ОСНОВЫ СВАРКИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

Пайка представляет собой физико-химический процесс соеди­нения металлов в результате взаимодействия основного (паяемого) металла п припоя (жидкого присадочного металла). При заполне­нии зазора между паяемыми деталями расплавленным припоем между ним и деталями образуется межатомная связь. Для получе­ния качественного спая необходимо удалить оксидную пленку с соединяемых поверхностей, создав этим условия для взаимодей­ствия твердого п жидкого металлов. Имея определенное сходство со сваркой плавлением, панка, тем не менее, значительно от нее от­личается. Панка пронехолпт при температурах ниже температур плавлення металла соединяемых детален, п формирование шва свя­зано с капиллярным течением жидкого металла, заполняющего за­зор, При паїіке не происходит высокотемпературною нагрева дета­лен, что не приводит к их деформации, а низкотемпературный нагрев позволяет сохранить неизменность структуры п свойств основного металла. Пайка (в противоположность сварке) образуем - разъемные соединения.

В соответствии с технологическими особенностями процесса пай­ку классифицируют по следующим признакам:

• по характеру взаимодействия твердого и жидкого металлов при возникновении спая:

• по особенностям технологии образования паяного соединения;

• по способам нагрева.

По первому признаку выделяют пять видов спаев.

1. Бездиффузионный - в процессе панки основной металл и жид­кий припой вступают в физико-химическое взаимодействие, обусловленное разницей! их свойств и энергетического состоя­ния. При снижении темперагурьі нанки и времени выдержки интенсивность взаимодействия уменьшается и появляется воз­можность образования химических связей при отсутствии диф­фузии в объеме взаимодействующих металлов.

2. Диффузионный - наблюдается растворение основного металла в припое и взаимная диффузия элементов, входящих в состав при­поя и основного металла. Используется для повышения темпера­туры плавлення припоя и выравнивания химического состава шва и основного металла.

3. Капиллярный - расплавленный припой затекает в зазор благодаря смачиванию стенок капилляра. Заполнение зазора зависит от ве­личины поверхностного натяжения и плотности припоя.

v 4. Контактно-реактивный - жидкий припои образуется в резуль­тате взаимодействия с основным металлом (взаимной диф­фузии) введенных в зазор твердых металлических прокладок или покрытий, которые наносятся на контактпруемые поверх­ности различными методами металлизации. При этом темпе­ратура плавления припоя ниже температуры плавления метал­ла прокладок.

о. Металлокерамииеский - осуществляется прппоямн-нано. пште - лямп (порошками или волокнами) более тугоплавких, чем при­пои, металлов. Шов образуется в результате взаимодействия

Ггі жидкой части припоя с основным металлом и наполнителем, что приводит к повышению юмперагуры плавления и прочнос­ти металла шва. Такие припои обладают малой растекаемостью. п перед пайкой их закладывают в аазор между деталями.

Нагрев деталей при пайке может быть местным (в районе шва) н общим. По температурам плавлення припои делятся на мягкие (7' > 450 °С) и твердые (Гм =■ 450...900 °С). Местный нагрев может производиться пламенем газовой горелки, индукционным нагревом, паяльником. Общий нагрев производится в печах, пайкой погруже­нием в ванну расплавленных солей, флюсов, припоя.

Взаимодействие между металлами при пайке может завершаться на разных стадиях развития процессов между основным металлом и припоем. В соответствии с этим будут меняться состав, структура спая и отдельных зон паяного соединения. Если процесс прекращается на стадии возникновения химических связен, когда можно пренебречь взаимной диффузией паяемого металла и расплава припоя, то образу­ется бездпффузпониыи спай. Последующая выдержка во времени со­здает условия для развития диффузионных процессов. Спай, который образуется в условиях протекания растворно-диффузионных процес­сов, называют растворно-диффузионным. Спаи, возникающие в ре­зультате контактною плавления (переход в жидкое состояние разно­родных материалов при температуре ниже их точки плавления), относят к контакт но - р еа к ни они ы м.

