Пайка сварочных швов в короткие сроки. Разнообразие видов пайки
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 |
Появилась задолго до изобретения электрической сварки. Ее использовали в Древнем Риме и Вавилоне, о чем говорят археологические раскопки.
За это время технологии усовершенствовались, и появились новые виды пайки, в которых для нагрева металла используется электрический ток, пламя газовой горелки, энергия лазера или иные источники тепловой энергии.
Капиллярный вид пайки – самый распространенный. Многие, применяя его, даже не подозревают о таком названии. Суть технологии заключается в следующем.
Припой расплавляют, он нагревается и заполняет собой пространство между двумя подготовленными деталями. Смачивание поверхности деталей и удержание припоя происходит во многом благодаря эффекту капиллярности.
Капиллярный вид пайки распространен в быту и на различных производствах. Для его проведения потребуется паяльник или горелка. По сути, любой вид пайки можно считать в определенной мере капиллярным, поскольку в каждом присутствует капиллярное смачивание поверхностей заготовок жидким припоем.
Диффузионный
Этот вид паяния отличается от остальных длительностью процесса, поскольку на диффузию требуется время.
Припой внутри зоны шва выдерживается при определенной температуре дольше, чем, скажем, при обычном капиллярном виде пайке. Соединение двух заготовок происходит за счет диффузии припоя и спаиваемых металлов.
Сам процесс диффузии заключается в проникновении молекул одного вещества в структуру другого вещества. Спайка происходит на молекулярном уровне и дает возможность получить более прочный шов.
Диффузионный вид требует строго соблюдения температурного и временного режима. Температура нагрева в зоне пайки всегда выше, чем температура плавления припоя.
Контактно-реакционный
Вид пайки под названием «контактно-реакционный» или «реактивный» означает процесс сплавления при контакте двух деталей из разных металлов.
Происходит фазовый переход металла из твердого в жидкое состояние с последующим отвердением и сплавлением. Часто такое соединение осуществляют через тонкую прослойку, которая нанесена на одну из заготовок гальваническим или иным способом.
Используются легкоплавкие материалы – эвтектики. Так можно соединить серебро и медь, где между деталями будет образован медно-серебрянный сплав. Проводят пайку олова и висмута, серебра и бериллия, графита и стали.
Можно спаивать алюминий с другими материалами через прослойку меди или кремния. Соединение получается прочным, время пайки занимает доли секунд.
Реакционно-флюсовой
В основе реактивно-флюсового вида пайки лежит химическая реакция, при которой из флюса при соединении с металлом образуется припой. Это хорошо видно, когда между собой соединяются алюминиевые детали.
Для их стыковки применяется флюс на основе хлористого цинка. При нагреве цинк начинает взаимодействовать с алюминием, превращаясь в металлический припой.
Он заполняет собой все пространство зазора, делая место зоны пайки прочным соединением. При этом очень важно точно соблюсти пропорции наносимого флюса. Его должно быть много, чтобы чистый цинк в необходимом количестве мог выделиться из флюсового порошка.
Иногда при этом виде пайки приходится добавлять в небольших количествах, как дополнение к основному процессу. Обычно это делают, если две заготовки соединяются внахлест.
Пайка-сварка
Такое название технология получила потому, что сам процесс очень сильно напоминает сварку металла с присадочным материалом (проволокой или порошком).
Но в данном случае вместо присадки используется припой. Этот вид чаще всего используют для того, чтобы заделать дефекты и изъяны на поверхностях металлических деталей (литых).
Сам процесс можно проводить разными способами:
- пайка в печах;
- окунанием в ;
- сопротивлением с помощью электрического тока;
- индукционным способом;
- радиационным;
- с помощью паяльников и газовых горелок.
Некоторые виды появились сравнительно недавно, еще исследуются и дорабатываются.
В печах
Первый вариант обеспечивает равномерное распределение припоя по дефектным участкам детали и равномерное прогревание, что особенно важно, когда приходится паять крупногабаритные заготовки со сложной конфигурацией.
При этом разогрев в печи может проходить одним из многих существующих способов, начиная от нагрева пламенем, и до сложно технологических процессов, таких как индукция, электросопротивление.
Конструкция самих печей отличается друг от друга лишь подами, на которые укладывают паяемые заготовки. Для крупных деталей используются печи, в которых под не движется, а для маленьких – подвижные в виде конвейеров на роликах.
