и структурной неоднородности в металле шва, а также высокие прочность, пластические свойства и ударная вязкость сварных соединений.The technical result of the claimed invention is the development of a method of fusion welding of copper and its alloys with steels, which ensures a minimum transition of iron into the weld metal, reduction of chemical and structural heterogeneity in the weld metal, as well as high strength, plastic properties and toughness of welded joints.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается за счет того, что сварку меди и ее сплавов со сталями выполняют через промежуточный слой медного сплава, наплавляемый на свариваемую кромку стали, причем этот промежуточный слой наплавляется на сталь таким образом, чтобы доля участия стали в наплавленном металле не превышала 0,08 (в соответствии с работой [Г.Л.Петров. Сварочные материалы., Л. Машиностроение, 1972 г, стр.19] доля участия основного металла в наплавленном определяется по выражению ψ=S_ом/(S_ом+S_нм), где ψ - доля основного металла в наплавленном, S_ом - площадь противления основного металла; S_нм - площадь наплавленного металла), а сварку наплавленного промежуточного слоя с медной деталью осуществляют с применением того же присадочного материала, который применяется для сварки меди или ее сплавов со сталью. При таком способе сварки обеспечивается как минимальный переход железа в металл шва, так и уменьшение химической и структурной неоднородности в металле шва, так как для наплавки металла подслоя применяют тот же присадочный (электродный) металл, который принят для сварки медного сплава со сталью.The technical result of the invention is achieved due to the fact that the welding of copper and its alloys with steels is performed through an intermediate layer of a copper alloy deposited on the welded edge of the steel, and this intermediate layer is deposited on the steel so that the proportion of steel in the deposited metal does not exceed 0 , 08 (in accordance with the work of [G.L. Petrov. Welding materials., L. Mashinostroenie, 1972, p.19]] the participation of the base metal in the deposited metal is determined by the expression ψ = S _ohm / (S _ohm + S _nm ) , where ψ is the fraction of the main alla in the weld, S _th - the area of opposition of the parent metal; S _nm - weld metal area) and welding the weld intermediate layer with a copper part is performed using the same filler material, which is used for welding of copper or its alloys and steel. With this welding method, both the minimum transition of iron into the weld metal is ensured, as well as the reduction of chemical and structural heterogeneity in the weld metal, since the same filler metal is used for welding the sublayer metal, which is adopted for welding a copper alloy with steel.

Опробование предложенного способа сварки меди и ее сплавов со сталью проводили путем аргонодуговой сварки неплавящимся электродом пластин толщиной 12-15 мм из стали марок Ст3, 20 или АБ2-ПК с пластинами толщиной 12-15 мм из меди, сплава марки МНЖ5-1 или бронзы марки БрА9Ж4Н4 с применением в качестве присадочного материала проволоки из сплавов марок БрКМц3-1, МНЖКТ5-1-0,2-0,2, БрАМц9-2 и БрАЖНМц8,5-4-5-1,5, причем экспериментальным путем техника и режимы наплавки медного сплава на сталь были определены такими, что доля участия стали в наплавленном металле составляла ψ=0,065-0,07. При этом на пластинах из медных сплавов выполнялся скос кромок, подлежащих сварке, под углом 55-60°, а на стальных пластинах скос кромок, подлежащих сварке, составлял 90°. На стальные кромки, подлежащие сварке, наплавляли на постоянном токе прямой полярности слой медного сплава толщиной 2-3 мм проволоками из сплавов марок БрКМц3-1 и МНЖКТ5-1-0,2-0,2 и на переменном токе аналогичный слой медного сплава проволоками из алюминиевых бронз марок БрАМц9-2 и БрАЖНМц8,5-4-5-1,5. После этого выполняли сварку аргонодуговым способом неплавящимся электродом стальных пластин, кромки которых были наплавлены присадочным материалом из медного сплава, с пластинами из медного сплава. При этом на постоянном токе прямой полярности сваривали: с применением проволоки из бронзы марки БрКМц3-1 пластину из меди с пластиной из стали с кромкой, наплавленной бронзой марки БрКМц3-1; с применением проволоки из сплава марки МНЖКТ5-1-0,2-0,2 пластину из сплава марки МНЖ5-1 с пластиной из стали с кромкой, наплавленной сплавом марки МНЖКТ5-1-0,2-0,2; на переменном токе сваривали: с применением проволоки из бронзы марки БрАМц9-2 пластину из бронзы марки БрА9Ж4Н4 с пластиной из стали с кромкой, наплавленной бронзой марки БрАМц9-2 и с применением проволоки из бронзы марки БрАЖНМц8,5-4-5-1,5 пластину из бронзы марки БрА9Ж4Н4 с пластиной из стали с кромкой, наплавленной бронзой марки БрАЖНМц8,5-4-5-1,5. Для сравнения была выполнена сварка аналогичных пластин из стали с пластинами из меди и медных сплавов по способу, принятому нами за прототип.Testing of the proposed method for welding copper and its alloys with steel was carried out by argon arc welding of non-consumable electrode plates 12-15 mm thick made of steel grade St3, 20 or AB2-PK with plates 12-15 mm thick made of copper, an alloy grade MNZh5-1 or bronze grade BrA9Zh4N4 using wire made from alloys of the BrKMts3-1, MNZHKT5-1-0,2-0,2, BrAMts9-2 and BrAZhNMts8,5-4-5-1,5 alloys as filler material, moreover, experimentally the technique and surfacing modes of copper alloy on steel were determined such that the proportion of steel in the deposited metal is ψ = 0.065-0.07. In this case, the bevel of the edges to be welded was carried out on copper alloy plates at an angle of 55-60 °, and on the steel plates, the bevel of the edges to be welded was 90 °. A layer of a copper alloy with a thickness of 2–3 mm thick was deposited onto steel edges to be welded with direct current of direct polarity with wires made of BrKMts3-1 and MNZHKT5-1-0,2-0,2 alloys and with an alternating current a similar layer of copper alloy with wires of aluminum bronzes of the brands BrAMts9-2 and BrAZHNMts8.5-4-5-1.5. After this, argon-arc welding was performed with a non-consumable electrode of steel plates, the edges of which were welded with filler material from a copper alloy, with plates from a copper alloy. At the same time, they were welded with direct current of direct polarity: using a BrKMts3-1 bronze wire, a copper plate with a steel plate with an edge welded with BrKMts3-1 bronze; using a wire from an alloy of the MNZHKT5-1-0,2-0,2 grade; a plate from an alloy of the MNZhKT5-1 brand with a plate of steel with an edge welded by an alloy of the MNZHKT5-1-0,2-0,2 brand; they were welded on alternating current: using a wire made of BrAMts9-2 bronze grade a plate made of bronze grade BrА9Ж4Н4 with a steel plate with an edge welded with bronze grade BrAMts9-2 and using a wire made of bronze grade BrАЖНМц8,5-4-5-1,5 a plate made of bronze grade BrА9Ж4Н4 with a plate of steel with an edge deposited with bronze grade BrАЖНМц8,5-4-5-1,5. For comparison, welding of similar steel plates with plates of copper and copper alloys was performed according to the method adopted by us for the prototype.

