Техника сварки.

В практике применяют два способа сварки - правый и левый (см. рис.8) При правом способе сварку ведут слева на право, сварочное пламя направляют на сваренный участок шва, а присадочную проволоку перемещают вслед за горелкой. Так как при правом способе пламя направлено на сваренный шов, то обеспечивается лучшая защита сварочной ванны от кислорода и азота воздуха, большая глубина плавления, замедленное охлаждение металла шва в процессе кристаллизации. Теплота пламени рассеивается меньше, чем при левом способе, поэтому угол разделки кромок делается не 90 ° , а 60-70 ° , что уменьшает количество наплавленного металла и коробление. При правом способе производительность на 20-25 %выше, а расход газов на 15-20 % меньше, чем при левом. Правый способ целесообразно применять при сварке металла толщиной боле 5 мм и металлов с большой теплопроводностью.

При левом способе сварку ведут справа налево, сварочное пламя направляют на ещё не сваренные кромки металла, а присадочную проволоку перемещают впереди пламени. При левом способе сварщик хорошо видит свариваемый металл, поэтому внешний вид шва лучше, чем при правом способе; предварительный подогрев кромок свариваемого металла обеспечивает хорошее перемешивание сварочной ванны. Благодаря этим свойствам левый способ наиболее распространён и применяется для сварки тонколистовых материалов и легкоплавких металлов.

Мощность сварочной горелки при правом способе выбирают из расчёта 120-150 дм ^ 3/ч ацетилена, а при левом -100-130 дм ^ 3/ч на 1 мм толщина свариваемого металла.

Диаметр присадочной проволоки выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла и способа сварки. При правом способе сварки диаметр присадочной проволоки d = S / 2 мм., но не более 6 мм, при левом d = S / 2 + 1 мм, где S - толщина свариваемого металла, мм

Скорость нагрева регулируют изменением угла наклона a мундштука к поверхности свариваемого металла(рис. 9, а).

Чем толще металл и больше его теплопроводность, тем больше угол наклона мундштука к поверхности свариваемого металла.

В процессе сварки газосварщик концом мундштука горелки совершает одновременно два движения: поперечное (перпендикулярно оси шва) и продольное (вдоль оси шва) (рис. 9) Основным является продольное движение. Поперечное движение служит для равномерного прогрева кромок основного металла и получения шва необходимой ширины.

Газовой сваркой можно выполнять нижние, горизонтальные (на вертикальной плоскости), вертикальные и потолочные швы. Горизонтальные и потолочные швы обычно выполняют правым способом сварки, вертикальные снизу вверх - левым способом.

88

В наши дни очень сложно найти чистое железо – оно слишком дорогое и практически бесполезное. «Железные» крыши, дороги, гвозди, скамейки – все эти предметы состоят исключительно из сплавов. Железо в чистом виде это мягкий и податливый материал, а если железо разбавить некоторой долей углерода, то на выходе можно получить довольно крепкий и прочный металл. Если же долю углерода увеличить, то получится чугун.

 

 

Эта же самая ситуация происходит с другими чистыми металлами – алюминием, медью, цинком. Сплавляя разные чистые металлы, можно получить довольно крепкие сплавы, которые имеют отличные свойства. Существует такое огромное количество сплавов, и для каждого из них нужно подбирать более удобный способ разрезания металлических листов.

Резка сплавов и металлов разделяется на следующие подвиды:

• Зависимая от среды резка – подводная, воздушная, обыкновенная;

• Автоматизированная резка (производимая вручную либо с помощью автоматизированного оборудования);

• По применению флюса – резка с использованием пайки, либо без неё;

 

Последняя классификация верна для резки газом – без флюса выполняется газовая резка, а кислородно-флюсовая резка требует использование флюса.

 

Виды резки металлических листов.

Резка лазером – любой сплав режется с помощью этого способа. Лазер расплавляет металл в определённой точке листа. Этот тип резки имеет главное достоинство – очень хорошее качество разреза. Края разреза не требуют дополнительной обработки. Такая резка обладает очень высокой точностью и позволяет выполнять разрезы очень высокой сложности.

Плюсы:

- Экономия металла;

- Минимум отходов;

- Станок не нуждается в перенастройке;

Минусы:

- Невозможно провести разрез листа толще двух сантиметров.

