Способы обработки материалов. Учебное пособие

метра (2...4 мм). Газовым теплоносителем сваривают в основном толстостенные изделия, в частности винипластовые трубы и емкости. Наиболее рациональна сварка толстостенных деталей встык, предпочтительнее с Х-образной разделке кромок, так как обеспечивается меньший расход присадочного материала и более высокая прочность соединения, чем при V-образной разделке. Детали толщиной до 2 мм можно сваривать встык без разделки кромок, обеспечив между кромками зазор до 1,5 мм. Поверхность кромок перед сваркой тщательно очищают и обезжиривают, например, ацетоном. Глянец снимают наждачной шкуркой или шабером. Сварку винипласта производят воздухом, подогретым до температуры 200...240°С и подаваемым под давлением 60 кПа.

Сварку полиэтилена, полипропилена, фторопласта-4, полиизобутилена, полистирола в основном осуществляют контактным нагревом под давлением. Свариваемые поверхности изделий разогреваются до температуры размягчения на глубину 2...3 мм и сдавливаются с определенным усилием до полного смыкания оплавленных поверхностей (с некоторым выдавливанием оплавленного материала). Давление снимают после отверждения соединяемых поверхностей (до 40 с). При сваривании тонких пленок между горячим инструментом и свариваемыми внахлест поверхностями помещают фторопластовую прокладку толщиной 0,1...0,15 мм.

Сварку токами высокой частоты применяют в основном для тех материалов, которые имеют достаточно высокий тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ) и высокий коэффициент диэлектрической проницаемости ε (например, винипласта). Количество тепла, выделяемого в объеме свариваемого материала между электродами за 1 с, определяется по формуле:

Q=0,33U2fε tg δ (кал),

где U – напряженность электрического поля, В; f – частота электрического поля, мГц.

363

Форма и размеры электродов зависят от вида сварочного соединения, конфигурации и размеров свариваемых изделий. Сваривают детали толщиной до 5 мм.

Сваривание полиолефиновых пленок толщиной 50...150 мкм осуществляют лазерной сваркой со скоростью до 400 м/мин. Для сварки фторопласта с полиэтиленом, полистиролом, кварцем, алюминием и другими материалами применяется ядерная сварка.

Сравнительные данные свариваемости различных термопластов приведены в табл. 72.

Таблица 72

Характеристика свариваемости термопластов

Глава 14. ПАЙКА МАТЕРИАЛОВ

14.1. Способы пайки материалов

Пайка – это технологический процесс получения неразъемных соединений металлов нагревом до расплавления более легкоплавкого присадочного металла – припоя, заполняющего зазор между соединяемыми деталями; основной металл при пайке не плавится, а нагревается до температуры расплавления припоя.

В качестве источников тепла при пайке используют газокислородное и газовоздушное пламя, электронагрев, индукционный нагрев, паяльники.

Кпреимуществам пайки относятся отсутствие расплавления

инезначительный нагрев основного металла. Эти преимущества позволяют получать высококачественные соединения не только однородных металлов, но и разнородных металлов и сплавов.

Особенность пайки состоит в том, что при этом процессе не происходит плавления металла соединяемых деталей.

Родственным пайке процессом является лужение, при котором поверхность металлической детали покрывают тонким слоем расплавленного припоя, образующего в контакте с основным металлом припой-сплав переменного состава с теми же зонами, что и зоны при пайке. Если при пайке прочность паяного соединения определяется прочностью двух спаев и зоны сплавления, то при лужении прочность связи слоя полуды с основным металлом зависит от прочности переходного слоя (спая) между ними.

365

Лужение можно применить как предварительный процесс с целью создания более надежного контакта между основным металлом и припоем или как покрытие для защиты металлов от коррозии. Для повышения прочности спая, полученного при лужении, иногда проводят термическую обработку.

Паяемые конструкционные материалы выбирают в соот-

ветствии с условиями работы конструкции и требованиями прочности, герметичности, коррозионной стойкости и др.

В паяемых конструкциях применяют стали всех типов, чугуны, никелевые сплавы (жаропрочные, жаростойкие, кислотостойкие), медь и ее сплавы, а также легкие сплавы на основе титана, алюминия, магния и бериллия (табл. 73). Ограниченное применение имеют сплавы на основе тугоплавких металлов: хрома, ниобия, молибдена, тантала и вольфрама.

Таблица 73

Температура плавления некоторых конструкционных материалов

Формирование паяного соединения происходит под влиянием различных факторов (рис. 50).

Изменяя технологические параметры процесса пайки (состав и свойства припоя, термический цикл, средства активации поверхности, зазор, конструкцию паяного соединения), можно влиять на формирование швов паяных соединений и конечные свойства этих соединений. Например, факторами, определяющими степень смачивания припоем основного металла, являются состав и свойства основного металла и припоя, температура и время выдержки при пайке, а также средства активации поверхности. Если при заданных условиях пайки не удается обеспечить хорошего смачивания припоем паяемого металла, то смачивание можно улучшить нанесением на паяемые поверхности слоя другого металла.

