ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

 

 

САМАРА

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. Физико-химические основы и классификация сварочных процессов

2.Основные способы сварки их технологические особенности

2.1 Термические способы сварки (сварка плавлением)

2.1.1Особенности формирования соединений при сварке плавлением

2.1.2 Дуговые виды сварки

2.1.2.1 Строение и свойства сварочной дуги

2.1.2.2 Источники питания сварочной дуги

2.1.2.3 Ручная дуговая сварка покрытыми электродами

2.1.2.4 Автоматическая дуговая сварка под флюсом

2.2.2.5.Дуговая сварка в защитных газах

2.1.3 Электронно-лучевая сварка

2.2 Механические и термомеханические способы сварки (сварка давлением)

2.2.1 Особенности формирования соединений при сварке давлением

2.2.2 Контактная сварка

2.2.3 Диффузионная сварка в вакууме

2.2.4 Холодная сварка

2.2.5 Сварка трением

2.2.6 Сварка взрывом

2.2.7 Магнитно-импульсная сварка

3. Основы технологии и оборудование пайки

3.1 Образование соединения при пайке

3.2 Классификация и сущность основных способов пайки, применяемое оборудование

3.2 Технология пайки

4. Методы контроля качества сварных и паяных соединений

4.1 Дефекты сварных и паяных соединений

4.2 Методы неразрушающего контроля сварных и паяных соединений

4.3 Методы разрушающего контроля

5. Изготовление сварных конструкций

5.1 Классификация сварных конструкций

5.2 Конструктивно-технологические характеристики сварных соединений

5.3 Технологичность сварных конструкций

5.4 Виды технологических операций и оборудования сварочного производства

5.5 Основные технологические операции и их механизация

Список использованных источников

 

Введение

С давних пор одной из важных задач в сфере материального производства является задача прочного соединения составных частей изделия в единое целое. Процессы соединения элементов из металла, дерева, пластмассы, в строительстве – камня, бетона, и других материалов, а также разделения и дробления этих материалов дополняют друг друга и составляют основу обработки твёрдых материалов. Без использования этих процессов невозможно представить себе современную промышленность, строительство и другие области производственной деятельности.

Существующие способы соединения твёрдых тел можно разделить на механические способы и способы соединения за счет межатомных сил сцепления.

С помощью первых получают, например, широко применяемые в технике резьбовые соединения и соединения, выполняемые с применением резьбовых крепежных элементов, заклёпочные соединения, клиновые, прессовые посадки и т.п. Ко второй группе относятся такие способы, как сварка, пайка, склеивание; в строительстве - соединение цементами. Каждый из способов соединения твёрдых тел отличается определенными особенностями и имеет свою область применения. Все они дополняют друг друга и в совокупности обеспечивают выполнение самых разнообразных производственных задач.

Способы соединения первой группы в большинстве своём обеспечивают получение соединений т.н.разъёмных, т.е. таких, которые при необходимости можно сравнительно легко демонтировать без повреждений деталей. Соединения, выполненные с помощью способов второй группы, чаще всего, бывают неразъёмными – при их разделении нарушается целостность либо их элементов, либо их связи.

Сварка является одним из основных способов получения неразъёмных соединений.

Она обладает большими достоинствами и по ряду позиций имеет преимущества перед другими способами получения соединений. Сварные соединения характеризуются высокой прочностью и жаропрочностью, герметичностью; они имеют большой ресурс, технологичны. Применение сварки, например, позволяет сложный узел расчленить на простые элементы, которые можно изготовить с помощью высокопроизводительных технологий штамповки, прокатки, прессования, литья. Применение сварочных процессов дает возможность снижения массогабаритных характеристик узлов, обеспечивает значительную экономию металла. Так, сварные конструкции в среднем на 15-20% легче клёпаных и на 25-30% легче литых. К указанным достоинствам сварочных процессов следует добавить также широкие возможности для их механизации, автоматизации и роботизации, сравнительно невысокую трудоёмкость изготовления сварных узлов и конструкций.