 

Резка плазмой  – плазмотронная резка сплавов и металлов. Режущая дуга генерируется в плазмотроне, затем ею раскраивается лист токопроводного, конструкционного или высокоуглеродистого сплавов. Он очень распространён, им производится большая доля разрезов.

Плюсы:

- Скорость резки очень высокая;

- Возможность универсального применения;

- Точные разрезы;

- Возможность резать фигурные модели;

- Крайне безопасный способ резки;

 Минусы:

- Наибольшая толщина разрезаемого листа – 8-10 сантиметров;

- Дорогое и сложное оборудование;

- Высокие требования к ТО;

- Высокий шум при выполнении разреза;

- Вредные газовые выделения.

 

Газокислородный разрез – самая старая технология резки металлических листов, применяется уже с начала девятнадцатого столетия. Основана на нагревании металлов выше 1000 градусов Цельсия, делающем возможным сжигать металл под струёй сжатого кислорода.  У этого способа есть преимущество перед вышеуказанными способами только в том случае, если режется металлический лист не толще пяти миллиметров.

Плюсы:

- Можно резать металл толщиной до полуметра;

- Высокая скорость проведения процедуры резки;

Минусы:

- Ограниченный спектр металлов, которые возможно резать этим способом.

 

Гидроабразивная резка (водяная). Струя сжатой до 5000 атмосфер вода, в которой находится примесь песка, быстро разрушает металл. Этим способом изготавливаются крайне сложные в исполнении разрезы, выполнение которых происходит с малейшими погрешностями. Самый большой недостаток этого способа – крайне высокая стоимость процедуры. Час такой работы стоит свыше сорока евро.

Плюсы:

- Не оставляет на разрезанном металле следов резки;

- Маленькие потери разрезаемого материала.

Минусы:

- Высокая скорость изнашивания оборудования.

 

 

Также производится рубка металла с помощью гильотины – специальные металлические ножи делают ровный разрез. Осуществить его можно как продольно, поперечно, квадратом либо кругом. Минус этого способа состоит в том, что не имеется возможности фигурной резки заготовок, также невысокая точность на срезах.

 

Ленточнопильная резка – очень удобный метод нарезки металлических листов, если принимать во внимание относительно недорогую себестоимость оборудования. Кромка резки, сделанной на станке, не требует никакой дополнительной обработки. Этот метод имеет минус в отсутствии невозможности проведения фигурной резки. Этим способом изготавливают заготовки для токарной обработки.

 

Резка с помощью болгарки. Обладающий невысокой точностью популярный метод резки. Крайне низкопроизводительный способ резки.

89

Пайка представляет собой технологический процесс, при котором два или более металлических элемента соединяются друг с другом посредством плавления и растекания в зазоре между ними металлического наполнителя (припоя). Температура плавления припоя всегда должна быть ниже, чем у соединяемых металлов. Пайка отличается от сварки тем, что не предполагает плавления заготовок. В прошлом почти все припои содержали свинец, но экологические проблемы вынуждают разрабатывать новые на основе металлов, отличных от свинца.

Существует доказательство того, что пайка использовалась еще 5 тысяч лет назад в Месопотамии. Исторически она применялась при изготовлении ювелирных изделий, кухонной утвари и инструментов, а также в других ремеслах, например, при сборке витражей.

В настоящее время пайка находит применение при сантехнических работах, сборке электронных приборов, упаковке тары для консервов, кровельных и дренажных работах и изготовлении ювелирных изделий.

Достоинствами пайки является то, что она позволяет разъединять стыки без повреждения спаянных кромок, что важно при ремонте различных трубопроводов, таких как систем охлаждения.

Припои

Припои представляют собой наполнители, изготавливаемые из различных сплавов, в зависимости от конкретных целей. В электронике применяются эвтектические металлические сплавы, содержащие 63% олова и 37% свинца (или 60/40), имеющие низкую точку плавления. Другими примерами припоев являются сплавы олова с цинком (для пайки алюминия), свинца с серебром (для эксплуатации при температуре выше комнатной), кадмия с серебром (термостойкие), цинка с алюминием (для пайки алюминия и там, где нужна устойчивость к коррозии) и олова с серебром или висмутом (применяются в электронике).

