Пайка стали известна с давних времен. Этот метод соединения металлов был распространен в Древнем Риме, Древней Греции, Древнем Египте. Пайка представляет собой процесс образования неразъемного соединения металлов, между которыми вводят припой. Этот расплавленный материал заполняет пространство между двумя деталями, тем самым прочно связывает их. После полного застывания припоя образуется крепкое неразъемное соединение.
Высокотемпературная пайка стали производится при нагреве припоя до температуры плавления выше 450° С.
Существует несколько классификаций пайки. В зависимости от температуры плавления припоя процесс соединения деталей можно разделить на высокотемпературную и низкотемпературную.
Высокотемпературная пайка происходит при нагреве припоя, например, газовой горелкой до температуры плавления выше 450° С. Такой метод приводит к получению связей, способных выдержать большую нагрузку. При высокотемпературной пайке образуются герметичные и вакуумноплотные соединения, способные работать при высоком давлении.
Низкотемпературная пайка может применяться для соединения мелких деталей и тонких пленок. Этот метод позволяет связывать разнородные металлы. Данный вид пайки достаточно прост в исполнении.
Соединение углеродистых низколегированных сплавов
Инструменты, необходимые для пайки.
Углеродистые низколегированные стали относятся к сталям общего назначения. Они нашли широкое применение из-за их низкой цены в судостроении, мостостроении, котельных и других специальных областях.
Пайка углеродистой низколегированной стали — наиболее простой процесс соединения изделий. Для этого можно использовать различные припои. На поверхности этих сплавов образуется химически нестойкая оксидная пленка, которую не составит труда восстановить и растворить во флюсах.
Связующим элементом часто выступают медь или ее производные. Реже применяют свинцовые или оловянно-свинцовые связующие материалы. Защитной средой в таком процессе выступает восстановительная атмосфера.
Вернуться к оглавлению
Соединение конструкционных сталей
К конструкционным относятся стали с содержанием хрома. Примером могут служить коррозионностойкие, жаропрочные или высокопрочные сплавы. Соединение таких металлов имеет ряд трудностей. Из-за наличия в их составе хрома очень сложно удалить химически стойкую пленку. Благодаря этому факту получение неразъемного соединения производят с применением активных флюсов. Газовой средой в этом случае служит соединение трехфтористого бора и азота (или аргона). Такой процесс можно проводить в вакууме.
При проведении процесса пайки лучше всего использовать определенные аппараты, призванные контролировать характеристики и состав защитной атмосферы, а также степень вакуума. Это довольно дорогостоящая оснастка. Для минимизации затрат на данные аппараты чаще всего на поверхности, подготовленные для соединения, наносят специальные составы. Примером такого покрытия может служить медь, цинк или никель. Данные составы защищают сталь от образования на ее поверхности окислов железа, предохраняют от выгорания легирующих составляющих.
Соединение конструкционных сталей не следует производить при температуре свыше 1100° С. При превышении этого показателя у коррозионностойких сталей снижается пластичность, у жаропрочных — ухудшаются прочностные характеристики, а у высокопрочных — увеличивается хрупкость.
В качестве припоя в таких процессах чаще всего применяют никель, медь, серебро и другие металлы.
Вернуться к оглавлению
Соединение жаропрочных сталей
В технике часто используют жаропрочные сплавы, состоящие из одной фазы и более. Они состоят из сочетаний никель-хром, никель-железо-хром или других металлов. Эти сплавы отличаются повышенной прочностью и жаропрочностью, устойчивы к коррозии.
Процесс соединения этих металлов происходит при температуре около 1100-1150° С. Превышение данной температуры может привести к ухудшению пластичности, а также пережогу.
Если в сплаве содержатся тугоплавкие составляющие, то при получении неразъемных соединений на поверхности металлов образуется устойчивая оксидная пленка. Эти легирующие добавки необходимо предварительно удалить с помощью кислотно-щелочных растворов. После этого поверхность металла обрабатывают никелем.
В качестве связующих элементов используют медь или никель.
Защитной средой в таком процессе пайки выступает нейтральная газовая среда или вакуум без использования флюсов.
Вернуться к оглавлению
Соединение инструментальных и твердых сплавов
Инструментальные стали очень прочны, тверды, имеют низкую стоимость и высокую доступность. Из-за этих положительных характеристик этот вид сплава приобрел огромную популярность при производстве различного инструмента.
Пайку данного вида сплава производят так же, как и низкоуглеродистых. Однако при температуре нагрева выше 200° С у этих металлов падает твердость, уменьшается теплостойкость материала. Этот недостаток устраняется добавлением в состав инструментальных сталей вольфрама. Применение этой добавки повышает температуру пайки до 550-600° С.
Припоями в этом случае будут служить никель или ферросплавы. Пайку инструментальных сталей следует производить индукционным методом с применением боридо-фторидных флюсов. Для этого процесса подходит пайка в соляных ваннах или газопламенных печах.
Для соединения твердых сплавов применяют те же флюсы, что и для инструментальных сталей, а припоями в этом случае будут служить медно-цинковые сплавы с добавлением марганца, никеля или алюминия, реже медно-марганцевые сплавы. При таком виде пайки применяют механизированный или автоматический способ нагрева металла.
