Пайка сварочных швов в короткие сроки. Сварка-пайка высокопрочных сталей

03.07.2020Рубрика: Термины и понятия

Подскажите, каким методом лучше сваривать оцинкованные детали?

Миг-пайка элемента автомобиля

Для соединения оцинкованных поверхностей в последнее время рекомендуют вместо полуавтоматической сварки в среде аргона МIG-пайку. При сварке разрушенное цинковое покрытие образует с расплавленным металлом шлак, поры, раковины. Это означает пониженное качество и отсутствие цинкового покрытия в зоне сварки. Приходится отправлять детали на повторную гальваническую операцию с целью восстановления антикоррозионного покрытия, что не всегда возможно в узле.

Проблемы при сварке оцинкованного металла

Появление метода МIG-пайки позволило избежать подобных проблем. Метод МIG -пайки отличается от метода МIG-сварки только лишь видом используемой проволоки и режимом процесса.

Для МIG –пайки используется медная проволока CuSi3. Температура ее солидуса небольшая, что позволяет избежать плавления основного металла. Цинковое покрытие не испаряется, а попадая в ванну, образует на поверхности близкое к латуни химическое соединение, которое защищает сварочный шов от коррозии.

Режим сварки оцинкованных сталей

Пайка производится в защитной среде инертного газа, а результат достигается через подбор оптимального режима основного и импульсного тока, при этом переход присадки в шов происходит без короткого замыкания. В режиме импульсного тока его колебания от минимальной до пиковой величины составляют 0,25 до 25 Герц. На изделие выделяется в несколько раз меньше теплоты, а распространение термического влияния в объеме твердого тела резко ограничивается. Капля отрывается от присадочной проволоки по импульсу – как следствие весь процесс практически освобожден от разбрызгивания.
Кроме сталей с оцинковкой, процесс применяется для углеродистых, низколегированных и коррозионостойких сталей. Сваркой-пайкой доступно выполнение вертикальных швов в любом направлении (от потолка к полу и наоборот — никаких проблем) и потолочных. Скорость – до 1000 мм/мин.
С помощью МIG –пайки соединяют очень тонкие стальные листы с минимальными деформациями. Применяется метод МiG –пайки в автосервисе, в судостроении, в системах вентиляции и кондиционирования.
Еще вариант – данным способом прекрасно соединяются рамы велосипедов.

Cварка оцинковки TIG

При ТИГ-сварке, если дуга «как можно короче» шов получается выпуклой формы, что сказывается на усталостной прочности изделия, высокотемпературная пайка приводит к возникновению поводок, а MIG-пайка компенсирует недостатки и первого, и второго, обеспечивая вогнутый шов и делая возможным малое вложение теплоты в материал, при этом прочность соединения остается близкой к сварочной.

проволока медная мм купить

4.1 Расчётная оценка ожидаемых механических свойств металла шва

При оценке ожидаемых механических свойств металла шва необходимо учитывать действие следующих технологических факторов: долю участия основного металла в формировании шва и его химический состав; тип и химический состав сварочных материалов; метод и режим сварки; тип соединения и число проходов в сварном шве; размеры сварного соединения; величину пластических деформаций растяжения в металле шва при его остывании.

4.1.1 Влияние доли участия основного металла и, соответственно, химического состава металла шва на его механические свойства устанавливается эмпирическими уравнениями.

а) Временное сопротивление разрыву s в, МПа, вычисляют по формуле

s в =48+500∙С+252∙Mn+175∙Si+239∙Cr+77∙Ni+80∙W+70∙Ti+

176∙Cu+290∙Al+168∙Mo, (51)

б) Относительное удлинение

δ=50,4─(21,8∙С+15∙Mn+4,9∙Si+2,4∙Ni+5,8∙Cr+6,2∙Cu+

2,2∙W+6,6∙Ti)+17,1∙Al+2,7∙Mo, (52)

где символами в уравнениях 48, 49 обозначено содержание химического

элемента в металле шва, %.

в) s т =0,73∙s в, (53)

где s в – временное сопротивление разрыву, МПа;

г) ψ=2,32∙δ, (54)

где δ – относительное удлинение, %.

4.1.2 Влияние скорости охлаждения и граничных условий на механические

свойства металла шва

а) Мгновенную скорость охлаждения металла в околошовной зоне при температуре наименьшей устойчивости аустенита w 0 , град/с при однопроходной сварке стыковых соединений со сквозным проплавлением определяют по формуле

w 0 =2plсgd 2 (Т min ─Т 0) 3 /(q п 2), (55)

б) Мгновенную скорость охлаждения металла в околошовной зоне при температуре наименьшей устойчивости аустенита w 0 , град/с при сварке тавровых соединений определяют по формуле

w 0 =3plсgd 2 (Т min ─Т 0) 3 /(q п 2), (56)

в) Мгновенную скорость охлаждения металла в околошовной зоне при температуре наименьшей устойчивости аустенита w 0 , град/с при наплавке валика на массивное тело определяют по формуле

w 0 =2pl(Т min ─Т 0) 2 /q п, (57)

где l – коэффициент теплопроводности, Вт/(см× 0 С),

с – удельная теплоёмкость, Дж/(г× 0 С);

g – плотность основного металла, г/см 3 ;

d– толщина свариваемого металла, см;

Т 0 – начальная температура, 0 С;

Т min – температура наименьшей устойчивости аустенита, 0 С;

q п – погонная энергия сварки, Дж/см.

Для низкоуглеродистых и низколегированных сталей можно принять

¾ l=0,42Вт/(см× 0 С);

¾ сg=5,25Дж/(см 3 × 0 С);

¾ Т min =550…600 0 С.

Полученные расчётным путём механические характеристики металла шва по формулам 51─53 следует скорректировать влиянием мгновенной скорости охлаждения (рисунок 9).

Рисунок 9 – График относительных характеристик механических

свойств металла шва в зависимости от мгновенной скорости

охлаждения шва

г) Механические характеристики металла шва с учётом мгновенной скорости охлаждения:

s в шва =s в ∙f(s в), (58)

s т шва =s в ∙f(s т), (59)

ψ шва =s в ∙f(ψ), (60)

4.2 Ожидаемые механические свойства и структурный состав металла околошовной зоны определяют по атласам (структурных превращений металла в точках ОШЗ при сварке) в зависимости от скорости охлаждения или погонной энергии сварки для каждой конкретной марки свариваемой стали (свариваемого металла).