Сварка и родственный ей процесс пайки возникли очень давно - несколько тысячелетий назад. За прошедший огромный период своего развития в вопросах практики и теории сварки и пайки достигнуты большие успехи. В настоящее время сваривают детали толщиной от нескольких микрон (в микроэлектронике) до нескольких метров (в тяжелом машиностроении). Наряду с конструкционными и низколегированными сталями сваривают специальные стали, легкие сплавы на основе алюминия, магния, титана, тугоплавкие металлы - цирконий, молибден, ниобий, их сплавы и многие другие материалы. Разработаны способы сварки, позволяющие успешно решать проблемы соединения разнородных материалов. Так, на сегодняшний день, в частности, с помощью технологии диффузионной сварки в вакууме получены соединения более 900 сочетаний материалов, в том числе металлических материалов с неметаллами (конструкционной керамикой, графитом, стеклом). Существенно расширились условия проведения сварочных работ: сварку выполняют как в обычной атмосфере, так и под водой, в условиях высоких температур, радиации, в глубоком вакууме, в космосе.

Следует отметить, что большая заслуга в этом принадлежит ученым нашей страны. В России разработаны способы сварки, которые сегодня относятся к числу основных – различные виды дуговой сварки, электрошлаковая сварка; все большее применение получают сварка трением, диффузионная сварка в вакууме, и др.

Широкие технологические возможности сварки и пайки позволяют решать с их помощью самые сложные технические задачи, делают их незаменимыми процессами в современном производстве. Они широко используются в самых различных отраслях промышленности, в том числе и в таких передовых, как аэрокосмическая. В авиастроении с помощью различных способов сварки изготавливаются фюзеляжи, панели, крылья, двигатели, топливные баки, трубопроводы, узлы шасси, детали приборов и радиоаппаратуры самолётов и вертолетов. В космическом ракетостроении превалирующую часть неразъёмных соединений деталей и конструкций получают с помощью сварки; например, баки для горючего и окислителя, арматуру баков, топливные и магистральные трубопроводы, ферменные конструкции отсеков и устройств крепления маршевых двигателей, устройства для крепления приборов (кронштейны; фермы; рамы) и многое другое. Весьма показательно, что при ремонте авиационной техники около 60% всех деталей и узлов может быть восстановлено с помощью сварки пайки.

Приобретение знаний основ теории сварочных процессов и практических навыков в выборе рациональных способов сварки, необходимых сварочного оборудования и технологической оснастки при решении задач, связанных с изготовлением неразъемных узлов и конструкций, являются обязательными компонентами подготовки инженеров.

 

 

Основные способы сварки их технологические особенности

 

Термические способы сварки (сварка плавлением)

Рис.2.2. Структура сварного соединения, выполненного сваркой плавления

 

2 - область полной перекристаллизации, где температура превышала температуры завершения фазового превращения ( < Tmax< TC).

Она включает в себя два участка: участок перегрева 2а, где максимальная температура превышает температуру начала интенсивного роста зерна аустенита ( +(473-573 K)< Tmax< ) и участок перекристаллизации, где процессы превращения феррита в аустенит завершаются полностью ( < Tmax< +(473-573 К)).

Изменения, протекающие в зонах 1 и 2, часто называемых околошовной зоной, наиболее существенны и в большинстве случаев оказываются решающими при оценке свариваемости металлов. К таким изменениям можно отнести снижение пластичности и ударной вязкости вследствие роста зерна из-за перегрева металла, полной или частичной закалки, а также образования холодных трещин.

Холодные трещины - локальные межкристаллические разрушения, образующиеся в сварных соединениях преимущественно при низких температурах. Причины их образования при сварке: охрупчивание металла вследствие протекания закалочных процессов при быстром его охлаждении и образовании метастабильных структур мартенситного типа; остаточные напряжения, возникающие в сварных соединениях.

3 - область неполной перекристаллизации ( < Тmax< ), где максимальная температура превышала температуру начала фазового превращения. Структурные изменения в этой области оказывают меньшее влияние на свойства свариваемого металла, чем в околошовной зоне, но и здесь возможно разупрочнение металла.

