Глава IX

1. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА И МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПАЙКИ

Пайкой называют процесс получе­ния неразъемного соединения заготовок без их расплавления путем смачивания поверхностей жидким припоем с после­дующей его кристаллизацией. Образова­ние соединения без расплавления основ­ного металла обеспечивает при необходи­мости возможность распая соединения.

По прочности паяные соединения ус­тупают сварным. Паять можно углероди­стые и легированные стали всех марок, твердые сплавы, цветные металлы, серые и ковкие чугуны. При пайке металлы со­единяются в результате смачивания, рас­текания жидкого припоя по нагретым по-

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. В чем проявляется пониженная свари­ ваемость сплавов и каковы ее причины?

2. Что такое сварочный термический цикл и какими параметрами он характеризуется?

3. Какие виды трещин могут образовываться в сварных соединениях и каковы их причины?

4. Каковы причины и механизм образова­ния собственных сварочных деформаций и напряжений?

5. Какова свариваемость углеродистых и легированных сталей?

6. Какие технологические мероприятия и с какой целью их применяют при сварке углеро­дистых и легированных сталей?

7. Какова свариваемость высоколегирован­ных аустенитных коррозионно-стойких сталей?

8. Какие технологические мероприятия и с какой целью их применяют при сварке высоко­легированных сталей?

9. Какие виды сварки и сварочные материа­лы применяют для чугуна?

10. Какие виды сварки и сварочные мате­ риалы применяют для меди и ее сплавов?

11. Какие виды сварки применяют для алюминия и его сплавов?

12. Какие виды сварки применяют для ту­ гоплавких металлов и сплавов?

верхностям и затвердевания его после ох­лаждения. Прочность сцепления припоя с соединяемыми поверхностями зависит от физико-химических и диффузионных про­цессов, протекающих между припоем и основным металлом, и, как правило, опре­деляется прочностными характеристиками припоя.

По условиям заполнения зазора пайку можно разделить на капиллярную и не ка­пиллярную. При капиллярной пайке при­пой заполняет зазор между соединяемыми поверхностями и удерживается в нем за счет капиллярных сил (рис. 5.51). Соедине­ние образуется в результате растворения основы в жидком припое и последующей кристаллизации раствора. Капиллярную пайку используют при соединении внахле-

282

СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

а) б)

Рис. 5.51. Схема капиллярной пайки: а - перед пайкой; б- после пайки; /- припой

стку. По механизму образования шва ее подразделяют на диффузионную, контакт­но-реактивную, реактивно-флюсовую.

При диффузионной пайке соединение образуется за счет взаимной диффузии компонентов припоя и паяемых материа­лов, причем возможно образование в шве твердого раствора или тугоплавких хруп­ких интерметаллидов. Для диффузионной пайки необходима продолжительная вы­держка при температуре образования пая­ного шва и после завершения процесса -при температуре ниже солидуса припоя.

При контактно-реактивной пайке ме­жду соединяемыми металлами или соеди­няемыми металлами и прослойкой проме­жуточного металла в результате контакт-

ного плавления образуется сплав, который заполняет зазор и при кристаллизации образует паяное соединение (рис. 5.52).

При реактивно-флюсовой пайке при­пой образуется за счет реакции вытесне­ния между металлом (основным) и флю­сом. Например, при пайке алюминия с флюсом

3ZnCl₂ + 2А1 <± 2А1С1₃ + 3Zn

восстановленный цинк служит припоем.

Реактивно-флюсовую пайку можно вести без припоя и с припоем. К некапил­лярным способам относятся пайка-сварка и сварка-пайка. При пайке-сварке соеди­нения образуются так же, как и при сварке плавлением, но в качестве присадочного металла применяют припой (рис. 5.53). При сварке-пайке соединяют разнородные материалы с применением местного на­грева. Более легкоплавкий материал при достижении температуры плавления вы­полняет роль припоя.

Наибольшее применение получили ка­пиллярные способы пайки и пайка-сварка.

Качество паяных соединений (проч­ность, герметичность, надежность и др.) зависит от правильного выбора основного металла, припоя, флюса, способа нагрева, зазоров, типа соединения.

Рис. 5.52. Схема контактно-реактивной пайки: а - перед пайкой; 6 - после пайки; / - медь; 2 - серебро; 3 - эвтекти­ческий сплав меди с серебром

_г^^ штМ^шт 1) 6)

Рис. 5.53. Схема пайки-сварки: а - без оплавления кромок деталей; б - с оплавлени­ем кромок одной детали; / - до пайки; 2 - после пайки

Припой должен хорошо растворять основной металл, обладать смачивающей способностью, быть дешевым и недефи­цитным. Припои представляют собой сплавы цветных металлов сложного соста­ва. Все припои по температуре плавления подразделяют на особолегкоплавкие (тем­пература плавления < 145 °С), легкоплав­кие (145 ... 450 °С), среднеплавкие (450 ...

пайка металлов и сплавов

283

1100 °С) и тугоплавкие (> 1050 °С). К осо-болегкоплавким и легкоплавким припоям относятся оловянно-свинцовые на основе висмута, индия, кадмия, цинка, олова, свинца. К среднеплавким и высокоплав­ким припоям относятся медные, медно-цинковые, медно-никелевые, с благород­ными металлами (серебром, золотом, пла­тиной). Припои изготовляют в виде прут­ков, проволок, листов, полос, спиралей, дисков, колец, зерен и др., укладываемых в место соединения.

