16 grudnia 2017


Miedź i jej stopy charakteryzują się niezwykle dobrą przewodnością cieplną i elektryczną, i dlatego są bardzo ważnym materiałem do produkcji urządzeń elektrycznych. Ze względu na dużą przewodność cieplną  i odporność na szok termiczny miedź jest powszechnie stosowana w nagrzewnicach piecyków gazowych. Miedź i jej stopy odznaczają się dobrą odpornością na oddziaływanie korozyjne wody morskiej i chemikaliów, dlatego również są stosowane w takich produktach, jak zbiorniki chemiczne, elementy statków, czy urządzenia do obróbki produktów spożywczych. Dwa razy większa od aluminium przewodność cieplna miedzi i wysoka temperatura topnienia (w porównaniu z aluminium) powodują, że aby efektywnie topić miedź łukiem elektrycznym, trzeba mocno podgrzać spawane grube elementy. W przypadku brązów o znacznie niższej przewodności cieplnej nie ma takich problemów.

Ryszard Jastrzębski, Krzysztof Trześniewski, Paweł Szczepański, Zbigniew Bartkiewicz, Wiesław Kalandyk, Wojciech Budek

Ponieważ przewodność cieplna brązów jest prawie tego samego rzędu co przewodność cieplna stali, do ich spawania bez podgrzewania, wystarczą tradycyjne spawarki impulsowe TIG lub MIG. Ponieważ przewodność cieplna miedzi jest dwa razy większa od aluminium i siedem razy większa od stali, do spawania miedzi bez podgrzewania najlepiej nadają się metody głęboko-wtapiające: elektrody otulone głęboko wtapiające, metoda A-TIG, funkcja forceArc, MIG SpeedPulse oraz metody hybrydowe: spawanie plazmowe+MIG, spawanie laser+TIG [11], [10].

Spawalność miedzi
Przewodność cieplna miedzi (370-400W/m/K) jest dwa razy większa od przewodności cieplnej aluminium (200 W/m/K), przewodność cieplna mosiądzu (110 W/m /K) jest dwa razy mniejsza od przewodności cieplnej aluminium  i dwa razy większa od przewodności cieplnej stali  (58 W/m/K), a przewodność cieplna brązów niklowych jest niewiele większa od przewodności cieplnej stali. Czystą miedź można  podzielić na miedź hutniczą elektrolityczną (EPC) oraz niezawierające tlenu – miedź odtlenioną i miedź beztlenową (OFHC). W miedzi elektrolitycznej pod wpływem O2 szkodliwe nieczystości przekształcają się w tlenki, dlatego jej przewodność elektryczna jest bardzo dobra, ale istnieje wtedy ryzyko obniżenia odporności na korozję i kruchości wodorowej.
Tabela 1  przedstawia typowe rodzaje miedzi oraz stopów miedzi. Czysta miedź ma siedem razy większą od stali przewodność cieplną i z tego powodu ciepło spawania bardzo szybko rozchodzi się po materiale rodzimym, metal spoiny jest trudno przetopić i powstają niezgodności spawalnicze, takie jak przyklejenia /5/.

spawanie miedzi wykres fazowy
a)

wykres fazowyCuH
b)

Rys. 1  Wykresy fazowe miedź-tlen a) i miedź-wodór b)

Temperatura topnienia miedzi i stopów miedzi wynosi ok. 900-1100 °C, a zakres temperatur od roztworu stałego do cieczy jest bardzo szeroki, co powoduje, że łatwo powstają pęknięcia krystalizacyjne. Współczynnik rozszerzalności liniowej jest również wysoki, przez co łatwo powstają odkształcenia względne spawalnicze.

