Области применения способов термической резки

Способ резки	Материал	Диапазон толщин, мм
Газокислородная	Углеродистые и низколегированные стали Титан и его сплавы	от 3 до 1000, от 3 до 100
Кислородно-флюсовая	Высоколегированные хромникелевые и хромистые стали, чугун, медь, латунь, бронза	от 3 до 1000
Плазменная	Конструкционные стали всех марок, алюминий, медь и сплавы на их основе, тугоплавкие металлы	от 3 до 100
Дуговая (с подачей воздуха)	Углеродистые и низколегированные стали	неограничено по криволинейному контуру и в труднодоступных местах
Лазерная	Конструкционные стали всех марок, алюминий, медь и сплавы на их основе, тугоплавкие металлы, титан	до 5

Пайка металлов – процесс получения неразъемного соединения заготовок с помощью специальных металлов и сплавов – припоев. При пайке металлов до плавления доводят только относительно легкоплавкий припой. Температура нагрева заготовок должна быть на 50-80 °С выше температуры плавления припоя. Соединение заготовок происходит вследствие взаимной диффузии атомов припоя и металла заготовок. При последующем охлаждении и кристаллизации расплава образуется прочное соединение заготовок. Качество паяных соединений (прочность, герметичность, надежность и др.) зависят от правильного выбора основного металла, припоя, флюса, способа нагрева, типа соединения. Для обеспечения процесса диффузии необходима тщательная очистка соединяемых поверхностей. Припой должен хорошо растворять основной металл и обладать смачивающей способностью. Припои представляют собой сплавы цветных металлов сложного состава.

Обозначение марки припоя начинается с буквы «П» – припой. Числа – содержание компонентов в процентах. Буквы в конце марки означают, что данный компонент составляет оставшееся содержание припоя. Обозначение компонентов: А – алюминий; Ж – железо; И – индий; К (Кд) – кадмий; М – медь; О – олово; С – свинец; Ср – серебро; Су – сурьма; Ф – фосфор; Ц – цинк. Например: ПОС61М – припой оловянно-свинцовый, олова – 61 %, остальное – свинец и добавка меди; ПСр3Кд – серебряно-кадмиевый, серебра – 3 %, остальное – кадмий.

К мягким припоям (температура плавления ниже 400 °С) относят сплавы легкоплавких металлов: висмута, индия, олова, цинка, свинца. В производстве часто используют сплавы олова: оловянно-свинцовый припой ПОС-61 (61 % Sn и 39 % Pb) называется третником (примерно 1/3 свинца); оловянно-цинковые припои – ПОЦ-90, ПОЦ-70 и др.

К твердым припоям (температура плавления 600-1300 °С) относят чистую медь и ее сплавы с цинком, никелем и благородными металлами (серебром, золотом, платиной). Наиболее часто применяют медно-цинковые припои ПМЦ-42, ПМЦ-47, содержащие соответственно 42 и 47 % меди. При пайке деталей ответственного назначения применяют медно-серебряные припои – ПСр-10, ПСр-25, ПСр-72, содержащие соответственно 10, 25 и 72 % серебра (остальное – медь и цинк). Припои изготавливают в виде прутков, листов, проволок, полос, спиралей, дисков, колец, зерен и др. для удобства укладки припоя в места пайки. В качестве флюсов применяют канифоль, хлористый цинк или его смесь с хлористым аммонием и др. Пайке поддаются все углеродистые и легированные стали, в том числе инструментальные и коррозионно-стойкие, твердые сплавы, серые и ковкие чугуны, большинство цветных металлов, а также металлы с неметаллическими материалами.

Пайка чугуна. Графит содержащийся в структуре чугуна затрудняет смачивание поверхности припоем. Для его удаления применяется: пескоструйная обработка с последующим выжиганием графита окислительным пламенем газовой горелки или электрохимическая обработка в соляной ванне при 450-510 °С.

При низкотемпературной пайке чугуна оловянно-свинцовыми и другими легкоплавкими припоями поверхности подготавливают путем обработки флюсами (ПВ209 или ПВ284Х) при 600-700 °С или электрохимическим методом в соляной ванне, а затем обезжиривают бензином, ацетоном или раствором щелочи. Пайку производят паяльником или газовой горелкой с применением флюсов на основе хлористого цинка с добавками хлористых солей меди и олова. Для облегчения пайки легкоплавкими припоями применяют гальваническое лужение или контактное меднение в растворе медного купороса.

