Справочник по пайке

Прочность паяных соединений встык за­ висит от ширины зазора и в некоторой степени от площади спая. Когда прочность паяемого металла превышает прочность припоя, наи­ лучшие результаты достигаются при опти­ мальном зазоре и полном заполнении зазора припоем. Уменьшение зазора ниже определен­ ного значения препятствует затеканию припоя, в результате прочность соединения понижается.

На рис. 5, а приведены значения пределов прочности соединений из стали 03-ВД, паян­ ных медью, в зависимости от ширины зазора и отношения последней к диаметру испытывае­ мых образцов. Штриховой линией показан предел прочности паяемой стали. На рис. 5, б приведена зависимость предела прочности паяных соединений от площади шва.

Значения пределов прочности паяных со­ единений в зависимости от механических свойств паяемых материалов - высокопрочной стали - приведены на рис. 6. Пайка производи­ лась припоем, содержащим 40 % серебра. На рис. 7 показаны значения пределов прочности соединений из стали 45, паянной медью при зазоре 0,1 мм, и термообработанных при раз­ ных режимах.

Прочность паяных швов внахлестку также зависит в значительной мере от ширины

бв.

о

| всо

L

Рис. 6. Зависимость прочности паяных соединений от механических свойств паяемой высокопрочной стали

б8,мпа

Сталь Ь5

Рис. 7. Прочность соединений из стали 45, термообработанных при разных режимах

хСр, МПа

о,оз-о,оъ ооуо.овqt-o,15 0.2-0,25

Зазор, мм

б)

Рис. 8. Зависимость предела прочности при срезе от зазора:

а - припой системы Sn-Pb; б - припой ПСр45

зазора. На рис. 8, а даны значения пределов прочности при срезе паяных образцов из низ­ коуглеродистой стали (кривая 5), латуни (кри­ вая 2) и меди (кривая У), паянных припоями Sn + Pb при зазорах 0,02 0,15 мм. На рис. 8, б приведены те же зависимости при пайке сталей 45 и СтЗ припоями ПСр45.

На рис. 9 приведены значения предела прочности при срезе в соединениях вала с кольцом в зависимости от размеров зазора. Паяемый материал - низкоуглеродистая сталь. Ломаные линии соответствуют результатам испытаний при разных припоях. Каждому виду припоя соответствует свое значение оптималь­ ного зазора.

На рис. 10 приведена зависимость преде­ ла прочности соединений мягких сталей тол­ щиной 8 = 5 мм, паянных припоями Си - Zn

Зазор, мм

Рис. 9. Предел прочности телескопических соединений при срезе

6t, мпа

Рис. 10. Зависимость предела прочности соединений из мягкой стали толщиной 6 = 5 мм от содержания кремния в припоях Cu-Zn

Вопрос о влиянии качества обработки по­ верхности на прочность паяных соединений является дискуссионным. По данным Колбуса и Мюллера, гладкая поверхность образцов обеспечивает более высокие механические свойства паяных соединений, чем шероховатая.

Имеются сведения противоположного характе­ ра. По результатам некоторых исследователей, шероховатость поверхности и насечки, нане­ сенные на нее, способствуют повышению ме­ ханических свойств паяных соединений.

В табл. 1 - 4 приведены пределы прочно­ сти паяных соединений из разных металлов и сплавов, паянных серебряными и другими припоями, работающих на срез при разных температурах испытаний.

На рис. И показаны полученные экспе­ риментально зависимости пределов прочности стыковых образцов из инструментальной и низкоуглеродистой сталей, паянных чистыми серебром и медью. С уменьшением толщины шва прочность возрастает, максимальная проч­ ность достигается при зазорах, меньших 0,1 мм.

