книги из ГПНТБ / Долгов Ю.С. Вопросы формирования паяного шва

ную прочность сварных и паяных соединений трубопроводов изл­ етали Х18Н10Т, представленными на рис. 63 [11]. При нанесенииприпоя ВПр-1 на целую трубу усталостная прочность снижается незначительно (рис. 63, б, в). Усталостная прочность трубы с валиком сварного шва и сварного соединения значительно ниже (рис. 63, г, д).

Замена сварки пайкой без изменения конструкции арматуры сравнительно мало повышает усталостную прочность по срав­ нению со сваркой (рис. 63, е). Наибольший эффект дает приме­ нение пайки при использовании конической арматуры с глубо­ кой посадкой трубы (до 1,5 диаметров) и с осевой и радиаль­ нойфиксацией торца трубы (рис. 63, ж).

Оценить механическую прочность паяного соединения ток или иной конструкции на основе лабораторных испытаний пая­ ных образцов можно только приблизительно, с невысокой сте­ пенью точности. Для получения достоверных данных о надеж­ ности и работоспособности паяного изделия приходится прибе­

скольку из-за различий в механических свойствах компонентов паяного образца в шве возникает сложное объемное напряжен­ ное состояние. Это приводит к ряду эффектов, о которых будет сказано ниже.

Для получения соединений требуемой прочности необходимо знать зависимость прочности соединений от механических, свойств основного материала, величины зазора и нахлестки, а также других факторов. Эти зависимости следует учитывать при сопоставлении результатов испытаний образцов, запаянных раз­ но

личными припоями и на различных режимах, в ходе разработки технологического процесса пайки.

В образцах нахлесточного типа при одноосном растяжении распределение касательных напряжений в направлении действия сил весьма неравномерно (рис. 64). Коэффициент концентрации напряжений в паяном шве согласно работе [41] определяется, выражением

свойств основного металла и металла шва, а также от геомет­ рических параметров соединения.

Неоднородность напряженного состояния паяного шва приводит к тому, что среднее .напряжение при разрушении, рассмат-

риваемое как предел прочности, уменьшается с увеличением нахлестки.

На рис. 66, где приведена зависимость сопротивления срезу телескопических соединении от ширины зазора для различных величин нахлестки, видно, что при постоянном зазоре т8 сни­ жается с увеличением нахлестки. Отчетливо проявляется также

создаются более благоприятные условия для пластического пе­ рераспределения напряжений и уменьшения в результате этого их концентрации.

Зависимость прочности нахлесточных паяных соединений от величины зазора имеет вид кривой с максимумом. Уменьшение т„ при зазорах больших и меньших оптимального обусловлено повышением вероятности появления дефектов: непропаев при малых и усадочного происхождения при больших зазорах [36]. Величина оптимального зазора находится опытным путем и за­ висит от принятой технологии пайки: способов удаления окисных пленок, температурного режима и др.

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что проч­ ность нахлесточных соединений повышается с увеличением проч­ ности основного материала при одинаковом характере взаимо­ действия его с припоем [3].

В обобщенном виде зависимость сопротивления срезу пая­ ных соединений от величины нахлестки и зазора, а также проч­

зависимости характерны для слабого взаимодействия припоя с основным металлом, когда состав припоя в шве изменяется ма­ ло и не образуются прослойки хрупких фаз.

В связи с тем, что результаты испытаний зависят от вели­ чины нахлестки, предел прочности паяных соединений на срез не является достаточным показателем их несущей способности. Целесообразно поэтому помимо'тв приводить нормальное напря­ жение в основном металле а 0 - м при нагрузке, вызывающей раз-

влияют на структуру кристаллизационных зон шва, по которым происходит разрушение. Как было показано ранее, увеличение выдержки при 1100° С свыше 1 мин не приводит к изменению состава кристаллизационных зон шва, представляющего собой

участков кристаллизационных зон не изменяются также при по­

колистовых материалов можно испытывать на разрыв по схеме, представленной на рис. 71, что соответствует условиям работы радиаторов, соединений гибких чувствительных элементов при­

Максимальная нагрузка и нагрузка отрыва снижаются с увели­ чением выдержки и температуры пайки, что связано с развитием хрупких интерметаллидных прослоек, являющихся следствием взаимодействия меди с оловом.

В стыковом соединении в отличие от нахлесточного паяный шов при растяжении работает на отрыв, в связи с чем предел прочности такого соединения 0„ выше, чем нахлесточного. Одна­ ко паяные соединения внахлестку наиболее часто встречаются в-конструкциях. Это связано прежде всего с тем, что для многих конструкций главное значение имеют не удельные прочностные характеристики соединений, а величина разрушающей нагрузки. Регулирование последней в нахлесточных соединениях достига­ ется простым изменением величины нахлестки в то время, как для стыковых необходимо местное увеличение сечения заготов­

формации основного металла и металла шва при механических испытаниях. Пластическая деформация развивается первона­ чально в медной прослойке, имеющей более низкое значение предела текучести, чем у основного металла. Однако на кон­ тактных поверхностях (границах медного сплава с железом) поперечное сужение медной прослойки не соответствует ее пла­ стическому удлинению, поскольку основной металл еще не де­ формируется. В результате в медной прослойке возникает на­ пряженное состояние объемного растяжения.

Максимальные касательные напряжения, под действием ко­ торых происходит пластическая деформация и разрушение ма­ териала путем среза, в условиях трехосного растяжения металла меньше, чем при одноосном растяжении, что и является причи­ ной относительного упрочнения металла кристаллизационной зоны паяного шва. Контактное упрочнение возрастает с умень­ шением отношения толщины медной прослойки к диаметру об­ разца. В результате нормальные напряжения в прослойке могут значительно превысить предел прочности ее материала, опреде­ ленный при свободной деформации.