Высокотемпературную пайку чугуна производят припоями на основе меди, например латунью. Применяют серебряные припои с никелем, имеющие низкие температуры плавления и образующие прочные соединения. При высокотемпературной пайке чугуна целесообразно применять флюсы (ПВ209 и ПВ284Х), которые растворяют графит на поверхности чугуна, благодаря чему обеспечивается надежное смачивание припоем соединяемых поверхностей.

Нагрев при пайке чугуна производят газовой горелкой или паяльной лампой до температуры порядка 900 °С; при этом пламя должно быть только нейтральным. Перегрев чугуна связан со структурными превращениями (при последующем его охлаждении выделяется хрупкий цементит). Для снятия внутренних напряжений и упрочнения паяных соединений чугунные изделия подвергают отжигу при 700-750 °С в течение 20 мин. Пайку в печах с контролируемой атмосферой производят с флюсом, который улучшает смачивание основного металла и затекание припоя в зазор.

Пайку дефектных участков (усадочных раковин, пор и трещин) чугунных литых деталей осуществляют с применением оловянно-свинцовых припоев. Чаще применяют припой ПОСЗО с использованием в качестве флюса водного раствора хлористого цинка с добавками хлористых солей меди и олова. Паяют только после механической зачистки и лужения соединяемых поверхностей. Последовательность лужения: места пайки очищают от литейной корки проволочной щеткой; очищенную поверхность обезжиривают бензином или раствором щелочи и наносят флюс; равномерно прогревают место пайки газовой горелкой до температуры, при которой начинает плавиться припой; после лужения дефекты запаивают, применяя для этой цели паяльник или горелку. После пайки изделие тщательно промывают горячей и холодной водой.

Пайка меди и ее сплавов. Пайка меди производится всеми известными способами: паяльником, газовыми горелками, погружением в расплавленный припой и в камерных печах. Применение низкотемпературных припоев ограничено тем, что паяльником можно осуществлять пайку только тонкостенных деталей при температуре до 350 °С. Массивные детали, вследствие большой теплопроводности меди, паяют газовыми горелками. Для трубчатых медных теплообменников применяется пайка с последовательным погружением в расплавы солей и припоев. Распространена пайка в печах, поскольку обеспечивает равномерный нагрев изделий без деформации. Пайка в вакууме производится в вакуумных печах или контейнерах, загружаемых в обычные печи. Паяные швы отличаются чистотой исполнения, прочностью металла шва и высокой коррозионной стойкостью. Недостаток – сложность оборудования.

Флюсы. При пайке меди легкоплавкими припоями используют канифольно-спиртовые флюсы, водные растворы хлористого цинка или хлористого аммония. При пайке тугоплавкими серебряными припоями применяются флюсы на основе соединений бора и фтористых соединений калия. Флюсы очищают поверхность меди от окисной пленки и способствуют растеканию припоя. Недостаток флюсовой пайки меди – трудность получения герметичных соединений, так как остатки флюса являются очагами коррозии. Пайку меди осуществляют в восстановительных или нейтральных газовых средах. В азоте пайку меди производят при 750-800 °С. Недостаток – сложность оборудования по очистке азота. Применяется пайка меди в среде аргона припоем ЛС59-1 с дополнительным флюсованием мест пайки водным раствором буры.

Припои. При низкотемпературной пайке меди применяются стандартные оловянно-свинцовые ПОС40, ПОС61 и свинцово-серебряные припои ПСр1,5, ПСрЗ с использованием флюсов на основе хлористого цинка или канифольно-спиртовых. Хрупкость оловянно-свинцовых припоев и паянных ими соединений при низких температурах объясняется аллотропическим превращением олова и образованием в шве хрупких интерметаллидов, которые являются очагами развития трещин. Если оловянно-свинцовые припои содержат менее 15 % олова, то падения ударной вязкости не происходит. Свинец, являясь основой сплава, с понижением температуры увеличивает ударную вязкость. Высокая пластичность свинца делает его нечувствительным к надрезу.

