Руководство по пайке металлов

Лоцманов С. Н.

Оборонгиз, 1960 г.

СПОСОБЫ ПАЙКИ, ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ СПОСОБЫ ПАЙКИ И ОБОРУДОВАНИЕ Основная схема сварочных процессов (фиг. 1) включает в себя восемь дополнительных способов соединения, называемых пайкой: 1) пайка горелкой, 2) пайка независимой угольной дугой, 3) пайка в печи, 4) индукционная пайка, 5) пайка сопротивлением, 6) пайка погружением, 7) пайка нагретым блоком, 8) пайка путем заливки припоя. При любом из указанных способов пайки в качестве припоя применяется сплав из цветных металлов с температуройплавления выше 425°, но ниже, чем температура плавления основного металла. В процессе пайки расплавленный припой проникает в соединение под действием сил капиллярного притяжения. В гл. 3 рассмотрены характеристики обычно применяемых припоев и процессы пайки различных металлов. Пайка горелкой Как показывает само название, пайка осуществляется при помощи нагрева соединяемых деталей и припоя газовой горелкой или паяльной лампой. В зависимости от температуры и количества необходимого тепла горючие газы (ацетилен, пропан, городской газ и др.) могут гореть в смеси с воздухом, со сжатым воздухом или кислородом. Припой можно наносить на соединяемые детали перед пайкой в форме кольца, шайбы, полоски, а также в виде порошка или присаживать в процессе пайки путем ручной подачи прутка или проволоки. В любом случае надлежащая очистка деталей и флюсование являются существенными. Для ручной пайки применяется горелка с однопламенным или многопламенным наконечником (фиг. 2). Ручная пайка горелкой обычно применяется при соединении деталей различной массы. Пайка путем заливки припоя Этот способ пайки осуществляется путем заливки расплавленного припоя в соединение, предпочтительно с одной стороны. Этот способ уступает другим способам пайки, более экономичным и эффективным. Специальные способы пайки В отдельных отраслях промышленности, например в производстве электронных трубок, описанные выше способы пайки применяются с определенными специальными усовершенствованиями (см. гл. 9). Иллюстрацией этого может служить вакуумная пайка. Применяемые усовершенствования в каждом случае определяются специальными требованиями, которые диктуются особенностями паяемых деталей, и потому не могут быть полностью раскрыты в основных сведениях, приведенных в настоящей книге. Специальные способы пайки таких деталей рассмотрены в других главах книги. Термообработка после пайки. Часто желательно производить термообработку спаянного узла для улучшения механических свойств основного материала. Для черных сплавов это осуществляется путем закалки с повышенных температур с после-дующим отпуском при более низкой температуре. Для других сплавов, таких, как меднобериллиевый сплав, дураникель, К монель„ инконель X и нержавеющая сталь 17-7РН (сталь СН-2), термообработка заключается в нагреве до средних температур с последующим регулируемым охлаждением. Когда металл подвергают пайке с последующей термообработкой, то важно, чтобы применяемый припой образовал достаточно прочное паяное соединение, которое не могло бы разрушиться при перемещении деталей для термообработки. f Сплавление и диффузия. Соединение между припоем и основным металлом в процессе пайки происходит путем сплавления или диффузии. Обычно такое сплавление является поверхностным эффектом и распространяется вглубь соединяемых поверхностей на несколько тысячных долей миллиметра. Однако в некоторых случаях сплавление и диффузия происходят на большую глубину, что требует применения специальных способов пайки. При пайке в печи медь очень легко сплавляется с никелем, монелем и медноникелевыми сплавами. В этом случае расплавленная медь не растекается на большую площадь, так как сплавление основного металла с медью повышает температуру плавления образовавшегося сплава, что приостанавливает его растекание. Некоторые припои, например на основе алюминия и магния, сплавляются и диффундируют полностью через тонкий алюминиевый лист, если он находится при температуре пайки дольше, чем это необходимо. При такой чрезмерной диффузии паяное соединение не будет прочным и пластичным. Излишний жидкий припой, который растекается под действием силы тяжести по тонким элементам паяемых изделий, может образовать раковины в таких элементах в процессе диффузии и сплавления с основным металлом. Группа жаропрочных никельхромовых (BNiCr) и серебряно марганцевых (BAgMn) припоев. Припой BNiCr применяется главным образом для соединения нержавеющей стали и сплавов с высоким содержанием никеля, которые работают при повышенных температурах, например для пайки деталей турбореактивных двигателей. Этот припой также применяется для пайки углеродистых и низколегированных сталей. Соединительный зазор