5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ

Алгоритм технологии сварки в общем виде можно представить:

а) Основной металл:

1) выбор, наименование свариваемого материала;

2) оценка свариваемости;

3) подготовка к сварке.

б) Сварочные материалы:

1) выбор, наименование сварочных материалов;

2) подготовка к сварке.

в) Сборка.

г) Сварка:

1) режим сварки;

2) техника выполнения сварки.

д) Зачистка сварного соединения.

е) Контроль качества сварного соединения.

После каждой операции следует назначать контроль.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1.

"ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

РАЗДЕЛКИ КРОМОК НА ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

СВАРНОГО ШВА"

Цели работы.

1. Освоить методику расчёта основных параметров режима дуговой сварки и геометрических параметров сварного шва.

2. Исследовать влияние геометрических параметров разделки кромок на геометрические параметры сварного шва (наплавленного валика).

1. Аппарат сварочный:

2. Эпидиаскоп.

4. Слесарный инструмент.

5. Измерительный инструмент.

6. Калькулятор инженерный.

7. Пластина из стали Ст3 (10, 20, 09Г2С) с канавками различных геометрических параметров.

10. Миллиметровка.

1. Выполнить замеры геометрических параметров канавок;

2. Настроить режим сварки (заданный по таблице 9);

4. Выполнить сварку;

5. Изготовить макрошлиф;

6. Спроецировать контуры сварных швов на миллиметровку и выполнить замеры:

а) Ширины шва, е;

б) Глубины проплавления, h;

в) Высоты усиления, g;

г) Высоты шва, Н;

е) Площади наплавки, F н;

8. Выполнить расчет относительного расхождения, теоретических и полученных экспериментальным путём, значений геометрических параметров сварных швов.

9. Сделать выводы о работе.

Таблица 9 – Параметры режима сварки

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2.

"РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ СТЫКОВОГО СОЕДИНЕНИЯ"

Цели работы.

1. Разработать технологию сварки стыкового соединения пластин из низкоуглеродистой конструкционной стали ферритного класса.

Продолжительность лабораторной работы – 4 часа

Оборудование, инструмент и материалы.

1. Аппарат сварочный:

а) А-1416 в комплексе с источником питания постоянного тока – выпрямителем сварочным ВКСМ-1000 и балластными реостатами РБ-302 (РБ-301, РБ-303);

б) АДФ-1002 в комплексе с источником питания переменного тока – трансформатором сварочным ТДФ-1000.

2. Эпидиаскоп.

3. Оборудование, инструмент и материалы для изготовления макрошлифов.

4. Слесарный инструмент.

5. Измерительный инструмент.

6. Калькулятор инженерный.

8. Сварочная проволока Св-08ХМ (Св-08, Св-08Г2С), диаметром 3,0мм (2,0мм, 2,5мм, 4,0мм).

9. Флюс сварочный АН-60 (АН-348).

10. Миллиметровка.

11. Карандаш с твёрдостью НВ или В.

Задание и методические указания.

11. Изготовить макрошлиф;

а) Ширины шва, е;

б) Глубины проплавления, h;

в) Высоты усиления, g;

г) Высоты шва, Н;

д) Площади проплавления, F пр;

е) Площади наплавки, F н;

17. Сделать выводы о работе.

Пункты задания и методических указаний даны в рекомендуемой последовательности для их выполнения

Временное сопротивление разрыву s в, МПа, определяют по формуле

Предел текучести s т, МПа, определяют по формуле

где НВ – твёрдость металла шва по Бринеллю

Отчёт о лабораторной работе оформить на бумаге формата А4 по ГОСТ 2.105-95. Основную надпись допускается не наносить на поле текстового документа.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3.

"РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ СОЕДИНЕНИЯ С УГЛОВЫМ ШВОМ"

Цели работы.

1. Разработать технологию сварки таврового (нахлёсточного) соединения пластин из низкоуглеродистой конструкционной стали ферритного класса.

2. Применить на практике методику расчёта основных параметров режима дуговой сварки и геометрических параметров сварного шва.

3. Закрепить навыки работы с технической литературой и нормативной документацией.

Продолжительность лабораторной работы – 4 часа

Оборудование, инструмент и материалы.

1. Аппарат сварочный:

в) А-1416 в комплексе с источником питания постоянного тока – выпрямителем сварочным ВКСМ-1000 и балластными реостатами РБ-302 (РБ-301, РБ-303);

г) АДФ-1002 в комплексе с источником питания переменного тока – трансформатором сварочным ТДФ-1000.

2. Эпидиаскоп.

3. Оборудование, инструмент и материалы для изготовления макрошлифов.

4. Слесарный инструмент.

5. Измерительный инструмент.

6. Калькулятор инженерный.

7. Пластины из стали Ст3 (10, 20, 09Г2С).

8. Сварочная проволока Св-08ХМ (Св-08, Св-08Г2С), диаметром 3,0мм (2,0мм, 2,5мм, 4,0мм).

9. Флюс сварочный АН-60 (АН-348).

10. Миллиметровка.

11. Карандаш с твёрдостью НВ или В.

Задание и методические указания.

1. Выполнить замеры геометрических параметров пластин;

2. Из ГОСТов выписать химический состав и механические характеристики основного металла, химический состав сварочной проволоки и сварочного флюса;

3. Оценить свариваемость основного металла по критериям, указанным в разделе 3;

4. В соответствии с ГОСТом или с заданием выбрать тип сварного соединения, назначить исходные геометрические параметры сварного соединения и сварного шва;

7. Оценить стойкость металла шва против образования горячих трещин и стойкость металла околошовной зоны против образования холодных трещин по критериям, указанным в разделе 3.

9. Сделать выводы о правильности выбора сварочных материалов, параметров режима сварки. Разработать технологию сварки в соответствие с рекомендациями раздела 5.