Перед пайкой любым способом паяемая поверхность деталей дол­жна быть тщательным образом очищена для удаления различного рода неметаллических загрязнений. Поэтому металлическая поверхность должна быть подготовлена к пайке. Способы подготовки поверхнос­ти разнообразны.

Термическая очистка производится ацетилено-кислородной горел­кой. При удалении окалины и изоляции этот способ сочетается с пос­ледующей обработкой поверхности металлическими щетками.

Механическая очистка хороша тем, что создает шероховатую повер­хность, улучшающую капиллярное течение припоя в зазоре, Инстру­ментом служат металлические щетки, нанпльннкн, шабер, шлифоваль­ные шкурки. Рекомендуется дли подготовки поверхности алюминиевых сплавов е целью удаления с поверхности деталей окменой пленки А1,0(1 прочно сцепленной с металлом деіалн. При необходимости очистки боль­шого количества одинаковых но форме мелких деталей и удаления зау­сенцев е их кромок рационально применять галтовочные барабаны, Эф­фективны гндронескоетруйная н дробеструйная обрабоїка; первая производится в специальных гпдропескострупиых камерах.

Химическая очистка производится путем обезжиривания дета. іеіі и их травления с последующей промьііікоіі в воде. Обезжиривание проводят с целью удаления с поверхности жировых загрязнении. Составы для обезжпрннання разнообразны и зависят от химическо­го состава деталей, подлежащих обезжириванию, а также от характе­ра и степени загрязненности деталеіі. Так, для обезжиривания повер­хности стальных и чугунных деталеіі применяют состав, содержащий: едкий натр (16....'30 г/л), углекислый натрий (10.„35 т/л), трннатрий - фосфат (10.„65 г/л). Для обезжиривания поверхностей алюминие­вых деталеіі: едкий натр (10 г/л), углекислый калий (50...60 г/л) и жидкое стекло (30 г/л). Консервирующие смазки с поверхности из­делий со сложной конфигурацией, с внутренними полостями и глу­бокими отверстиями удаляют с помощью органических растворите­лей - бензина, ацетилена, дихлорэтана и др.

Химическое травление. Составы ванн для химического травления весьма разнообразны и зависят от химического'состава металла дета­лей, подлежащих травлению, Так, для углеродистых сталей применя­ют состав: серная кислота (150 г/л), хлористый натрий (4 г/л), при­садка КС (4 г/л); для алюминия и его сплавов: едкий натр (20...35 г/л) и углекислый натрий (20...30 г/л). Существуют и другие способы травле­ния (электрохимическое, с применением ультразвука, одновременное обез­жиривание и травление).

Следует отметить, что наряду с тщательной подготовкой поверх­ности детали перед пайкой, в процессе пайки происходит окисление металла из-за нагрева поверхности. Да и на подготовленной поверх­ности могут возникнуть окненьге пленки в процессе длительного хра­нения деталей после обработки поверхности. Поэтому при пайке прак­тически всегда применяют флюсы, которые предназначены для защиты металла от окисления кислородом из окружающей среды, очистки поверхностей от окисных пленок и улучшения смачиваемости метал­ла припоем.

Флюс для пайки должен иметь меньший удельный вес и температу­ру плавления, чем припои, и в расплавленном виде хорошо смачивать металл. Эти свойства способствуют очистке поверхностей от окпепых пленок до плавления припоя и вытеснению флюса по мере растекания припоя. В зависимости от свойств паяемых металлов и применяемых для них припоев флюсы можно разделить на три группы.

1. Флюсы, предназначенные для пайки мяікимн припоями на ос­нове олова п евннна. Основой таких флюсов служат органи­ческие соединения (каинфоль. вазелин), хлориды цинка пли аммония. Флюсующий оффекі канифоли (7’ч1=125 °С) связан