Главная задача этого вида пайки – создать внутри печи специальную газообразную субстанцию. Пайка в печах может быть полностью механизирована, что ведет к повышению производительности труда. А для производств с массовым выходом готовой продукции это идеальный вариант.
Применение индукции и сопротивления
Что касается индукционного вида, то для него используют токи высокой частоты. Электричество пропускается через спаиваемые детали, отчего они и нагреваются.
Здесь реализуются два способа пайки: стационарная и с перемещением детали или индуктора. В случае соединения крупногабаритных заготовок используется вторая технология.
Способ пайки сопротивлением чем-то схож с индукционным видом. Просто в этой технологии ток пропускается и через заготовки, и через паяльный элемент. То есть, соединяемые детали становятся частью электрической цепи.
Проводят такой процесс в электролитах или в специальных контактных машинах, действие которых очень похоже на стандартную электросварку. Контактные машины обычно используются в производствах, где необходимо паять между собой изделия из тонкого листового металла.
Пайка же в электролитах используется сегодня не часто за счет сложности настройки параметров технологического процесса . Ведь процесс проходит по принципу теплового эффекта, возникающего между катодом (спаиваемые детали) и анодом.
Вокруг заготовок образуется водородная оболочка, у которой очень высокое электрическое сопротивление. Отсюда и выделение большой тепловой энергии.
Погружение в ванну
Пайка с погружением проводится или в среде расплавленного припоя или в массе специальных солей. Последний вид пайки – это быстро проводимая операция за счет непосредственного нагрева заготовок от солей, которые выполняют функции и нагревательного элемента, и флюса. Что касается погружения в припой, то необходимо отметить возможность полного или частичного погружения.
Радиационный метод
Радиационный вид пайки производится за счет мощного светового потока, который формируется кварцевой лампой, лазером или катодным расфокусированным лучом.
Технология появилась относительно недавно, но показала, что таким способом можно достигать высокого качества пайки двух металлических заготовок. К тому же появилась реальная возможность контролировать процесс и по степени нагрева, и по временным срокам. При этом лазер удаляет оксидную пленку с припоя и с металла, что гарантирует высокое качество паяного шва.
Газовая оболочка в зоне соединения, образорванная за счет нагрева металлов, дает возможность при соединении не использовать флюсы. Поэтому, когда сегодня говорят о пайке без флюса, подразумевают лазерную технологию.
Горелка и паяльник
Что касается пайки горелками, то чаще всего применяются две технологии, которые, по сути, ничем не отличаются одна от другой. Происходит просто нагрев двух деталей и припоя, уложенного между ними в зазор.
В первом способе – за счет сгорания газа, во втором – за счет образования плазмы (это сгораемый газ, который движется тонкой струей с большой скоростью). Необходимо отметить, что способ с газовыми горелками считается универсальным.
Горелки, испускающие поток плазмы, работают при высоком температурном режиме. А это позволяет паять между собой детали из титана, молибдена, вольфрама и прочие тугоплавкие материалы.
Сложность этой технологии заключается в том, что настроить электрическую дугу под определенную температуру нагрева (до определенной точности) практически невозможно.
Пайка паяльником используется давно. Если еще 5-10 лет назад можно было говорить только об электрических приборах или нагреваемых от огня, то сегодня предложений куда больше.
Хотелось бы отметить паяльники, работающие от ультразвука. То есть, сам ультразвук имеет отношение к процессу пайки лишь с позиции разрушения оксидной пленки.
Поэтому и появилась возможность паять различные металлы в воздушном окружении без флюсовых материалов. Непосредственно пайка происходит от нагрева припоя.
Вакуумный
Пайка в вакууме и сегодня еще используется не всегда и не везде. Сложность данного вида заключается в том, что необходимо в зоне паяния создать разряженную атмосферу без воздуха.
Как известно, присутствующий в воздухе кислород является причиной образования оксидной пленки, которая покрывает собою металлические заготовки и припой.
Пленка очень тугоплавка, при пайке теряются температурные градусы для нагрева соединяемых деталей. Поэтому все ученые до сих пор и ищут способы, как удалить оксидное покрытие или провести процесс без него. Пайка в вакууме – один из таких вариантов.