10. В соответствие с разработанной технологией выполнить сварочные работы и контрольные операции;

11. Изготовить макрошлиф;

12. Спроецировать контуры сварного шва на миллиметровку и выполнить замеры:

ж) Ширины шва, е;

з) Глубины проплавления, h;

и) Высоты усиления, g;

к) Высоты шва, Н;

л) Площади проплавления, F пр;

м) Площади наплавки, F н;

13. Замерить твёрдость металла шва;

14. Выполнить расчёт временного сопротивления разрыву и предела текучести металла шва по формулам 61 и 62;

15. Выполнить расчет относительного расхождения, теоретических и полученных экспериментальным путём, значений геометрических параметров сварных швов;

16. Представить значения величин геометрических параметров сварного шва и механических характеристик металла сварного шва, определённые расчетом и экспериментальным путём и относительное расхождение между ними в виде таблицы 10.

17. Сделать выводы о работе.

Пункты задания и методических указаний даны в рекомендуемой последовательности для их выполнения

Таблица 10 – Расчётные и экспериментальные параметры

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. способы дуговой сварки 3

1.1 Электрическая сварочная дуга как технологический элемент 3

1.2 Основные способы дуговой сварки 5

1.3 Расчёт основных параметров режима механизированной сварки

в защитных газах и под флюсом и геометрических параметров

сварного шва 14

2. расчёт химического состава металла шва 22

2.1 Расчёт химического состава металла шва по смешению 22

2.2 Расчёт химического состава металла шва с учётом

прироста элементов из флюса 23

3. расчётные способы оценки сталей против

образования трещин при сварке 24

3.1 Оценка склонности сталей к образованию горячих

трещин при сварке 24

3.2 Оценка склонности легированной стали к образованию

холодных трещин при сварке 26

4. оценка ожидаемых механических свойств

сварного соединения 30

4.1 Расчётная оценка ожидаемых механических свойств

металла шва 30

4.2 Ожидаемые механические свойства и структурный состав

металла околошовной зоны 32

5. разработка технологии сварки 33

6. лабораторная работа №5. "Исследование влияния

геометрических параметров разделки кромок на

геометрические параметры сварного шва" 34

7. лабораторная работа №6. "разработка технологии

сварки стыкового соединения 36

8. лабораторная работа №7. "разработка технологии

сварки соединения с угловым швом 39

библиографический список 42

Специальные методы сварки и пайки

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Специальные методы сварки и пайки» для студентов специальности

150202 «Оборудование и технология сварочного производства»

очной и заочной форм обучения

Утверждено редакционно-издательским советом

Тюменского государственного нефтегазового университета

Составители: к.т.н., доцент Крылов А.П.,

ассистент Рыбин В.А.

«Тюменский государственный нефтегазовый университет» 2011

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Ручная дуговая сварка меди покрытыми электродами

Цель работы:

Изучение процессов сварки меди ручной дуговой сваркой покрытыми электродами: установление технологических параметров режима сварки при заданных теплофизических свойствах свариваемого металла на температурные поля и геометрические размеры сварного шва; выбор оптимальных режимов сварки для материала заданной толщины.

Материалы и оборудование:

1. Источник питания постоянного сварочного тока с крутопадающей ВАХ.

2. Медные пластины толщиной 4 мм, размером 150 х 50 мм – 2 шт.

3. Электроды для сварки меди «Комсомолец 100».

4. Стальная подкладочная пластина размером 10×200×200 мм.

Теоретические сведения:

Медь – это первый металл, который человек начал добывать и обрабатывать еще задолго до знакомства с железом. В земной коре меди сравнительно немного (~ 0,01 %), но из-за присущих ей уникальных свойств, она во многих случаях оказывается незаменимой.

Медь – диамагнитный, пластичный и тяжелый материал (γ = 8,94 г/см3) с высокой теплопроводностью (λ = 0,923 кал/см·с·0С) и низким электросопротивлением (ρ = 1,68 мкОм·см), а также высокой коррозионной стойкостью. Эти свойства меди определяют ее широкое применение в электротехнической и химической промышленности, в судостроении, приборостроении, металлургии и других отраслях производства.

Чистая медь обладает небольшой прочностью (σ = 216 … 235 МПа) и высокой пластичностью (δ = 60 %; ψ = 75 %).

Медь плавится при 1083 0С и кипит при 2360…2595 0С. В меди не обнаружено полиморфных превращений, во всем интервале температур ниже точки плавления, она имеет ГЦК решетку. Удельная теплоемкость меди примерно такая же, как железа и составляет 0,0915 кал/г·0С. примеси, содержащиеся в меди, снижают ее электропроводность (рис.1). кислород в не больших количествах повышает электропроводность меди ввиду того, что он способствует удалению при плавке примесей за счет их окисления.

С газами медь взаимодействует весьма активно, но с азотом не взаимодействует даже при высоких температурах.

Электроды с покрытиями для дуговой сварки меди (как и для других цветных металлов) государственными стандартами не регламентируются и изготавливаются по техническим условиям или паспортам на конкретные марки, составленные и утвержденные предприятиями или организациями - разработчиками электродов.

Стержни электродов изготавливаются из тянутой проволоки или круглых тянутых и прессованных прутков, регламентированных стандартами.

К числу первых марок электродов для сварки меди, разработанных Томским политехническим институтом совместно с заводом «Комсомолец» на основе медной проволоки марок М1 … М3 относятся электроды серии «Комсомолец» (комсомолец 100, Комсомолец МН, Комсомолец МС). В качестве раскислителей наплавленного металла применены ферромарганец, ферросилиций и кремнистая медь (71 % Cu, 24 % Si, 1 % Fe и до 0,155 % S).

Полное раскисление достигается при содержании кремния в металле шва в пределах 0,3…0,7 %. Положительное влияние на качество металла шва оказывает совместное легирование его марганцем и кремнием при соотношении 1: 3, что обеспечивает легкоплавкие, хорошо удаляемые из металла шлаки. При повышенном содержании кремния металл сварного шва охрупчивается. В пятидесятых годах прошлого века были разработаны электроды марок ММ3-1, ММ3-2. В качестве раскислителей в этих электродах применены ферросилиций, графит и сплав симанил состава: 31…35 % Si, 19…22 % Mn, 27…30 % Al. Применение сплава симанил вместо ферросплавов позволило снизить содержание железа и вредных примесей в наплавленном металле, что улучшило технологичность электродов.

