- •Технология и оборудование сварочного производства
- •1. Физико-химические основы и классификация сварочных процессов
- •2. Основные способы сварки их технологические особенности
- •2.1 Термические способы сварки (сварка плавлением)
- •2.1.1. Особенности формирования соединений при сварке плавлением
- •2.1.2. Дуговые виды сварки
- •2.1.2.1 Электрическая дуга и её свойства
- •2.1.2.2 Источники питания сварочной дуги
- •2.1.2.3. Ручная дуговая сварка покрытыми электродами
- •2.1.2.4. Автоматическая дуговая сварка под флюсом
- •2.1.2.5.Дуговая сварка в защитных газах
- •2.1.3 Электронно-лучевая сварка (элс)
- •2.2. Механические и термомеханические способы сварки (сварка давлением)
- •2.2.3 Диффузионная сварка в вакууме
- •2.2.4 Холодная сварка
- •2.2.5 Сварка трением
- •2.2.6 Сварка взрывом
- •2.2.7 Магнитно-импульсная сварка
- •3. Основы технологии и оборудование пайки
- •Соединяемых кромок. «а» - величина нахлестки паяного шва
- •3.1 Образование соединения при пайке
- •(Стрелками показано направление потоков теплоты)
- •( Пунктиром показано первоначальное положение соединяемых кромок)
- •3.2.Классификация и сущность основных способов пайки
- •Способы пайки по видам источников теплоты и способам нагрева
- •3.3 Технология пайки
- •4 Методы контроля сварных и паяных соединений
- •4.1 Дефекты сварных и паяных соединений
- •Полученных электродуговой сваркой и причины их образования
- •4.2 Методы неразрушающего контроля сварных и паяных соединений
- •4.3 Методы разрушающего контроля
- •5 Изготовление сварных конструкций
- •5.1 Классификация сварных конструкций
- •5.2 Конструктивно-технологические характеристики сварных соединений
- •5.3 Технологичность сварных конструкций
- •5.4 Виды технологических операций и оборудования сварочного производства
- •5.5 Основные технологические операции и их механизация
- •А, б, г, е —винтовые; в, д — эксцентриковые; ж, з, и — рычажные
3.1 Образование соединения при пайке
Процесс образования паяного соединения состоит из следующих стадий: нагрев соединяемых деталей до температуры плавления припоя (рис.3.2а); плавление припоя (рис. 3.2б); смачивание, растекание и заполнении капиллярного зазора жидким припоем (рис. 3.21в); растворение основного металла в жидком припое и взаимная диффузия компонентов основного металла и припоя (рис.3.2г); охлаждение и кристаллизация паяного шва (рис. 3.2д).
Практически все указанные стадии процесса пайки перекрываются, и окончание одной стадии трудно отделить от начала другой. Кроме того, эти стадии сопровождаются рядом других процессов (восстановление или разрушение пленки окислов, поглощение и выделение газов соединяемыми материалами и припоем, отжиг и рекристаллизация материала соединяемых деталей, химическое взаимодействие материалов с окружающей средой, возникновение или снятие внутренних напряжений в деталях и т. д.).
Рис.3.2 Основные стадии образования паяного соединения
(Стрелками показано направление потоков теплоты)
Если каким-либо образом на поверхность холодного материала нанести расплавленный припой, то он быстро затвердеет и никакой связи его с соединяемым материалом не произойдет. Поэтому зона пайки или паяемое изделие целиком должны быть прогреты до температуры несколько выше температуры плавления припоя.
Расплавленный припой должен растечься по поверхностям соединяемых кромок, а это возможно лишь при хорошей смачиваемости их поверхностей припоем. Смачиваемостью называется первая стадия физико-химического взаимодействия расплавленного припоя с твердой паяемой поверхностью, результатом которого является его растекание тонким слоем. Таким образом, под растекаемостью понимают свойство жидких припоев распространяться по поверхности или в зазоре соединяемых материалов, находящихся в твердом состоянии.