4 - область, где максимальная температура превышала температуру последней перед сваркой термической обработки (TT0< Тmax). Свойства металла в этой области после сварки зависят от состояния, в котором находился металл до сварки. При сварке отожженной стали изменения свойств металла не происходит. Если сталь находилась в деформированном состоянии, то происходит рост зерна и изменение прочности и твердости металла вследствие рекристаллизации. При сварке закаленной стали - неизбежно разупрочнение металла, вызванное отпуском.

 

Большинство металлов и сплавов при сварке плавлением взаимодействует с окружающей атмосферой. Особенно активно реагирует расплавленный металл, в меньшей степени - закристаллизовавшийся металл шва и металл в зоне термического влияния.

Содержащиеся в воздухе азот и кислород, а также водород могут взаимодействовать с нагретым металлом физически - растворяться в нем или химически - образовывать с ним химические соединения.

Это приводит в подавляющем большинстве случаев к снижению свойств металла шва и сварных соединений; может явиться причиной образования в нем дефектов в виде несплошностей (пор, пузырей, раковин) снижения плотности и коррозионной стойкости сварных соединений. В связи с этим одной из важных задач при сварке плавлением является защита металла в зоне сварки от контакта с воздухом. Она решается с помощью газовой, шлаковой, комбинированной, газошлаковой, а также вакуумной защиты.

В качестве средств защиты применяются некоторые газы, сварочные флюсы.

Химические реакции взаимодействия расплавленного металла с газами и средствами защиты называются сварочными металлургическими реакциями.

 

Дуговые виды сварки

Холодная сварка

Холодная сварка- это процесс получения неразъемного соединения пластичных металлов путем их совместного пластического деформирования при комнатной температуре.

Основными способами холодной сварки являются: точечная сварка внахлестку, шовная сварка внахлестку, сварка встык и сварка сдвигом.

 

 

На рис.2.20а представлена схема точечной сварки внахлестку. Действием пресса, сжимающего пуансоны 1 силой Р, выступы 2 пуансонов вдавливаются в листы металла 3 до тех пор, пока опорные поверхности пуансона не упрутся в поверхности металла. В месте вдавливания пуансонов остаточная толщина металла составляет лишь часть суммарной толщины листов. Сварка происходит при достижении определенной, достаточно большой степени деформации свариваемых материалов. В зависимости от вида свариваемого металла необходимая для холодной сварки степень деформации составляет 80...95%. Степень необходимой деформации при сварке друг с другом разнородных металлов определяется свойствами того из свариваемых материалов, при сварке которого в одноименном сочетании требуется меньшая деформация. Поэтому при сварке плохо свариваемых, мало пластичных металлов, применяют прокладки из пластичных хорошо свариваемых металлов.

Точечной сваркой успешно соединяются листы толщиной от 0, 1...0, 2 до 12...15 мм. Сила в расчете на одну точку при сварке, например, алюминия составляет в среднем 15...120 кН, давление на рабочую поверхность пуансона 600...800 МПа. Недостатком точечной сварки является глубокая вмятина в металле, часто на 80...90% его толщины.

Заменив точечные пуансоны стальными роликами соответствующей конфигурации, катящимися по металлу, можно осуществить шовную сварку. Такой способ применяется преимущественно для получения кольцевых замкнутых швов, например, для приварки дна или крышки к бесшовному корпусу.

Схема сварки встык представлена на рис.2.20б. Подлежащие сварке стержни 1 закрепляют в зажимах 2. Концы свариваемых деталей выпускают из зажимных губок на определенную длину, называемую вылетом. При осадке правый и левый зажимы сближают до соприкосновения и острый край зажимов обрубает выдавленный металл. Таким образом свариваются стержни и проволока круглого, квадратного и прямоугольного сечений, полосы и т.п. Место сварки получается чистым и не требует последующей обработки.