Наибольшее распространение для сварки конструкций из меди и хромистой бронзы средних и больших толщин (5…20 мм) получили электроды марок АНЦ-1, АНЦ-2, выпускаемые по ТУ ИЭС 593-86, позволяющие выполнять сварку на форсированных режимах. При использовании этих электродов происходит относительно незначительное легирование металла шва (2…2,5 раза меньше, чем при использовании электродов «Комсомолец 100»), что существенно увеличивает его электропроводность.

Освоены в серийном производстве усовершенствованные электроды марок АНЦ/ОЗМ-2, АНЦ/ОЗМ-3, АНЦ/ОЗМ-4, предназначенные для сварки технически чистой меди, содержащей не более 0,01 % кислорода. Они имеют высокую производительность от 4 до 4,9 кг/ч (для электродов диаметром 4 мм) и коэффициент наплавки от 14,5 до 17,5 г·А/ч. Медь толщиной до 4 мм сваривают без разделки кромок; до 10 мм – с односторонней разделкой при угле скоса кромок до 60…70 0 и притуплением 1,5…3 мм. При большей толщине рекомендуется Х – образная разделка кромок. Использование электродов серии АНЦ позволяет выполнять стыковые соединения на меди толщиной до 20 мм без разделки кромок одно или двусторонними швами.

Перед сваркой свариваемый металл тщательно очищают от оксидов и загрязнений до металлического блеска и обезжиривают для получения более качественного сварного соединения. Зачистка кромок может выполняться механическим способом – наждаком, металлическим щетками и т.п. Абразивным камнем пользоваться не рекомендуется, так как оставляемые им на поверхности металла глубокие риски служат очагами последующих загрязнений и затрудняют обезжиривание органическим растворителями.

При ручной сварке меди покрытыми электродами необходим подогрев кромок, начиная с толщины 4 мм. Температура подогрева возрастает с увеличением толщины свариваемых кромок и габаритов изделия.

При толщине кромок 5…8 мм металл подогревают до 200…300 ˚С, при толщине 24 мм – 750… 800 ˚С. электроды марки АНЦ-1 (АНЦ-2) обеспечивают выполнение сварки без подогрева металла толщиной до 10…15 мм или с невысоким подогревом для металла больших толщин.

Таблица 1

Ориентировочные режимы ручной однопроходной сварки меди покрытыми электродами

b , мм	dэ , мм	Iсв , А	Uд , В
	2 - 3	100 - 120	25-27
	3-4	120-160	25-27
	4-5	160-200	25-27
	5-6	240-300	25-27
	5-7	260-340	26-28
7-8	6-7	380-400	26-28
9-10	6-8	400-420	28-30

Сварка покрытыми электродами выполняется на постоянном токе обратной полярности. Сварочный ток назначают из соотношения I св ~ 50 d эл (табл.2), а для электродов серии АНЦ - I св = (85…100) d эл при U д = 45…50В.

При многослойной сварке меди толщиной более 10… 12 мм (3…6 слоев) используют электроды диаметром 6…8 мм при сварочном токе до 500 А.

Сварку ведут короткой дугой без поперечных колебаний электрода. Лучшее формирование шва обеспечивает возвратно-поступательное движение электрода. Удлинение дуги ухудшает формирование шва, увеличивает разбрызгивание, ухудшает механические свойства сварных соединений. При сварке стыковых соединений используют металлические (стальные или медные) или асбестовые подкладки. Сварку производят в нижнем положении или слегка наклонном положении (на подъем).

Сварка электродами «Комсомолец 100» обеспечивает удовлетворительные механические свойства металла шва: σ в =180…200 МПа; δ = 18…20 %; α = 1800; KCU = 0,59…0,78 МДж/м2. Достаточно высокие механические свойства шва и сварного соединения на меди можно получить также при использовании электродов со стержнями из бронзы Бр.КМц 3-1, Бр.ОФ 4-0,3 и латуни Л90 (σ в = 190…230 МПа; α = 1800).

Проковка швов на меди без нагрева увеличивает прочность металла швов при некотором снижении пластичности (σ в = 235…242 МПа; α = 143…1800).

Теплопроводность и электрическая проводимость сварных по сравнению с этими же параметрами основного металла значительно снижаются. Электрическая проводимость металла шва составляет всего 20 % электрической проводимости меди М1. примерно в такой же степени снижается электрическая проводимость шва при сварке электродами со стержнями из бронзы Бр.КМц 3-1.

Порядок выполнения работы

1. Произвести подготовку пластин под сварку с V-образным скосом кромок под общим углом 70-80˚, с притуплением 2-3 мм.

2. Установить пластины на стальной подкладке встык с зазором в 1 мм и произвести прихватку, как показано на рис. 1.

3. Выполнить сварку пластин в соответствии с рис.1

4. После окончания сварки произвести быстрое охлаждение пластин в воде.

5. Вырезать из сварных пластин образцы и изготовить из них макро- и микрошлифы, произведя травление макрошлифов реактивом из 15 г двуххромовокислого калия, 10 мл серной кислоты и 100 мл воды.

6. Исследовать макро- и микроструктуру образцов. Исследование микроструктуры производить при увеличении ×200.

Рис.1. Схема прихватки и сварки медных пластин

Отчет должен содержать:

· описание методики проведения опытов

· результаты опытов, занесенные в соответствующие графы таблицы;

· формулирование выводов

· объяснение полученных результатов;

· краткое описание устройства и работы сварочной установки;

· технологический процесс сварки заданного узла.

Вопросы для самоконтроля:

1. Состав покрытия электродов для ручной дуговой сварки меди и ее сплавов.

2. Технология ручной дуговой сварки покрытыми электродами.

3. Маркировка сварочной проволоки для сварки меди и ее сплавов.

4. Флюсы для сварки электродуговой сварки меди и ее сплавов.