О 0,125 0.250 0.375 0.500 Зазор, мм

6)

Рис. 11. Зависимость предела прочности паяных соединений встык от зазора:

а - припой-медь; б - припой-серебро

Эксперименты при пайке коррозионностойкой стали серебряным, кадмиевым и цин­ ковым припоями показали, что предел прочно­ сти при разрыве увеличивается по мере уменьшения толщины паяного шва. Снижение предела прочности паяного соединения с очень малым зазором объясняется дефектами в шве.

Исследованиями установлено, что тол­ щина шва влияет на прочность соединения при различных нагрузках. Пайка образцов из низ­ коуглеродистой стали (с содержанием углеро­ да 0,4 %) с толщиной листа 10 мм производи­ лась медно-цинковым сплавом Л70 в печи с температурой 1000 °С; флюс - плавленая бура Na2B40 7. Зазор паяного шва составлял 0,03; 0,07; 0,12; 0,15; 0,20 мм.

Образец размерами 38 х 5 х 90 мм подвер­ гался воздействию знакопеременной нагрузки. Схема испытаний образцов представлена на рис. 12. Данные экспериментов приведены на рис. 13.

Результаты испытаний образцов из низ­ коуглеродистой стали при пайке медным, цин­ ковым, кадмиевым и никелевым припоями свидетельствуют о том, что при изменении ширины зоны сплавления предел прочности при разрыве остается неизменным. Следует

отметить, что в этом случае прочность припоя и паяемого материала (низкоуглеродистой стали) практически одинаковая (примерно 412 МПа).

Результаты диффузионной пайки сплава ОТ4 с применением промежуточных гальвано­ покрытий при 890 1000 °С и различных вы­ держках приведены в табл. 5. Максимальная прочность может быть получена при толщине гальванопокрытий 6 9 мкм.

В табл. 6 приведены значения пределов прочности при срезе паяных соединений неко­ торых сплавов титана, выполненных с исполь­ зованием различных припоев. В качестве об­ разцов применяли соединяемые внахлестку

Рис. 12. Схема испытаний паяных соединений на изгиб и срез

бв,МПа

Рис. 13. Зависимость прочности паяных соединений от ширины шва:

У- усталостная прочность; 2 - предел прочности при срезе; 3 - предел прочности при разрыве; 4 - предел прочности при изгибе

о го м 60 во юо мин

Рис. 14. Зависимость предела прочности при срезе паяных соединений из сплава ОТ4 от температуры пайки и времени

гСр, МПа

Рис. 15. Влияние давления на прочность при диффузионной пайке соединений из сплава ОТ4

На рис. 16 приведена зависимость проч­ ности соединений, паянных серебром, от вре-

тср, мпа

Рис. 16. Зависимость прочности соединений, паянных серебром, от времени выдержки (Т = 97 ... 990 °С):

а - пайка ТВЧ внахлестку образцов шириной 10 мм, толщиной 1мм из сплава ОТ4; б - пайка в печи встык образцов шириной 7 мм, толщиной 1,5 мм из сплава БТ1 (кружок со стрелкой - образец порвался в захватах)

б)

Рис. 17. Зависимость прочности соединений встык из сплава ВТ1 в зависимости от времени выдержки:

а - припой Ag + 2 % Си (Т = 960 °С); б - припой Ag + 8 % Си (Т= 920 °С); в - припой Ag + 28 % Си (Т =810 °С)

менн выдержки с момента заполнения зазора припоем. На рис. 17 даны значения прочности стыковых соединений из сплава ВТ1 в зависи­ мости от времени выдержки с момента запол­ нения зазора.

Прочность паяных соединений при статических нагрузках. Основными дефекта­ ми паяных соединений являются непропаи, поры, раковины, включения флюса, дефекты сцепления в зонах спаев и др.