Jak wynika z przedstawionego na rysunku 1 wykresu przemian fazowych miedź-tlen, rozpuszczalność tlenu wraz ze spadkiem temperatury w miedzi gwałtownie maleje, a przy temperaturze 400 °C osiąga wartość bliską zera. Tlen z miedzią tworzy bardzo ubogie roztwory stałe oraz eutektykę o zawartości  tlenu 0,39% (3,5% czerwonego Cu2O) przy temperaturze 1066 °C. Eutektyka tworzy siatkę wzdłuż granic ziaren spoiny /10/.
Jako że czysta miedź nie ma zakresu współistnienia fazy ciekłej i stałej, to uważa się, że nie należy martwić się o pęknięcia wysokotemperaturowe. Jednakże w rzeczywistości, jeżeli usztywnienie jest duże, bądź spawa się grube blachy, to powstają pęknięcia naprężeniowe /6/.

rys2 typowe polaczenie
Rys. 2  Typowe połączenia spawane blach miedzianych (fot. Politechnika Śląska)

Przyczyną ich powstawania jest niska energia liniowa i brak podgrzewania materiału podczas spawania. Prowadzi to do braku mieszania się metalu spoiny z metalem spawanym w SWC. Powoduje to powstawanie i rozrastanie  się grubych kryształów słupkowych, a na granicach ziaren dochodzi łatwo do segregacji zanieczyszczeń. Szczególnie niebezpieczna jest obecność na granicach ziaren nietworzących z miedzią roztworów stałych: bizmutu i ołowiu/10/. Znaczna część tlenków CuO (czarny) pochodzi z wstępnego podgrzewania /10/.

tab 1

Tab. 1  Rodzaje miedzi i typowych stopów miedzi

Z wykresu Cu-H wynika, że w roztworze stałym miedzi z wodorem pomiędzy fazą ciekłą a stałą istnieje duży zakres temperatur, dlatego podczas spawania wodór z roztworu stałego, przy zbyt szybkiej krystalizacji, wytwarza wolny wodór, co jest przyczyną powstawania pęcherzy.
Przyczyną powstawania pęcherzy w spawanych stopach miedzi, poza faktem obniżania się w czasie krzepnięcia rozpuszczalności gazów takich jak wodór,  jest również reakcja pomiędzy tlenkami miedzi  i wodorem. W momencie obniżania temperatury następuje redukcja:
Cu2O +H2 → Cu +H2O
i to właśnie otrzymana para wodna powoduje powstawanie pęcherzy.

rys 3-probka miedz
Rys. 3  Próbka ze spawania gazowego grubościennych rur miedzianych (fot. HPR S.A. Kraków)

W spoinie z miedzi ciągliwej EPC, która zawiera tlen, powstaje wiele pęcherzy, a podczas spawania miedzi beztlenowej, czy z wykorzystaniem materiałów dodatkowych, które zawierają odtleniacze, takie jak Ti bądź Si, praktycznie pęcherze nie powstają, gdyż za główny czynnik ich powstawania w miedzi uznaje się reakcję O2 i H2. Poza tym, przy spawaniu łukowym w osłonie z gazów szlachetnych miedzi beztlenowej,  w spoinie mogą powstawać pęcherze wywołane azotem zawartym w gazach osłonowych [6].

Spawalność  stopów miedzi
W przypadku spawania gazowego mosiądzu cynk utlenia się i staje się przyczyną pęcherzy. W przedstawionych układach fazowych miedzi spotykane są różnorakie składy chemiczne roztworów stałych. Roztwory te posiadają całkiem dobre własności wytrzymałościowe oraz plastyczne, dzięki czemu są stosowane jako stopy przemysłowe. Stopy miedzi, do których dodawane są: Al, Si, Sn, Mn, Si, noszą nazwę brązów aluminiowych, krzemowych itd., a stopy miedzi i cynku nazywane są mosiądzami.
Stopy podwójne miedzi z Ni, Mn dają stałe roztwory ciągłe, innymi dodatkami stosowanymi są przykładowo: Zn, Sn, Al, Si. Podwójne stopy miedzi mają dość złożone związki z powodu obecności w nich niejednolitych faz międzymetalicznych.
Stopy wielofazowe stosowane są rzadziej, posiadają inne roztwory utworzone na podłożu międzymetalicznych faz, przez co są mniej plastyczne.
Rodzaje, właściwości i zastosowanie najważniejszych stopów miedzi zostały przedstawione w tabeli 2.
Przewodność cieplna stopów miedzi jest niższa od czystej miedzi, a przewodność cieplna brązów niklowych (kupronikiel i kunifer ) i fosforowych  jest porównywalna ze stalą czarną.