Препятствуют внедрению вакуумного вида в производство такие факторы:
- низкая производительность процесса, потому что приходится нагревать каждую отдельную деталь;
- таким способом можно паять лишь заготовки небольших размеров;
- сложность создания станков и дополнительного оборудования;
- сложность проведения процесса пайки.
Однако если говорить о космосе, где отсутствует атмосфера, то вакуумный вид считается весьма перспективным.
Селективный
Нельзя сказать, что селективный вид пайки принципиально отличается от капиллярного. Точно также в нем применяют припой и нагрев. Но расплавляют припой только в выборочных местах (локальных точках), на которые планируется прикрепить элементы.
Селективную пайку применяют в основном для изготовления плат и выводов штыревых компонентов. Она схожа с волновым методом, применяемым для пайки smd-чипов.
Установка селективной пайки – оборудование, относящееся к категории полуавтоматов. Оно не дешевое, но экономит расходные материалы почти в десять раз, по сравнению с волной, поэтому распространяется все шире и шире.
Температурный режим и материалы
Классификация процессов пайки основывается на методах проведения операций, условиях, при которых получают соединения, и на видах расходных материалов. Понятия и виды пайки подробно описывает ГОСТ 17325.
Пайку называют высокотемпературной или твердой, если припой разогревается до температуры 450 ℃ и выше. В противном случае приходится иметь дело с низкотемпературным видом (мягким).
Для низкотемпературного вида применяют легкоплавкие припои. К ним относятся сплавы олова и свинца, висмута, галлия, индия. К тугоплавким принадлежат медно-серебряные, медно-цинковые припои.
В связи с повелением новых материалов и требований экологической безопасности, технологии пайки постоянно меняются. Свинцовые припои применяют все меньше, устанавливают дымоуловители, разрабатывают лазерное и ультразвуковое оборудование.
Немалую роль в развитии пайки играет внедрение роботизированных систем, позволяющих значительно ускорить работу.
Сварка - пайка - технологический процесс, основанный на вводе в основной металл низкого содержания тепла, что приводит к расплавлению только присадочного материала.
Возрастающие требования к повышению стойкости к кор-розии ведут к применению во многих отраслях материалов с предварительно нанесенными покрытиями. Среди различных возможностей защитить сталь от коррозии цинк приобретает особое значение благодаря своим антикоррозионным каче-ствам, с одной стороны, и его низкой цены - с другой.
Нанесенный на основной материал слой цинка составля-ет в зависимости от метода производства от 1 до 20 мкм. Большое количество оцинкованных деталей применяется в автомобилестроении, строительном хозяйстве, в вентиляци-онной и кондиционерной технике, в бытовой технике и т. п.
Благодаря катодной защите цинк имеет большое значение для защиты стали от коррозии. Если происходит поврежде-ние защитного слоя цинка, то цинковое покрытие влияет на железо катодной защитой. Это влияет также на расстоянии 1 - 2 мм на непокрытую поверхность. Благодаря дистанцион-ному влиянию катодной защиты цинка защищаются как неоцинкованные кромки срезов листов, так и микротрещины, ко-торые возникают вследствие холодной обработки давлением, а также окружение сварочного шва, в котором испаряется цинк. Таким же образом на основании катодной защиты исключает-ся подпленочная коррозия цинкового слоя кромок среза.
В чем же сущность сварки - пайки оцинкованных деталей?
Цинк начинает плавиться при ~ 420 °С и при ~ 906 °С испа-ряться. Эти качества неблагоприятно влияют на сварочный про-цесс, так как зажигание сварочной дуги сопровождается испа-рением цинка. Испарение цинка и оксидов может привести к образованию пор, трещин, дефектам сварочных соединений и нестабильной сварочной дуге. Поэтому благоприятнее для оцин-кованных деталей, если устанавливается меньше тепла. Аль-тернатива при сварке - пайке оцинкованных листов в среде защитного газа - это применение медесодержащей присадоч-ной проволоки.
Особенно известны проволоки медно-кремниевые (Си SI3) и алюминиево-бронзовые. При использовании этих проволок можно назвать следующие преимущества:
- нет коррозии сварочного шва;
- минимальное разбрызгивание;
- малое выгорание покрытия;
- малое тепловложение;
- простая последующая обработка шва;
- катодная защита основного материала в непосредствен-ной области шва.