Разделение пайки на низкотемпературную и высокотемпературную носит, в некоторой степени, условный характер. По своей физической природе пайка твердыми припоями не отличается от пайки мягкими. Как и последняя она представляет собой процесс образования неразъемного соединения двух металлов с помощью третьего (называемого припоем), температура плавления которого ниже температуры плавления соединяемых металлов.
И все же, несмотря на то, что низкотемпературная и высокотемпературная пайки представляют собой явления одной сущности, их технология, используемые материалы и оборудование, характеристики получаемого соединения существенно различаются. Что, собственно, и явилось основанием для разделения этих способов. За граничную температуру, разделяющую их, приняты 450°C.
Отличия высокотемпературной пайки от низкотемпературной
Что отличает высокотемпературную пайку от низкотемпературной, кроме температуры плавления припоев? Прежде всего - значительно более высокая прочность паяного соединения, обусловленная большей прочностью твердых припоев в сравнении с мягкими.
Важным отличием высокотемпературной пайки от низкотемпературной является повышенная термоустойчивость соединения. Поскольку температура плавления твердых припоев значительно выше температуры плавления мягких, соединение, выполненное высокотемпературной пайкой, способно работать при более высоких температурах, сохраняя все свои свойства. Во многих случаях при выборе способа пайки, эта особенность является определяющей.
Но есть и то, в чем пайка твердыми припоями уступает пайке мягкими припоями. Относительно высокая температура может вызывать структурные изменения в некоторых металлах. Такое, в частности, наблюдается в чугуне, в котором при пайке могут возникать закалочные структуры, приводящие к повышенной хрупкости металла в зоне шва.
Высокая температура плавления твердых припоев предъявляет свои требования к источникам нагрева. Они должны обеспечивать расплавление припоев, температура плавления которых достигает иногда 1000°C. Это исключает использование при высокотемпературной пайке удобных паяльников, являющихся основным инструментом при пайке мягкими припоями.
Резюмируя вышесказанное, можно подвести итог сравнения высокотемпературной и низкотемпературной паек. К достоинствам первой относится высокая прочность и термоустойчивость соединения, к недостаткам - сложность технологического процесса, обусловленная необходимостью прогрева паяемых деталей до относительно высоких температур.
Применение пайки твердыми припоями
Область применения пайки твердыми припоями определяется ее промежуточным положением между низкотемпературной пайкой и сваркой. Везде, где требуется получить более прочное соединение, чем это можно сделать с использованием мягких припоев, способное к тому же работать в условиях высоких температур, и в то же время сохранить структуру соединяемых металлов, не допустить их разупрочнения и деформации (как это имеет место при сварке), применяют высокотемпературную пайку.Пайка твердыми припоями является основным способом при изготовлении металлорежущего инструмента с твердосплавными пластинами. Припаивание последних обеспечивает достаточную прочность соединения и не оказывает отрицательного воздействия на твердость и геометрию режущих пластин.
Изготовление всевозможных сосудов из цветных металлов и нержавеющих сталей, соединение стальных и медных трубопроводов, работающих под высоким давлением или повышенной температуре в различных системах - холодильных, теплообменных и пр. - также не может обойтись без пайки твердыми припоями.
Широко используется высокотемпературная пайка при ремонте автомобилей - радиаторов, трубопроводных систем двигателя и трансмиссии, кузовов, различных деталей - везде, где нельзя или нежелательно применять сварку.
Целесообразно использование высокотемпературной пайки для соединения между собой тонкостенных деталей, работающих при значительных нагрузках и упругих деформациях.
Для ремонта медных и латунных бытовых изделий, подвергающихся в процессе эксплуатации высоким температурам, высокотемпературная пайка является способом ремонта не имеющим альтернативы. Таких, например, как старинный самовар, растапливаемый дровами. В этом случае мягкие припои не могут применяться из-за неспособности выдерживать высокую температуру нагрева.
Источники нагрева при высокотемпературной пайке
В качестве источников нагрева при высокотемпературной пайке может использоваться любое оборудование, которое позволяет нагревать паяемые детали несколько выше температуры плавления используемых припоев. Эта температура может колебаться в пределах 450-1200°C. При использовании тугоплавких материалов, таких как латунь или технически чистая медь, требуется нагрев, превышающий 1000°C, при использовании среднеплавких припоев требуется температура нагрева в 700-800°C.Основными источниками нагрева при высокотемпературной пайке являются газовые горелки различных типов, индукторы и печи. Применяется также нагрев электросопротивлением. В быту чаще всего твердыми припоями паяют с помощью горелок.
Припои
Основная заслуга в образовании прочных и термоустойчивых соединений при высокотемпературной пайке принадлежит меди. Она не только входит практически во все твердые припои, но в большинстве из них выполняет главную роль, являясь основой припоев.Иногда используют в качестве припоя и технически чистую медь. Однако гораздо чаще используют пайку медными припоями, представляющими собой соединения меди с другими металлами - цинком, серебром, кремнием, оловом и пр. Каждый из этих элементов вносит свою лепту в технологические свойства припоев. Почти все они снижают температуру плавления (у чистой меди она составляет 1083°C).