Г>(>

с содержанием п ней абиетиновой кислоты, растворяющей некоторые оксиды. При температуре 300...400 °С канифоль разлагается с выделением углерода и водорода, что ведет к интенсификации восстановления окислов паяемого металла. В нашей стране и за рубежом разработано большое количе­ство флюсов для низкотемпературной пайки черных н цвет­ных металлов. Перечисленные выше органические вещества в чистом виде в настоящее время применяются редко. Большое применение нашли органические флюсы, активированные различными неорганическими соединениями. Такие флюсы используются для пайки не только меди и ее сплавов, но и конструкционных углеродистых и коррозионностойкнх вы­соколегированных сталей. Примером может служить флюс ЛМ-1, предназначенный для пайки хромоннкелевых, корро - зиоиностойких сталей припоем с содержанием олова 30%. Он имеет состав; ортофосфорная кислота.'32%, канифоль 6%. спирт этиловый (32%, Температурный интервал активности флюса составляет 200...240 °С. Другой флюс состава: хлорис­тый цинк 48%, хлористьііі аммоний 12% и вода 40% - пред­назначен для нанки углеродистых и низколегированных ста­лей, меди, никеля и их сплавов и имеет температурный интервал активности 150...320 °С.

Флюсы, предназначенные для пайки твердыми припоями. Они содержат фтористые соединения (RF, CaFe, и др.), фторобо - раты (KBF., NaBF, и др.) и обязательно борный ангидрид В,0,, борную кислоту НДЗО, или плавленую буру Na, B,0_. Флюсы получают методом сплавлення компонентов, используют сплав в виде порошков или паст, замешанных на воде, спирте или других связках. Так, для пайки конструкционных и кор - розиопностопкпх легированных сталей служит флюс марки І1В209, имеющий состав: калия фтористого 41.„43%, оксида бора 34...36%, тетрафторбората калия (K. BF4) 22.„24%. Тем­пературный интервал активности 800... 1200 °С. Флюс марки 18В служит для пайки сталей, никелевых, медных сплавов серебряными припоями; содержит фтористый калий и бор­ную кислоту: его температурный интервал 550.„850 °С. Флюсьг. предназначенные для панки алюминия и его сплавов (фториды и хлориды металлов). Примером может служить флюс марки Ф5, содержащий хлористый калий (45%). хлори­стый магний (28"„), фтористый натрий (10%), хлористое оло­во (3%). хлористый кадмий (4%). Температурный интервал ею

активности 120...620 °С: предназначен для папки алюминие­вых сплавов тина ЛДІ, ЛМц н Л Mr.

Одновременно с выбором марки флюса выбирают состав припоя. При сварке мягкими (нпакотемпера гурнымп) припоями большое распространение имеют оловянно-свинцовые нрнноп марок НОС (ПОС-90, 1ЮС--10, ПОС-61 н г. д.). 'Гак, припой ПОС-61, имеюіциіг состав цинка 60...62% (осгальное - свинец), имеет температуру нача­ла илавлеция 190 "С и служит для лужения и пайки медных детален (радио - ц электроаппаратура).

Разнообразен состав припоев для высокотемпературной пайки твердыми припоями. Он в основном зависит от состава паяемого металла и условий эксплуатации конструкции. По системе легирова­ния эти припои делятся на несколько групп.

Серебряные и палладиевые припои. Эти припои, содержащие се­ребро, обладают повышенной тепло - и электропроводностью, высо­кой пластичностью, прочностью, коррозионной стойкостью и тех­нологичностью. Позволяют производить нагрев различными способами в различных средах. Применяются серебряные припои с содержанием меди, цинка, кадмия, олова, фосфора и других эле­ментов. Особо широкое распространение в промышленности полу­чили нрнноп марки ПСр72. содержащие 7 1,д...72,5% серебра (ос­тальное - медь), п ПСр, содержащие 69.0...4 1,0% серебра. 16,0...17,1% меди и 16,2...17.8% цинка. Эти припои обладают высокой техноло­гичностью.

Медно-цинковые припои представляют собой двойные сплавы меди н цинка в различных соотношениях. Интересны припои с содержани­ем цинка менее 39%; они имеют однофазную структуру и обладают наибольшей пластичностью. Иногда в их состав вводят олово н крем­ний в небольших количествах (до 1%). Олово снижает температуру плавления припоя и повышает его жндкотекучесть, а кремнии сни­жает испарение цинка. Примером служит припой, содержащий

34.. .38% меди (остальное - цинк): температура его плавления

800.. .825 "С. Применяют припои этого типа для пайки углеродистых сталей п меди при нагреве ТВЧ, в соляных ваннах, газовой горелкой.