Эти присадочные материалы благодаря высокому содер-жанию меди имеют относительно невысокую точку плавле-ния (в зависимости от состава сплава - от 950 до 1080 °С). Основной материал не плавится, это значит, что соединение соответствует скорее пайке. Отсюда происходит также обо-значение «Сварка - пайка, или МИГ -пайка». Защитный газ рекомендуется, как правило, аргон.
Присадочные материалы
Для сварки - пайки оцинкованных листов рекомендуются следующие медные сплавы:
CuSi3; CuSi2Mn; CuA18
В практическом применении присадочные материалы типа CuSi3 используются наиболее часто. Их существенное пре-имущество состоит в небольшой прочности, которая облег-чает последующую механическую обработку. Текучесть при-садочного материала определяется значительным образом благодаря содержанию кремния. При повышающемся содер-жании кремния плавление становится вязким, поэтому нуж-но обращать внимание на жесткий допуск в содержании ле-гирующих добавок в сплаве.
Присадочный материал типа CuSi2Mn используют также для цинковых покрытий. Дополнительное содержание 1% марганца в проволоке повышает жесткость. По этой причине ее механическая обработка труднее, чем при других медных сплавах. Эта проволока применяется прежде всего там, где не требуется последующая механическая обработка. Свароч-ный присадочный материал типа СиА18 используется преж-де всего для стали с алюминиевым покрытием.
При процессе сварки - пайки используется преимуще-ственно управляемый переход материала в шов, следова-тельно, импульсная сварочная дуга. В некоторых случаях при-менения, специально при толстых слоях цинка от 15 мкм, большое количество испарений может вести к нестабильно-сти процесса пайки или сварки. Поэтому удобнее в случаях такого типа применять короткую сварочную дугу, которая мо-жет держаться стабильнее. В этом случае предъявляются вы-сокие требования к источнику питания и его характеристике регулировки.
В среде богатого аргоном защитного газа посредством надлежащего выбора параметров основного и импульсного тока достигается управляемый, без короткого замыкания пе-реход материала в шов (рис.1).
Переменная форма импульса при сварке - пайке (Iknt-сила тока, при которой применяется струйная дуга, IM - ус-редненная сила тока).
При оптимальном выборе параметров капля присадочного материала отрывается от проволочного электрода по импуль-су. В результате процесс почти лишен брызг. Исследования показали, что различные присадочные материалы и защит-ные газы требуют различной формы импульса. Это привело к отдельной для каждого присадочного материала «срезан-ной» по массе форме импульса. Особенно это действует для бронзовой и медной проволок.
Чтобы в тонких листах испарение цинка оставалось как можно меньше, нужно вести процесс при небольшой силе тока. Поэтому главное требование состоит в том, чтобы ис-точник тока в нижней области мощности обеспечивал осо-бенно стабильную дугу. Низко устанавливаемая сила основ-ного тока при этом так же важна, как и быстро реагирующее регулирование длины дуги, чтобы длина дуги могла держать-ся короткое время. Следствие - небольшой нагрев основно-го материала и уменьшение количества испарения цинка. Как результат обоих эффектов - встречается небольшое количе-ство пор (рис. 2).
Это положительно влияет как при последующей обработ-ке шва шлифовкой, так и при повышенном показателе проч-ности соединения пайкой.
Рис. 2. Угловой шов при импульсной сварочной дуге (толщина листа 1,5 мм )
Режим синержик
Хорошего результата пайки МИГ оцинкованных листов можно достигнуть только при помощи источника питания с достаточно богатым уровнем свободы в выборе параметров. Благодаря множеству бесступенчато устанавливаемых пара-метров (приблизительно тридцать параметров) можно без проблем улучшить отрыв капли при сварке импульсной ду-гой или использовать короткое замыкание при сварке корот-кой дугой для большого количества присадочных материа-лов. Эти дополнительные параметры усложняют обслужива-ние источника питания и ограничивали бы из-за этого круг пользователей лишь экспертами.
При помощи так называемого режима синержик (цифровое управление) с запрограммированными параметрами для каждой комбинации проволоки и газа этот процесс очень прост в обслуживании для пользователя.
Производитель сварочных аппаратов принимает на себя задачу оптимизации параметров для многих различных ос-новных и присадочных материалов, а также защитных газов. Этот научно обоснованный результат записывается в элект-ронном запоминающем устройстве в форме банка данных. Пользователь получает выбор параметров для любого при-садочного материала прямо в источнике питания. Встроен-ный микропроцессор заботится о бесступенчатом выборе мощности в диапазоне от минимума до максимума.