Широкое применение для высокотемпературной пайки меди нашли припои ПСр45, ПСр40, ПСр25, ПСр12. Пайку осуществляют, нагревая медь ацетилено-кислородным пламенем или в печи с использованием коррозионно-активных флюсов ПВ209, ПВ284Х. Остатки флюса удаляют промывкой в горячей воде. Пайку теплообменной аппаратуры осуществляют с применением припоя ПСр72, ПСр71 в вакууме или аргоне.

Если конструкция позволяет производить пайку медных деталей под давлением, то в качестве припоя можно использовать серебряное покрытие (10-25 мкм) или тонкую серебряную фольгу. При нагреве выше 780 °С медь взаимодействует с серебром с образованием припоя типа ПСр. Пайка этим контактно-реактивным методом осуществляется без применения флюса – в вакууме или инертной среде.

Диффузионная пайка меди может быть выполнена галлием, индием, оловом, свинцом, припоем ПОС61 путем поджатия деталей в вакууме или аргоне при температурах 650-800 °С и длительных выдержках. Припой в место пайки можно наносить напылением в вакууме, гальваническим способом или в виде тонкой фольги. Однако эти соединения меди хрупкие и малопрочные. Капиллярная пайка меди низкотемпературными припоями производится при зазорах 0,05-0,5 мм и температурах 650-900 °С в вакууме или аргоне.

Пайка латуней имеет следующие особенности: присутствие на поверхности плотной оксидной пленки и испарение цинка при нагреве.

На поверхности латуней, содержащих до 15 % Zn, слой оксидов состоит из Cu₂O с внедренными частицами ZnO. В сплавах с большим содержанием цинка слой оксидов состоит в основном из ZnO, удаление которого более сложно, чем Cu₂O. Особенность низкотемпературной пайки латуней оловянно-свинцовыми и другими аналогичными припоями заключается в том, что удаление оксидной пленки с поверхности латуней не обеспечивается канифольно-спиртовыми флюсами. Необходимо применять более активные флюсы. Например, при пайке латуней ЛС59-1, Л63 используют флюсы на основе хлористого цинка.

Снижение предела прочности соединений латуни связывают с пористостью в швах, которую объясняют испарением цинка и попаданием его паров в жидкий припой. Порообразование наблюдается после пайки как низкотемпературными, так и высокотемпературными припоями. Высокотемпературную пайку латуни в печах с восстановительной или нейтральной атмосферой применяют ограниченно из-за испарения цинка. Пайка латуней в газовых средах возможна только с предварительным флюсованием мест пайки. В печи без флюса, латунь паяют только в том случае, если она предварительно покрыта слоем меди или никеля, предохраняющим от испарения цинка.

Детали из латуни можно паять в соляных ваннах при 850-870 °С. Для улучшения затекания припоя в зазор добавляют 4-5 % флюса, содержащего фтороборат калия или буру. Латуни интенсивно растворяются при пайке серебряными и медно-фосфористыми припоями. Паять их следует с высокими скоростями нагрева для сокращения контакта жидкого припоя и твердого металла.

Пайка бронз. Оловянистые бронзы можно паять: паяльником, газопламенными горелками, контактным нагревом, нагревом ТВЧ, в соляных ваннах, в печах с контролируемой атмосферой. Нагрев ведут постепенно, при высоких скоростях нагрева основной металл склонен к красноломкости. Пайку высокооловянистых бронз проводят оловянно-свинцовыми припоями с использованием флюсов на основе хлористого цинка с добавкой соляной кислоты. При высокотемпературной пайке используют медно-цинковые и серебряные припои с применением флюсов на основе борной кислоты с добавками хлористых и фтористых солей металлов. Свинцовые бронзы можно паять припоями с флюсами, которые применяют для пайки оловянистых бронз. Места пайки необходимо тщательно флюсовать, поскольку образующиеся на поверхности оксиды свинца препятствуют затеканию припоя в зазор. На поверхности алюминиевой бронзы образуется оксидная пленка, трудно удаляемая обычными флюсами. Изделие перед пайкой обрабатывают во фтористо-водородной или плавиковой кислоте.