Изучение влияния внутренних дефектов на прочность соединений при статических на­ грузках производилось на образцах из стали СтЗ при индукционном нагреве. Испытания проводили при 20 °С (рис. 18, а). По оси абс­ цисс отложены доли дефекта (непропая) в про­ центах по отношению ко всей зоне соединения, а по оси ординат - предел прочности, отнесен­ ный к участку разрушения. Из рисунка следует, что прочность монотонно уменьшается с уве­ личением площади дефекта. В целом образце разрушающие напряжения по основному ме­ таллу составляли 392 МПа, при непропае 50 %-ное разрушение наступало по месту спая при напряжении 343 МПа.

На рис. 18, б приведены результаты ис­ пытаний образца с дефектом, выходящим на­ ружу к галтели (образцы из стали 10, паяемые припоями Л63). Нагрев индукционный, темпе­ ратура испытаний 20 °С. Падение прочности

с увеличением доли дефектов, выходящих к галтели, более интенсивно, чем в первом случае.

Результаты испытаний образцов с внут­ ренним непропаем при статическом нагруже­ нии и низких температурах показали, что пая­ ные соединения не обнаружили склонности к хрупким разрушениям (рис. 18, в). Материал образцов - сталь 10, припой-Л63; образцы паяли газовой горелкой; температура испытаний 35 °С.

В образцах без дефектов разрушения воз­ никали по зоне шва и по паяемому металлу при стр = 402 МПа, а при дефекте 50 % - при 343 МПа. Испытания показали, что паяные соединения достаточно хорошо сопротивляют­ ся хрупким разрушениям даже при наличии в них сложнонапряженного состояния, вызван­ ного непропаем и изгибающим моментом от внецентренно приложенных сил.

хлестку сильное влияние оказывают толщина паяемых элементов и длина нахлестки: с уве­ личением толщины элементов и уменьшением длины нахлестки концентрация напряжений возрастает.

Испытания паяных образцов из низкоуг­ леродистой стали СтЗсп показали, что с увели­ чением толщины паяемых элементов предел выносливости снижается (рис. 21, а). Для об­ разцов толщиной 5 мм a 0,i = 67 МПа (кривая /), для образцов толщиной 9 мм CT0.I = 49 МПа (кривая 2).

Испытания при переменных нагрузках прово­ дились на образцах из низкоуглеродистой ста­ ли одинаковых размеров с припаянной или приваренной накладкой угловыми лобовыми швами (рис. 19). Сварка производилась элек­ тродами высокого качества, пайка - припоями Л63. Эксперименты (симметричные циклы) показали, что паяные соединения более долго­ вечны, чем сварные; при ст = 118 МПа паяные соединения выдерживали миллион нагруже­ ний, сварные - примерно 250 000.

Результаты испытаний на долговечность паяных и сварных соединений при рабочих напряжениях показаны на рис. 20. При воздей­ ствии знакопеременных и пульсирующих на­ грузок паяные соединения из низкоуглероди­ стых сталей, рационально спроектированные, более долговечны, чем сварные. Это наблюда­ ется как при связующих, так и при рабочих напряжениях в зонах соединений.

Как было показано выше, на концентра­ цию напряжений в паяных соединениях вна­

Паяный образец 250

20з

\1U = 4

Сварной образец

Рис. 19. О бразцы для испы таний при переменных нагрузках

00,1• МПа

280

240

200

160

Число циклов

Рис. 20. Д олговечность паяны х и сварны х соединений из СтЗ при пульсирую щ их нагрузках:

/- паяные (припой Л63): 2 - сварные (лобовые швы,

К= 5 мм); 3 - сварные (фланговые швы, К = 5 км)

Рис. 21. В ыносливость паяных соединений внахлестку:

а: 1 - образцы с 8 = 5 мм; 2 - образцы с 8 = 9 мм; б: У- /„ = 38; 2 - /„ = 28 (8 = 5 мм)

На образцах из стали СтЗсп толщиной 8 = 5 мм увеличение длины нахлестки от 28 до 38 повысило предел выносливости паяного соединения (рис. 21, б). При длине нахлестки 28 а 0.| = 61 МПа (кривая 2), при длине 38 a 0j = = 67 МПа (кривая У).