Эвтектические металлические сплавы имеют преимущества при ответственной пайке, так как ликвидус (линия плавления на диаграмме состояния сплавов) и солидус (линия затвердевания на диаграмме сплавов) у них почти одинаковы, то есть пластическая фаза отсутствует, а точка плавления является минимально возможной, что минимизирует воздействие на электронные компоненты. Также отсутствие пластической фазы способствует более быстрому смачиванию по мере нагревания припоя, что позволяет быстрее начать процесс охлаждения. Неэвтектические металлические сплавы должны оставаться неподвижными во время снижения температуры от ликвидуса до солидуса. Любое смещение во время пластической фазы может привести к образованию трещин, что чревато ненадежностью стыка.

Ниже приведены основные пропорции олова и свинца в соотношении с температурой плавления (олово слева, свинец справа):

63/37: плавится при 183 °C (эвтектическая пропорция с фиксированной точкой плавления)

60/40: плавится в пределах 183–190 °C

50/50: плавится в пределах 183–215 °C

В последнее время все чаще применяются бессвинцовые припои, но их недостатком является то, что они не являются эвтектическими металлическими сплавами с фиксированной точкой плавления. Более того, их температура плавления составляет порядка 250 °C, что не позволяет использовать их в ответственных местах.

Легирование припоев висмутом и серебром дает возможность варьировать точки плавления. В наиболее ответственных местах, где требуется прочность стыка, применяются припои, содержащие серебро, потому что они обладают прекрасными адгезионными и увлажняющими свойствами, а также прочностью на разрыв.

Из всех тугоплавких припоев, серебряные припои имеют наибольшую прочность и самое широкое применение. К специальным припоям предъявляются такие требования, как прочность, способность соединять алюминий, хорошая электропроводность и высокая коррозионная стойкость.

Флюсы

Назначением флюсов является облегчение процесса пайки. Одним из препятствий на пути успешной пайки является наличие в месте стыка грязи, жира или окисла. Данные загрязнители могут быть удалены механической очисткой или с помощью химических средств, но при высоких температурах, необходимых для плавления припоя, заготовки повторно окисляются. Этот эффект ускоряется по мере увеличения температуры пайки и в определенный момент пайка становится невозможной. Первым в качестве флюса начал применяться древесный уголь, который выступает в роли восстанавливающего агента и помогает предотвратить окисление в процессе пайки.

На протяжении многих лет наиболее распространенным флюсом, применяемым в электронике, была канифоль, а также жидкости на ее основе. Тем временем,в сантехнике и автомобильной отрасли, как правило, использовался флюс на основе соляной кислоты, который обеспечивал надежную очистку места пайки. Однако флюсы на основе кислот не могут быть использованы в электронике ввиду своей электропроводности, и потому что они разъедают тонкие медные провода и токонесущие дорожки из фольги. Многие флюсы также выполняют увлажняющую функцию в процессе пайки, снижая поверхностное натяжение расплавленного припоя и заставляя его течь и лучше прилегать к заготовке.

Флюсы для мягкой пайки в настоящее время доступны трех основных составов:

1. Водорастворимые флюсы – могут быть смыты водой после завершения процесса пайки. Они не содержат летучих органических вещества (ЛОВ).

2. Не предназначенные для смывания флюсы – являются достаточно мягкими, поэтому не требуют удаления, так как не проводят электричество (не могут быть причиной короткого замыкания). Однако их остаток, напоминающий птичий помет, является неприемлемым для ряда печатных плат, так как он не проходит визуальный тест, перекрывая контрольные точки. Также данный остаток может быть гигроскопичным.

3. Традиционные флюсы на основе канифоли – могут быть с активирующими веществами, либо без них. В качестве активирующего вещества обычно выступает кислота, которая увеличивает смачиваемость металлов и эффективнее удаляет окислы.

Процесс пайки

Существует три разновидности пайки, каждая из которых требует постепенного повышения температуры:

1. Мягкая пайка, чаще всего с применением оловянно-свинцового припоя.

2. Пайка с применением припоев, содержащих серебро.

3. Пайка латунными припоями.

Мягкая пайка характеризуется тем, что температура плавления припоя всегда ниже 400 °C, тогда как пайка серебряными и латунными припоями требует более высоких температур, для чего используется пламя обычной или дуговой горелки.

