книги / Сварка в машиностроении. 4

Пайка титана низкотемпературными припоями затруднена из-за окисной пленки, находящейся на его поверхности. В связи с этим пайку указанными припоями можно проводить в безокислительной среде при температурах выше 750е С или на воздухе по покрытиям при более низких температурах. В качестве покрытий наибольшее распространение получили: никель, наносимый галь­ ваническим и химическим способами, и медь, наносимая гальваническим спосо­ бом. Возможно горячее лужение титана оловом в ваннах при температурах выше 700—750° С и процесс пайки оловом в вакууме или аргоне при тех же темпера­ турах.

ПАЙКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Сложность пайки алюминия и его сплавов определяется прежде всего труд­ ностями удаления и разрушения окисной пленки, имеющейся на поверхности

в окисной пленке возникают мельчайшие трещины, однако в контакте с атмосфе­ рой, содержащей кислород, сплошность пленки восстанавливается. Для удаления и разрушения окисной пленки при пайке используют флюсы на основе хлористых и фтористых солей калия, нафия, лития; в качестве активных растворителей в флюсы вводят добавки фторидов.

Окисная пленка, имеющаяся на поверхности алюминия и его сплавов, защи­ щает металл от коррозии, поэтому применение активных флюсов, разрушающих окиспую пленку, содержащих в составе хлориды и фториды, вызывает опасность коррозии паяных соединений. Последующая промывка соединений от остатков флюса, особенно нахлесточных, мало эффективна. В связи с этим большое внима­ ние уделяется процессам пайки без применения флюса.

Среди этих процессов можно назвать пайку в парах магния (аргон или вакуум 10~ь мм pi. ст. + пары магния) [14], в глубоком вакууме (КНч-10"8 мм рт. ст.), а также припоями, содержащими галлий [15]. Первый и второй процессы осно­ ваны на применении для нагрева при пайке алюминия среды с низким парциаль­ ным давлением кислорода. В первом случае такая среда создается в результате связывания кислорода парами магния, во втором случае — за счет глубокого вакуума.

Действие паров магния связывают с непосредственным взаимодействием паров магния с поверхностью алюминия и припоя [14]. При нагреве магний, испаряясь, разрушает окисную пленку на алюминии, проникая в ее поры и тре­ щины, и обеспечивает смачивание паяемой поверхности чаще припоями типа силумин.

Галлий обладает высокой проникающей способностью и при нарушении сплошности пленки легко проникает в мельчайшие трещины и ее дефекты, созда­ вая условия для растекания припоя.

Алюминий обладает относительно низкой температурой плавления 660° С, в связи с чем для пайки технически чистого алюминия (сплав АД1) может быть допущена температура нагрева не выше 600—620° С. Химический состав и допу­

в отожженном состоянии до любой температуры, не превышающей предельно допустимую для них. При необходимости сохранить прочность нагартованного состояния следует выбирать припои с температурой ниже 350—400° С (темпера­ тура разупрочнения).

Сплавы алюминия, упрочняемые термической обработкой, нужно паять при температуре 200—250° С или совмещать температуру пайки с температурой тер­ мической обработки для данного сплава, равномерно нагревать в печи и охла­ ждать на воздухе, т. е. создавать условия неполной закалки. Последующее

10.Химический состав и допустимые температуры нагрева некоторых алюминиевых сплавов

* Алюминий остальное.

старение (искусственное или естественное) приводит к получению высокой проч­ ности.

Пайку алюминиевых материалов типа САП (спеченный алюминиевый сплав) проводят при температурах до 500° С вследствие его вспучивания и деформации при более высокой температуре.

Для низкотемпературной пайки алюминия и его сплавов применяют припои на основе олова, цинка с добавками кадмия, алюминия, меди, серебра и других элементов, имеющих температуру плавления до 350—450° С и используемых с неорганическими флюсами на основе фтористых и хлористых солей, олова, цинка, натрия, и органическими флюсами на основе фторборатов кадмия, цинка, аммония. Температура плавления флюсов Ф59А, Ф61А, Ф54А находится в пре­ делах 180—250° С.

Применение при низкотемпературной пайке высокоактивных флюсов требует тщательного удаления их остатков после пайки, так как они представляют потен­ циальную опасность появления коррозии. Для того чтобы исключить опасное действие флюсов, разработаны методы пайки по барьерным покрытиям, наноси­ мым гальваническим и химическим способами, напылением и плакированием. В качестве покрытий используют медь, никель, цинк, серебро, никельфосфорные покрытия, осажденные из специальных растворов. Пайку по покрытиям оло­ вянно-свинцовыми припоями проводят с применением бескислотных и активиро­ ванных флюсов.