Физическую сущность процесса смачивания можно рассмотреть на примере капли жидкости, лежащей на поверхности твердого тела (рис.3.3). В данном случае имеет место трехкомпонентная система: газ (1), жидкость (2) и твердое тело (3). На каплю жидкости действуют силы поверхностного натяжения на межфазных границах твердого тела, жидкости и газообразной окружающей среды.
Угол а между плоскостью, касательной к поверхности припоя у границы смачивания и смоченной припоем плоской поверхностью паяемого металла называется краевым углом смачивания.
Рис.3.3 Схема равновесия векторов сил поверхностного натяжения капли жидкости на поверхности твердого тела:
1- газовая фаза, 2 –жидкость, 3 – твердое тело
Условие равновесия системы может быть представлено в виде равновесия векторов сил поверхностного натяжения в точке А:
где - поверхностное натяжение между жидким металлом и газом, действующее по касательной к поверхности жидкого металла. Эта сила стремится до минимума уменьшить поверхность капли припоя;
- поверхностное натяжение между твердым телом и газом; сила, приводящая к растеканию жидкости по поверхности металла;
- поверхностное натяжение между жидким припоем и твердым телом.
Растекание будет иметь место, если значение превышает. Прирастекание полностью отсутствует; приимеет место полное, при- частичное растекание.
На смачивание и растекаемость припоя оказывают влияние следующие факторы: состояние поверхности паяемого металла; среда, в которой проводится нагрев; химический состав паяемого металла и припоя; температура процесса и др. Смачивание существенно улучшается при применении специальных сред и флюсов, способных очищать поверхность от окислов и загрязнений.
Кроме смачивания, при пайке определяющую роль играют капиллярные силы. Высота подъема припоя в капилляре в общем случае рассчитывают по формуле
где - величина зазора (расстояние между паяемыми поверхностями);- плотность жидкости;- ускорение свободного падения.
Из приведенной формулы следует, в частности, что с уменьшением зазора (расстояния между паяемыми поверхностями) высота поднятия жидкости увеличивается.
Высота капиллярного поднятия жидкости в зазоре между двумя параллельными пластинками в два раза меньше, чем в капилляре круглого сечения (рис.3.4).
При оценке капиллярных свойств припоев следует иметь в виду, что не всегда существует прямая зависимость между высотой поднятия расплавленного припоя в зазоре и краевым углом смачивания им основного металла. Меньшему углу смачивания не всегда соответствует большая высота поднятия припоя в зазоре. Так, краевой угол смачивания при введении в медно-серебряные припои индия уменьшается, однако высота подъёма этих припоев в зазоре в случае пайки меди в вакууме не повышается, как этого следовало бы ожидать, а снижается. Припои с большим краевым углом смачивания, обычно лучше текут при увеличенных зазорах (0,2-0,5 мм).
Рис.3.4 схема подъема жидкости
а – по капилляру круглого сечения; б – между параллельными пластинками
С изменением состава атмосферы, в которой производится пайка, меняется и высота подъёма припоя. Следует отметить общую закономерность - водородная среда обеспечивает более благоприятные условия для течения припоя в зазоре, чем вакуум.
Для образования спая между основным металлом и припоем в отдельных случаях достаточно смачивания основного металла расплавом припоя. Однако высокие скорости взаимодействия на границе между твердой и жидкой фазами, а также сравнительно их длительное взаимодействие, обусловленное технологией пайки, не позволяют в обычных условиях завершить процесс взаимодействия на стадии смачивания и растекания припоя.
Уже в момент заполнения капиллярного зазора происходит интенсивное растворение основного металла в расплаве припоя и диффузия его в жидкости.
Процесс растворения представляет собой разрушение кристаллической решетки твердого металла и переход его в жидкий металл. Внешним проявлением растворения основного металла в припое является смещение границы контакта твердой и жидкой фаз в сторону соединяемого материала (рис.3.3г).
Интенсивность растворения основного металла в расплаве припоя увеличивается с повышением температуры и длительности контакта твердой и жидкой фаз. Способность расплавленных припоев интенсивно растворять основной металл является отрицательным свойством, так как ухудшает смачивание и растекание припоя, вызывая хрупкость в соединении и появление эрозии основного материала.
