4.1. Паяные соединения

Паяные соединения – это неразъемные соединения, получаемые за счет сил молекулярного взаимодействия между соединяемыми деталями и припоем.

Припой – это сплав или металл, вводимый в расплавленном состоянии в зазор между соединяемыми деталями и имеющий более низкую температуру плавления по сравнению с соединяемыми деталями.

Пайка – это создание неразъемного соединения элементов конструкций из твердых материалов путем заполнения зазора между ними жидким более легкоплавким припоем и образование между швом и соединяемыми элементами прочной связи. Отличие пайки от сварки состоит в отсутствии расплавления или высокотемпературного нагрева соединяемых деталей.

В соответствии со спецификой и особенностями технологического процесса пайку классифицируют по следующим признакам:

· по характеру взаимодействия твердого и жидкого металлов при возникновении спая;

· по особенностям технологии образования паяного соединения;

· по способам нагрева.

Связь в паяном шве обеспечивается:

· растворением материала деталей в расплавленном припое;

· взаимной диффузией элементов припоя и материала соединяемых деталей;

· бездиффузионной атомной связью.

Процесс пайки состоит из следующих операций:

· прогрева соединяемых поверхностей деталей;

· расплавления припоя;

· растекания припоя и заполнения зазора в стыке соединяемых деталей;

· охлаждения и кристаллизации.

Для интенсификации взаимодействия между припоем и деталями и образования прочного соединения поверхности деталей обезжиривают, очищают от окислов и других загрязнений механическими или химическими методами.

Прочность паяного соединения в значительной мере определяет размер зазора в стыке соединяемых деталей. Уменьшение зазора до некоторого предела увеличивает прочность соединения. Это связано со следующими явлениями:

· при малых значениях зазора проявляется эффект капиллярного течения, способствующий заполнению зазора расплавленным припоем;

· диффузионный процесс и процесс растворения материалов деталей и припоя может распространяться на всю толщину паяного шва (диффузионный слой и слой раствора прочнее самого припоя).

Чрезмерно малые зазоры между соединяемыми деталями препятствуют течению припоя. Значение оптимального зазора зависит от типа припоя и от материалов соединяемых деталей (табл. 4.1).

Необходимость малых и равномерно распределенных зазоров является одним из недостатков пайки, ограничивающим область ее применения, особенно для крупногабаритных конструкций. По сравнению со сваркой пайка требует более точной механической обработки и сборки деталей перед пайкой. Для фиксации

относительного положения деталей нередко используют специальные приспособления, большие плоские стыки прихватывают точечной сваркой.

Таблица 4.1 Сборочные зазоры для распространенных сочетаний «паяемый материал – припой», мм

Припой

Паяемый материал

Медь

Медные

сплавы

Сталь углеродистая и низколегированная

Сталь

 коррозионностойкая

Алюминий и алюминиевые сплавы

Оловянно-свинцовый

0,07 – 0,20

0,07 – 0,20

0,05 – 0,50

0,20 – 0,75

0,05 – 0,50

Медный

0,04 – 0,20

0,001 – 0,05

0,01 – 0,10

Медно-цинковый

0,04 – 0,20

0,04 – 0,20

0,05 – 0,25

0,02 – 0,12

Серебряный

0,04 – 0,25

0,04 – 0,25

0,02 – 0,15

0,05 – 0,10

Алюминиевый

0,12 – 0,25

Цинковый

0,10 – 0,25

Нагрев припоя и деталей при пайке выполняют паяльником, газовой горелкой, токами высокой частоты (ТВЧ), в термических печах, погружением в ванну с расплавленным припоем и пр.


При пайке ТВЧ или в термических печах припой укладывают в процессе сборки деталей в месте шва в виде проволочных контуров (рис. 4.1), фольговых прокладок, лент, мелкой дроби или паст в смеси с флюсом. Пайка с помощью порошкообразного припоя используется довольно часто для ремонта изношенных и поврежденных трещинами деталей.

Тип паяного соединения определяется формой и расположением соединяемых деталей, а также нагрузкой (табл. 4.2).

Рис. 4.1. Укладка припоя между деталями

Паяные конструкции получили широкое распространение в различных отраслях машиностроения. Методами высокотемпературной пайки (капиллярной, диффузионной, контактно-реактивной, металлокерамической) получают неразъемные соединения со свойствами, близкими к свойствам основных материалов, и прочностью, превышающей прочность сварных соединений. Поэтому паяные соединения в ряде случаев вытесняют сварные (соединение деталей из высоколегированных жаропрочных сплавов и др.).

Паяные соединения иногда более технологичны и прочны, так как пайка позволяет также:

· получать соединения деталей в скрытых и малодоступных местах конструкции, а, следовательно, изготавливать сложные узлы за один прием;

· паять не по контуру, а одновременно по всей поверхности соединения, что обеспечивает высокую прочность;

· соединять разнородные материалы;

· выбирать температуру пайки, сохраняя механические свойства материалов в изделии и обеспечивая совмещение нагрева под пайку и термическую обработку.

Основные недостатки соединений: сравнительно невысокая прочность и высокая трудоемкость изготовления соединений методами высокотемпературной пайки.

При конструировании паяных изделий наряду с выбором основного металла производят выбор припоя и способа пайки, так как последние существенно влияют на выбор типа соединения, зазоров и условий сборки.

Таблица 4.2 Типы паяных соединений и их обозначение (по ГОСТ 19249-73)

Тип

соединения

Форма поперечного сечения

Условное обозначение

Тип

соединения

Форма поперечного сечения

Условное обозначение

Нахлесточный

ПН-1

ПН-2

ПН-3

Тавровый

ПТ-3

ПТ-4

Телескопический

ПН-4

ПН-5

ПН-6

Угловой

ПУ-1

ПУ-2

ПУ-3

Стыковой

ПВ-1

ПВ-2

Соприкасающийся

ПС-1

ПС-2

ПС-3

ПС-4

Косой стыковой

ПВ-3

ПВ-4

Тавровый

ПТ-1

ПТ-2

Главным условием при назначении основного металла является паяемость его припоями, обеспечивающими заданную прочность. Необходимо учитывать также чувствительность основного металла к нагреву и склонность его к образованию трещин под действием расплавленных припоев, проникающих между кристаллами по границам зерен основного металла. В связи с этим, например, пайка сталей латунью применяется в

ограниченном масштабе. Медь является основным компонентом, вызывающим охрупчивание соединений.

Припои должны хорошо смачивать обезжиренные поверхности деталей, не образуя с ними интерметаллидов. В качестве припоев применяют чистые металлы и (в основном) сплавы на основе олова, меди, серебра и т. п.