2.2. Технология соединения деталей ювелирных изделий Лекция 23

Технология соединения деталей ЮИ

1. Пайка, основные понятия.

2. Припои и флюсы.

3. Особенности пайки «мягкими» и «твердыми» припоями.

4. Технология выполнения штифтовых, заклепочных и резьбовых соединений.

5. Технологические основы лазерной сварки.

При пайке металлические детали соединяются посредством припоя – связующего сплава, который, нагреваясь и становясь жидким, растекается как по капиллярам между спаиваемыми деталями и образует прочное неразъемное соединение. Для облегчения процесса пайки применяются флюсовые добавки. Место пайки должно быть нагрето до рабочей температуры припоя, т. е. до температуры, когда припой расплавляется и заполняет шов соединения, причем эта температура должна быть ниже температуры солидуса соединяемых металлов, иначе они тоже могут расплавиться. Практика показывает, что рабочая температура мягких припоев ниже 350° С, а твердых – выше 650° С. Температура же действия флюса должна быть ниже рабочей температуры припоя.

Припой должен плавиться, в то время как основной металл еще находится в твердом состоянии. Разница между рабочей температурой припоя и началом плавления основного металла должна составлять не менее 50° С. При превышении температуры солидуса основного металла начинается нежелательное расплавление низкоплавких эвтектических составляющих сплава, и тогда все изделие или отдельные его части могут стать непригодными. Но минимальную разницу рассматриваемых температур в 50° С нельзя считать нормой, так как, например, при пайке тонкой проволоки (филигранные изделия) опасность перегрева в отдельных местах настолько велика, что эта разница должна быть больше. Интервал плавления твердых припоев можно снизить с помощью различных легирующих добавок; температура же плавления мягких припоев и без того значительно ниже, чем у спаиваемых металлов.

Жидкий припой должен растекаться на спаиваемом металле. Обеспечение необходимой смачиваемости при пайке предполагает определенное «родство» соединяемых металлов; припой, расплавляясь, может превращаться в шарик, вместо того чтобы растекаться по основному металлу и заполнять стык соединения. Причинами такого явления (высокого поверхностного натяжения жидкого металла) могут быть различные факторы, например разница температур: припой расплавился, но ввиду высокой теплоотдачи детали место пайки еще не достигло такой же температуры, т. е. предварительного нагрева не хватило – недостаточное сродство металлов.

На текучесть припоя может повлиять также наличие окисных пленок и инородных частиц на припое или на металле, и различие структур припоя и основного материала тоже играет не последнюю роль в ухудшении текучести припоя. Для хорошего сцепления между припоем и основным металлом необходимо, чтобы атомы припоя приблизились к атомам основного металла на межатомное расстояние, чему и способствует растворение припоем микронеровностей на поверхностях спаиваемых деталей.

Соединение припоя и основного металла должно быть долговечным. Долговечность соединения, как и смачиваемость, тоже зависит от «родства» основного металла и припоя. При расплавлении припоя и сильном нагреве основного металла атомы металла приобретают такую высокую подвижность, что они в состоянии вызвать процесс диффузии.

Выше уже говорилось о том, что частица основного металла, растворяясь в расплавленном припое, улучшают его текучесть. Прочность же и однородность паяного соединения определяются в значительной мере степенью диффузии металлов, которая происходит на границах зон взаимодействия расплавленного припоя и основного металла, когда образуется структура, показанная схематично на рис. 2.2.1.

Рис. 2.2.1. Структура паяного шва:

1 – основной материал; 2 – припой; 3 – зона диффузии основного материала; 4 – зона диффузии припоя

Припой имеет первоначальную структуру только внутри шва, в краевых же зонах он уже насыщен частицами основного металла, а на границах припоя с основным металлом находится узкая смешанная зона.

На практике, бывает, что припой смешивается с основным металлом значительно интенсивнее и присутствует во всех показанных на рисунке зонах (при пайке мягкими припоями смешанная зона почти отсутствует). Процесс диффузии при длительном нагреве, или многократном отжиге, или, например, при повторной пайке вблизи от уже запаянного шва может развиться до такой степени, что на микрошлифе этого шва уже не обнаружится.

Мягкие припои представляют собой сплавы на основе свинца и олова и по своей системе схожи с системой сплава серебро–медь. Прочность мягких припоев повышают добавками Sb, а для уменьшения рабочей температуры используются добавки других металлов, например «сплава Вуда», состоящего из 4 частейBi, 2 частей Рb, 1 частиSnи 1 частиCd. Рабочая температура «сплава Вуда» равна 65° С, и его можно применять для соединения чувствительных к температуре деталей, прочность паяного соединения в этом случае – незначительная.