В некоторых случаях получение качественного паяного соединения при хорошей смачиваемости затруднено образованием на границе припой – паяемый металл хрупких прослоек ин-

367

терметаллических соединений. В этом случае получение соединения с требуемыми свойствами зависит от взаимодействия припоя и паяемого металла.

Факторами, влияющими на этот процесс, являются состав и свойства паяемого металла и припоя, температура и время выдержки при пайке и величине зазора (табл. 74).

368

369

Таблица 74

Рекомендуемые величины паяльных зазоров, мм

В ходе кристаллизации припоя при охлаждении возможно появление специфических дефектов – пор, раковин, трещин. В определенных условиях процесс кристаллизации может оказаться основным в формировании работоспособного соединения. Процесс кристаллизации в свою очередь определяется составом припоя и его взаимодействием с паяемым материалом, условиями охлаждения, величиной зазора, конструкцией соединения и некоторыми другими факторами.

Изменение свойств паяемого металла при пайке возможно в результате воздействия термического цикла пайки и в результате взаимодействия с припоем. Поэтому к технологическим факторам, влияющим на характер и степень изменения свойств основного металла, относятся и все факторы, которые определяют взаимодействие припоя и основного металла.

При пайке металла с керамикой, стеклом, когда имеется значительная разность в коэффициентах термического расши-

370

рения и один из материалов или оба имеют низкие пластические свойства, получение работоспособных соединений может быть затруднено из-за возникновения напряжений и разрушения спая в процессе охлаждения.

Ктехнологическим факторам, влияющим на напряженное состояние соединения, можно отнести состав и свойства паяемых материалов и припоя, термический цикл пайки, конструкцию паяных соединений и все факторы, влияющие на взаимодействие припоя и металла.

Таким образом, при получении паяного соединения наиболее важны смачивание припоем основного металла (необходимое условие образования соединения при пайке) и взаимодействие припоя с паяемым материалом, оказывающее влияние на все сопутствующие процессы, участвующие в формировании паяного соединения.

Внастоящее время принята классификация способов пайки по различным признакам.

По условию заполнения паяльного зазора различают виды пайки: капиллярный и некапиллярный. При капиллярной пайке заполнение припоем зазора и удержание его в зазоре происходит под действием поверхностного натяжения капиллярных сил. При некапиллярной пайке зазор заполняется припоем преимущественно под действием силы тяжести или другой внешней силы.

Кнекапиллярным способам пайки (применяемым редко) отнесены сваркопайка (способ соединения разнородных металлов с различной температурой плавления, при котором расплавляется только более легкоплавкий металл, играющий роль припоя) и пайка заливкой, при которой соединение образуется через припой, заливаемый в полость, имеющуюся в одной из соединяемых деталей или в специальном приспособлении.

Взависимости от происхождения припоя различают следующие способы пайки: готовым припоем и контактно-реак- тивную, для которой роль припоя выполняет жидкая фаза, об-

371

разующаяся в результате химической реакции с компонентами флюса.

Одним из перспективных видов припоя является композиционный припой, содержащий порошковый наполнитель, не расплавляющийся при пайке. Наполнитель создает в зазоре систему капилляров, что позволяет паять изделия с большими зазорами. Кроме того, наполнитель участвует в диффузионном взаимодействии с припоем и может быть использован для придания соединению специальных свойств.

Диффузионная пайка рассчитана на развитие диффузионных процессов между припоем и паяемым металлом; затвердевание паяного шва происходит при температуре выше температуры солидуса припоя.

По способу удаления окисной пленки при пайке и лужении различают флюсовую и бесфлюсовую пайку, ультразвуковые пайку и лужение, абразивное, абразивно-кристаллическое и аб- разивно-кавитационное лужение, пайку в активных, нейтральных газах и в вакууме. При ультразвуковой пайке и лужении, абразивном, абразивно-кристаллическом и абразивно-кавитаци- онном лужении происходит механическое разрушение оксидной пленки на поверхности паяемого материала под слоем расплавленного припоя, смачивающего очищенную поверхность, за счет явления кавитации, вызываемого ультразвуковыми колебаниями, или абразивного воздействия твердых частиц, содержащихся в припое.

По источникам нагрева существующие способы пайки разделяют на пайку паяльником, газопламенную, дуговую, электросопротивлением, экзотермическую (использующую теплоту, образующуюся при экзотермических реакциях специальных смесей), электронным лучом (чаще сканирующим), лазерную, световым излучением (с помощью кварцевых ламп и ксеноновых ламп высокого давления), печную, погружением в расплавленные соли или припои, волной припоя, нагретыми штампами, матами, блоками.

372