Холодную сварку можно осуществить путем сдавливания соединяемых деталей с одновременным их тангенциальным относительным смещением. Этот способ сварки получил название сварки сдвигом. Тангенциальное смещение соединяемых изделий дает возможность получить сравнительно большие площади очищенных от пленок поверхностей при небольшом растекании каждой из них. При сварке сдвигом разноименных металлов прочное соединение возникает только у металлов с близкими механическими свойствами, например, у наклепанного алюминия, отожженной меди и др.

Во всех случаях обязательным условием получения высококачественных соединений является тщательная зачистка соединяемых поверхностей. Холодная сварка успешно применяется для изготовления токосъемников. При этом два алюминиевых листа свариваются по всей поверхности соприкосновения посредством совместной прокатки. Затем с помощью точечной сварки алюминиевые листы облицовываются мягкой листовой медью толщиной 0, 8...1, 0 мм. Такие токосъемники обладают хорошими электрическими свойствами и дают значительную экономию дефицитной меди.

Общий расход электроэнергии при холодной сварке в 20...30 раз меньше, чем при контактной электросварке. Применение холодной сварки ограничивается физическими свойствами металлов. Недостаточно пластичные металлы, например, высокопрочные алюминиевые сплавы, часто дают трещины при деформациях, необходимых для холодной сварки. Высокопрочные металлы даже и при достаточной пластичности практически не свариваются холодным способом, так как удельные давления при этом настолько велики, что невозможно изготовить достаточно прочные приспособления и рабочий инструмент

.

 

Сварка трением

Сварка трением является разновидностью сварки давлением, сварное соединение образуется в результате совместного пластического деформирования соединяемых деталей в твердой фазе. От других видов сварки давлением она отличается, прежде всего способом нагрева, точнее - способом введения теплоты в свариваемые детали. При сварке трением механическая энергия, идущая на преодоление сил трения между состыкованными деталями, непосредственно преобразуется в тепловую энергию, причем генерирование теплоты строго локализовано в тонких поверхностных слоях металла. Именно эта особенность процесса предопределяет основные достоинства сварки трением.

 

На рис.2.21 представлена простейшая схема процесса сварки. Две детали, подлежащие сварке, располагаются соосно в зажимах машины; одна из них закрепляется неподвижно. На сопряженных поверхностях деталей, прижатых одна к другой осевой силой Р, возникают силы трения. Работа, затрачиваемая на преодоление этих сил, превращается в теплоту, которая выделяется на поверхностях трения и вызывает их интенсивный нагрев до температур, необходимых для образования сварного соединения. Применительно к сварке черных металлов эти температуры в зависимости от режима процесса лежат в пределах 1223... 1573 К. По достижении требуемой температуры относительное движение поверхностей должно быть по возможности быстро (мгновенно) прекращено; при этом прекратится и тепловыделение. Процесс образования свар­ного соединения завершается стадией проковки: к нагретым, но уже неподвижным деталям на некоторое время прикладывается сжимающая сила, значительно превышающая первоначальную. Во время проковки и после нее происходит естественное охлаждение сваренных деталей. Типичный вид соединения, полученного сваркой трением, представлен на рис.2.22

 

 

Сварка трением обладает рядом достоинств: высокой производительностью, малым потреблением энергии (в 5...10 раз меньше, чем при контактной сварке); высоким качеством сварных соединений; стабильностью качества; возможностью сварки металлов и сплавов в различных сочетаниях; возможностью сварки деталей с необработанными поверхностями; простотой механизации и автоматизации. Многие из этих свойств являются результатом свойственного этому процессу локализованного выделения теплоты в тонких приповерхностных слоях металла, т.е. именно там, где это и требуется для сварки.

Особенностями сварки трением, ограничивающими или затрудняющими её применение, являются следующие:

• одна из деталей должна представлять собой тело вращения,

ось которого совпадает с осью вращения, а другая деталь должна иметь плоскую поверхность, с которой сопрягается торец первой детали;

• нецелесообразно сваривать стержни диаметром больше 200

мм, т.е. диапазон сечений деталей, которые можно сваривать трением, лежит в пределах 30...8000 мм².