5. Как выбирают ток при сварке меди под слоем флюса.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Применяемые :

Капиллярная пайка. Припой заполняет зазор между соединяемыми поверхностями. Припой и металл при этом химически не взаимодействуют. Это наиболее распространенный метод пайки.
Диффузионная пайка - длительная выдержка при высокой температуре. Происходит упрочнение шва за счет взаимной диффузии компонентов припоя и основного металла. Химического взаимодействия нет, образуется твердый раствор.
Контактно-реактивная пайка. В этом случае между соединяемыми деталями или между деталями и припоем протекают активные реакции с образованием в контакте легкоплавкого соединения.
Реактивно-флюсовая пайка. Шов образуется за счет реакции вытеснения между флюсом и основным металлом.
Пайка - сварка, шов образуется способами сварки, но в качестве присадочного материала используется припой.

Методы пайки определяются химическими свойствами припоя, флюса и металла и режимом пайки (температура, время и т.д.) В зависимости от источника тепла осуществляется пайка следующими способами:

пайка в печах;
пайка сопротивлением;
индукционная пайка;
пайка паяльниками;
пайка газовыми горелками.
пайка погружением в расплавленный припой;

В качестве припоя используются чаще всего сплавы металлов.

Основные требования к припоям:

1. Иметь температура плавления как минимум на 50-100 о С ниже температуры плавления паяемых металлов.

2. Обеспечивать хорошее смачивание металла и хорошее заполнение шва пайки.

3. Образовывать прочные, пластичные и корррозионно- устойчивые швы.

4. Иметь коэффициент линейного расширения не отличающийся резко от коэффициента линейного расширения паяемых металлов.

Припои делятся на две группы: мягкие (температура плавления ниже 500 о С), и твердые (выше 500 о С).

Мягкая пайка дает относительно невысокую механическую прочность, используется для деталей, работающих при невысокой температуре и небольших вибрационных ударных нагрузках: радиаторы, топливные баки, электрические провода и т.д. Наиболее распространенные оловянно-свинцовые (олово в чистом виде как припой не используется) припои (цифра в названии припоя означает содержание в нем олова) : ПОС-18 (17-18% олова, 2-2,5% сурьмы и 79-81% свинца) используется для пайки неответственных деталей; ПОС-30 и ПОС-40 - для швов, имеющих достаточную прочность и надежность, ПОС-50 и ПОС-61 - для деталей, швы у которых не должны окисляться при работе (электрооборудование и др.).

Твердая пайка выполняется в том случае, когда необходимо иметь прочный шов или шов, работающий при высоких температурах (топливо- и маслопроводы, контакты реле, и т.д.). К твердым припоям относятся: медные, медно-цинковые, латунные, алюминиевые и серебряные. Медно-цинковые припои (первая цифра в названии припоя означает содержание меди в припое, остальное цинк и небольшое количество примесей) : ПМЦ-36 - для пайки латунных изделий; ПМЦ-48 - для деталей из медных сплавов, не подвергающихся ударным нагрузкам и изгибу; ПМЦ-54 - для пайки меди, бронзы и стали, не подвергающихся ударным нагрузкам.

Для получения эластичного и прочного соединения используются в качестве припоев латуни Л-62 и Л-68. (сплав меди с цинком - до 80% , с добавками алюминия, свинца, никеля - до 10%).

Для пайки ответственных конструкций используются серебряные припои: ПСр-12 (36%меди, 12%серебра, не более 1,5% примесей, остальное цинк); ПСр-45 для пайки латуни, меди и бронзы (контакты проборов электрооборудования) ;ПСр-70 для пайки электрических проводов, требующих низкого электрического сопротивления в местах пайки.

Для пайки деталей из алюминия и его сплавов используются алюминиево -кремниевые припои (силумины) и алюминиево - медные сплавы (34А и 35А). Припой 35А имеет более высокие механические качества и выше температуру плавления, чем 34А.

Для удаления с поверхности окисных пленок и защиты их от дальнейшего окисления служат флюсы, которые или растворяют окислы, или химически взаимодействуют с окислами и которые в виде шлака всплывают на поверхность шва. Также флюсы способствуют улучшению смачивания поверхностей пропоем. Температура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления припоя.

При пайке мягкими припоями применяются нашатырь (или хлористый аммоний), водный раствор хлористого цинка и хлористого аммония с концентрацией 20-50%. Соляную кислоту в качестве флюса не используют, а применяют водный раствор хлористого цинка, который получают травлением водного раствора соляной кислоты цинком:

HCl + Zn2→ Zn Cl2 +H2.

Для исключения дальнейшей коррозии паяных деталей применяют канифоль, которую необходимо наносить на место пайки, но не на паяльник, т.к. при перегреве на паяльнике она может потерять свои флюсующие свойства.

При пайке твердыми припоями в качестве флюса используют буру или смесь её с борной кислотой и борным ангидридом. Подбором количества борного ангидрида изменяют температуру плавления флюса.

Паяние деталей мягкими припоями выполняется чаще всего с помощью паяльников (медных и электрических), а твердыми припоями - газовыми горелками или индукционным нагревом. Рабочая часть паяльника натирается нашатырем для удаления окислов, облуживается. Поверхность шва обезжиривается флюсом, паяльником расплавляется и переносится припой на место пайки и равномерно распределяется по ней.

Детали ходовой части строительных и дорожных машин имеют очень большой износ. В этом случае для восстановления их целесообразно применять заливку жидким металла (литейную сварку), т.к. другие способы (автоматическая наплавка, постановка бандажей и т.д.) не дают хорошего качества и очень дороги.

Деталь нагревают и помещают в кокиль, тоже нагретый до 200-250 о С. Через летники заливают в кокиль жидкий чугун или сталь, которые заполняют пространство между изношенной деталью и стенкой кокиля, происходит сварка металла, компенсирующая износ. Для деталей ходовой части последующей механической обработки не требуется. По сравнению с другими способами стоимость восстановления снижается в два-три раза, а долговечность находится на уровне новой детали.

много

Технологический процесс пайки включает комплекс выполняемых операций, основными из которых являются следующие.