Медно-фосфористые припои. Сплавы меди с фосфором (4...9%) обладают высокой жндкотекучестыо п коррозионной стойкостью, имеют сравнительно низкую температуру плавления п могут служить заменой серебряных п медно-нпнкопых припоев при пайке меди н ее сплавов.

В нрнпон для ааГнш алюминиевых сплавов входят кремний, се­ребро, медь, иннк, кадмий и др. Наибольшей коррозионной стойкос­

ти ті>іо обладают кріпиш с кремнием (4...13%). 'Гак, нргіноіі марки 35A содержит 20...22% меди, fi,5...7,5% кремния (остальное - алюминии) н имеет дианалон темперніур плавления 500...540 °С.

Процессы панки деталеіі и, і различных материалов имеют сноп технологические особенности. Гак, окисная пленка на поверхности низкоуглеродисгых п иизколегироваиных сталеіі обладает нп. ткоіі химическоіі стойкостью и легко восстанавливается в атмосфере кис­лорода, диссоциировавшегося из аммиака, в продуктах сгорания сме­сей воздуха с горючими газами. При пайке закаливающихся низко­легированных сталеіі возможен их отпуск в процессе пайки, чт о может привести к изменению их механических свойств. Поэтому папку ве­дут при температуре высокого отпуска с применением припоев п флю­сов, обеспечивающих получение высококачественных паяных соеди­нений (припой ГіСр-40 и флюс ГІВ209). Повышенные скорости охлаждения соединения после пайки (если они требуются) можно обеспечить обдувом сжатым воздухом либо водяным охлаждением.

При паї і ке коррознонностопких сталей, легированных хромом н ни­келем, аустенптпых, мартенентиых и аустеннтио-феррнтных сталеіі на их поверхности образуются оксиды хрома, химически болел' стойкие, чем на пелешроваиных сталях. Поэтому их пайка представляет значи­тельные трудности и требует выбора активных флюсов и газовых сред. При нпзкотемпературноіі нанке эгпх сталей паяльником или газової! горелкой применяют каннфольно-спнрговые флюсы с добавкой орто­фосфорної-! кислоты. Паїіка таких сталеіі отличается. за счет нанесення на соединяемые поверхности таких технологических покрытии как медь, серебро, никель. Э го связано с тем, что в расплавленном состоянии флюсы практически не активируют поверхность стали и не защищают ее от кис­лорода воздуха. Растекаемость оловянисто-свинцовых н других легко­плавких припоев в этом случае можно улучшить предварительным лужением поверхности с применением активных флюсов: при этом при­пой можно наносить с помошыо паяльника пли горелки. Высокотемпера­турную папку коррознонностопких сталей можно проводить серебря­ными, медными, никелевыми и другими припоями. Для папки згих сталей в частости применяют чистую медь в качестве припоя: она хоро­шо смачивает поверхность стали при пайке в среде аргона с гетрафторп - етым бором (ВР ) при температуре 1150 °С.

Пайка алюминия п еп> сплавов низкотемпературными припоями за­труднительна. Как правило, пайку производят с предварительным нане­сением на поверхность паяемых деталей технологических покрытий: медь, гальванический пли химический никель, серебро, цинк - толщи­ной 15...25 мкм. Эти покрытия могут наноситься термовакуумпым

Л!)

напылением, электрохимическим, химическим пли другими спосо­бами. .Лужение паяльником пропилят абра. нгвпым или ультра. Жуко­выми. методами. При абра. швном лужении оксидную гглеику удаля­ют металлической щеткой, шабером, абразивным паяльником. Соединения, выполненные оловяино-евпицовы. мп припоями, при работе в нагруженных узлах и коррозионных средах склонны к щеле­вой коррозии, поэтому применение этих припоев не рекомендуется. Высокотемпературная флюсовая пайка алюминия и его сплавов мо­жет производиться с применением газопламенного нагрева (наряду с другими способами нагрева). При этом используют бензнновоздуш - ньге и га. эово. эдушные смеси. Ацетплено-кисдородное пламя непри­годно, так как оно снижает активность флюса.