Влияние дефектов на механические свой­ ства. Эксперименты по определению влияния внутренних непропаев на долговечность под­ твердили, что непропаи меньше 40 %, не выхо­ дящие на поверхность, практически не снижа­ ют срока службы соединений, если соединение спроектировано с учетом требований статиче­ ской равнопрочности (рис. 22). Образцы изго­ товлены из стали 10, припой Л63, пайка произ­ водилась газовой горелкой, ст = 154 МПа. При этих условиях разрушения в бездефектных соединениях и в соединениях с небольшими непропаями происходили по паяемому метал­ лу. Дефект соединения не вызывал достаточно сильной концентрации напряжений, которая бы переместила разрушение в зону шва. Лишь при непропае более 40 % разрушения наступа­ ли по участку шва, и срок службы резко падал с ростом числа дефектов.

Рис. 22. Влияние внутренних непропаев на прочность паяных соединений

при переменных нагрузках

бя I, МПа

X .

л

100 -

Ц

50-

1о3 10*2-10*

Число циклов

Рис. 23. Выносливость паяных соединений внахлестку:

У- образцы с галтелью; 2 - образцы без галтели

Существенное влияние на выносливость паяных соединений внахлестку оказывают гал­ тели. Отсутствие галтели повышает концентра­ цию напряжений и понижает предел выносливо­ сти (рис. 23). Для паяного соединения, выпол­ ненного с галтелью, a 0,i = 49 МПа (кривая У), для соединений без галтели (кривая 2) ст0<| = 38 МПа.

ПЛАСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПАЯНОГО ШВА

Изучение пластических свойств паяного шва проводилось на образцах прямоугольного сечения высотой 20 мм и шириной 8 мм, спа­ янных по плоскости касания. В зонах соедине­ ния образцы обрабатывались по полукругу; при контактировании образцов оба полукруга, складываясь, образовывают круг, который и подвергается пайке. Образец после пайки ук­ ладывают на две опоры, а к участку паяного шва прикладывают сосредоточенную силу У5, которая вызывает изгиб конструкции в целом и скручивание участка шва. Это дает возмож­ ность определить пластические свойства пая­ ного соединения, работающего под действием касательных напряжений. Деформация опреде­ ляется углом а между соединяемыми элемен­ тами (рис. 24).

Испытываемые образцы изготовлены из стали 10, пайка выполнена припоем Л63 газо­ вой горелкой. При a < 4 5° деформации

Рис. 24. Схема испытаний соединений для определения пластичности паяного шва

Рис. 25. Влияние непропаев

на пластические свойства паяных соединений:

1- образцы

без дефектов и с дефектом 20 %; 2- образцы

с дефектом 40 %

О 10 20 30 40 50 Л

в основном упругие; при бблыиих углах про­ исходит пластическое деформирование. На рис. 25 показана зависимость угла загиба р, определяющего пластические свойства паяного соединения, от силы Р. Наличие дефектов в шве ведет к образованию пластических дефор­ маций при меньших нагружениях, чем в хоро­ шо пропаянных соединениях.

ДОПУСКАЕМЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ

Допускаемые напряжения в паяных со­ единениях зависят от ряда факторов: свойств паяемого материала, припоев, флюсующих сред; ширины зазора; режима пайки; вида со­ единения; от рода нагрузок - статических, пе­ ременных; от температуры эксплуатации; от среды, в которой работает конструкция.

Многие из указанных факторов, оказы­ вающие непосредственное влияние на свойства паяных соединений, а следовательно, и на зна­ чения допускаемых напряжений, не дают воз­ можности установить их числовые характери­ стики при помощи графиков или табличных данных. Единственно надежным и приемле­ мым методом определения допускаемых на­ пряжений в паяных соединениях является ис­ пытание образцов при параметрах, близких к производственным.