применяется в пределах 0,05—0,125 мм. Никельхромовый припой сохраняет свою жаропрочность в паяных швах при температуре до 1100° и обладает также очень высокими антикоррозионными свойствами. Припой применяется1 преимущественно для пайки в печи с контролируемой атмосферой сухого водорода без флюса, а также для пайки в печи в стандартной контролируемой атмосфере, но при этом необходимо применять флюс. Припой BAgMn применяется главным образом для пайки нержавеющей стали и сплавов с высоким содержанием никеля. Он не обладает высокой прочностью при повышенных температурах, подобно припою BNiCr, но при температурах в пределах 260—480° имеет хорошую прочность. Соединительный зазор для пайки припоем BAgMn применяется в пределах 0,05—0,125 мм. Для получения лучших результатов этот припой рекомендуется применять при пайке в печи с восстановительной атмосферой. Химические реактивы, обычно применяемые во флюсах Описание паяльных флюсов преследует цель облегчить потребителю изучение свойств флюсов и таким образом обеспечить более эффективное их применение. Это не значит, конечно, что каждый потребитель сможет сам разрабатывать новые флюсы. Такая работа очень сложна и требует большого опыта и специального оборудования. В состав флюсов входит большое число химических компонентов. Собственно флюс представляет собой смесь многих химических соединений, смешанных в определенных соотношениях, обеспечивающих удовлетворительные результаты. После перемешивания химических компонентов флюса (в особенности при нагреве в процессе пайки) между различными составляющими флюса происходят реакции. В результате этого окончательный раствор компонентов флюса при температуре пайки химически и физически совершенно отличен от первоначально смешанных составляющих. Так, например, если во флюсе присутствует фторборат в качестве составляющего компонента, то после смешения компонентов в нем образуются фториды, хотя они первоначально во флюс и не вводились. В процессе пайки химические реакции проходят с большой скоростью. Находящиеся во взаимном соприкосновении флюс, основной металл, припой и газообразные продукты реагируют между собой, причем скорость этой реакции возрастает с повышением температуры. Составные части флюса должны действовать таким образом, чтобы соответствовать всем требованиям процесса пайки, в том числе и фактору времени. Флюс не должен слишком сильно растворять основной металл при температуре пайки и должен сохранять свои свойства достаточно долго, чтобы обеспечить надлежащее паяное соединение. Активные галоиды, такие как хлориды и фториды, необходимы, например, во флюсах для пайки алюминия и других электроположительных металлов (см. табл. 3 типы 1, 2, 4 и 6). Некоторые особо активные флюсы следует приготовлять непосредственно перед употреблением, чтобы избежать реакции между компонентами флюса во время хранения. Приводимый ниже список химических компонентов включает наиболее распространенные составные части, входящие в состав флюсов (описание основных свойств этих компонентов приведено ниже): бораты (натрия, калия, лития и др.); плавленая бура; кислота (борная, прокаленная борная); фторбораты (калия, натрия и др.); фториды (калия, натрия, лития и др.); хлориды (натрия, калия, лития); щелочи (гидроокись калия, гидроокись натрия); смачивающие компоненты; вода (или как кристаллизационная, или как добавляемая для превращения флюса в пастообразное состояние). АЛЮМИНИЙ И АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ Процесс пайки алюминиевых сплавов аналогичен процессу пайки металлов на основе железа с той лишь разницей, что припоями для алюминиевых сплавов являются сплавы на алюминиевой основе, а температура пайки соответственно близка к температуре солидуса основного металла. Не все алюминиевые сплавы можно соединять при помощи пайки, так как еще не найдены припои с достаточно низкой температурой плавления. Припои, рекомендуемые для пайки алюминиевых сплавов, указаны в гл. 3. Припои с достаточно низкой температурой плавления можно получить путем легирования алюминия различными сочетаниями цинка, меди или других металлов с добавкой или без добавки кремния. Хотя некоторые из указанных сочетаний могут иметь хорошие характеристики с точки зрения процесса пайки, однако не удалось получить ни одного сочетания, которое не снижало бы коррозионную стойкость паяных швов. Степень снижения коррозионной стойкости трудно выразить специальным термином, но это снижение настолько значительно, что пайку припоями не на основе алюминия применяют в редких случаях. Имеется ряд термически обрабатываемых и не обрабатываемых термически алюминиевых сплавов, которые можно подвергать пайке. К'термически обрабатываемым сплавам, поддающимся пайке, можно отнести алюминиевые сплавы, легированные магнием и