Подготовка поверхности под пайку. Качество подготовки поверхности под пайку во многом определяет уровень и стабильность свойств паяного соединения. Существуют следующие основные способы очистки поверхности: 1) термический (горелками, отжигом в восстановительной атмосфере, в вакууме); 2) механический (обработка режущим инструментом или абразивом, гидропескоструйная или дробеструйная галтовка); 3) химический (обезжиривание, химическое травление, электрохимическое травление, травление с ультразвуковой обработкой, комбинированное с обезжириванием и травлением).

Подготовка детали под пайку включает в себя также нанесение специальных технологических покрытий гальваническим или химическим способом, горячим лужением (погружением в расплавленный припой), с помощью ультразвука, плакированием, термовакуумным напылением. Часто сборка включает в себя нанесение припоя, укладку его в виде дозированных заготовок из проволоки или фольги. При размещении припоя необходимо учитывать условия пайки: расположение изделия в печи или другом нагревательном устройстве, режимы нагрева и охлаждения.

Нанесение флюса. Иногда при сборке деталей под пайку требуется нанести флюс. Порошкообразный флюс разводят дистиллированной водой до состояния негустой пасты и наносят шпателем или стеклянной палочкой, после чего детали подсушивают в термостате при 70–80°С в течение 30–60 мин. При газопламенной пайке флюс подают на прутке разогретого припоя, при пайке паяльником – рабочей частью паяльника или вместе с припоем, в случае применения оловянно-свинцового припоя – в виде трубок, наполненных канифолью.

Пайка (нагрев места соединения или общий нагрев собранных деталей) выполняется при температуре, превышающей температуру плавления припоя, как правило, на 50–100°С. В зависимости от температуры плавления применяемых припоев пайка подразделяется на высокотемпературную и низкотемпературную.

Поверхности, не подлежащие пайке, предохраняют от контакта с припоем специальной обмазкой из графита с добавками небольшого количества извести. Пайку погружением в расплавленный припой используют для стальных, медных, алюминиевых и твердых сплавов, деталей сложных геометрических форм. На этот процесс расходуется большое количество припоев. Разновидностью пайки погружением является пайка бегущей волной припоя, когда расплавленный припой подается насосом и образует волну над уровнем расплава. Паяемая деталь перемещается в горизонтальном направлении. В момент касания ванны проходит пайка. Бегущей волной паяют в радиоэлектронной промышленности при производстве печатного радиомонтажа.

3. Способы пайки

Способы пайки классифицируют в зависимости от используемых источников нагрева. Наиболее распространены в промышленности пайка радиационным нагревом, экзофлюсовая, паяльниками, газопламенная, погружением, электродуговая, индукционная, электросопротивлением, пайка в печах.

Пайка радиационным нагревом. Пайку выполняют за счет излучения кварцевых ламп, расфокусированного электронного луча или мощного светового потока от квантового генератора (лазера). Конструкцию, подлежащую пайке, помещают в специальный контейнер, в котором создают вакуум. После вакуумирования контейнер заполняют аргоном и помещают в приспособление, с двух сторон которого устанавливают для обогрева кварцевые лампы. После окончания нагрева кварцевые лампы отводят, а приспособление вместе с деталями охлаждают. При применении лазерного нагрева сосредоточенная в узком пучке тепловая энергия обеспечивает испарение и распыление окисной пленки с поверхности основного металла и припоя, что позволяет получать спаи в атмосфере воздуха без применения искусственных газовых сред. При радиационном способе пайки лучистая энергия превращается в тепловую непосредственно в материале припоя и паяемых деталей. Этот способ пайки непродолжителен.

Экзофлюсовая пайка. В основном этим способом паяют коррозионно-стойкие стали. На очищенное место соединения наносят тонкий порошкообразный слой флюса. Соединяемые поверхности совмещают, на противоположные стороны заготовок укладывают экзотермическую смесь. Смесь состоит из разных компонентов, которые укладывают в форме пасты или брикетов толщиной в несколько миллиметров. Собранную конструкцию устанавливают в приспособлении и помещают в специальную печь, в которой происходит зажигание экзотермической смеси при 500°С. В результате экзотермических реакций смеси температура на поверхности металла повышается и происходит расплавление припоя. Этим методом паяют соединения внахлестку и готовые блоки конструкций небольших размеров.

Пайка паяльниками. Основной металл нагревают и припой расплавляют за счет теплоты, аккумулированной в массе металла паяльника, который перед пайкой или в процессе ее подогревают. Для низкотемпературной пайки применяют паяльники с периодическим нагревом, с непрерывным нагревом, ультразвуковые и абразивные. Рабочую часть паяльника выполняют из красной меди. Паяльник с периодическим нагревом в процессе работы иногда подогревают от постороннего источника теплоты. Паяльники с постоянным нагревом делают электрическими. Нагревательный элемент состоит из нихромовой проволоки, намотанной на слой асбеста, слюды или на керамическую втулку, устанавливаемую на медный стержень паяльника. Паяльники с периодическим и непрерывным нагревом чаще используют для флюсовой пайки черных и цветных металлов мягкими припоями с температурой плавления ниже 300–350°С. Ультразвуковые паяльники применяют для бесфлюсовой низкотемпературной пайки на воздухе и для пайки алюминия легкоплавкими припоями. Оксидные пленки разрушаются за счет колебаний ультразвуковой частоты. Абразивными паяльниками можно паять алюминиевые сплавы без флюса. Оксидная пленка удаляется в результате трения паяльника о металл.

Важное значение имеет сборка узлов под пайку. Сборка должна обеспечивать фиксацию взаимного положения деталей с требуемым зазором и поступление припоя в зазор. В тех случаях, когда припой заранее закладывают в соединение в виде фольги и затем нагревают узел (например, в вакуумной печи), необходимо обеспечить сжатие деталей при температуре пайки с определенным усилием. Если это усилие будет недостаточным, то получится слишком толстый шов с неудовлетворительной прочностью. Чрезмерное сжатие может повредить паяемый узел.