Оловянным припоям присущи многие недостатки: сплав олова и свинца не только мягкий, т. е. легкоплавкий, но имеет также незначительную твердость и прочность; диффузия припоя и основного металла – незначительна; припой имеет совершенно другой состав, чем основные металлы («родства» нет), например сплавы Cu–ZnиPb–Sn; уже при температуре выше 100°С соединение, образованное пайкой мягким припоем, чувствительно к нагреву; прочность такого шва на разрыв составляет в среднем 50 Н/мм², в то время как при пайке серебряным припоем этот показатель в 8 – 10 раз выше; на цветных сплавах и металлах виден шов серо–белого цвета.

Твердые припои применяют для пайки деталей изделий из благородных металлов. Различают серебряные и золотые припои.

Серебряные припои используются также для пайки меди и ее сплавов и стали. Известно много припоев с низким содержанием серебра, которые из–за желтовато–красного оттенка не представляют интереса для ювелиров. В ювелирной промышленности применяются серебряные припои с содержанием в них серебра не менее 65% , причем их проба может не соответствовать пробе изделий.

Золотые припои применяются для пайки изделий из золота и платины; проба припоя должна быть идентична пробе изделия. Золотые припои классифицируются по содержанию чистого золота, конкретное же соответствие припоя тому или иному сплаву определяется соотношением температуры солидуса основного металла и рабочей температуры припоя (табл. 2.1.1). Например сплавы Аu 585 с добавкой чистого серебра (бледно–желтого цвета), а также с добавкой чистой меди (красноватого цвета), температура солидуса которых составляет приблизительно 1000° С и 950° С, могут быть спаяны припоем с рабочей температурой 900° С. Сплав золота этой же пробы, содержащий 200 частей меди (желтого цвета), при такой температуре расплавился бы, так как в этом случае температура солидуса составляет всего около 810° С, а максимальная рабочая температура припоя – 750° С.

При пайке широко применяют специальные материалы, которые называют флюсы. При нагреве на поверхности большинства металлов образуется окисная пленка. Задача флюсов – удалить остатки окислов. При пайке флюс должен растворять окислы, защищать места пайки и припой от окисления с помощью покрытия в виде глазури, улучшать жидкотекучесть припоя. Удаление остатков самого флюса механическим способом не рекомендуется.

Таблица 2.2.1

Золотые припои

Ag (%)	Добавки	Рабочая температура, °С	Плотность, г/см3	Основное применение
75 75	Ag, Cu, Zn, Cd Ag, Си, Cd	820 725	15,3 15,1	Твердый припой для Ag 750 Мягкий припой для Ag 750
58,5 58,5 58,5 58,5	Ag, Cu, Zn Ag, Си, Zn Ag, Cu, Zn Ag, Cu, Zn	850 820 775 760	16,1 15,3 15,3 15,3	Очень твердый припой для Ag 585 Твердый припой для Ag 585 Средний припой для Ag 585 Мягкий припой для Ag 585
33,3 33,3 33,3	Ag, Cu, Zn Ag, Cu, Zn Ag, Cu, Zn	790 760 740	12,3 12,3 12,4	Твердый припой для Ag 333 Средний припой для Ag 333 Мягкий припой для Ag 333
56,0 83,3	Pd, Ag, Cu, Cd Pt, Pd, Ni	920 920	17,2 19,9	Припой для белого золота Ag 585 и Ag 750 Припой для ювелирной платины

Рабочая температура припоя и температура действия флюса должны быть согласованы между собой. Необходимо, чтобы температура действия флюса была ниже рабочей температуры пайки. В идеальном случае температура действия флюса повышается постепенно, и при ее значении, которое ниже рабочей температуры припоя, она далее, т. е. в промежутке времени, когда производится пайка, не изменяется. Такой флюс пригоден при различных скоростях пайки. Флюс же, который быстро утрачивает необходимую активность, можно использовать только при непродолжительной пайке. Хороший флюс должен обладать такой высокой скоростью действия, чтобы он мог растворить остатки окислов до наступления рабочей температуры припоя. Когда припой течет, флюс должен быть еще достаточно активным, чтобы предотвратить во время пайки повторное окисление.

Флюс должен иметь низкую вязкость и незначительное поверхностное натяжение для улучшения текучести припоя. Вязкость флюса характеризует его внутреннее сопротивление, от нее зависит подвижность флюса. Вязкость должна быть достаточно низкой, чтобы не препятствовать растеканию припоя, но одновременно она должна быть такой, чтобы флюс смог покрыть сплошным защитным слоем припой и место пайки.