При высокотемпературной пайке используются медно-цинковые, медно-фосфорные, серебряные припои и латуни.
Медно-цинковые припои . Существует большое количество медно-цинковых припоев (ПМЦ-35, ПМЦ-39, ПМЦ-50, ПМЦ-54, ПМЦ-57 и пр.). Цифры указывают процентное содержание меди. Их используют для пайки бронзы, меди, стали. Недостатком чисто медно-цинковых материалов является плохая работа в условиях ударных, вибрационных и изгибающих нагрузок. Чтобы убрать или снизить этот недостаток используют легирование их другими металлами (например, латуни можно рассматривать как легированные медно-цинковые припои). Легированные медно-цинковые припои используются, в частности, при пайке твердосплавных резцов.
Медно-фосфорные припои . Медно-фосфорные припои (ПМФ-7, ПМФ-9, ПМФОЦр-6-4-0,03) представляют собой сплав меди с фосфором. Следующая за буквами цифра указывает на процентное содержание фосфора. Припой ПМФОЦр-6-4-0.03, кроме меди и фосфора, содержит олово и цирконий.
Медно-фосфорные припои относятся к среднеплавким (700-850°C), обладают высокой текучестью и хорошей коррозионной устойчивостью к агрессивным средам. Используются для пайки меди и ее сплавов (бронзы, латуни, мельхиора). Можно их использовать и в качестве заменителя серебряных припоев при ремонте ювелирных изделий.
Пайка сталей и чугуна медными припоями, содержащими фосфор, не применяется из-за повышенной хрупкости соединения и его неспособности переносить ударные, вибрационные и изгибающие нагрузки. Это вызвано образованием по границе шва пленки фосфитов.
Отличительную особенность медно-фосфорных припоев является то, что они являются самофлюсующимися. При пайке ими медных изделий, применение флюса не обязательно.
Латуни . Широкое распространение в качестве припоев получили латуни, которые являются сплавом меди с цинком. Латуни Л62 и ЛОК-62-06-04 дают прочные паяные соединения. ЛОК-62-06-04 отличается от Л62 наличием олова и кремния, обеспечивающих более высокие технологические свойства припоя. Олово увеличивает жидкотекучесть и снижает температуру плавления, а соединения кремния предохраняют цинк от окисления и испарения. Латуни применяются при пайке меди, стали, чугуна.
Серебряные припои . Серебро является отличным материалом для пайки. Серебряным припоям, которые представляют собой в основном сплав серебра с медью и цинком, принадлежит первое место по растеканию, смачиваемости, прочности и антикоррозионности. Не будь они такими дорогими, можно было бы отказаться от всех остальных припоев, используя только серебряные. Благо они обладают универсальностью и способны паять практически любой металл.
Припои на основе серебра обозначаются буквами ПСр (ПСр-15, ПСр-25, ПСр-45, ПСр-65, ПСр-70). Марки ПСр-15 и ПСр-25 используются для пайки не очень ответственных деталей. Если требуется получить особо качественное соединение, используют припой ПСр-45, имеющий 45% серебра, 30% меди и 25% цинка. ПСр-45 обладает отличными качествами - вязкостью, ковкостью, жидкотекучестью, устойчивостью против коррозии, способностью выдерживать вибрацию и удары. Припой ПСр-65 не уступает ПСр-45, но слишком дорог.
Серебряными припоями можно паять практически любой металл - медь и ее сплавы, серебро, стали и пр. Однако в силу их дороговизны пайку серебряными припоями применяют только там, где это экономически целесообразно, в частности, для соединения нержавеющих сталей, относящихся к разряду труднопаяемых и требующих припоев, обладающих хорошей смачиваемостью и позволяющих избежать коррозии, которая может возникнуть в спае.
Флюсы
Основным компонентом флюсов для пайки твердыми припоями являются борные соединения - бура (Na 2 B 4 O 7), борная кислота (H 3 BO 3), борный ангидрид (B 2 O 3). Для усиления активности борных флюсов, например при пайке нержавеющих и жаростойких сталей, в них добавляются соединения фтора - фтористый кальций, фтористый калий. Применяются специальные флюсы, регламентированные ГОСТ 23178-78 - под марками ПВ200, ПВ201, ПВ209, ПВ209Х, ПВ284Х. В первые два входят борная кислота, бура и фтористый кальций. Они используются для пайки нержавеющих и конструкционных сталей и жаропрочных сплавов. Флюс ПВ209 состоит из фтористого калия, борного ангидрида, калия тетрафторбората. Флюсы ПВ209Х, ПВ284Х состоят из борной кислоты, гидроксида калия, плавиковой кислоты. Флюсы ПВ209, ПВ209Х, ПВ284Х можно использовать для пайки меди и ее сплавов, нержавеющих и конструкционных сталей.Пайка меди и ее сплавов может производиться с помощью чистой буры, которая является универсальным флюсом для высокотемпературной пайки.
Используются различные формы выпуска флюсов - жидкости, порошок, кусочки (кристаллы буры, например). Чтобы облегчить их дозирование (избыток флюса так же нежелателен, как и недостаток), используют объединение их с припоем. Делается это разными способами - добавлением в виде порошка в сыпучие формы припоев, обмазкой прутков припоя или помещением внутрь трубочки из припоя, совместным прессованием таблетированных форм.