Для сжатия деталей при пайке применяют специальные приспособления. Необходимое усилие сжатия обеспечивается механическими зажимами или разницей между температурным расширением материала изделия и материала приспособления. Последний способ нередко является единственным, когда печная пайка осуществляется при высоких температурах.

Газопламенная пайка. При пайке нагрев осуществляется пламенем газовой горелки. В качестве горючего газа используют смеси различных газообразных или жидких углеводородов (ацетилен, метан, пары керосина и т. д.) и водород, которые при сгорании в смеси с кислородом дают высокотемпературное пламя. При пайке крупных деталей горючие газы и жидкости применяются в смеси с кислородом, при пайке мелких деталей – в смеси с воздухом. Пайку можно выполнять как горелками специального типа, дающими широкий факел, так и нормальными, сварочными паяльными лампами.

Пайка погружением в расплавленный припой. Расплавленный припой в ванне покрывается слоем флюса. Подготовленная к пайке деталь погружается в расплавленный припой (металлическую ванну), который также является источником тепла. Для металлических ванн обычно используют медно-цинковые и серебряные припои.

Пайка погружением в расплавленную соль. Состав ванны выбирают в зависимости от температуры пайки, которая должна соответствовать рекомендуемой температуре ванны 700–800°С при работе на смеси определенного состава. Ванна состоит из хлористых натрия, калия, бария и др. Этот метод не требует применения флюсов и защитной атмосферы, так как состав ванны подбирают таким, что он вполне обеспечивает растворение оксидов, очищает паяемые поверхности и защищает их от окисления при нагреве, т. е. является флюсом.

Детали подготавливают к пайке, на шов в нужных местах укладывают припой, после чего опускают в ванну с расплавленными слоями, являющимися флюсом и источником тепла, где припой расплавляется и заполняет шов.

Электродуговая пайка. При дуговой пайке нагрев осуществляется дугой прямого действия, горящей между деталями и электродом, или дугой косвенного действия, горящей между двумя угольными электродами. При использовании дуги прямого действия обычно применяют угольный электрод (угольная дуга), реже – металлический электрод (металлическая дуга), которым служит сам стержень припоя. Угольную дугу направляют на конец стержня припоя, касающегося основного металла, так, чтобы не расплавлять кромок детали. Металлическую дугу применяют при токах, достаточных для расплавления припоя и очень незначительно оплавляющих кромки основного металла. Для пайки дугой прямого действия пригодны высокотемпературные припои, не содержащие цинка. При помощи угольной дуги косвенного действия можно выполнять процесс пайки высокотемпературными припоями всех типов. Для нагрева этим способом применяют специальную угольную горелку. Ток к электродам подается от машины для дуговой сварки.

Индукционная пайка (пайка токами высокой частоты ). При индукционной пайке детали нагреваются индуктируемыми в них вихревыми токами. Индукторы изготовляются из медных трубок, преимущественно прямоугольного или квадратного сечения, в зависимости от конфигурации деталей, подлежащих пайке.

При индукционной пайке быстрый нагрев детали до температуры пайки обеспечивается использованием энергии высокой концентрации. Для предохранения индуктора от перегрева и расплавления применяется водяное охлаждение.

Пайка электросопротивлением. При этом способе пайки электрический ток низкого напряжения (4–12 В), но сравнительно большой силы (2000–3000 А) пропускают через электроды и за короткое время нагревают их до высокой температуры; детали нагреваются как за счет теплопроводности от нагретых электродов, так и за счет тепла, выделяемого током при его прохождении в самих деталях.

При прохождении электрического тока паяемое соединение нагревается до температуры плавления припоя, и расплавленный припой заполняет шов. Контактную пайку производят или на специальных установках, обеспечивающих питание током большой силы и малого напряжения, или на обычных машинах для контактной сварки.

Пайка в печах. Для пайки используются электрические печи и реже пламенные печи. Нагрев деталей под пайку производят в обычной, восстановительной или обладающей защитными свойствами средах. Пайку высокотемпературными припоями производят с применением флюсов. При пайке в печах с контролируемой средой подлежащие пайке детали из чугуна, меди или медных сплавов собирают в узлы.

Пайка соединений металлов с неметаллическими материалами. Пайкой можно получить соединения металлов со стеклом, кварцем, фарфором, керамикой, графитом, полупроводниками и другими неметаллическими материалами.

Обработка после пайки включает в себя удаление остатков флюса. Флюсы, частично оставшиеся после пайки на изделии, портят его внешний вид, изменяют электрическую проводимость, а некоторые вызывают коррозию. Поэтому остатки их после пайки должны быть тщательно удалены. Остатки канифоли и спиртоканифольных флюсов обычно коррозии не вызывают, но если по условиям эксплуатации изделий требуется их удалить, то изделие промывают спиртом, спиртобензиновой смесью, ацетоном. Агрессивные кислотные флюсы, содержащие соляную кислоту или ее соли, тщательно отмывают последовательно горячей и холодной водой с помощью волосяных щеток.

Типовые паяные соединения показаны на рис. 2.1. Паяные швы отличаются от сварных по конструктивной форме и способу образования.

Тип паяного соединения выбирают с учетом эксплуатационных требований, предъявляемых к узлу, и технологичности узла в отношении пайки. Наиболее распространенным видом соединения является пайка внахлестку.

Рис. 2.1. Типовые паяные соединения

В узлах, работающих при значительных нагрузках, где, кроме прочности шва, необходима герметичность, детали следует соединять только внахлестку. Швы внахлестку обеспечивают прочное соединение, удобны привыполнении и не требуют проведения подгоночных операций, как это имеет место при пайке встык или в ус.

Стыковые соединения обычно применяют для деталей, которые нерационально изготовлять из целого куска металла, а также в тех случаях, когда нежелательно удваивать толщину металла. Их можно применять для малонагруженных узлов, где не требуется герметичность. Механическая прочность припоя (особенно низкотемпературного) обычно бывает ниже прочности соединяемого металла; для того чтобы обеспечить равнопрочность паяного изделия, прибегают к увеличению площади спая путем косого среза (в ус) или ступенчатого шва; часто с этой целью применяют комбинацию стыкового соединения с нахлесткой.