При папке, в подавляющем большинстве случаев, прочностные ха­рактеристики припоя п паяного шва (о и ац,) ниже, чем аналогичные характеристики соединяемых металлов. Поэтому для получения рав­нопрочных соединений при папке внахлестку увеличивают площадь спая (рис, 2.27).

Если такие соединения выполняются методом капиллярной панки, го уже при их проектировании необходимо предусмотреть выточки и желобы для размещения ирииоя и флюса. Пахдесючные соединения

Ы)

Если речь идет о пайке чистых металлов (медь, алюминий, никель), то равнопрочность соединений обеспечивается без развитых поверх­ностей контакта, так как прочность применяемых для этих металлов припоев выше прочности соединяемых металлов. Важным фактором, определяющим прочность паяных соединений, является величина за­зора между соединяемыми деталями. При очень большом зазоре проч­ность соединения на разрыв практически близка к прочности припоя. С уменьшением зазора до определенного предела прочность растет. Это связано с эффектом контактного упрочнения мягкой паяной прослой­ки за счет сдерживающего влияния стенок и образованием в мягком паяном слое объемного напряженного состояния. Если припой актив­но взаимодействует с паяемым металлом, то с уменьшением зазора может изменяться химический состав припоя в шве, что может слу­жить как повышению, так и пониженню прочности соединения. В очень узком зазоре могут возникать непропаи и, как следствие, снижение прочности соединения. Величина зазора при ответственной пайке ко­леблется в пределах 0,05—0,25 мм при высокой чистоте обработки по­верхности. При пайке неответственных деталей допускается более гру­бая поверхность (прокат) при зазорах 0,5...1,0 мм. Возможные дефекты в паяном соединении (непропай, поры, трещины) понижают прочность соединения. Предотвращение этого рода дефектов возможно при пра­вильном выборе припоев и флюсов, хорошей подготовке кромок, тща­тельной сборке, равномерном нагреве и контролируемом времени пан­ки.

Обычно сварка позволяет получать соединения с прочностью и пластичностью выше, чем у паяных соединений. Однако папка дает эффект в следующих случаях:

• требование равнопрочности соединения с основным металлом отсутствует:

ы

• нагрев до высоких температур недопустим или нежелателен:

• нужно с высокой точностью подучить узел па собранных дета­лей сразу после их соединения:

• нужно произвести соединение деталей с низкой свариваемос­тью, но нельзя по той п. тп икон причине применить такие спо­собы сварки как ЭЛ С', лазерная.

В судостроении пайка применяется для выполнения разного рода жестяницких работ (в основном это пайка мягкими припоями при различного рода ремонтных работах). Здесь применяются обычно припои па медной и серебряной основе, пайка ведется с помощью ацетилено-кислородного пламени. В судовом машиностроении с по­мощью пайки изготавливают лопатки паровых и газовых турбин, на­правляющие газовых турбин, радиаторов, теплообменников, холо­дильников, сильфонов и т. д. К ряду соединений в подобных узлах часто предъявляют требования жаропрочности, жаростойкости, стой­кости против газовой коррозии и пр. Поэтому при изготовлении уз­лов таких конструкниіі часто применяют металлокерампческую кон­тактно-реактивную н диффузионную пайку - эти способы позволяют получать паяные соединения высокой прочности.

Широко используется панка в судовом приборостроении, при изготовлении деталеіі злектро - и радиоаппаратуры (соединение ме­таллов со стеклом, керамикой, графитом).

Основные элементы технологии пайки любым способом следующие:

• очистка поверхностей, подлежащих папке, от окисных пленок:

• флюсование, укладка припоя, сборка и фиксация деталей;

• нагрев до температуры нанки, выдержка и охлаждение (это и есть пайка);

• удаление остатков флюса с паяных детален.

В такой последовательности составляется технологический про­цесс при пайке конкретных деталей. В этом процессе детализируются и конкретизируются проводимые операции, обеспечивающие полу­чение паяных соединений высокого качества.