Для низкотемпературной пайки или лужения без флюса используют способы удаления пленки абразивом, ультразвуком. В первом и втором случаях окисная пленка удаляется с помощью абразивных инструментов: шабера, металлических щеток, напильника, металлическим порошком, а также кристаллами припоя, находящегося в твердо-жидком состоянии. Процесс разрушения окисной пленки с помощью ультразвука основан на явлении кавитации, возникающей в припое под действием ультразвуковых колебаний, передающихся от высокочастотного генератора через магнитострикционный излучатель к припою.

Лужение или пайку производят с помощью ультразвуковых паяльников или погружением в ванны с расплавленным припоем, оснащенные ультразвуковым устройством. Для лужения и пайки ультразвуком рекомендуются припои, со­ держащие олово, цинк и кадмий.

Для высокотемпературной пайки алюминия и его сплавов применяют припси на основе алюминия, содержащие медь, кремний, цинк. Наиболее применима силумин эвтектический и припой 34А с температурами плавления 577 и 525° С соответственно.

Для пайки с флюсами широкое применение нашел флюс 34А. Ввиду большой активности флюса 34А и возможного растворения алюминия хлористым цинком, входящим в его состав, для тонкостенных конструкций рекомендуют флюсы менее активные — типа Ф5, в которых хлористый цинк заменен хлористым оловом.

При пайке алюминия погружением в солевые ванны, выполняющие роль флюса и среды для нагрева, возможно применение ванн с флюсами различных составов. Примером может служить флюс состава: 49—51% КС1,22—25% ZnCl, 15—15% NaCl, 3—5% KF, 3—5% A1FS [A. c. 361047 (СССР)].

Прочность соединений, паянных с флюсами, невысока; при пайке силумином максимальная прочность на отрыв составляет 7—9 кгс/мма (сплав АМц, темпера­ тура пайки 55(гС).

При высокотемпературной пайке используют бесфлюсовые способы: кон­ тактного плавления в вакууме, в парах магния и в глубоком вакууме с остаточным давлением Ы 0 _6-~ Ы 0 -8 мм рт. ст. При контактном плавлении на поверхность алюминия наносят тонкие слои покрытий, например, меди или серебра, которые при нагреве проникают сквозь дефекты окисной пленки и образуют с алюминием жидкую фазу — припой. Образовавшаяся жидкая фаза обеспечивает смачивание и растекание припоя по всей паяемой поверхности.

Пайку контактным плавлением проводят в вакууме Ь lO’ M-l* 10“^ мм рт. ст. с приложением давления, способствующего удалению излишков жидкой фазы из зоны соединения. Этот метод можно использовать при пайке алюминия с медью при нанесении на медь серебряного покрытия, а также паять алюминий, исполь­ зуя контактное плавление в системах алюминий—медь, серебро, кремний. Покры­ тия наносят на поверхность алюминия с помощью термовакуумного напыления, плакирования, гальванических процессов и других способов.

При пайке в парах магния применяют контейнеры с аргоном или вакуумом, в которые закладывают магний. При пайке в парах магния на сплавах АМц и АМг получены соединения с высокой прочностью и хорошей коррозионной стойкостью. Получены положительные результаты по пайке алюминия и его сплавов в глу­ боком вакууме ( Ы 0 'б- г Ы 0 '8 мм рт. ст.).

ПАЙКА ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ

Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе обладают высокими температурами плавления и термоэмиссионными свойствами, способностью активно окисляться и поглощать газы при повышенных температурах. Материалы этой группы обла­ дают высокой коррозионной стойкостью в определенных агрессивных средах.

Молибден и вольфрам образуют летучие окислы, интенсивно испаряющиеся при нагреве выше 600b С. В связи с этим на детали, изготовленные из этих мате­ риалов, предназначенные для работы на воздухе при высоких температурах, требуется наносить защитные покрытия.

Молибден и вольфрам отличаются малой плотностью при 20° С и охрупчиваются после нагрева выше температур рекристаллизации вследствие роста зерна.