Подача проволоки
В сравнении со стандартными проволоками бронзовые проволоки очень мягкие. Поэтому предъявляются особые тре-бования к механизму подачи проволоки. Подача присадочной проволоки должна осуществляться свободно, без трения. 4-роликовый привод с задействованными подающими роли-ками передает сам при небольшой силе прижима достаточ-ную силу для подачи проволоки. Обычно используются гладкие ролики с полукруглой канавкой. Чтобы удерживать неболь-шое сопротивление трения в шланговом пакете, нужно исполь-зовать тефлоновый или пластмассовый канал. Точное вхож-дение проволоки в контактный наконечник - следующая ос-новная предпосылка для бесперебойной подачи проволоки.
Точно подобранный по размеру контактный наконечник в горелке обеспечивает надежный контакт для передачи тока на бронзовую проволоку.
Примеры применения сварки - пайки
Процесс сварки - пайки может применяться как для неле-гированных и низколегированных, так и для нержавеющих сталей. Главным образом этот метод используется для ста-лей с оцинкованной поверхностью. Незначительное выгора-ние слоя как в непосредственной области шва, так и на об-ратной стороне обусловлено малым тепловложением и низ-кой температурой плавления присадочного материала.
Рис. 3. Примеры применения пайки МИГ в автомобильной промышлен-ности и смежных отраслях: элемент топливопровода, дверная петля
Для сварки - пайки подходят все виды сварочных швов и сварочные позиции, которые известны для сварки в среде защитного газа. Как вертикальные швы (снизу вверх и сверху вниз), так и потолочные позиции выполняются безукоризненно. Скорость сварки при пайке МИГ идентична сварке МАГ (до 100 см/мин).
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
Отчёт о лабораторной работе оформить на бумаге формата А4 по ГОСТ 2.105-95. Основную надпись допускается не наносить на поле текстового документа.
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.
© Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«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
Операции пайки достаточно распространены не только в профессиональных сферах на производстве и в строительстве, но и в быту. Их используют для получения межатомных между небольшими деталями и элементами. Существуют разные виды пайки, отличающиеся технологическими нюансами, применяемыми расходными материалами, заготовками и т.д.
Общие сведения о технологии
Это метод соединения, при котором задействуется связующий расплав (припой) с подходящими для конкретных условий характеристиками. И активный элемент пайки, и заготовки подвергаются предварительному нагреву, благодаря которому формируется податливая для соединения структура материалов. Температурный режим должен быть превосходить пиковую точку нагрева, минуя которую металлические детали размягчаются и начинают переход в жидкое состояние. Важной характеристикой любого вида пайки является время термического воздействия под расплавом. Это промежуток от начала нагрева до отвердения припоя уже после выполнения соединения. В среднем операция занимает 5-7 мин, но могут быть и отклонения от этого диапазона - это зависит от характеристик заготовки и площади обрабатываемого узла.
Лампы для пайки
Наиболее распространенный инструмент для пайки различных заготовок, позволяющий получать высокотемпературный нагрев путем сжигания спирта, керосина и других видов жидкого топлива. В процессе работы из сопла аппарата вырывается факельный запал, который в дальнейшем направляется на целевой участок расплава. Такие приборы можно использовать не только для соединения деталей, но и в операциях нагрева конструкций и механизмов. Также аппараты для пайки используют перед удалением лакокрасочных покрытий. Средняя температура нагрева у лампового паяльника составляет 1000 - 1100°С, поэтому его можно использовать и в сварочных работах. К самым производительным моделям относятся бензиновые лампы. Они быстро обретают оптимальную рабочую температуру и справляются с большинством стандартных операций пайки. В конструкции приборов предусматривается баллончик для топлива, а также регулятор пламени, позволяющий варьировать мощность термического воздействия.
Горелки для пайки
Широкая группа газовых паяльников, которые могут подключаться к баллончику с топливом или же к центральному источнику с горючим. Первый вариант снабжения имеет преимущество в виде автономности. Горелку с баллончиком, как и можно использовать независимо от внешних коммуникаций. В выборе такого аппарата следует учитывать мощность, рабочую температуру, тип применяемого газа, время готовности к работе и т.д. Например, стандартная газовая горелка для пайки работает на пропан-бутане и достигает температуры нагрева до 1300°С. Период непрерывного термического воздействия может достигать 3 ч, но это время будет зависеть и от объема подключаемого баллончика. Различают горелки и по типу системы воспламенения. Простейшие модели включаются механическим способом, а в более современных модификациях применяется пьезорозжиг.