В процессе пайки за счет теплового воздействия плавится припой, а также нагреваются места соединения, а благодаря смачиванию припой растекается по месту стыка. При пайке многожильного провода припой покрывает отдельные жилы за счет действия капиллярности, которую иногда называют «подсосом». Капиллярный эффект при пайке также имеет место при плотном прижимании одной заготовки к другой. Пайка позволяет получить электропроводящие, водостойкие и газонепроницаемые соединения.

Каждый тип припоя имеет свои преимущества и недостатки. Мягкими припои называются потому, что в качестве основного компонента содержат мягкий свинец. Мягкая пайка использует самые низкие температуры, но стыки получаются не достаточно прочными, что не позволяет использовать ее в отраслях, отличных от электротехники и электроники.

Серебряная пайка применяется в ювелирном деле, машиностроении, а также для монтажа отдельных сантехнических систем и для нагревания требует источников с открытым пламенем, так как температура плавления среднего припоя (56% серебра) составляет 618 °C, а тугоплавкого (80% серебра) – 740 °C. При серебряной пайке стык всегда получается тверже, чем металл стыкуемых заготовок. Чаще всего применяется флюс, в состав которого входит борная кислота и денатурированный спирт. Расплавленный серебряный припой имеет свойство течь в сторону наиболее горячего участка.

Латунная пайка обеспечивает самое прочное соединение, но для плавки припоя требует температуры 450 °С, а для работы требуется спецодежда и защитные затемненные очки. Часто данным методом паяют чугунные изделия и кованую мебель.

Паяльные операции могут выполняться с применением ручного инструмента, либо на производственной линии. Ручная пайка обычно производится паяльником, паяльным пистолетом, горелкой и феном.

 

 

Одни металлы, такие как медь, серебро и золото паяются легче других, таких как чугун, мягкая сталь и никель. Хуже всего паяются алюминий и нержавеющая сталь, так как содержат толстый слой окисла. Титан, магний, чугун и некоторые высокоуглеродистые стали паяют, предварительно лудя их специальными сплавами, способствующими межфазному сцеплению.

Индукционная пайка

Индукционная пайка использует индукционный нагрев посредством токов высокой частоты, проходящих через медные катушки. Данный метод основан на явлении резистивного нагрева.

Способы пайки электронных компонентов на печатных платах

Пайка волной припоя – печатная плата (ПП) после размещения на конвейере проходит последовательные стадии: флюсование, предварительный нагрев и собственно пайка. Последняя производится при помощи волны расплавленного припоя, которая создается под проходящей по конвейеру ПП, путем нагнетания припоя в ванну насосом.

Пайка оплавлением – дозированная подача припоя на дорожки ПП с предварительно нанесенной на них паяльной пастой, которая плавится и смачивает поверхности контактных площадок и выводов (ножек) установленных на ПП компонентов, и после затвердевания образуется паяное соединение, имеющее форму галтели (полукруглого утолщения). Преимущество данного метода состоит в том, что процессы нанесения пасты и оплавления легко поддаются автоматизации.

90

ачество сварки и сварных соединений – это основной показатель, которому должно соответствовать изделие для удовлетворения запросов заказчика.

Стоит отметить, что в общем качество сварки и сварных соединений зависит от различных факторов, в том числе и от, собственно, технологического процесса. Общее качество сварки определяется по уровням дефектов при сваривании металлоизделий.

Основные показатели, влияющие на общее качество сварки, представлены на рисунке 1.

 

 

Подробнее остановимся на основных технологических факторах, влияющих на качество сваривания:

• режим сварочного процесса – это и сила тока, и напряжение;

• материалы необходимые для сваривания: электроды, флюсы, защитные газы;

• материал свариваемого изделия;

• профессионализм сварщика – это и разряд, и опыт работы;

• условия, в которых производится сваривание.

 

Способы контроля качества сварки и сварочных соединений.

Контроль качества сварки и сварных соединений состоит из нескольких обязательных этапов, которые позволяют определить дефекты. В ходе контроля осуществляется проверка таких показателей:

• приемлемого внешнего вида (при внешнем осмотре);

• плотности сварного шва;

• физико-химических свойств сварного шва.

 

Кроме того, контроль качества сварных соединений может быть:

• предварительным – это первичный контроль сварного соединения для определения качества сварки. Такой контроль предупреждает образование дефектов, он заключается в контроле электродов, флюсов, соблюдения режимов работы и т.д.;

• окончательный – это контроль, который оценивает результаты технологического процесса, его суть заключается в определении качества швов и выявлении дефектов.