Из полученных сварных соединений пластин из меди и медных сплавов с пластинами из сталей были изготовлены образцы для определения временного сопротивления разрыву, относительного удлинения и ударной вязкости металла шва. Результаты определения свойств металла шва в сварных соединениях медных сплавов со сталями приведены в таблице. Анализ полученных результатов показывает следующее. Относительное удлинение и ударная вязкость металла шва при надрезе как по центру шва, так и по границе сплавления со сталью при предложенном способе сварки значительно (преимущественно в 2-3 раза) выше, чем при способе сварки по прототипу; в то же время временное сопротивление разрыву металла шва при обоих способах сварки обеспечивает его равнопрочность с медным сплавом. Поэтому обеспечивается более высокая работоспособность и надежность сварных соединений, полученных по предложенному способу сварки и эксплуатирующихся при знакопеременных и ударных нагрузках, чем при способе сварки по прототипу.From the obtained welded joints of plates of copper and copper alloys with plates of steel, samples were made to determine the tensile strength, relative elongation and toughness of the weld metal. The results of determining the properties of the weld metal in welded joints of copper alloys with steels are given in the table. An analysis of the results shows the following. The relative elongation and toughness of the weld metal with an incision both in the center of the weld and along the fusion border with steel with the proposed welding method is significantly (mainly 2-3 times) higher than with the prototype welding method; at the same time, the tensile strength of the weld metal in both welding methods ensures its equal strength with a copper alloy. Therefore, a higher efficiency and reliability of welded joints obtained by the proposed welding method and operated under alternating and shock loads is ensured than with the prototype welding method.

ТаблицаTable Механические свойства металла шва сварных соединений меди и ее сплавов со сталямиMechanical properties of the weld metal of welded joints of copper and its alloys with steels Основной металлBase metal Присадочный металлFiller metal Способ сваркиWelding method σ_в, МПаσ _in , MPa δ, %δ,% Ударная вязкость, Дж/см² при надрезеImpact strength, J / cm ² when notched Медный сплавCopper alloy СтальSteel по центру шваin the center of the seam по границе со стальюalong the border with steel МедьCopper 20twenty БрКМц3-1BrKMts3-1 по прототипуprototype

-- по изобретениюaccording to the invention

-- МНЖ5-1MNZH5-1 20twenty МНЖКТ5-1-0,2-0,2MNZHKT5-1-0,2-0,2 по прототипу prototype

по изобретениюaccording to the invention

БрА9Ж4Н4BrA9Zh4N4 АБ2-ПКAB2-PC БрАЖНМц8,5-4-5-1,5BRAZHNMts8.5-4-5-1.5 по прототипуprototype

--

по изобретениюaccording to the invention

БрА9Ж4Н4BrA9Zh4N4 Ст3St3 БрАМц9-2BRAMc9-2 по прототипуprototype

по изобретениюaccording to the invention

Примечание: * приведены значения ударной вязкостиNote: * impact strength

Claims (1)

Способ сварки плавлением меди и ее сплавов со сталью с использованием присадочного материала из медного сплава, отличающийся тем, что предварительно на кромку стальной свариваемой детали наплавляют промежуточный слой из медного сплава, доля основного металла в котором не превышает 0,08, а затем сваривают промежуточный слой из медного сплава с деталью из меди или ее сплава, при этом наплавку промежуточного слоя на сталь и его сварку с деталью из меди или ее сплавов выполняют с использованием одного и того же присадочного материала.A method of fusion welding of copper and its alloys with steel using filler material of a copper alloy, characterized in that the intermediate layer of copper alloy is first deposited onto the edge of the steel to be welded, the proportion of the base metal in which does not exceed 0.08, and then the intermediate layer is welded of a copper alloy with a part of copper or its alloy, while the surfacing of the intermediate layer on steel and its welding with a part of copper or its alloys is performed using the same filler material.