Расширить возможность применения сварки трением крупных деталей, вращение и, в особенности, быстрое торможение которых в конце процесса сильно затруднено, можно путем вращения вспомогательных деталей, зажатых между двумя не вращающимися и подлежащими сварке деталями. Эта схема позволяет также сваривать протяженные детали, например, трубы.

Внешними (независимыми) параметрами процесса являются скорость вращения и давление, приложенное вдоль оси соединения, определяющие мощность тепловыделения. Пластическая деформация при сварке трением является необходимым условием образования доброкачественного соединения. Поэтому третьим параметром процесса является мера пластической деформации, за которую может быть принято сближение свариваемых деталей в осевом направлении - осадка.

Четвертым параметром процесса сварки трением является давление проковки. Стадия проковки, наступающая сразу после окончания стадии нагрева (т.е. в момент торможения вращаю­щейся детали), характеризуется тем, что металл, доведенный в ре­зультате нагрева до требуемых температур в стыке и достаточно притертый вдоль оси деталей, подвергается воздействию внешней силы, обжатию, проковке. Это необходимо для окончательного сближения деталей, для " залечивания" пустот, которые могли образоваться в процессе относительного движения контактирующих поверхностей. От того, насколько сильно будет сжат (прокован) металл, после того как в стадии нагрева он был доведен до состояния повышенной пластичности, зависит качество будущего сварного соединения.

Около половины действующего в стране оборудования для сварки трением обслуживает производство концевого режущего инструмента (сверл, фрез и других), мерительного инструмента и деталей вращающегося центра для токарных станков. Сварка трением также используется для изготовления деталей гидро- и пневмоцилиндров, роторов турбокомпрессоров, биметаллических деталей, например, из стали и алюминия.

 

 

Сварка взрывом

В последние годы все чаще в самых разных областях техники (ракетной, авиационной, автомобильной, а также в судостроении, аппаратостроении и др.) используется сварка взрывом. Этим способом соединяют самые различные (компактные и порошковые) металлы и сплавы, получают сложные композиционные материалы (два, три и более слоев) и осуществляют сложное формоизменение разнообразных материалов.

При сварке взрывом образование соединения происходит в процессе соударения двух свариваемых деталей (пластин) под воздействием ударной волны. При этом ударная волна очищает поверхность и деформирует прилегающие к зоне соединения приповерхностные объемы материала. Схема сварки показана на рис.2.23.

 

Для получения соединения при сварке взрывом необходимо выполнение двух условий:

1. давление при соударении должно достичь определенного значения;
2. скорость перемещения точки соударения должна быть меньше скорости звука.

Давление при соударении зависит от скорости движения пластины, а скорость движения пластины - от соотношения c/m, где с - масса заряда; т - ускоряемая масса.

Поскольку ускорение движения метаемой пластины до конечной скорости занимает определенное время, между ней и мишенью должно быть достаточное расстояние (зазор). Давление на поверхности раздела при соударении должно быть в 10 раз больше предела текучести материала. Установлено, что обобщающим параметром сварки взрывом может быть пластическая деформация материала в зоне соединения. Скорость перемещения точки соударения не должна превышать скорости звука в металле по следующим причинам. Когда две пластины первоначально параллельны, и детонация распространяется с одного конца, скорость перемещения точки соударения равна скорости детонации заряда. Скорость ударной волны приближается к скорости звука в металле пластины (например, в алюминии 5240 м/с, в меди 3580 м/с). Если скорость детонации больше скорости звука, то отраженная звуковая волна может разрушить только что созданное сварное соединение. Поэтому подбирают такое взрывчатое вещество (ВВ) (аммониты, гранулиты, зерногранулиты), чтобы скорость детонации была от 2500 до 3600 м/с, тогда отраженная звуковая волна ударяется о свариваемую плоскость раньше, чем давление взрыва ударом соединит верхнюю пластину с нижней.