Пайкой можно изготавливать сложные по конфигурации узлы и целые конструкции, состоящие из нескольких деталей, за один производственный цикл (нагрев), что позволяет рассматривать пайку (в отличие от сварки) как групповой метод соединения материалов и превращает ее в высокопроизводительный технологический процесс, легко поддающийся механизации и автоматизации.

При пайке возможны следующие дефекты: смещение паяемых элементов; раковины в швах; пористость в паяном шве; флюсовые и шлаковые включения; трещины; непропай; деформации местные и общие.

Экзофлюсовая пайка. В основном этим способом паяют коррозионно-стойкие стали. На очищенное место соединения наносят тонкий порошкообразный слой флюса. Соединяемые поверхности совмещают, на противоположные стороны заготовок укладывают экзотермическую смесь. Смесь состоит из разных компонентов, которые укладывают в форме пасты или брикетов толщиной в несколько миллиметров. Собранную конструкцию устанавливают в приспособлении
и помещают в специальную печь, в которой происходит зажигание экзотермической смеси при 500°С. В результате экзотермических реакций смеси температура на поверхности металла повышается и происходит расплавление припоя. Этим методом паяют соединения внахлестку и готовые блоки конструкций небольших размеров.

Газопламенная пайка. При пайке нагрев осуществляется
пламенем газовой горелки. В качестве горючего газа используют смеси различных газообразных или жидких углеводородов (ацетилен, метан, пары керосина и т. д.) и водород, которые при сгорании в смеси с кислородом дают высокотемпературное пламя. При пайке крупных деталей горючие газы и жидкости применяются в смеси с кислородом, при пайке мелких деталей – в смеси с воздухом. Пайку можно выполнять как горелками специального типа, дающими широкий факел, так и нормальными, сварочными паяльными лампами.

Пайка погружением в расплавленный припой. Расплавленный припой в ванне покрывается слоем флюса. Подготовленная к пайке деталь погружается в расплавленный припой (металлическую ванну), который также является источником тепла. Для металлических ванн обычно используют медно-цинковые и серебряные припои.

Пайка погружением в расплавленную соль. Состав ванны выбирают в зависимости от температуры пайки, которая должна соответствовать рекомендуемой температуре ванны 700–800°С при работе на смеси определенного состава. Ванна состоит из хлористых натрия, калия, бария и др. Этот метод не требует применения флюсов и защитной атмосферы, так как состав ванны подбирают таким, что он вполне обеспечивает растворение оксидов, очищает паяемые поверхности и защищает их от окисления при нагреве, т. е. является флюсом.

Электродуговая пайка. При дуговой пайке нагрев осуществляется дугой прямого действия, горящей между деталями и электродом, или дугой косвенного действия, горящей между двумя угольными электродами. При использовании дуги прямого действия обычно применяют угольный электрод (угольная дуга), реже – металлический электрод (металлическая дуга), которым служит сам стержень припоя. Угольную дугу направляют на конец стержня припоя, касающегося основного металла, так, чтобы не расплавлять кромок детали. Металлическую дугу применяют при токах, достаточных для расплавления припоя и очень незначительно оплавляющих кромки основного металла. Для пайки дугой прямого действия пригодны высокотемпературные припои, не содержащие цинка. При помощи угольной дуги косвенного действия можно выполнять процесс пайки высокотемпературными припоями всех типов. Для нагрева этим способом применяют специальную угольную горелку. Ток к электродам подается
от машины для дуговой сварки.

Индукционная пайка (пайка токами высокой частоты ). При индукционной пайке детали нагреваются индуктируемыми в них вихревыми токами. Индукторы изготовляются из медных трубок, преимущественно прямоугольного или квадратного сечения, в зависимости от конфигурации деталей, подлежащих пайке.

Пайка электросопротивлением. При этом способе пайки электрический ток низкого напряжения (4–12 В), но сравнительно большой силы (2000–3000 А) пропускают через электроды и за короткое время нагревают их до высокой температуры; детали нагреваются как за счет теплопроводности от нагретых электродов, так и за счет тепла, выделяемого током при его прохождении в самих деталях.

Пайка в печах. Для пайки используются электрические печи и реже пламенные печи. Нагрев деталей под пайку производят в обычной, восстановительной или обладающей защитными свойствами средах. Пайку высокотемпературными припоями производят с применением флюсов. При пайке в печах с контролируемой средой подлежащие пайке детали из чугуна, меди или медных сплавов собирают в узлы.

Пайка соединений металлов с неметаллическими материалами. Пайкой можно получить соединения металлов со стеклом, кварцем, фарфором, керамикой, графитом, полупроводниками и другими неметаллическими материалами.

Обработка после пайки включает в себя удаление остатков флюса. Флюсы, частично оставшиеся после пайки на изделии, портят его внешний вид, изменяют электрическую проводимость, а некоторые вызывают коррозию. Поэтому остатки их после пайки должны быть тщательно удалены. Остатки канифоли и спиртоканифольных флюсов обычно коррозии не вызывают, но если по условиям эксплуатации изделий требуется их удалить, то изделие промывают спиртом, спиртобензиновой смесью, ацетоном. Агрессивные кислотные флюсы, содержащие соляную кислоту или ее соли, тщательно отмывают
последовательно горячей и холодной водой с помощью волосяных щеток.

Рис. 2.1. Типовые паяные соединения

В узлах, работающих при значительных нагрузках, где, кроме прочности шва, необходима герметичность, детали следует соединять только внахлестку. Швы внахлестку обеспечивают прочное соединение, удобны при выполнении и не требуют проведения подгоночных операций, как это имеет место при пайке встык или в ус.

Стыковые соединения обычно применяют для деталей, которые нерационально изготовлять из целого куска металла, а также в тех случаях, когда нежелательно удваивать толщину металла. Их можно применять для малонагруженных узлов, где не требуется
герметичность. Механическая прочность припоя (особенно низкотемпературного) обычно бывает ниже прочности соединяемого металла; для того чтобы обеспечить равнопрочность паяного изделия, прибегают к увеличению площади спая путем косого среза (в ус) или ступенчатого шва; часто с этой целью применяют комбинацию стыкового соединения с нахлесткой.