Электрические паяльники
Тоже распространенный в бытовой среде вид паяльного оборудования, которое отличается безопасностью (по сравнению с газовыми аппаратами) и компактными размерами. Но сразу стоит подчеркнуть и недостатки. Во-первых, такие приборы зависимы от электросети, что ограничивает их сферы применения. Во-вторых, электрическое паяльное оборудование поддерживает невысокую температуру нагрева в диапазоне 400 - 450°С. Связано это с тем, что часть энергии утрачивается в процессе преобразования электричества в теплоту.
В выборе устройства надо учитывать максимальное напряжение. Так, в мастерских и на производствах используют стандартные модели на 220 В. В бытовых условиях нередко применяют аппараты, работающие от трансформаторов на 12 и 24 В. Задачи, которые можно решать электрическими паяльниками, в основном ограничиваются починкой мелкой аппаратуры, восстановлением контактов микросхем, соединением пластиковых деталей и т.д.
Паяльные станции
Для выполнения групповых или поточных операций пайки используется многофункциональное оборудование. Паяльная станция отличается широкими возможностями регулировки рабочих параметров, а также более высокими температурными показателями нагрева. Достаточно сказать, что приборы такого типа работают при мощности 750 - 1000 Вт, подключаясь к сетям с напряжением 220 В. Как правило, это профессиональное паяльное оборудование, но существуют и аналоги бытового назначения. Например, аппараты для групповых операций в домашних условиях могут включать несколько сменных жал разного формата, подставки, средства для удаления припоя, кусачки и другие вспомогательные аксессуары. Теперь стоит ознакомиться с разными технологическими подходами к процессам пайки.
Основные виды пайки
Различают техники выполнения операций по стыку и зазору. Так, если промежуток между соединяемыми элементами составляет менее 0,5 мм, то пайка будет с зазором. Превышение этого интервала означает, что соединение выполняется встык. Причем и стыки могут иметь разные конфигурации - например, X- и V-образные. Пайка с зазором производится только с жидким припоем, который в процессе работы направляется в промежуточную зону. пайки встык предполагают заполнение свободного пространства припоем под влиянием силы тяжести.
Классификация пайки по температурным режимам
На сегодняшний день применяют мягкую, твердую и высокотемпературную пайку, которая используется в основном на производствах и в строительстве. Первые же две техники во многом схожи - например, в обоих случаях рабочая температура составляет 450°С и ниже. Для сравнения, высокотемпературные соединения выполняются в режиме не менее 600°С, а чаще - выше 900°С.
При этом и низкотемпературная обработка может обеспечить качественное соединение. Наиболее выигрышным будет применение твердого припоя, благодаря которому достигается высокая прочность и тугоплавкость деталей. Добавление меди в зазор или стык будет способствовать и повышению ковкости заготовки. Если же требуется получить гибкую и упругую структуру, то используют мягкую пайку.
Классификация припоев
Условно можно разделить современные припои на две группы:
- Плавящиеся под низкими температурами.
- Плавящиеся под высокими температурами.
Как уже отмечалось, низкотемпературная пайка выполняется под 450°C и ниже. Сам припой для такого рода операций должен размягчаться уже при 300°C. К подобным материалам относят широкую группу оловянных сплавов с добавлением цинка, свинца и кадмия.
Высокотемпературные средства расплава задействуются для пайки при температурах порядка 500°C. Преимущественно это медные составы, в которые также входит никель, фосфор и цинк. Важно отметить, что, к примеру, помимо более низкой температуры плавления будет отличаться от медных сплавов и механической прочностью. Соотношение по стойкости перед физическим давлением можно представить так: 20 - 100 МПа против 100 - 500 МПа.
Виды флюсов
При термическом воздействии на поверхности металлической заготовки образуется оксидное покрытие, препятствующее образованию качественного соединения с припоем. Для устранения таких препятствий используют разные виды флюсов для пайки, некоторые из которых также ликвидируют следы ржавчины и окалины.