При пайке оловянно-свинцовыми припоями применяют флюсы с повышенным содержанием соляной кислоты. Рекомендуется предварительная очистка и флюсование поверхности смесью борной кислоты с хлористыми солями металлов. Во избежание окисления и образования хрупких интерметаллидов в шве, бронзы паяют применяя быстрый нагрев. Введение в припои никеля повышает пластичность и прочность соединений. Бериллиевые бронзы паять труднее, чем другие медные сплавы. Их следует паять немедленно после механической зачистки серебряными припоями с флюсом, в состав которого должны входить фтористые соли. Марганцовистые бронзы следует паять с использованием ортофосфорной кислоты. Медно-никелевые сплавы паяют любыми способами и припоями, а также чистой медью. Пайку медью в печи с контролируемой атмосферой выполняют при высоких скоростях нагрева, так как при длительной пайке основной металл растворяется в припое, прочность шва падает.

Пайка титана и его сплавов. На поверхности титана имеется альфированный слой, насыщенный азотом и кислородом. Его удаляют пескоструйной обработкой или травлением в растворе: 20-30 мл H₂NO₃, 30-40 мл НСl на литр воды. Время травления 5-10 мин при 20 °С. После такой обработки на поверхности титана остается тонкая оксидная пленка, препятствующая смачиванию поверхности припоем. Обычно пайку титана и его сплавов ведут в вакууме или аргоне, который тщательно очищен от примесей кислорода, азота и паров воды. Пайку титана ведут при температуре 800-900 °С, что способствует быстрой очистке поверхности и хорошему смачиванию его припоями. Пайку при высоких температурах производят редко (особенно печную), при длительном нагреве выше 900 °С у титана отмечается склонность к росту зерна.

Водород, всегда находящийся в титане и снижающий пластичность, удаляется при пайке (или нагреве) в высокотемпературном вакууме 10^-2 Па при 900 °С. Пайка титана в вакууме предпочтительнее, чем в нейтральной атмосфере.

При выборе припоя, способа и режимов пайки необходимо иметь в виду, что титан образует хрупкие интерметаллиды в паяном шве почти со всеми элементами, входящими в припои. В качестве основы припоев выбирают: серебро, которое образует с титаном менее хрупкие интерметаллиды; алюминий, который образует с титаном ограниченную область твердых растворов, что также позволяет рассчитывать на получение менее хрупких паяных соединений.

При пайке титана в вакууме чистым алюминием в шве образуются интерметаллидная прослойка, соединения приобретают нулевую прочность. Толщина прослойки уменьшается, если в качестве припоя применяется алюминий, легированный Сu, Fe, Ge, Mg, Mn, Ni, Sb, Ti, Zr и Si, по 1 % в отдельности (особенно 0,8 % Si). Пайка ТВЧ в среде аргона при 720 °С трубопроводов из сплава ВТ1 припоем на основе алюминия, содержащего 0,3 % Fe, 0,35 % Si и 0,05 % Сu, дает возможность получить герметичные соединения с прочностью 110-130 МПа. Титан и его сплавы низкотемпературными припоями паяют после покрытия никелем, оловом, серебром или медью. Никелем титан покрывают химическим или гальваническим способом. Для увеличения сцепления, детали прогревают при 250 °С в течение 1 часа. Для покрытия оловом изделие опускают на 10-20 мин в нагретое до 700 °С олово. Покрыть титан оловом можно при помощи флюса, в состав которого входит хлористое олово. Флюс просушивают, применяют в размолотом виде. Изделие покрывают флюсом толщиной до 3 мм и нагревают до 350-400 °С в печи с нейтральной средой. Луженое изделие паяют легкоплавкими припоями (Т_пл ≤ 200 °С), применяя канифольные флюсы. Медное покрытие получают погружением изделия на несколько секунд в расплавленную хлористую медь или ее смесь с другими хлоридами меди при 650-700 °С.

Серебром титан покрывают методом погружения изделия в расплавленное серебро. После охлаждения деталь очищают от остатков флюса и шлака паром или кипячением в воде с последующей зачисткой наждачной бумагой или щеткой.