Для паяных соединений встык рацио­ нальным является испытание до разрушения. При этом разрушающее напряжение

речного сечения испытываемого образца.

Для испытания может быть принят обра­ зец, который обычно используют при оценке сварных стыковых соединений. Допускаемое напряжение при пайке может быть установле­ но в зависимости от значения разрушающего напряжения и коэффициента запаса прочности К\ при статических нагружениях рекомендует­ ся принимать К = 2,5 3,0.

При определении допускаемых напряже­ ний в трубчатых телескопических паяных соединениях целесообразно проводить испыта­ ния аналогичных соединений. Разрушающие напряжения при срезе

где Fcр - площадь шва в телескопическом со­ единении.

Допускаемое напряжение может быть оп­ ределено с учетом разрушающего напряжения при том же коэффициенте запаса, что и в швах, паянных встык.

При определении допускаемых напряже­ ний в соединениях, паянных внахлестку, испы­ тания проводят над образцами, имеющими толщины 5, аналогичные применяемым в кон­ струкциях при длине нахлестки 2,56. Разру­ шающие напряжения при срезе

где b - ширина образца; 6 - толщина образца. Коэффициент запаса прочности такой же,

как и при испытаниях соединений, паянных встык. При определении допускаемых напряже­ ний в соединениях уголка с листом испытания

должны быть проведены на образцах аналогично­ го типа, полученных при тех же технологических процессах, что и при изготовлении изделия.

В случае назначения допускаемых на­ пряжений в паяных соединениях других типов (сотовых, тавровых и др.) необходимо прово­ дить предварительные испытания под нагрузкой.

При работе паяных соединений в услови­ ях агрессивных сред или высоких температур испытания соединений для определения допус­ каемых напряжений должны проводиться в усло­ виях, соответствующих эксплуатационным.

При работе паяных соединений при пере­ менных нагрузках допускаемые напряжения в них могут устанавливаться с учетом коэффициента у:

= __________ 1__________

Y“ о .б р ю .г -со .б р то д )/- ’

где Р - эффективный коэффициент концентра­ ции напряжений при пайке соединений из низ­ коуглеродистой стали. В соединениях встык р = 1,2, внахлестку Р = 3,0, в телескопических соединениях р = 2,0. При пайке низколегиро­ ванных сталей, а также цветных сплавов ука­ занные коэффициенты Р следует увеличить в

по абсолютной величине, взятые со своими знаками); верхние знаки в формуле принима­ ются при преобладающем растяжении соеди­ нения, нижние - при сжатии.

Применение пайки в области производст­ ва крупногабаритных металлоконструкций изначально имело целью разработку и приме­ нение технологических процессов, которые обладали бы явными преимуществами перед сваркой, т.е. обеспечивали рост производи­ тельности труда, снижение трудоемкости про­ изводственных процессов, сокращение ручного труда. С первых же шагов решения этой зада­ чи пришлось столкнуться с тем, что в миро­ вой практике неизвестно применение высоко­ прочных, дешевых и недефицитных припоев. В итоге первого этапа работ были созданы припои на железо-марганцевой основе марок П-87 для нормальных условий работы и П-100 для работы при повышенных температурах.

Составы этих припоев приведены в табл. 1, а свойства - в табл. 2.

Применение этих припоев позволило впервые преодолеть сложившееся мнение, что для пайки основным является нахлесточное соединение и что только сварка обеспечивает надежное соединение встык, между тем как пайка стыковых соединений элементов метал­ локонструкций из сталей припоем П-87 надеж­ но обеспечивает равнопрочность зоны пайки и основного металла.