Технология высокотемпературной пайки
В приведенном примере в качестве паяемых деталей выбраны части гаечного ключа. В качестве припоя - материал, представляющий собой пруток, покрытый флюсом. Необходим также высокоактивный флюс, подходящий для нержавеющих сталей. Инструментом нагрева является газовая горелка.
Пайка выполняется в такой последовательности. Механическим путем зачищаются стыковые части деталей. Операция необходима для удаления стойкой окисной пленки, которая покрывает нержавеющие стали.
Детали зажимаются в тисках в требуемом положении.
Зона пайки промазывается флюсом.
Зажигается горелка, и устанавливается необходимый режим горения. Пламя должно быть восстановительным, с небольшой нехваткой кислорода (но не до копоти и желтого огня). Пересыщенное кислородом пламя окисляет поверхность металла.
Производится разогрев паяемой зоны до начала изменения цвета детали (при прикосновении, флюс на прутке должен начать плавиться). Прогревать нужно все соединение, перемещая пламя в разные стороны.
Осуществляется офлюсовывание стыка флюсом с прутка - трением последнего по стыку. Если используется неофлюсованный пруток, после прогрева кончика, его нужно окунуть во флюс, чтобы тот покрыл его.
Пайка твердыми припоями обеспечивает более прочное соединение спаиваемых частей заготовки. Высокая пластичность и ковкость припоя, глубоко проникающего в основной металл, позволяет выдерживать значительные механические напряжения в спаиваемых местах при последующей обработке полученных заготовок как методами резания, так и методами пластической деформации (прокат, ковка, гибка и т. п.).
Подготовка места спая к паянию
Вследствие того, что припой и материал заготовки имеют значительно меньшую разность температур плавления, этот способ паяния требует выполнения подготовительных операций в большем объеме, чем при паянии мягкими припоями.
Очистка поверхности
Все, что было сказано об очистке поверхности при подготовке к пайке мягкими припоями, справедливо по отношению к подготовке поверхностей к пайке твердыми припоями. Необходимо обеспечить абсолютную чистоту того места, где будет производиться паяние. Весьма отрицательное влияние на успешность паяния оказывают не только пленки окислов, но и жировые и масляные загрязнения на поверхности заготовки, поэтому и то, и другое должно тщательно удаляться.
Пригонка
Все соединяемые паянием части заготовки, в которых возможны остаточные напряжения в результате предшествующей подготовки, должны быть отожжены, так как в противном случае может возникнуть перекос соединяемых паянием частей заготовки, что может привести к неполному заполнению места спая припоем. Все спаиваемые пустотелые детали должны иметь отверстие для выхода воздуха, так как при нагреве может произойти вспучивание или разрыв поверхности соединяемых частей изделия. При паянии твердым припоем должен быть выдержан определенный зазор между соединяемыми частями заготовки для заполнения его расплавленным припоем. Величина этого зазора не должна превышать 0,2 мм.
Фиксация заготовок
Если при паянии мягкими припоями, как правило, обходятся без стационарной фиксации взаимного положения соединяемых заготовок и вполне достаточно их удержания пинцетом или другими ручными фиксаторами, то при паянии твердыми припоями, когда процесс нагрева требует достаточно большого временного интервала, заготовки следует надежно крепить во взаимном расположении друг к другу. Такое крепление целесообразно осуществлять приспособлениями, оснащенными фиксирующими устройствами и слабо отводящими тепло от соединяемых деталей в процессе нагрева. К материалам, наиболее часто используемым в таких устройствах при паянии твердыми припоями, относятся уголь и асбест. Одним из способов фиксации спаиваемых заготовок является связывание проволокой. Это, как правило, требует достаточно больших затрат времени, поэтому во всех возможных случаях связывание заготовок проволокой целесообразно заменять закреплением их зажимами. Для связывания заготовок пользуются стальной отожженной проволокой диаметром 0,2… 0,5 мм. При использовании обвязочной проволоки следует учитывать следующие ее недостатки:
Стальная проволока при нагревании расширяется значительно меньше, чем фиксируемые ею заготовки;
При нагревании железная окалина может восстановиться, что приведет к диффузии железа в металл соединяемых заготовок (при паянии цветных металлов и сплавов), что изменит физико-механические свойства соединяемых заготовок. Помимо того, возможно припаивание обмоточной проволоки к поверхности соединяемых заготовок;
При местном перегреве проволока подвергается пережогу и может полностью перегореть, тогда ее фиксирующее действие преждевременно прекращается.
Нанесение флюса и припоя
При пайке твердыми припоями флюсы выполняют ту же функцию, что и при пайке мягкими припоями; их выбор зависит от материала соединяемых заготовок.
Ниже приводятся флюсы, используемые в зависимости от материала соединяемых деталей.