Большинство технологических схем сварки взрывом основано на использовании направленного (кумулятивного) взрыва. Кумулятивность обеспечивается за счет того, что свариваемые детали располагаются относительно друг друга под некоторым углом 2...16°; при этом начальное расстояние между ними в вершине угла составляет 2...3 мм.

Следует учесть, что воздушная кумулятивная струя во всех случаях движется с большей скоростью, чем звуковая и детонационная. Эта струя, направленная из острия угла γ в сторону его раствора, обладает давлением порядка от нескольких тысяч до 10¹¹ Па. Благодаря такому огромному давлению и весьма большой скорости (6000...7000 м/с) высокотемпературная кумулятивная струя производит прежде всего идеальную очистку поверхности пластин от любого вида загрязнения. Однако эта же струя создает и весьма характерный волновой профиль на поверхности металла с высотой и длиной волн порядка десятых долей миллиметра.

Несмотря на большое давление воздушной кумулятивной струи и последующий за ней сильнейший удар детонационной волны взрыва, зона пластических деформаций в сварном контакте относительно невелика, она лишь немного превышает толщину фронта ударной волны, составляющую приблизительно 30...300 параметров кристаллической решетки. Исходная толщина свариваемых деталей почти не изменяется и после сварки. Весь процесс сваривания протекает за миллионные доли секунды, что и определяет значительное структурное своеобразие самого сварного соединения. В микромасштабе кристаллов металл нагревается почти до температуры кипения (Т_кип=2500К). В результате этих процессов происходит значительное упрочнение металла. Например, известно, что взрывным ударом твердость отожженной малоуглеродистой стали можно увеличить в 4 раза, предел текучести - в 6 раз. Качество взрывно-сварных соединений будет высоким, если правильно подобрать режимы сварки (сорт ВВ, его толщина, взаимное расположение деталей) для каждого сечения металлов. Сварные соединения выдерживают в дальнейшем любую механическую и термическую обработку.

Особенности процесса сварки взрывом следующие:

• сварное соединение образуется в течение миллионных долей секунды, т.е. практически мгновенно. Оно возникает вследствие образования металлических связей при совместном пластическом деформировании свариваемых поверхностей металла. Малая продолжительность сварки предотвращает возникновение диффузионных процессов. Это позволяет сваривать металлы, которые при обычных процессах сварки с расплавлением образуют в шве хрупкие интерметаллические вещества, делающие швы непригодными к эксплуатации;

• при сварке взрывом можно получить соединения неограниченной площади. При этом процесс сварки осуществляется тем легче, чем больше отношение площади соединения к толщине метаемой части металла. Можно осуществлять сварку соединений площадью 15...20 м².

 

Магнитно-импульсная сварка

Магнитно-импульсная сварка, как и сварка взрывом, характеризуется высокоинтенсивным силовым воздействием. Соединение образуется в результате соударения соединяемых частей, вызванного воздействием импульсного магнитного поля.

Процессы образования соединения при сварке взрывом и магнитно-импульсной сварке едины и рассмотрены выше. То же относится и к большинству технологических особенностей. Основными (регулирующими) параметрами магнитно-импульсной сварки является энергия магнитного импульса W, зазор между стационарным и метаемым элементами h, толщина метаемого элемента δ. Производными этих параметров являются скорость соударения метаемого элемента υ и длительность его движения t. Независимым параметром (характеристикой установки) является длительность действия магнитного импульса t_д.

 

 

В настоящее время разработано несколько типов оборудования для магнитно-импульсной сварки. Например, установка УМИС-02/20 имеет следующие характеристики: максимальная энергия магнитного импульса 20 кДж, частота разрядного тока 25 кГц, период разрядного тока 40 мкс. Форма и расположение трубчатых деталей перед сваркой и конфигурация рабочей зоны концентратора магнитного поля (индуктора 1) показаны на рис.2.24. Под действием импульса магнитного поля метаемая деталь 2 приобретает ускорение в направлении неподвижной детали 3.