Ниобий и тантал при нагреве на воздухе выше 200° С активно окисляются и взаимодействуют с азотом. Окисление этих металлов и взаимодействие с азотом

11.Сопротивление срезу образцов из сплавов ВМ1 (числитель) и ВН2 (знаменатель) паяных припоями ВПр2 и ВПр4

сушку при температурах до 100° С и нагрев деталей в среде водорода с точкой росы —40н— 50° С для восстановления окислов молибдена. Последующее лужение молибдена и вольфрама по восстановленному слою окислов ведут в среде водо­ рода, аргона и в вакууме при температуре выше 800° С. При нагреве в среде водо­ рода процессы восстановления окислов и лужения можно совместить в одну операцию нагрева.

Слой окислов представляет сеть разветвленных капилляров, течение припоя в которых возможно при углах смачивания поверхности припоем 0 < 90°. По та­ кой технологии можно нанести припой на поверхность практически любой вели­ чины и заданной конфигурации [8]. Процесс лужения по слою окислов может рассматриваться как способ управления течением припоя по поверхности и в около галтельных участках шва.

Для высокотемпературной пайки в интервале температур 1200—1300° С могут быть использованы припои на основе серебра, меди, никеля и палладия. Пайка тугоплавких металлов в этом интервале температур для каждого металла имеет свои особенности.

Молибден и вольфрам плохо смачиваются припоями на основе серебра и меди, поэтому пайку их этими припоями лучше вести при температурах, превыша­ ющих температуру пайки для обычных металлов на 50—150® С, т. е. при 950— 1200° С. Для пайки лучше использовать самофлюсующие припои на основе меди и серебра или применять пайку по покрытиям из меди и никеля.

При выборе припоев для высокотемпературной пайки ниобия в интервале 1200—1300° С необходимо учитывать способность его к образованию интерметал­ лического соединения с никелем, входящим в состав многих стандартных припоев. Для пайки ниобия в качестве припоя можно рекомендовать чистую медь, припои на основе меди и палладия. Средние прочностные свойства паяных соединений из сплавов молибдена и ниобия приведены в табл. 11.

Тантал и его сплавы особенно чувствительны к примесям газов, имеющихся в нейтральной среде. Поэтому пайку тантала и его сплавов осуществляют в ва­

При пайке тугоплавкими припоями для всех указанных металлов в качестве припоев можно применять чистый титан, цирконий и сплавы на их основе; для пайки вольфрама — чистый ниобий и тантал.

Указанные металлы-припои образуют с молибденом, ниобием, танталом и вольфрамом сплавы в виде непрерывного ряда твердых растворов.

Учитывая, что пайку тугоплавкими припоями проводят при температурах, значительно превышающих температуры рекристаллизации указанных материа-

лов, механические свойства паяных соединений при температурах испытаний —2000° С не превышают 2—6 кгс/мм2.

Исследование большого числа тугоплавких припоев показало, что для пайки в качестве припоев могут быть использованы системы сплавов: Ti—Nb, Ti—Nb— Cr, Ti—Mo, Ti—Mo—Cr, Ti—Mo—Zr, Nb—Zr, Nb—Zr—Cr, Mo—Cr, N b -V , Nb—V—Zr, Ti—Ta, Ta—Zr, Nb—Cr и др. В этих системах большая часть при­ поев — твердые растворы, оказывающие небольшое влияние на охрупчивание паяемых металлов, но имеющие более высокие температуры плавления и довольно широкий интервал кристаллизации. Припои эвтектического состава (сплавы Та—Zr, Nb—Cr) часто позволяют снизить температуру пайки при той же рабочей температуре соединений.

Припои титан—ниобий, содержащие от 20 до 40% Ti — пластичные и могут быть получены в виде фольги; при содержании титана более 40% пластичность их снижается. Введение в их состав до 10—15% Сг позволяет снизить темпера­ туру плавления припоев и повысить пластичность. Припои титан—молибден, содержащие 15—45% Ti, имеют температуру плавления 1850—2000° С; введение хрома и циркония в эти припои снижает температуру их плавления.

Припои, содержащие ванадий и цирконий в твердых растворах Nb—V и Nb—Zr, обладают лучшим смачиванием и затеканием в зазоры.

Из стандартных припоев-сплавов для пайки тугоплавких металлов нашел

фрама в результате диффузии образуется сплав, работающий при температуре 2000° С.

Для пайки узлов и изделий из молибдена, вольфрама и ниобия, работающих на воздухе при температурах до 1600° С и имеющих защитные покрытия при вы­ боре припоя, необходимо учитывать особенности взаимодействия припоя с эле­ ментами, входящими в состав защитного покрытия.