Медь, бронза и сталь..:…… Бура (100%)
Латунь, бронза, серебро….. Бура плавленая (72%), поваренная соль
(14%), поташ кальцинированный (14%)
Медь, сталь…………………….. Бура плавленая (90%), борная кислота
Титано-карбидные твердые
сплавы, припаевыемые
на режущий инструмент…. Бура плавленая (50%), фтористый калий
(40%), борная кислота (10%)
Коррозионно-стойкая
и жаропрочная сталь………. Бура плавленая (50%), борная кислота,
разведенная в растворе хлористого цинка (50%)
Чугун……………………………… Бура (60%), хлористый цинк (38%), мар-
ганцево-кислый калий (2%)
Алюминий и его сплавы… Хлористый литий (26… 3 5 %), фтористый
калий (12… 16%), хлористый цинк (8… 25 %), хлористый калий (40… 59%)
Твердыми припоями являются медно-цинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСр) припои. В обозначении марок припоев цифра показывает процентное содержание меди и серебра. Твердый припой выбирается в зависимости от материала соединяемых деталей. Марки медно-цинковых и серебряных припоев в зависимости от материала спаиваемых заготовок приведены ниже:
ПМЦ-54…………………………. Углеродистая сталь
ПМЦ-48…………………………. Медь, латунь, бронза, углеродистая сталь
ПМЦ-36…………………………. Латунь, бронза
ПСр-50…………………………… Медь, медно-никелевые сплавы, латунь,
бронза, сталь
ПСр-25…………………………… Тонколистовая медь и латунь, медно-ни-
келевые сплавы
ПСр-10…………………………… Сплав стали с медью, сплавы цветных
металлов
Инструменты для нагрева места спая
Нагрев заготовок при паянии твердыми припоями осуществляется газовыми и бензиновыми горелками, в муфельных печах, соляных ваннах, токами высокой частоты, а также в электрических контактных машинах. Для создания газового и бензинового пламени используют специальные устройства — горелки.
Применение бензиновых и керосиновых паяльных ламп при паянии твердыми припоями нецелесообразно в связи с тем, что они не обеспечивают равномерный нагрев припоя и заготовки.
Основные правила паяния твердыми припоями
1. Перед процессом паяния необходимо проверить работоспособность и исправность источника нагрева места спая.
2. Следует проверить качество очистки места спая, плотность пригонки спаиваемых поверхностей, а также прочность прикрепления к месту пластин припоя.
3. Необходимо протравливать место пайки раствором соляной кислоты.
4. Следует соблюдать рациональную технологию паяния:
Припой или место спая с прикрепленной пластиной припоя нужно нагреть в пламени горелки или в муфельной печи до температуры, близкой к температуре плавления припоя;
Припой следует расположить в месте спая, обильно посыпать или смазать его флюсом и продолжать разогрев места спая до полного расплавления припоя и заполнения им швов паяемого соединения.
5. Качество паяния следует проверить:
Визуально — на отсутствие непропаянных мест;
На прочность — легким простукиванием спаянным местом о твердый предмет — на отсутствие трещин.
Правила безопасности труда при паянии
3. Нельзя наклоняться близко к месту паяния.
4. Работу следует выполнять под вытяжным колпаком.
5. Для удерживания спаиваемого изделия необходимо использовать плоскогубцы или кузнечные щипцы.
6. При пайке тугоплавкими припоями нужно работать в рукавицах и очках.
7. Следует тщательно мыть руки с мылом после окончания работ.
Типичные дефекты при паянии, причины их появления и способы предупреждения приведены в табл. 5.2.
Типичные дефекты при паянии, причины их появления и способы предупреждения
|
|
Способ предупреждения |
||
|
Трещины в шве |
Значительная разница в коэффициентах теплового расширения припоя и материала соединяемых частей |
Подобрать припой, соответствующий материалу спаиваемых заготовок |
|
Смещения и перекосы в паяных соединениях |
Некачественная фиксация взаимного положения заготовок перед пайкой |
Исключить смещение соединяемых заготовок при кристаллизации (застывании) припоя |
Пайка - сложный физико-химический процесс получения неразъёмного соединения материалов, в результате взаимодействия твердого паяемого (деталь) и жидкого присадочного металла (припоя), путём их расплавления при смачивании, растекании и заполнении зазора между ними с последующей его кристаллизацией.
Образование паяного соединения сопровождается спаем между припоем и паяным материалом. Прочностные характеристики паяного соединения определяется возникновением химических связей между пограничными слоями припоя и паяемого металла (адгезией), а также сцеплением частиц внутри припоя или паяемого металла между собой (когезией). Пайкой можно соединять любые металлы и их сплавы.
Припой - металл или сплав, вводимый в зазор меду деталями или образующийся между ними в процессе пайки и имеющий более низкую температуру начала плавления, чем паяемые материалы. В качестве припоя используются чистые металлы (они плавятся при строго фиксированной температуре) и их сплавы (они плавятся в определенном интервале температур).
Для качественного соединения металлов припой должен растечься и «смочить» основной металл. Хорошее смачивание происходит только на совершенно чистой, не окисленной поверхности.
Флюсы применяются для удаления оксидной пленки (и иных загрязнений) с поверхности основного металла и припоя, а также для недопущения окисления при пайке.
Достоинства пайки:
Позволяет соединять металлы в любом сочетании;
соединение возможно при любой начальной температуре паяемого металла;
возможно соединение металлов с неметаллами;
большинство паяных соединения можно распаять;
более точно выдерживается форма и размеры изделия, так как основной металл не расплавляется;
позволяет получать соединения без значительных внутренних напряжений и без коробления;
большая прочность и высокая производительность при капиллярной пайке.
