Руководство по пайке металлов

Раздел ГРНТИ: Сварка
Лоцманов С. Н.
Оборонгиз, 1960 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Руководство по пайке металлов

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 температурой плавления 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.