кремнием. Эти сплавы паяются при температуре выше температуры ликвидуса припоя. Высокопрочные деформируемые алюминиевые сплавы, в состав которых в качестве легирующих элементов входят медь или цинк, нельзя паять обычно применяемыми в промышленности методами, так как температура плавления этих сплавов ниже температуры плавления припоев, указанных в гл. 3. Температурный интервал плавления и физические свойства типичных деформируемых алюминиевых сплавов, поддающихся пайке, указаны в табл. 8. При пайке алюминиевых сплавов применяются стандартные способы пайки. Сюда относятся пайка горелкой, пайка двухэлектродной дугой с графитовыми электродами, пайка в печи, индукционная пайка, пайка погружением и пайка нагретым блоком. Хромистые стали. Эти стали имеют свои собственные физико-механические характеристики и в некоторых случаях могут заменять хромоникелевые стали. Стали 405, 410, 416, 420 и 440 закаливаются при охлаждении с температуры выше 760э. Для пайки этих сталей следует применять низкотемпературные припои, чтобы избежать закалки сталей после пайки. Указанные типы сталей также подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением (см. гл. 2). Сталь 430 в особенности подвержена особому типу щелевой коррозии, о которой речь будет ниже. Разнородные металлы. Все нержавеющие стали можно соединять пайкой с другими обычно применяемыми металлами и сплавами, за исключением алюминия и магния. При пайке раз-неродных металлов следует применять флюс, который оказывал бы эффективное действие на оба соединяемых металла. Указанное соображение справедливо и при использовании атмосфер. Применяемый припой должен быть также пригодным для пайки обоих металлов. Если сборка подлежащего пайке узла происходит при нормальной температуре, то соединительный зазор устанавливается с расчетом на его изменение при температуре пайки. Коэффициенты теплового расширения различных металлов приведены в Приложении. Как и при всех способах пайки, соединяемые части должны нагреваться до температуры пайки в одно и то же время. При этом следует принимать во внимание теплопроводность и массу паяемых деталей. Так как размеры деталей при нагреве в процессе пайки увеличиваются, то получить удовлетворительное соединение становится все труднее, в особенности, если соединяемые материалы имеют различные коэффициенты расширения. Припои Для пайки нержавеющих сталей применяются серебряные припои классификации BAg-1 до BAg-7 включительно, медные припои ВСu и медноцннковые BCuZn-1, -2, -3, -6 и -7. Тип наиболее подходящего припоя определяется условиями работы соединения и характеристикой основного металла. Для случаев, когда коррозионная стойкость является определяющим фактором, рекомендуется применять припои BAgf-З и BAg-4, помимо тех припоев, которые не содержат никеля. Высокотемпературные припои типа никель—хром (BNiCr), серебро—марганец (BAgMn) и медь (ВСu) обеспечивают соединения высокой прочности при повышенных температурах (см. гл. 6). Эти припои обычно применяются для пайки в печи с восстановительной атмосферой высокой чистоты и исключительно низкой точкой росы. Серебряный припой BAg-1 образует паяные соединения с хорошими прочностными характеристиками. Относительно узкий интервал температур пайки этого припоя позволяет применять его для соединения нестабильных типов нержавеющих сталей. Припой BAg-2 также используется для пайки, но требует несколько более высоких температур нагрева. Он особенно подходит для тех случаев, когда допуски для соединительных зазоров не могут быть точно выдержаны, как это требуется в случае припоя BAg-1. Припой BAg-2 не следует применять, когда время нагрева чрезмерно велико, вследствие тенденции этого припоя к ликвации. Применение серебряного припоя BAg-7 особенно важно при производстве изделий из нержавеющей стали; так как он имеет белый цвет и не содержит кадмия, то его используют при изготовлении оборудования для пищи. Меднофосфористые припои (ВСuР) не дают удовлетворительных результатов при пайке нержавеющих сталей, так как присутствие фосфора вызывает охрупчивание этих сталей (см. гл. 2). Флюсы и атмосферы В гл. 4 приведены сведения, на основании которых следует выбирать флюсы и атмосферы для пайки. При пайке нержавеющих сталей с соединяемых поверхностей следует удалить пленку окиси хрома и предотвратить дальнейшее образование пленки. Для этих материалов требуется специальный флюс. Флюсы нужно применять в виде пасты, чтобы полностью покрыть соединяемые поверхности. Иногда путем незначительного относительного перемещения соединяемых поверхностей обеспечивают равномерное распределение флюса и полное смачивание поверхностей. Применяемая для пайки в печи атмосфера должна предотвращать образование окислов хрома, поэтому атмосфера должна быть очень чистой и достаточно сухой.