Помимо растворения в системе «расплавленный припой–основной материал» протекают процессы диффузии (диффузией в общем случае называют проникновение атомов одного вещества в другое). Диффузия при пайке играет большую роль в процессе формирования паяного соединения. Смачивание, капиллярное течение, образование переходного слоя между основным металлом и металлом шва, выравнивание состава шва связаны с диффузией. В условиях пайки протекает диффузия компонентов припоя в сторону основного металла и компонентов основного металла в сторону припоя. Диффузия атомов может проходить по поверхности (поверхностная диффузия), по границам зерен (граничная диффузия) и в объеме зерен (объемная диффузия). Схема диффузии по поверхности, по границам зерен и в объеме зерен представлена на рис.3.5. Преобладающая роль диффузии по поверхности и границам зерен отрицательно сказывается на прочности паяных соединений.
Рис.3.5 Схема диффузионных потоков при взаимодействии припоя с основным металлом:
1 – поверхностная диффузия, 2 – диффузия основного металла в припой, 3 – диффузия припоя в объеме зерна, 4 – диффузия по границам зерен
Интенсивность протекания процесса диффузии при пайке зависит от многих факторов: от состояния соединяемых материалов (в материалах, свободных от внутренних напряжений, диффузия протекает значительно медленнее); от размера зерна основного металла (чем мельче зерно, тем быстрее протекает диффузия); от температуры пайки; от времени выдержки при температуре пайки и т. д.
Заключительной стадией образования паяного соединения является кристаллизация, которая фиксирует процессы взаимодействия между основным металлом и расплавом припоя на том или ином уровне их развития. При кристаллизации происходит затвердевание тонкой прослойки расплавленного припоя, находящегося в зазоре, образованного поверхностями соединяемых деталей.
При температуре пайки в результате взаимодействия основного металла и расплавленного припоя в шве образуется сплав, отличающийся по составу и свойствам и от основного металла, и от припоя. Обычно он кристаллизуется в виде отдельных зон. При этом ближе к основному металлу образуются зоны, обогащенные компонентами основного металла, ближе к центру шва компонентами припоя. Кристаллизация металла шва начинается в первую очередь на поверхности основного металла, кристаллиты которого являются как бы основой для роста кристаллитов припоя. Помимо этого центры кристаллизации могут возникать и в жидком металле шва. В процессе кристаллизации в паяном шве могут фиксироваться:
– твердые растворы, в которых соотношения между компонентами могут изменяться без нарушения однородности сплава;
– эвтектические структуры – механическая смесь твердых растворов компонентов, образующихся при затвердевании жидкого раствора и имеющих наиболее низкую температуру плавления по сравнению со смесями тех же веществ, взятых в других соотношениях;
– интерметаллические соединения – химические соединения в металлических сплавах.
Твердые растворы образуют металлы, имеющие общий тип кристаллической решетки и очень близкие значения межатомных расстояний.
Твердые растворы являются желательными структурами, так как при этом обеспечивается высокая прочность и пластичность паяного соединения. Эвтектические структуры в паяных швах возникают при пайке припоями эвтектического состава или образуются в результате взаимодействия припоя с паяемым металлом. Эвтектические структуры возникают, если сходство металлов недостаточно для образования твердого раствора, а разница в свойствах и строении невелика, чтобы образовать интерметаллические соединения. Припои эвтектического свойства обладают высокой жидкотекучестью, и пайка с применением их протекает наиболее легко, однако прочность паяных швов при этом ниже, чем в случае образования твердых растворов. Интерметаллические соединения образуют металлы преимущественно в том случае, если в параметрах их кристаллических решеток и в химических свойствах имеется большая разница. Интерметаллические соединения могут располагаться в виде одного или нескольких слоев по границе «основной металл–припой» или быть распределены в шве в виде включений. Качество паяного шва при образовании интерметаллических соединений между взаимодействующими металлами, как правило, будет ниже, так как эти соединения обычно имеют высокую хрупкость.
В результате протекания всех стадий процесса пайки между соединяемыми деталями возникает паяное соединение, схема строения которого приведена на рис.3.6.
Рис.3.6 Схема построения паяного соединения после кристаллизации