Технология пайки
Получение паяного соединения состоит из нескольких этапов:
предварительная подготовка паяемых соединений;
удаление загрязнений и окисной плёнки с поверхностей паяемых металлов с помощью флюса;
нагрев соединяемых деталей до температуры ниже температуры плавления паяемых деталей;
введение в зазор между паяемыми деталями жидкой полоски припоя;
взаимодействие между паяемыми деталями и припоем;
кристаллизация жидкой формы припоя, находящейся между соединяемыми деталями.
Пайка меди
Медь относится к металлам, прекрасно поддающимся пайке. Это обусловлено тем, что поверхность металла может быть сравнительно легко очищена от загрязнений и окислов без применения особо агрессивных веществ (медь слабо корродирующий металл). Имеется большой ряд легкоплавких металлов и их сплавов, имеющих хорошую адгезию с медью. При нагреве в воздухе при плавке медь не вступает в бурные реакции взаимодействия с окружающими веществами и кислородом, что не требует сложных или дорогих флюсов.
Все это позволяет легко осуществлять любые виды пайки с медью при большом выборе припоев (дающих большой спектр свойств паяного шва) и флюсов для любых сред и условий работы. В результате более 97% пайки в мире приходится на медь и медные сплавы.
В применении к медным трубопроводам была разработана так называемая «капиллярная» пайка. Это потребовало ужесточить требования к геометрии применяемых труб. Зато позволило уменьшить время монтажа капиллярного соединения до 2-3 минут (в ходе соревнования до 1,5 минут). В результате медные трубопроводы в сантехнике на низкотемпературной пайке являются классикой водопровода.
Виды пайки
Техника соединения медных труб легка и надежна. Наиболее распространенной техникой соединения является капиллярная низкотемпературная и высокотемпературная пайка. Не капиллярная пайка при соединении труб не используется.
Капиллярный эффект.
Процесс взаимодействия молекул или атомов жидкости и твердого тела на границе раздела двух сред приводит к эффекту смачивания поверхности. Смачивание - это явление, при котором силы притяжения между молекулами расплавленного припоя и молекулами основных металлов выше, чем внутренние силы притяжения между молекулами припоя (жидкость «прилипает» к поверхности).
В тонких сосудах (капилляры) или щелях совместное действие сил поверхностного натяжения и эффекта смачивания выражено сильнее и жидкость может подниматься вверх, преодолевая силу тяжести. Чем тоньше капилляр, тем сильнее выражен данный эффект.
Для получения эффекта капиллярности в медных трубопроводах, соединяемых пайкой, используют «телескопические» соединения. При вставлении трубы в фитинг, между внешним диаметром трубы и внутренним диаметром фитинга остается зазор не превышающий 0,4 мм. Что достаточно для возникновения капиллярного эффекта при пайке.
Данный эффект позволяет припою равномерно распространяться по всей поверхности монтажного зазора соединения независимо от положения трубы (можно, например, подавать припой снизу). При величине зазора не более 0,4мм, капиллярный эффект создает пропай шириной от 50% до 100% диаметра трубы, что достаточно для создания сверхпрочного соединения.
Использование капиллярного эффекта дает возможность очень быстро (фактически мгновенно) заполнить монтажный зазор припоем. При хорошо подготовленных поверхностях к пайке, это гарантирует 100% пропай соединения и не зависит от ответственности и тщательности монтажника.
Низкотемпературная пайка
В зависимости от применяемого припоя температура нагрева будет различна. К низкотемпературным (до 450°С) припоям относятся сравнительно легкоплавкие и обладающие низкой прочностью металлы (олово, свинец и сплавы на их основе). Поэтому дать паяный шов большой прочности они не могут.
Но при капиллярной пайке ширина спаивания (от 7мм до 50мм, в зависимости от диаметра трубы) достаточная, чтобы для сантехнических трубопроводов обеспечить избыточную прочность. Для улучшения качества пайки и повышения коэффициента адгезии используются специальные флюсы, а поверхности под пайку предварительно зачищаются.
Все медные трубы диаметром от 6мм до 108мм можно соединять капиллярной низкотемпературной пайкой. Температура теплоносителя при этом должна быть не выше 130°С. Для пайки, очень важно, чтобы припой имел самую низкую точку плавления и соответствовал требованиям, которые к нему предъявляются. Это обусловлено тем, что при высоких температурах медь теряет твердость (отжиг). Именно по этой причине, предпочтение отдается низкотемпературной, а не высокотемпературной пайке.
Высокотемпературная пайка
Высокотемпературная пайка применяется для труб диаметром от 6мм до 159мм или имеющим большую длину, а также в случаях, когда температура теплоносителя составляет более 130°C. В водоснабжении высокотемпературная пайка применяется для труб диаметром больше 28 мм. Однако, во всех случаях, следует избегать чрезмерного нагревания. Высокотемпературная пайка на малых диаметрах требует высокой квалификации и опыта, так как очень легко пережечь или обрезать трубу.