 

Остановимся на каждом методе контроля детальнее.

Предварительный контроль качества сварки и сварных соединений включает в себя следующие этапы:

1. Контроль подготовки к сварочным работам. На этом этапе проверяется качество используемых в процессе работ сварочных материалов, кромок деталей металлоизделия, подготовленных под сварку, оборудования и оснастки, кроме того контрольную проверку проходит сам свариваемый материал и, конечно, необходимо удостовериться в готовности сварщиков к работе.

2. Контроль непосредственно над самими сварочными работами. Этот этап заключается в контроле режимов сваривания, проверке соблюдения технологического процесса сваривания, проверке порядка наложения кромок деталей, зачистки кратеров,  швов.

 

Окончательный контроль качества сварки, сварных соединений направлен на определение образовавшихся дефектов и состоит из множества видов проверки:

• Визуальный осмотр сварного шва. При внешнем осмотре определяется наружный брак: наличие незаваренных мест, наплывов, подрезов, трещин, а также наличие смещения сваренных деталей, которое могло произойти в процессе сваривания. Обычно, после сварки деталь зачищают от окалин, брызг и шлака. Осмотр сварного соединения производится представителем отдела технического контроля с применением лупы с пяти и даже десятикратным увеличением.

• Испытание сварных соединений на проницаемость – это проверка, которой подвергают емкости, которые работают под давлением газовой или жидкой среды. Такая проверка проводится испытанием, но только после визуального осмотра и устранения выявленных дефектов.

 

Испытания сварочных швов в аппаратах, которые предназначены для работы под давлением:

• Давление жидкостей (гидравлическое).

1 способ. Емкость полностью или частично заполняется водой на 2-24 часа. Сварной шов считается качественным, если в течение вышеуказанного времени не дал течи и остался с внешней стороны в сухом виде.

2 способ. Емкость, трубопровод или другого вида конструкция наполняется водой и на пять минут создается внутри сосуда избыточное давление – в два раза выше рабочего. После истечения вышеуказанного времени давление снижается до рабочего, а околошовную зону снаружи обстукивают молотком. Влажные и запотевшие участки – дефекты, отмечаются мелом. Затем вода сливается из сосуда, а некачественные швы завариваются! После устранения дефектов швы опять подвергаются испытаниям.

• Давление газа.

В емкость или трубопровод подается газ, воздух или азот под давлением, указанным в технических условиях. Затем сосуд герметизируется, а все сварочные швы промазываются мыльным раствором, состоящим из 100 г мыла и одного литра воды. Если сварной шов с дефектом, то на нем будут появляться мыльные пузыри.

• Испытание аммиаком. 

Перед началом этого испытания предварительно необходимо очистить сварные швы от окалин, масла и ржавчины. Затем на шов накладывают тканевый кусочек или бумажную ленту, которые перед этим пропитывают специальным индикатором. Далее в проверяемую емкость нагнетают воздух с одним процентом аммиака. Если сварное соединение с дефектом – имеются микроскопические трещины или не проваренные места, то бумага или ткань с индикатором окрашиваются в серебристо-черный цвет в течение пяти минут под воздействием аммиака.

 

Контроль качества сварки и сварных соединений с помощью рентгеновского просвечивания представлен на рисунке 2.

 

 

Такой вид контроля позволяет выявлять трещины и непровары в изделиях из стали с глубиной залегания до 100 миллиметров, в медных деталях – до 25 мм и в алюминиевых – до 300 мм.

 

Преимущества рентгеновского метода.

• высокая чувствительность;

• позволяет точно определить размер дефекта;

• точное нахождение места расположения дефекта.

 

Недостатки рентгеновского метода:

• рентгеновское излучение вредно для человека;

• довольно большие габариты аппарата;

• трудоемкость работ;

• сложность управления аппаратурой.

 

Рассмотрим, также значение магнитного поля в контроле качества сварки и сварных соединений.

 

 

Магнитный порошок – это порошок, получаемый путем шлифовки металла. Порошок наносят в сухом или масляном виде на сварочное соединение, после чего изделие намагничивается. В местах дефекта магнитный порошок скапливается за счет искажения магнитного поля (рис. 3).

Все виды вышеперечисленных методов контроля высокоэффективны и позволяют выявить даже микроскопические дефекты сварных соединений.