Стремление материала в жидком состоянии к сжатию объясняется действием поверхностного натяжения. Материал, который подобно ртути скатывается в шарики, не годится в качестве флюса; последний должен обладать таким низким поверхностным натяжением, чтобы он мог легко в расплавленном состоянии смачивать поверхность основного материала.

Флюс должен обеспечить отшлакование загрязнений и удаление их от места пайки. Недостаточно, если флюс только растворяет остатки окислов. Он должен также удалять продукты растворения с места пайки; в противном случае из–за вязкого слоя шлака припой станет менее подвижен, что воспрепятствует подаче новых флюсовых добавок к поверхности металла. Остатки флюса должны быть легко растворимы. Остатки применяемых на практике флюсов для мягких припоев смываются водой (если в качестве флюса используется канифоль, ее можно смыть спиртом), остатки же флюсов для твердых припоев растворяются в горячей воде или в травильном растворе.

В качестве флюсов применяют буру и борную кислоту. Бура является классическим флюсом, применяемым ювелирами. Борная кислота применяется при пайке тогда, когда и после нее полированное изделие должно сохранить свой блеск, а также когда нужно предотвратить окисление на поверхности; бура и борная кислота превращаются при сильном нагревании в расплав в виде глазури, который, распадаясь, образует трехокись бора В20₃, которая, в свою очередь, вступает в реакцию с окислами металлов и образует бораты, например: СuО (окись меди) + В₂0₃(трехокись бора) –>Cu(B0₂)₂(метаборат меди). В борной кислоте при температуре ниже 900° С продукты растворения оседают плотным слоем на поверхности металла. В результате, однако, хотя и образуется защитный слой, новые частицы трехокиси бора не могут попасть к месту пайки. Только при температуре выше 900° С повышается жидкотекучесть флюса, а образующиеся бораты могут соединиться с трехокисью бора. Флюс достигает максимальной активности и борная кислота может быть использована в качестве флюса при температурах, когда уже воздействия буры недостаточно, например, при применении припоев для пайки изделий из латуни и нейзильбера (обычно же, как флюс, борная кислота не используется). Бура распадается при переходе точки плавления на трехокись бора и метаборат натрия. Трехокись бора растворяет загрязнения металла и, как и борная кислота, образует метабораты; вновь же образовавшиеся метабораты растворяются метаборатами натрия и отводятся ими с места образования, чтобы новые частицы трехокиси бора смогли попасть в окисный слой и вступить в реакцию. Этот процесс продолжается до тех нор, пока не израсходуется трехокись бора и не растворятся все окислы без остатка.

Выражение «твердый припой» означает – тугоплавкий, т. е. плавящийся при более высокой температуре, чем мягкий припой, и обеспечивающий более высокую прочность соединения. По своему составу твердый припой схож с соединяемым металлом, поэтому он в процессе диффузии проникает в него; такое паяное соединение выдерживает высокие нагрузки при прокатке, ковке, гибке, т. д. При пайке твердым припоем необходимо выполнить целый ряд трудоемких подготовительных операций.

1. Очистка. Место пайки должно быть абсолютно чистым, причем удаляется не только окисная пленка, но и остатки жира и смазки и прочие примеси. Все детали, имеющие внутренние остаточные напряжения (как результат предшествующей обработки), перед монтировкой должны быть подвержены отжигу. Все замкнутые пустотелые детали перед нагревом необходимо просверлить, чтобы из них выходил воздух, иначе шарик серьги или кольцо при пайке могут лопнуть.

2. Припасовка (подгонка). Очень важна тщательная подгонка (припасовка) мест пайки: минимальный зазор должен быть таким, чтобы в него затекали флюс и припой; зазор должен быть полностью заполнен припоем; за пределами шва должно оставаться как можно меньше остатков припоя. При выполнении ювелирных работ максимальная ширина зазора должна равняться 0,1 мм. При объемных работах эта величина может быть в 2 раза больше. При определенном навыке можно, конечно, и на плохо зачищенном стыке обеспечить заполнение шва припоем, но уже при полировке будут видны дефекты такого шва, а прочность соединения окажется незначительной.

Для соединения деталей ювелирных изделий широко прменяются такие операции, как штифтование, клепка, нарезка резьбы

В штифтовое соединении шарнирным штифтом соединены шарнирные трубки, при этом вращающиеся вокруг штифта (шарнир крышки шкатулки). Подвижное заклепочное соединение: две или более просверленных деталей образуют неразъемное соединение (рис. 2.2.2), при этом оставаясь подвижными (рукоятка плоскогубцев).