Изделия из алюминия и его сплавов паяют с припоями на алюминиевой основе с кремнием, медью, оловом и другими металлами. Магний и его сплавы паяют припоями на основе магния с добавками алюминия, меди, марганца и цинка. Изде­лия из коррозионно-стойких сталей и жа­ропрочных сплавов, работающих при вы­соких температурах (свыше 500 °С), пая­ют тугоплавкими припоями на основе же­леза, марганца, никеля, кобальта, титана, циркония, гафния, ниобия и палладия.

Флюсы паяльные применяют для очистки поверхности паяемого материала, а также для снижения поверхностного натяжения и улучшения растекания и сма­чиваемости жидкого припоя. Флюс (кроме реактивно-флюсовой пайки) не должен химически взаимодействовать с припоем. Температура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления при­поя. Флюс в расплавленном и газообраз­ном состояниях должен способствовать смачиванию поверхности основного ме­талла расплавленным припоем. Флюсы могут быть твердые, пастообразные и жидкие. Для пайки наиболее применимы флюсы: бура Na₂B₄0₇, и борная кислота Н₂В0₃. хлористый цинк ZnCl₂, фтористый калий KF и др.

2. СПОСОБЫ ПАЙКИ

Способы пайки классифицируют в за­висимости от используемых источников нагрева. Наиболее распространена в про­мышленности пайка в печах, индукцион-

ная, погружением, газопламенная и паяль­никами.

При пайке в печах соединяемые заготов­ки нагревают в специальных печах: элек­тросопротивления, с индукционным нагре­вом, газопламенных и газовых. Припой за­ранее закладывают в шов собранного узла, на место пайки наносят флюс и затем изде­лие помещают в печь, где его нафевают до температуры пайки. Припой расплавляется и заполняет зазоры между соединяемыми заготовками. Процесс пайки продолжается несколько часов. Этот способ обеспечивает равномерный нафев соединяемых деталей без заметной их деформации.

При индукционной пайке паяемый уча­сток нафевают в индукторе. Через индук­тор пропускают ТВЧ, в результате чего место пайки нафевается до необходимой температуры. Для предохранения от окис­ления изделие нафевают в вакууме или в защитной среде с применением флюсов. Индуктор выполнен в виде петли или спи­рали из красной меди. Формы и размеры индуктора зависят от конструкции паяе­мого изделия.

Пайку погружением выполняют в ван­нах с расплавленными солями или при­поями. Соляная смесь обычно состоит из 55 % КС1 и 45 % НС1. Температура ванны 700 ... 800 °С. На паяемую поверхность, предварительно очищенную от фязи и жира, наносят флюс, между кромками или около места соединения размещают при­пой, затем детали скрепляют и пофужают в ванну. Соляная ванна предохраняет ме­сто пайки от окисления. Перед пофуже-нием в ванну с расплавленным припоем покрытые флюсом детали нафевают до температуры 550 °С. Поверхности, не подлежащие пайке, предохраняют от кон­такта с припоем специальной обмазкой из фафита с добавками небольшого количе­ства извести. Пайку пофужением в рас­плавленный припой используют для стальных, медных и алюминиевых спла­вов, деталей сложных геометрических форм. На этот процесс расходуется боль­шое количество припоя.

284

СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

а) б) в)

Рис. 5.54. Типы паяных соединений

При газопламенной пайке заготовки нагревают и припой расплавляют газосва­рочными, плазменными горелками и па­яльными лампами. При пайке газосвароч­ными горелками в качестве горючих газов используют ацетилен, природные газы, водород, пары керосина и т.п. При исполь­зовании газового пламени припой можно заранее помещать у места пайки или вво­дить в процессе пайки вручную. На место пайки предварительно наносят флюс в виде жидкой пасты, разведенной водой или спиртом; конец прутка припоя также покрывают флюсом.

Плазменной горелкой, обеспечиваю­щей более высокую температуру нагрева, паяют тугоплавкие металлы - вольфрам, тантал, молибден, ниобий и т.п.

При пайке паяльниками основной ме­талл нагревают и припой расплавляют за счет теплоты, аккумулированной в массе металла паяльника, который перед пайкой или в процессе ее подогревают. Для низ­котемпературной пайки применяют па­яльники с периодическим нагревом, с не­прерывным нагревом и ультразвуковые. Рабочую часть паяльника выполняют из красной меди. Паяльник с периодическим нагреЕом в процессе работы периодически подогревают посторонним источником теплоты. Паяльники с постоянным нагре­вом делают электрические. Паяльники с периодическим и непрерывным нагревом чаще используют для флюсовой пайки

г) д) е)

черных и цветных металлов легкоплавки­ми припоями с температурой плавления ниже 300 ...350°С.

Ультразвуковые паяльники применяют для бесфлюсовой пайки на воздухе и пай­ки алюминия. Оксидные пленки разруша­ются за счет колебаний ультразвуковой частоты.

На рис. 5.54 показаны основные типы паяных соединений: внахлестку (а), встык (б), вскос (в), втавр (г), в угол (д), сопри­касающиеся (е). Зазор между соединяе­мыми кромками должен быть малым для того, чтобы улучшить затекание припоя под действием капиллярных сил и увели­чить прочность соединения. Так, для се­ребряных припоев устанавливают зазор до 0,05 мм, а для меди до 0,012 мм. Для хо­рошего смачивания поверхности необхо­димы механическая очистка, обезжирива­ние горячей щелочью, трихлорэтиленом, четыреххлористым углеродом.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Назовите принципиальные отличия меж­ду капиллярным, диффузионным и другими видами процессов образования соединений при пайке.

2. Назовите основные способы пайки, их принципиальные различия.

3. Всегда ли при пайке прочность соедине­ния равна прочности припоя?

4. Перечислите основные требования к припоям и флюсам для пайки.

КОНТРОЛЬ СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

285