Для высокотемпературной пайки применяются припои на основе меди и серебра и ряда других металлов. Они дают большую прочность паяному шву и высокую допустимую температуру для теплоносителя. При использовании припоя на основе меди и фосфора или меди с фосфором и серебром, при спаивании медных деталей флюс не применяется.
При спаивании между собой элементов из разных сплавов меди: медь с бронзой или медь с латунью или бронза с латунью - всегда необходимо применение флюса. Также обязательно применение флюса при использовании припоя с большим количеством серебра (более 5%). Высокотемпературную пайку с помощью горелки должен выполнять квалифицированный и опытный специалист.
Это способ соединения медных труб дает самый прочный шов по механическим и температурным параметрам. Позволяет делать отводы на уже установленной системе, без ее демонтажа. Основной метод соединения в солярных системах и распределительных газопроводах.
При соединении труб высокотемпературной пайкой, всю систему можно замоноличивать методами допустимыми в медной сантехнике. Особенность данного соединения - при высокотемпературной пайке металл размягчается. Чтобы потеря прочностных свойств была минимальной, охлаждение соединения при пайке должно быть естественным - воздушным.
По мере старения металла, как утверждают практики, медь переходит в более твердое состояние и прочность отожженного металла повышается. При охлаждении соединения водой при высокотемпературной пайке, происходит интенсивный отжиг металла и переход его в мягкое состояние. Поэтому такой метод охлаждения при высокотемпературной пайке не применяется.
Флюс
Флюсы - это активные химические вещества, применяемые для улучшения растекания жидкого припоя по паяемой поверхности, для очистки поверхности основного металла от окислов и иных загрязнений (соляная кислота, хлористый цинк, борная кислота, бура) и для образования защитного покрытия и недопущения окисления при пайке (канифоль, воск, смола). Естественно при этом учитываются виды соединяемых металлов и припоев.
Для качественного соединения металлов при пайке припой должен растечься под действием капиллярных сил и «смочить» основной металл. Прочным шов получается при защите пайки от кислорода воздуха. Хорошее смачивание происходит только на совершенно чистой, не окисленной поверхности. Поэтому для получения качественной пайки обычно выбирают многокомпонентные флюсы с многосторонним действием.
В зависимости от температурного интервала активности различают низкотемпературные (до 450°С) флюсы (растворы канифоли в спирте или растворителях, гидразин, древесные смолы, вазелин и др.) и высокотемпературные (более 450°С) флюсы (бура и её смесь с борной кислотой, смеси хлористых и фтористых солей натрия, калия, лития).
При пайке, с учетом предварительной механической очистки, можно использовать минимальное количество флюса, который активно взаимодействует с металлом. После пайки тщательно счищают его остатки. После монтажа трубопровода проводят технологическую промывку, для окончательного удаления остатков. Если после пайки остатки флюса не удалять, то это со временем может вызвать коррозию в соединении.
Припои.
Качество и прочность пайки, физические параметры соединения зависят в большой степени от вида припоя. Низкотемпературные (до 450°С) припои, хоть и не дают повышенной прочности шва, зато позволяют вести пайку при температуре, которая мало влияет на прочность основного металла и не меняет его основные характеристики Высокотемпературные (свыше 450°С) припои дают большую прочность шва и высокую температуру для теплоносителя, но требуют высокой квалификации, так как при этом происходит отжиг металла
По температуре плавления припои делятся на низкотемпературные - до 450°C и высокотемпературные - свыше 450°C. По химическому составу припои делятся на оловянно-серебряные, оловянно-медные и оловянно-медно-серебряные (низкотемпературные), медно-фосфорные, медно-серебряно-цинковые, а также серебряные (высокотемпературные) а также ряд других.
Запрещены свинцовые, свинцово-оловянные и любые другие, содержащие свинец, припои в питьевом водопроводе ввиду токсичности свинца.
На практике в большинстве случаев пайку соединений осуществляют при помощи нескольких основных марок припоев. Для мягкой пайки обычно применяют припои типа S-Sn97Cu3 (L-SnCu3) или S-Sn97Ag5 (L-SnAg5), обладающие высокими технологическими свойствами и обеспечивающие высокую прочность и коррозионную стойкость соединения.
Серебряные припои с медью и цинком L-Ag44 (состав: Ag44% Cu30% Zn26%) применяются при высокотемпературной пайке меди и её сплавов. Они обладают повышенной тепло- и электропроводностью и высокой пластичностью, прочностью и коррозионной устойчивостью. Обязательно следует в этом случае применять флюс.
Припои медно-фосфорные CP 203 (L-CuP6) c составом: Cu 94% P 6% или медно-фосфорные с серебром CP 105 (L-Ag2P) с составом: Cu 92% Ag2% P 6% применяются как заменители серебряных припоев при твердой пайке. Они обладают высокой жидкотекучестью и самофлюсующимися свойствами. В этом случае можно не применять флюс. Швы прочные, но не эластичные в условиях низких температур.
Нагрев
Мягкая пайка (низкотемпературная) проходит при температуре 220°С-250°С в зависимости от примененного припоя. Для нагрева соединения применяют газопламенный нагрев смесями: пропан-воздух, пропан-бутан-воздух. Допустимо применение ацетилен-воздух.