Флюсы можно классифицировать как раз по совместимости с припоями (твердыми и мягкими) или по температурной стойкости. Например, для мягкой пайки тяжелых металлов используют средства с маркировками F-SW11 и F-SW32. Для твердого соединения тяжелых сплавов задействуют флюсы для пайки видов F-SH1 и F-SH4. Легкие же металлы наподобие алюминия рекомендуется предварительно обрабатывать составами групп F-LH1 и F-LH2.
Метод индукционной пайки
Данная технология пайки имеет несколько преимуществ перед классическим способом соединения под расплавом. Среди них можно выделить минимальную степень окисления заготовки, что в некоторых случаях избавляет от необходимости применения флюсов, а также низкий эффект коробления. Что касается целевых материалов, то к ним относятся и мягкие, и твердые сплавы, а также керамика с пластиком. К примеру, оптимальный припой для меди в данном случае будет иметь маркировку L-SN (модификации SB5 или AG5). В качестве источника тепловой энергии при индукционном воздействии могут выступать как ручные ламповые аппараты, так и машинные агрегаты соответствующей мощности. На производствах задействуют и генераторные установки, когда нужно получить длительную спайку узлов большой площади. Также в работу включается многоместный индуктор, который может поочередно принимать заготовки. По этой технологии, в частности, изготавливают ручной режущий инструмент.
Еще один современный высокотехнологичный способ пайки, разработка которого была вызвана необходимостью устранения целого ряда характерных недостатков электрохимических методов соединения. Ключевой особенностью этой техники можно назвать возможность замены обычного флюса как средства устранения оксидов. Функцию зачистки выполняет энергия ультразвуковых волн, вызывающая процесс кавитации в жидком припое. При этом в полной мере сохраняются задачи термического связующего воздействия со стороны расплава.
Отмечается и превосходство технологии в показателях скорости соединения. Если сравнивать ультразвуковое излучение с эффектом, который дает припой олово-свинец, то интенсивность захлопывания полостей обрабатываемого узла будет выше в несколько раз. Как показывают наблюдения, ультразвуковые волны с частотой 22,8 кГц обеспечивают скорость смыкания припоя на уровне 0,2 м/с.
Есть и экономические преимущества данного метода. Они также связаны с изменением подходов к применению флюсов и припоев. На производствах электротехнических приборов при сборке монолитных конденсаторов, преобразователей тока и других устройств широко применяется металлизация пастами палладия, серебра и платины. Процесс ультразвуковой пайки позволяет заменять драгоценные металлы на более дешевые аналоги без потери в эксплуатационных качествах будущего изделия.
Особенности пайки-сварки
У пайки как таковой немало схожих черт с традиционными технологиями сварки. Также используется нагрев заготовок и сторонний материал, оказывающий влияние на формирование шва. Но, по сравнению с техниками сварки, пайка не предусматривает внутреннего расплава структуры заготовки. Края деталей, как правило, остаются твердыми, хоть и подвергаются нагреву. И все же полный расплав заготовки дает более крепкое соединение. Другое дело, что для достижения такого результата может требоваться более мощное оборудование. При использовании жидкого припоя для меди вполне реализуема некапилярная пайка с плотным заполнением шва. Данный способ соединения частично относится к сварке, так как при нем повышается сцепляемость структур двух и более заготовок. Производить некапиллярную пайку рекомендуется электродуговыми аппаратами или кислородно-ацетиленовой горелкой.
Заключение
На получение качественного соединения в процессе пайки влияет не только правильный выбор технологии, припоя с флюсом и оборудования. Зачастую решающее значение имеют мелкие организационные процедуры, связанные с подготовкой материалов и последующей обработкой. В частности, для использования твердого припоя необходима многоступенчатая зачистка целевой поверхности с применением абразивного шлифования и химического воздействия тетрахлористым углеродом. Готовая к работе деталь должна быть чистой, гладкой и по возможности ровной. Непосредственно в ходе выполнения пайки также рекомендуется особое внимание уделять способу фиксации заготовок. Желательно закреплять их в зажимном инструменте, но так, чтобы последний был защищен от химического и термического воздействия.
Не стоит забывать и о технике безопасности. Особой осторожности требуют активные расходные материалы - флюс и припой. В большинстве своем это химически небезопасные элементы, которые под высокотемпературным воздействием могут выделять токсичные вещества. Поэтому, как минимум, следует защищать кожные покровы и органы дыхания в процессе работы.