Поскольку опоры ЛЭП, для которых пер­ воначально разрабатывался припой П-87, должны надежно работать в различных клима­ тических условиях, были проведены испытания паяных соединений при низких и высоких тем­ пературах. Минусовые температуры создава­

лись с помощью смеси ацетона и углекислоты (сухого льда). Температура измерялась с точ­ ностью ± 2 °С. Испытания при повышенных температурах в атмосфере воздуха проводи­ лись в электрической печи сопротивления при нагреве до 1000 °С. Результаты испытаний показали, что соединения из стали СтЗ, паян­ ные припоем П-87, обладают более высокой прочностью, чем при электросварке плавлени­ ем. При пайке припоем П-87 прочность шва выше, чем основного металла, поэтому увели­ чение величины зазора не влияет на прочность соединения.

На базе припоев П-87 и П-100 разработа­ ны в проектно-конструкторском бюро (ПКБ) Главэнергомеханизации Минэнерго (ныне «Проектэнергомаш») составы паст, пленок, закладных деталей из припоя, флюса и свя­ зующего, которые обеспечивают технологич­ ность сборки и пайки крупногабаритных ме­ таллоконструкций при равнопрочности основ­ ного металла и зоны соединения.

Работы по внедрению пайки крупногаба­ ритных стальных конструкций в производство с применением созданных припоев и техноло­ гии велись:

-на Волжском ЗСК - по производству паяных трубчатых опор ЛЭП типа П 11/0,4 и А11/0,4 в экспортном исполнении (для Респуб­ лики Бангладеш);

-в ВТИ им. Ф. Э. Дзержинского - по от­ работке технологии пайки стыков труб тепло­ вых и атомных электростанций;

Рис. 1. Тип соединения трубы 20 108 мм с трубой 10 159 мм

Рис. 2. Пайка стыков труб для опор высоковольтных линий:

а - спаянный стык; б - схема к расчету количества наносимого припоя

-с нефтяниками Азербайджана - по пай­ ке бурильных и обсадных труб нефтяных скважин;

-во Всесоюзном научно-исследователь­ ском институте - по пайке стыков труб магист­ ральных трубопроводов (ВНИИСТ);

-на опытном производстве ПКБ «Главэнергостроймеханизация» при Домодедовском заводе Московской обл. - по пайке решетчатых опор линий электропередачи (ЛЭП) для Мин­ энерго.

ПАЙКА СТЫКОВ ТРУБЧАТЫХ ОПОР ВЛ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ (В ЭКСПОРТНОМ ИСПОЛНЕНИИ)

Трубчатая опора высоковольтных линий (ВЛ) изготавливается составной из труб диа­ метром 108, 159, 180 и 194 мм. Прочность со­ единения внахлестку регулируется величиной перекрытия. Соединение образуется путем

3. Состав паяльной пасты (на 1 кг)

раздачи конца трубы меньшего диаметра и осадки конца трубы большего диаметра (рис. 1). Припой вносится в зазор при сборке в виде колец, шайб, втулок. Из припоя изготавлива­ ются порошки, которые в смеси с флюсом ис­ пользуют в виде паст. Состав паяльной пасты из расчета на 1 кг приведен в табл. 3.

При пайке стволов опор припой наносит­ ся на внешнюю поверхность конусной части трубы большого диаметра (рис. 2) пульвериза­ тором за три оборота стыка. Требуемая толщи­ на слоя припоя 0,9 1,2 мм. До температуры 750 °С в стали 20 не происходят фазовые пре­ вращения, поэтому нагрев в этом интервале ведется медленно. От 750 °С до температуры пайки (1180 °С) стык должен нагреваться с максимальной скоростью.

Оборудование участка пайки должно обеспечивать формовку концов труб, зачистку мест под пайку, нанесение припоя и пайку. Ручной труд сведен до минимума. На линии пайки трубчатых опор осуществляются: резка труб в размер, формование концов труб, зачи­ стка концов труб, нанесение припоя, съем пая­ ного ствола опоры. Скорость и равномерность нагрева зависят от величины зазора между поверхностью стыка труб и индуктором (рис. 3).

Рис. 3. Расположение индуктора 2 относительно стыка 3 и распределение температур взоне пайки 1