Данный способ сварки в настоящее время находит практическое применение. Достоинством его по сравнению со сваркой взрывом является отсутствие необходимости в применении взрывчатого вещества и простота регулирования основных параметров процесса.

 

Рис.3.1 Конструкция паяного соединения: 1, 4 – соединяемые основные материалы,

Образование соединения при пайке

 

Процесс образования паяного соединения состоит из следующих стадий: нагрев соединяемых деталей до температуры плавления припоя (рис.3.2а); плавление припоя (рис. 3.2б); смачивание, растекание и заполнении капиллярного зазора жидким припоем (рис. 3.21в); растворение основного металла в жидком припое и взаимная диффузия компонентов основного металла и припоя (рис.3.2г); охлаждение и кристаллизация паяного шва (рис. 3.2д).

Практически все указанные стадии процесса пайки перекрываются, и окончание одной стадии трудно отделить от начала другой. Кроме того, эти стадии сопровождаются рядом других процессов (восстановление или разрушение пленки окислов, поглощение и выделение газов соединяемыми материалами и припоем, отжиг и рекристаллизация материала соединяемых деталей, химическое взаимодействие материалов с окружающей средой, возникновение или снятие внутренних напряжений в деталях и т. д.).

Рис.3.2 Основные стадии образования паяного соединения

(стрелками показано направление потоков теплоты)

Если каким-либо образом на поверхность холодного материала нанести расплавленный припой, то он быстро затвердеет и никакой связи его с соединяемым материалом не произойдет. Поэтому зона пайки или паяемое изделие целиком должны быть прогреты до температуры несколько выше температуры плавления припоя.

Расплавленный припой должен растечься по поверхностям соединяемых кромок, а это возможно лишь при хорошей смачиваемости их поверхностей припоем. Смачиваемостью называется первая стадия физико-химического взаимодействия расплавленного припоя с твердой паяемой поверхностью, результатом которого является его растекание тонким слоем. Таким образом, под растекаемостью понимают свойство жидких припоев распространяться по поверхности или в зазоре соединяемых материалов, находящихся в твердом состоянии.

Физическую сущность процесса смачивания можно рассмотреть на примере капли жидкости, лежащей на поверхности твердого тела (рис.3.3). В данном случае имеет место трехкомпонентная система: газ (1), жид­кость (2) и твердое тело (3). На каплю жидкости действуют силы поверхностного натяжения на межфазных границах твердого тела, жидкости и газообразной окружающей среды.

Угол а между плоскостью, касательной к поверхности припоя у границы смачивания и смоченной припоем плоской поверхностью паяемого металла называется краевым углом смачивания.

Рис.3.3 Схема равновесия векторов сил поверхностного натяжения капли жидкости на поверхности твердого тела:

Рис.3.4 схема подъема жидкости

Рис.3.6 Схема построения паяного соединения после кристаллизации

( пунктиром показано первоначальное положение соединяемых кромок)

 

Исходя из представленной схемы, можно дать определения основным элементам соединения. Паяное соединение (элемент соединяемых деталей) включает в себя паяный шов и прилегающие к нему участки основного металла.

Паяный шов – элемент паяного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации жидкой фазы.

Диффузионная зона – граничащий с паяным швом слой основного металла, образовавшийся в результате диффузии компонентов припоя в основной металл.

Рассмотренный тип образующегося спая носит название растворно-диффузионный спай. Характер диффузии и растворение в зоне спая зависят от типа соединяемых материалов и припоя, от температуры и времени их взаимодействия, поэтому в классификации спаев различают четыре основных типа:

1. Растворно-диффузионный спай – наиболее широко встречается в практике (структура и схема его образования подробно изложены ранее).

2. Бездиффузионный спай – образуется при использовании припоев с низкой температурой плавления, если температура нагрева под пайку близка к температуре плавления припоя, а время пайки ограничено временем, необходимым на смачивание и растекание. В этом случае ни заметного растворения основного металла в припое, ни диффузии припоя в основной металл практически не происходит. Соединение определяется прочностью сцепления припоя с поверхностью основного металла, а отсутствие диффузии практически не нарушает структуру паяемого элемента.