ПАЙКА МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ

Особенности пайки меди и ее сплавов определяются теплофизическими свой­ ствами меди, составом сплавов, температурой их плавления и свойствами окисных пленок. Трудность пайки меди и ее сплавов в значительной степени определяется высокой теплопроводностью меди и сложностью нагрева деталей, имеющих боль­ шую массу. Пайка медных сплавов дополнительно осложняется выбором припоев, имеющих температуру плавления ниже температуры плавления сплавов, а также обеспечением смачивания припоями поверхности при наличии сложных окисных пленок, в состав которых могут входить прочные окислы А120з, ВеО, Сг20 8 и др.

Для пайки этих материалов могут быть использованы различные группы припоев: оловянно-свинцовые, свинцовые, кадмиевые, серебряные, медно-цин­ ковые, медно-фосфорные и др.

Нагрев при низкотемпературной пайке в зависимости от массы деталей осуществляют с помощью паяльников, газовых горелок, кварцевых ламп, погру­ жением в ванны с расплавленным припоем и другими методами. Нагрев при высо­ котемпературной пайке осуществляют в печах: воздушных, вакуумных, с восста­ новительной средой водорода, диссоциированного аммиака или нейтральной газовой средой. Используют также нагрев в соляных ваннах, газовыми горелками, ТВЧ, электроконтактным методом и др^

Медь промышленных марок МО, Ml, М2, М3, М4, отличающихся содержа­ нием примесей, имеет температуру плавления, близкую к 1083° С. При нагреве ниже 375° С на поверхности меди образуется окисел СиО, а при нагреве выше 375° С окислы СиО и Си20 , легко удаляемые при пайке. В связи с этим низкотем­ пературная пайка меди не представляет больших трудностей даже при примене­ нии малоактивных канифолевых флюсов, не вызывающих коррозии паяных соединений. Однако во многих случаях при пайке сложных конструкций из меди применяют активные флюсы ЛТИ-1, ЛТИ-120, ЛК-2, хлористый цинк и др. После пайки с активными флюсами изделия тщательно промывают.

На практике для облегчения процесса пайки применяют предварительное облуживание деталей. На медные детали, подлежащие пайке, наносят тонкие слои полуды электролитическим и гальваническим методами или погружением в ванны с расплавленным припоем.

Пайку меди свинцовыми припоями ПСр 3, ПСр 2, ВПР12 и другими при температурах 300—350° С и кадмиевыми припоями ПСр Кд, ПСр 5КЦН, ПСр 8КЦН при температурах 325—370° С проводят с применением активных флюсов ФК-30 и др. Кадмиевые припои не технологичны, отличаются плохой смачивае­ мостью и трудностью заполнения зазоров.

Находит применение низкотемпературная диффузионная пайка меди. Этот процесс осуществляют легкоплавкими припоями — оловом, свинцом, индием, сплавами олово—свинец путем нагрева соединяемых деталей под небольшим давлением в нейтральной газовой среде или вакууме при температурах 650— 800° С и длительной выдержке. Для высокотемпературной пайки меди применяют серебряные, медно-цинковые и медно-фосфорные припои.

При пайке на воздухе серебряными и медно-цинковыми припоями исполь­ зуют флюсы на основе буры, борного ангидрида с добавками фторидов. При при­ менении медно-фосфорных припоев флюс не требуется.

В среде водорода рекомендуется паять медь, не загрязненную кислородом из-за опасности «водородной болезни» меди. Для того чтобы ограничить растворе­ ние меди в медно-фосфорных и серебряных припоях, рекомендуется ускоренный нагрев и сокращение выдержки при температуре пайки.

Для некоторых изделий из меди (медные шины, волноводы, пластинчатые теплообменники) нашел применение процесс пайки с помощью контактного плавления в системе серебро—медь (контактно-реактивная пайка). На соеди­ няемые поверхности деталей наносят слой серебра толщиной 10—15 мкм. Детали нагревают до температуры, превышающей температуру образования эвтектики серебро—медь (800—85(гС). Пайку осуществляют в нейтральной газовой среде в приспособлениях, обеспечивающих поджатие деталей при нагреве.

Латуни содержат 4—38% Zn, имеют температуру плавления 905— 1070° С. Состав окисной пленки, образующейся на латунях, зависит от содержания цинка в сплаве; при содержании до 15% Zn окисная пленка состоит из окисла СиаО; при содержании свыше 20% Zn — в основном из ZnO.

Смачивание латуней при пайке оловянно-свинцовыми припоями достигается только с применением активных флюсов (ЛТИ-120, ЛК-2, хлористого цинка É др.). Рекомендуется также предварительное облуживание латунных деталей перед пайкой.