Количественные закономерности явления контактного упроч­ нения развиты в работах О. А. Бакши [4] и др. Для вязкого раз­ рушения соединения по мягкой прослойке получена следующая зависимость прочности соединения от механических свойств ма­

где а" и б — соответственно предел прочности и относительное удлинение материала прослойки в свободном со­ стоянии;

к — отношение толщины прослойки h к ее диаметру d. Штриховой линией на рис. 72 показана рассчитанная по формуле (29) зависимость прочности стыковых соединений же­ леза, паянных медью, от величины %. Предел прочности медного сплава о'в принят равным 20 кгс/мм2, относительное удлинение

6 — 40%.

Расчетные и экспериментальные точки хорошо совпадают в области больших и малых значений к. Для к в интервале 0,14— 0,08 наблюдается некоторое расхождение, не превышающее, од­ нако, 5%.

Как следует из формулы (29), прочность стыковых соедине­ ний зависит не от абсолютного значения зазора под пайку, а от величины отношения h/d. Следовательно, предел прочности сты­ ковых соединений при одинаковом зазоре под пайку должен возрастать с увеличением площади спая в отличие от соедине­ ний внахлестку. При значениях х достаточно малых вследствие большой площади спая прочность соединений приближается к прочности основного металла при значительных зазорах и при

но от границ с основным металлом к центру шва путем роста ячеистых кристаллов. В результате этого усадочные и газовые

и основного металла преимущественное разрушение соединений по кристаллизационной зоне паяного шва и их пониженные про­ чностные характеристики являются следствием влияния дефек­ тов. Обычно наблюдается увеличение прочности соединения с увеличением прочности основного металла. В работе [20] при­

разцов был таким, чтобы контактное упрочнение обеспечивало равнопрочность паяного соединения и основного металла. После пайки образцы подвергали термической обработке для получе­ ния различной прочности основного металла.

Максимальная прочность паяных соединений наблюдалась непосредственно после пайки, достигая 68 кгс/мм2 и после обра­ ботки стали 45 на малую прочность. При этом прочность паяных соединений действительно была весьма близкой к прочности ос­ новного металла. Однако термическая обработка паяных образ­ цов на высокую прочность основного металла, до 180 кгс/мм2, не приводит к повышению прочности паяных соединений и даже снижает ее. Одновременно увеличивается разброс эксперимен­ тальных данных. Эти результаты можно предположительно объ­ яснить повышением жесткости напряженного состояния вслед­ ствие увеличения механической неоднородности системы.

СТАРЕНИЕ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА СВОЙСТВА ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Чтобы применять пайку для изготовления изделий ответст­ венного назначения, необходимо обеспечить стабильность свойств паяных соединений в различных условиях эксплуатации

ихранения. Одной из причин изменения первоначальных

свойств паяных соединений могут быть процессы, происходящие в металлических материалах в твердом состоянии: распад пе­ ресыщенных твердых растворов, упорядочение, образование но­ вых фаз на границе раздела разнородных материалов вследст­ вие реакционной диффузии и др.

Структурные и фазовые изменения в паяных швах, которые происходят со временем и приводят к изменению механических и физико-химических свойств паяных соединений, объединяются общим названием «старение», хотя природа процессов, вызы­ вающих эти изменения, может быть различной.

Свойства паяных соединений зависят как от свойств основ­ ного металла, так и от свойств металла паяного шва (кристал-

лизационной, диффузионных зон, зон термического влияния). Процессы старения возможны в каждой из этих зон паяного соединения и протекают они с различными скоростями, что ос­ ложняет исследование старения паяных соединений.

Одной из наиболее частых причин старения сплавов являет­ ся распад пересыщенных твердых растворов. Последние обра­ зуются при быстром охлаждении таких сплавов, в которых рас­ творимость в твердой фазе одного или нескольких компонентов уменьшается с понижением температуры. Пересыщенный твер­ дый раствор термодинамически неустойчив и при соответствую­ щих условиях с течением времени может распадаться с образо­ ванием многофазной системы, состоящей из обедненного твер­

тельное удлинение, ударная вязкость) уменьшаются. Причины образования стареющего сплава в кристаллизационной зоне пая­ ного шва могут быть различные.

Прежде всего, применяемый при­ пой часто оказывается сплавом, способным претерпевать превра­ щение в твердом состоянии, ко­ торое может быть подавлено при быстром охлаждении, например сплав а на рис. 73. Структура кристаллизационной зоны и свой­ ства паяных соединений оказыва­ ются при этом зависящими от скорости охлаждения после пай­ ки, которая, в свою очередь, за­

висит от применяемого для нагрева оборудования, размеров паяной конструкции и других факторов.

Если припой по химическому составу лежит в области одно­ фазных сплавов, например сплава Ь на рис. 73, то в условиях неравновесной кристаллизации при пайке, приводящей к ден­ дритной ликвации, отдельные его. микрообъемы могут обога­ щаться легирующими компонентами сверх предельной раство­ римости в твердом состоянии при низких температурах. Так например, после кристаллизации сплава Ь периферийные объе­ мы дендритных ячеек твердого раствора могут иметь составы, лежащие в области стареющих сплавов.

Стареющий сплав может возникнуть в • шве и в результате растворения припоем основного металла. Пайка металла А (см. рис. 73) эвтектическим припоем при температуре Тп сопро­ вождается образованием в шве сплава а, который после затвер­ девания распадается с выделением (3-фазы.