3. Контактно-реакционный спай – образуется в стыке двух материалов без припоя, если они способны образовать сплав с более низкой температурой плавления, чем температура плавления каждого из них. Например, кремний, имеющий температуру плавления 1423 °С, и золото с температурой плавления

1063 °С образуют эвтектический сплав, содержащий примерно 94 % золота с температурой плавления 370 °С. Поэтому, если кристалл кремния нагреть в контакте с золотой пленкой, то за счет взаимной диффузии образуется жидкая прослойка, которая выполнит роль припоя.

4. Диспергированный спай – образуется при пайке металлов с высокой температурой плавления. В этом случае наблюдается диффузия припоя в основной металл с образованием диффузионной зоны, но вместо растворения основного металла в припое происходит его размывание с отрывом мелкодисперсных частиц, которые остаются в припое во взвешенном твердом состоянии и после образования спая.

 

Рис.3.7 Классификация способов пайки по технологическим признакам

 

Рис.3.8 Классификация паяльных флюсов

Недостатки флюсовой пайки - агрессивность ряда флюсов; не­возможность достаточно надежно удалять поверхностные окислы не­которых металлов (например, окислы титана); экологические пробле­мы - загрязнение атмосферы и сточных вод. С этой точки зрения пред­почтительной следует считать пайку без флюсов - в контролируемых атмосферах, которые по механизму воздействия на окислы можно разделить на активные, нейтральные (инертные) и вакуум.

Пайка в активной газовой среде (в восстановительной атмосфере).

В качестве восстановительной газовой среды применяют водород либо его заменители: окись углерода, азотно-водородную смесь (получается в результате диссоциации аммиака при нагреве выше 535 °С: 2NH₃ = N+3H₂).

Восстановление окисленного металла идет по схеме

MeO + H₂ = Me + H₂ O

Иногда в водородной печи используют и флюсы, или для улучшения смачивания на поверхность деталей в мес­тах пайки наносят медные или никелевые покрытия.

Вследствие взрывоопасности водород применяют редко и, в основ­ном, в печах малого размера.

Пайка в нейтральной газовой среде.

В качестве нейтральных газовых сред используются аргон, гелий, азот. Инертные газы предохраняют паяемый металл и припой от окисления в процессе пайки. Если же в пространство печи или контейнера, в которых ведется пайка, газ подавать под некоторым давле­нием, т.е. пайку вести в проточном нейтральном газе, то часть кисло­рода вместе с воздухом вытесняется, и парциальное давление его становится меньше. Тем самым создаются условия для непрерывно­го самопроизвольного распада окислов - диссоциации. Чтобы акти­визировать нейтральные газы, в них часто добавляют газообразные флюсы: фтористый водород HF, трехфтористый бор (BF₃) и другие, которые, взаимодействуя с оксидной пленкой, способствуют их уда­лению.

Пайка в вакууме

Производится в разреженной до ~ 10-3…10-4 мм рт.ст. (10-1…10-2 Па) атмосфере.

Очистка паяемых поверхностей от окисных пленок при нагреве в вакууме может происходить в результате

-их диссоциации,

- растворения в паяемом металле,

- диффузии атомов металла в окисную плёнку и постепенной её металлизации.

В вакууме обычно паяют медь, никель, вольфрам, титановые сплавы, высоколегированные и жаропрочные стали, тугоплавкие металлы, керамику.

Ультразвуковая пайка.

Способ ультразвукового разрушения окисной пленки применяется при низкотемпературной пайке некоторых металлов, например, алюминия. С помощью жала специального паяльника в расплав припоя, находящийся на паяемой поверхности, вводятся упругие механические колебания ультразвуковой частоты, которые при прохождении через жидкий припой вызывает появление т. н. кавитационных пузырьков. Периодически исчезая, они вызывают в расплавленном припое сильные ударные волны, под действием которых происходит разрушение окисла.

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: