§7.14. Пайка металлов.

Пайка- это соединение металлических деталей введением расплавленного сплава (припоя).

В современном машиностроении пайка применяется достаточно широко. Так, на МЗ «ЗИО-Подольск» этот процесс используется при изготовлении режущего инструмента (для прикрепления режущих пластин из твердого сплава, минералокерамики к корпусу резца, сверла, развертки, фрезы и т.п.).

Контактные процессы при пайке существенно отличаются от процессов при сварке.

Рис. 7.15 Схема припаивания

провода к клеммам прибора.

В отличие от сварных паяное соединение предполагает разъединение посредством нагрева при этом основной металл соединяемых деталей не плавится.

Для получения диффузии между припоем и основным металлом изделие нагревают немного выше температуры плавления припоя. Основное условие прочной пайки - чистота соединяемых поверхностей. С этой целью их очищают механическим путем, затем подвергают травлению с помощью флюсов, выбор которых зависит от вида припоя и соединяемых металлов.

Качество паяных изделий и эффективность паяльного процесса определяются возможностью предупреждения образования или устранения дефектов в паяных соединениях.

Пайка делится на пайку мягкими припоями и пайку твердыми припоями.

Мягкие припои - это сплав олова и свинца (ПОС-2,…ПОС-18,… ПОС-90). Могут быть припои на основе свинца и кадмия. Флюсом здесь является хлористый цинк, канифоль (при пайке меди и ее сплавов), 10% водный раствор соляной кислоты (при пайке цинка и оцинкованных изделий), ортофосфорная кислота.

Пайку осуществляют паяльником, горелкой, погружением изделия в расплавленный припой. Прочность соединения невелика.

Пайка твердыми (крепкими) припоями.

Для ответственных деталей применяют пайку твердыми припоями (медноцинковыми ПМЦ, серебряными ПСв и др.).

Тугоплавкие припои применяют для пайки изделий из стали и медных сплавов, стали и твердого сплава, стали и быстрорежущей стали.

Рис. 7. 16. Конструктивные элементы паяных швов: а) нахлесточный телескопический; б) косостыковой; в) стыковой; г) соприкасающийся; д) тавровый.

Серебряные припои дают более прочные соединения, выдерживающие значительные ударные и вибрационные нагрузки. Их применяют для ответственных изделий.

Формы паяных соединений приведены на рис. 7.16.

Поверхности изделия перед пайкой тщательно очищают и закрепляют в приспособлениях, оставляя зазор не более 0,3 мм. Затем на спаиваемое место наносят флюс и припой. После пайки охлажденные детали очищают от остатков флюса для предупреждения коррозии в зоне шва.

Источниками нагрева могут быть: паяльная лампа, газовая горелка, высокочастотная установка, печь электрическая.

§7.15. Контроль качества изготовления заготовок и сварных

конструкций.

Современному производству необходимы высококачественные механизмы. Изготавливать их без специальных проверок невозможно. Поэтому к настоящему времени разработано множество методов по оценке качества изделий.

Существуют неразрушающие и разрушающие методы контроля качества и гидро-пневмо испытания.

Неразрушающие:

Визуальный, измерительный, капиллярный, магнитопорошковый, радиографический, ультразвуковой, контроль герметичности, токовихревой и др.

Разрушающие:

Механические испытания (растяжение, статический изгиб, сплющивание труб), определение ферритной фазы, испытания на межкристаллитную коррозию, металлографические исследования, определение химического состава.

Визуальный и измерительный контроль на предприятии производится специалистами (обычно сотрудниками ОТК), прошедшими обучение и аттестованными на выполнение данных видов контроля.

Визуальный контроль позволяет внешним осмотром определить наличие каких-либо отклонений в геометрических формах, состоянии поверхности заготовки, детали или изделия

С помощью измерительного контроля определяются геометрические размеры изделий, параметры отклонений от требований конструкторской или нормативной документации.

Капиллярный контроль – позволяет обнаружить поверхностные дефекты (поры, межкристаллитную коррозию и др.). Дефекты проявляются в виде ярко окрашенных или светящихся следов в месте расположения несплошностей. Контролируемая зона определяется по соответствующим нормативным документам²⁵ .

В качестве дефектоскопических материалов применяют индикаторные пенетранты и проявители.

Имеется 3 класса чувствительности :

1-й выявляет ширину раскрытия до 1 мкм (люминисцентный,

цветной методы, люминисцентно-цветной);

2-й- -«- 1- 10 мкм -«- ;

3-й -«- свыше 10 мкм (цветной,

люминисцентно-цветной метод).

Методика проведения контроля:

а) очистка поверхности от окалины, загрязнений;

б) наносится кисточкой индикаторный пенетрант и выдерживают около 5 мин;

в) удаляют индикаторный пенетрант влажной безворсовой тканью до полного отсутствия свечения или окрашенности;

г) наносится и сушится проявитель;

д) через 20 мин производится осмотр поверхности.

Магнитопорошковый контроль.

Этот метод контроля основан на обнаружении с помощью ферромагнитных частиц магнитных полей рассеяния, возникающих на поверхностных и подповерхностных несплошностях металла²⁶ . Имеется три уровня чувствительности:

А- ширина дефекта- 2 мкм; длина- 0,5 мм; Ra_min2,5 мкм;

Б- -«- 10 ; -«- 0,5 ; 10 ;

В- -«- 25 ; -«- 0,5 ; 10.

Применяются следующие дефектоскопические материалы:

черные или цветные магнитные, а также магнитолюминисцентные порошки.

Существуют способы остаточной намагниченности и приложенного поля.

Радиографический контроль.

Проводится с помощью рентгеновского просвечивания, гамма излучения, ускорителями элементарных частиц.

Выявляет трещины, поры, вогнутость или выпуклость шва.

Минимальный дефект- трещина шириной 0,1 мм при толщине стенки до 40 мм.

Подготовка поверхности - очистка от загрязнений, окалины, удаление неровностей, мешающих контролю.

Ультразвуковой контроль (УЗК).

Метод основан на прохождении высокочастотных звуковых волн по сплошным средам и отражении от поверхности раздела сред. Проводят его разными способами (см. рис. 7.17): эхо, теневой, зеркально- теневой, эхо – сквозной²⁷.

При этом используются ультразвуковые продольные, поперечные

волны (волны Релея), нормальные волны (волны Лэмба) в зависимости от типоразмера контролируемых деталей.

При УЗК поверхность должна иметь Ra 6,3 , если шероховатость больше, то метод можно использовать при условии достижения заданной чувствительности и стабильности сигнала. В ряде случаев на поверхность наносится слой минерального масла.

Ниже приведено несколько примеров контроля сварных соединений.

Рис.7.17. Способы УЗК: а) эхо; б) теневой; в) зеркально-теневой; г) опреде-

ление несплошностей в сварном шве прямым лучом; д) однажды отраженный луч.

Н а рис.7.17, 7.18, 7.19 показаны основные схемы контроля методом УЗК. Здесь буквами И, ИП, П обозначены пьезоэлектрические приборы соответственно излучатель, совмещенные излучатель и приемник, приемник УЗ сигналов.

Рис.7.18 Определение размеров отдельного шлакового включения.

Отдельные шлаковые включения и поры характеризуются тем, что при прозвучивании с разных направлений эхо-сигналы слабо изменяют свое расположение и величину на экране дефектоскопа.

Рис.7.19 Определение рыхлости в шве.

Рыхлость характеризуется появлением

широкого эхо-сигнала неопределенной

формы.

Вихретоковый контроль труб.

В этом методе на каждый ограниченный по длине участок трубы подается высокочастотный гармонический сигнал. Возмущение (электромагнитное) от этого сигнала пробегает по периметру данного участка и попадает в приемник. Наличие дополнительных сопротивлений в виде разрывов, утонений и т.п. вызывает отклонение принимаемого сигнала от задаваемого. При этом на экране осциллографа появляются разнообразные фигуры, конфигурация которых зависит от формы дефектов. По сравнению отклонений от известных картинок, оценивается характер и величина дефекта.

Контроль герметичности.

Имеется 5 классов герметичности²⁸. Показателем является минимальные значения суммарных характеристик, обнаруживаемых сквозных дефектов

Z_= 6,7*10^-11… 6,7*10^-4 м³Па/сек.

Физически это соответствует суммарному расходу протечек при перепаде давления 1 Па.

Самая простая проверка заключается в наливе воды или керосина без давления.

Существуют также следующие способы:

- гидравлический с люминисцентно - индикаторным покрытием и освещением лучами ультрафиолетового цвета;

- люминисцентно-гидравлический с освещением лучами ультрафиолетового цвета.

В этих способах создаются невысокие давления.

Газовые методы проверки герметичности.

1. Пузырьковый (см. рис. 7.20).

Здесь испытуемый сосуд помещается бак с жидкостью (вода, спирт).

К сосуду подводится воздух под давлением до 0,5 МПа.

Рис.7.20.

Пузырьковый метод контроля.

При наличии сквозных дефектов появляются пузыри (течи), поднимающиеся на поверхность. По их наличию, количеству оценивается качество изделия.

В качестве пробной жидкости может применяться вода или спирт.

2. Метод гелиевой (вакуумной) камеры (рис. 7.21).

Испытуемый объект размещают в герметичной камере. В объект подается гелий. При наличии сквозных дефектов гелий проходит в камеру и оттуда попадает соответствующая информация в измерительный прибор, по показаниям которого судят о качестве изделия

Рис. 7.21. Схема установки для контроля способом вакуумной камеры: 1- гелиевый течеискатель; 2- натекатель; 3- баллон с аргоном; 4- камера; 5- изделие; 6- мановакуумметр; 7- редуктор; 8- баллон с гелием; 9- вакуумный насос; 11 – калиброванная течь.

3. Метод гелиевого щупа (рис. 7.22).

Рис. 7.22. Схема установки контроля способом щупа: 1- гелиевый течеискатель; 2- термопарная лампа; 3- вакуумный шланг; 4- вакуумный клапан; 5- вакуумный насос; 6- изделие; 7- щуп; 8- мановакуумметрн; 9- баллон с гелием.

Изделие обдувается потоком гелия. С противоположной стороны

размещается щуп, улавливающий проникающий сквозь дефекты гелий и передающий информацию в измерительный прибор.

По показаниям последнего оценивается качество изделия.

Гидроиспытания.

Этот метод является промежуточным между неразрушающими и разрушающими методами контроля. Поскольку в процессе испытаний определяется как прочность изделия, так и герметичность.

Метод основан на создании в сосуде избыточного давления

Р_ги= 1,25Р_расч []_th/[]_T, (7-4)

где Р_расч - расчетное давление; []_th - допускаемое напряжение, определяемое по нормам расчета на прочность при температуре испытаний; []_T - допускаемое напряжение по нормам расчета на прочность при расчетной температуре Т.

Чем выше расчетная температура, тем ниже допускаемое напряжение. Поэтому при Т>Т_h отношение []_th/[]_T> 1.

В процессе гидроиспытаний какой-либо сосуд наполняют жидкостью. Это может быть вода, но чаще используют специальную жидкость, не вызывающую коррозии, например, моноэталомин.

Рис.7.23.

Схема проведения гидроиспы-таний: 1- изделие; 2- насос объемного действия; 3- клапан предохранитель-ный, рассчитанный на заданное давление; 4- манометр; 5- воздушник.

При заполнении изделия обязательно должны быть открыты устройства для выпуска воздуха- воздушники. После того, как жидкость пошла, их закрывают и далее создают испытуемое давление.

Необходимо помнить, что при сжатии жидкости создаются напряжения в деталях, омываемых этой жидкостью, и они могут деформироваться.

Рассчитаем, для примера, потребное количество воды при создании в баке размерами bx hx l и толщиной стенки t давления Р.

Изменение объема металла составит

V_мет =  ( V/ x_i ) x_i= bhl+ blh+ hbb.

Для куба будет

V_мет= 3l²l. (7-5)

Для цилиндрической бочки начальным объемом V₀=R₀²l

V_мет= (2R₀lR+ R²₀l). (7-6)

Так как напряжение в стенке куба будет = Pl²₀/ (4l₀t)= Pl₀/ (4t)

изменение длины l= l₀/ E= Pl²₀/ (4Et) и изменение объема куба

V_мет= 3Рl² l²₀/ (4Et)= 0,75Pl⁴₀/(Et). (7-7)

Увеличение объема цилиндрической бочки будет

V_мет=R³₀ l(tE)^-1P(1,25- /8). (7-8)

Изменение объема жидкости из-за ее сжимаемости составит

V_мет= V_0жР/_ж, (7-9)

где _ж = 2*10³МПа- модуль упругости жидкости (воды).

Тогда дополнительный объем жидкости, необходимый для создания давления в баке, должен быть

для куба

V= V_мет+ V_ж= 0,75Pl⁴₀/(Et)+ V_0жР/_ж= PV₀[0,75l₀/(Et)+ B^-1_ж); (7-10)

для цилиндрической бочки

V=R³₀ l(tE)^-1P(1,25- /8)+ R²₀ l/B_ж= PR²₀ l[R₀(tE)^-1(1,25- /8)+B^-1_ж]. (7-11)

Откуда время работы насоса c производительностью Q после заполнения емкости без давления составит T= V/Q. [сек]