1 – свободное заклепочное соединение; 2 – глухое заклепочное соединение; 3 – заклепка с полукруглой головкой (верхняя – замыкающая головка, цилиндрический стержень и нижняя –осадочная головка); 4 – заклепка с потайной головкой; 5 – заклепка с полупотайной головкой

Рис.. 2.2.2. Заклепочные соединения (формы заклепок)

Глухое заклепочное соединение состоит в том, что просверленные детали соединяются неподвижно (крепление неметаллической ручки кувшина). Заклепка состоит из следующих частей: подготовленная осадочная головка, цилиндрический стержень, проходящий через отверстие, замыкающая головка, формируемая на конце стержня. Осадочная и замыкающая головки имеют обычно форму шляпки. Заклепка с полукруглой головкой (также не сферическая) имеет отношениеd/h= 10/6. На практике по разным причинам головку заклепки иногда заглубляют на поверхности частично (полупотайная) или полностью (потайная).

Различные типы резьбы регламентируются соответствующими стандартами. Резьба обозначается по наружному диаметру винта и внутреннему диаметру отверстия: M10– диаметр 10 мм. Для мелкой резьбы, в которой шаг и глубина резьбы меньше, указывают еще и шаг: М10 х 1; М10 х 0,5. Для нарезания резьбы на стержнях достаточно резьбонарезной доски, на которой имеются два ряда отверстий с резьбой постепенно увеличивающихся диаметров, причем отверстия верхнего ряда предназначены для предварительного нарезания диаметра резьбы, а нижнего ряда – для окончательного. Диаметр стержня должен соответствовать наружному диаметру будущей резьбы. Острие стержня слегка заостряют и ввинчивают в отверстие предварительного нарезания резьбы (стружка выводится из отверстия); профиль резьбы пока еще имеет форму трапеции, но после прохождения последующих отверстий витки резьбы будут уже иметь острые кромки.

Вместо резьбонарезной доски лучше применять резьбонарезной клупп со сменными резьбовыми вкладышами, когда можно зажимным винтом регулировать глубину резания. При легком сжатии вкладышей выполняется предварительное нарезание резьбы, а при более сильном – окончательное. Для нарезания резьбы в отверстиях применяется метчик, который представляет собой закаленный стальной винт с продольными боковыми канавками (для удаления стружки) и с окончанием, выполненным под конус (для захода метчика). Отверстие должно быть равно внутреннему размеру резьбы. Например, до МЗ – резьба х 0,7 = отверстие, т. е. М2 х 0,7 =1,4 мм, а выше МЗ – резьба х 0,8 = отверстие, т. е. М4 х 0,8 = 3,2 мм. Нарезка резьбы должна осуществляться без особых усилий, так как тонкие закаленные метчики быстро ломаются. С целью уменьшения трения как при предварительном, так и при окончательном нарезании внутренней и наружной резьбы на инструмент необходимо нанести слой мыла или смазки.

В настоящее время для соединения частей ювелирного изделия все чаще используется лазерная сварка. В последнее десятилетие появились компактные и вместе с тем мощные твердотельные импульсные квантовые генераторы, позволяющие осуществлять точечную сварку металлов и сплавов. Для ювелирной промышленности на их базе созданы аппараты для точечной сварки элементов ювелирных изделий. Суть лазерной сварки заключается в следующем: ювелир при монтаже ювелирного изделия руками совмещает два элемента ювелирных изделий в необходимой позиции, помещает место стыка в фокус квантового генератора и производит пуск. Мощный монохроматический пакет фотонов, попадая в место стыка элементов изделия, разогревает ювелирный сплав в радиусе 1мм до температуры плавления, осуществляя при этом точечную сварку двух элементов. Прихватив в нескольких местах два элемента изделия, ювелир пропаивает стык припоем соответствующей пробы. Изделие при проведении точечной лазерной сварки, несмотря на локальный высокотемпературный нагрев, практически не меняет своей температуры, что позволяет позиционировать элементы изделия руками. Весь процесс происходит в небольшой металлической камере, оснащенной отверстиями для помещения рук и бинокулярным микроскопом или видеокамерой для наблюдения за процессом.

С помощью аппарата лазерной сварки можно производить ремонт ювелирных изделий со вставками, не выдерживающими высокотемпературного нагрева, такими как жемчуг, топаз, коралл и т.д.