Для латуней можно применять процесс низкотемпературной диффузионной пайки оловом с нагревом в нейтральной газовой среде при температурах 670— 700° С. Для высокотемпературной пайки латуней применяют медно-фосфорные, серебряные и медно-цинковые припои с наиболее низкими температурами плавле­ ния, например припои ПМЦ 48, ПМЦ 54. При пайке на воздухе указанными при­ поями используют флюсы на основе буры и борного ангидрида с добавками фто­ ридов.

Наибольшую трудность в обеспечении смачивания представляют латуни, содержащие свинец (ЛС59-1, ЛС63-3). Для того чтобы уменьшить испарение цинка с поверхности и ограничить растворение латуней в серебряных и медно­ фосфорных припоях, применяют большие скорости нагрева под пайку. С этой целью нагрев проводят ТВЧ, в соляных ваннах, источниками света и другими

не производят вообще. Для защиты деталей от испарения цинка перед пайкой на их поверхность наносят медное покрытие. Для уменьшения испарения цинка при пайке газовой горелкой нагрев рекомендуется вести восстановительным пламенем.

Оловянистые бронзы (БрОФЮ-1, БрОФ6,5-0,4; БрОЦ-4-3) кроме олова содер­ жат фосфор или цинк; температура плавления их находится в пределах 995— 1050° С.

Алюминиевые бронзы содержат от 5 до 12% А1 и плавятся при температурах около 1050° G. В состав окисной пленки на их поверхности входит окись алюминия.

Хромистые бронзы (БрХ0,5; БрХ0,8) содержат небольшие добавки хрома, упрочняющие медь. Температура плавления этих сплавов 1084—1090° С. Окисная пленка на поверхности хромистой бронзы содержит некоторое количество Сг20 3.

Бериллиевые бронзы (БрБ2 и др.) содержат 2—2,5% Be и плавятся при тем­ пературах 866—955° С. Большое сродство бериллия к кислороду вызывает его окисление и появление на поверхности химически стойкой окисной пленки ВеО.

Наибольшую трудность при пайке представляют алюминиевые, бериллиевые в хромистые бронзы. При низкотемпературной пайке указанных материалов применяют активные флюсы (ЛК-2, хлористый цинк, хлористый цинк с избыточ­ ной соляной кислотой и др.). При высокотемпературной пайке в флюсы на основе буры и борного ангидрида вводят фтористые и хлористые соединения. При пайке алюминиевой бронзы рекомендуется применять серебряные припои с никелем для предотвращения нежелательного перехода в припой алюминия. Применение медно-цинковых припоев при пайке бронз ограничено их высокой температурой плавления.

КОНСТРУИРОВАНИЕ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Для получения прочных паяных соединений необходимо правильно конструиро­ вать соединяемые детали, обеспечивать нужный зазор, допустимую величину нахлестки, легкую укладку припоя и его фиксацию и т. д.

Типовые паяные соединения с обозначениями по ГОСТ 19249—73 приведены в табл. 12. Наиболее распространенным типом соединений является соединение внахлестку. Швы, паяные внахлестку, обеспечивают наибольшую прочность соединений. Равнопрочность таких швов с основным металлом достигается изме­ нением длины нахлестки

длину нахлестки до трех толщин соединяемых деталей, а при пайке низкотемпе­ ратурными припоями — увеличивать до пяти толщин вследствие малой прочности припоя. Увеличивать длину нахлестки сверх этих пределов нецелесообразно, так как распределение касательных напряжений по длине нахлестки неравно­ мерно. Они возрастают лишь в галтельных участках шва, средняя часть на­ хлестки менее нагружена, и, кроме того, увеличивается масса паяемых узлов и изделий.

Детали, паянные внахлестку, не требуют дополнительных подгоночных операций, соединения удобны при выполнении; фиксация деталей при панк? внахлестку во многих случаях выполняется с помощью точечной электросварки (ТЭС).

Примеры соединений плоских элементов внахлестку и их разновидностей приведены на рис. 6. Соединения в ус, вскос, в Биде гребенки увеличивают проч­ ность за счет увеличения длины нахлестки. Для равномерного приложения на­ грузки и увеличения прочности применяют соединения с двойной нахлесткой. Стыковые и тавровые соединения используют редко; они не характерны для паяных соединений. Применять эти соединения целесообразно в случаях, когда

12. Типовые паяные соединения

Рис. 6. Примеры соединений плоских элементов:

а и б — внахлестку; в — двой« пая нахлестка; г — ступенча* тое; д « в виде гребенки; ç ■=• вскос