В случае, когда недопустимо применение открытого пламени для небольших диаметров применяют электрические нагреватели электроиндукционного типа. В последнее время получили распространение электроконтактные. Внешне они напоминают большие клещи со сменными графитовыми головками для охвата труб разных диаметров. Скорость нагрева с такими устройствами может и не отличаться от скорости нагрева при помощи горелки.
Твердая (высокотемпературная) пайка проходит при температурах 670°С-750°С. Для пайки применяется только газопламенный метод нагрева. Используются смеси: пропан-кислород, ацетилен-воздух. Допустимо ацетилен-кислород.
Для пайки-сварки и сварки используют высокотемпературный нагрев при температуре плавления меди. Газовая сварка проходит при температурах 1070°С-1080°С. Используют газопламенный нагрев ацетилен-кислородом. Электросварка проходит при температуре 1020°С-1050°С. Применяется электросварочное оборудование для дуговой сварки.
Процесс пайки
Правила пайки.
При подготовке трубы к соединению удаляют заусенцы.
Формируют капиллярный зазор соединения или используют готовый фитинг.
Металлические поверхности очищают.
Проверяют взаимное расположение деталей и зазоры.
Наносят минимальное количество флюса снаружи трубы.
Собирают соединение.
Применяют несколько уменьшающееся пламя, которое создает максимальный нагрев, и очищает соединение.
При пайке меди с медью при помощи медно-фосфорных припоев флюс не требуется.
Для пайки нагревают соединение равномерно до требуемой температуры.
Припой наносят на монтажный зазор соединения.
Для равномерного распределение припоя в соединении на больших диаметрах, возможно введение припоя дополнительно с противоположной стороны.
Расплавленный припой течет в сторону более нагретого места соединения.
При кристаллизации припоя соединение должно быть неподвижно.
Остатки флюса тщательно удаляют после пайки.
Цикл нагрева должен быть коротким, и следует избегать перегрева.
После сборки трубопровода обязательна технологическая промывка для окончательного удаления остатков флюса и загрязнений.
При пайке необходимо обеспечить соответствующую вентиляцию, так как может появиться вредный для здоровья дым (паров кадмия из припоя и фтористых соединений из флюса)
Подготовка соединения
Для получения капиллярного эффекта при пайке монтажный зазор должен быть 0,02мм-0,3мм. Поэтому при подготовке соединения косина реза трубы должна быть минимальной. А концы соединяемых труб строго цилиндрическими. Особенно это важно при бесфитинговом методе соединений.
Так как при работе ножовкой возможно получение не перпендикулярного реза, то это может привести к уменьшению пояса спаивания и понижению надежности соединения. А отрезание мягкой трубы труборезом может привести к замятию трубы. В этом случае возможно неконтролируемое увеличение монтажного зазора и получение непропая. Кроме того сужение проходного сечения трубы увеличивает скорость потока и возможность возникновения эрозии.
Используя ручной калибратор для внутреннего и внешнего диаметра трубы можно получить идеальный монтажный зазор для капиллярной пайки.
При этом есть еще одна обязательная монтажная операция - снятие заусенцев. В противном случае может возникнуть турбулентность потока и как следствие эрозия (в том числе кавитационная). На практике такие случаи могут привести со временем к порыву трубы.
Очистка поверхности
Сила сцепления припоя (адгезия) зависит от качества зачистки спаиваемых поверхностей. Это означает, что любые примеси и загрязнения на металле мешают полностью смачивать поверхности соединяемых деталей и уменьшают текучесть припоя так, что он не может полностью распределиться по поверхности. Во многих случаях это является причиной того, что не удается достичь удовлетворительного состояния пайки.
Для очистки поверхности металла применяются два взаимодополняющих способа: механический и химический. Для очистки внешней поверхности трубы и внутренней поверхности фитинга от оксидной пленки (а заодно от жиров и прочих загрязнений) используют металлическую проволочную щетку, стальную шлифовальную шерсть или мелкую шкурку. При зачистке они удаляют загрязнения и оксиды, что способствует свободному распределению припоя по поверхности. Предварительная механическая очистка позволяет уменьшить количество применяемого флюса, являющегося активным химическим веществом.
Наиболее удобны специальные салфетки, на нейлоновой основе, поскольку после них, в отличие от шкурки и стальной губки, не требуется удалять продукты зачистки, которые могут содержать остатки абразива или частицы стали. При механической очистке на металлической поверхности образуются микроскопические бороздки, которые увеличивают поверхность пайки, а следовательно, способствуют значительному увеличению силы сцепления припоя и металла.
Химический способ предполагает травление кислотой, которая вступает в реакцию с оксидами и удаляет их с металлической поверхности. Либо применение многокомпонентного флюса, который обладает в том числе, свойством очищать металл.
Нанесение флюса и сборка соединения
На зачищенную поверхность трубы (во избежание окисления) следует немедленно нанести флюс. Флюс наносится без излишков только на поясок трубы, который будет соединен с фитингом или раструбом, а не внутрь фитинга или раструба. Наносить флюс внутрь соединения категорически воспрещается. Флюс поглощает определенное количество окислов. Вязкость флюса увеличивается при насыщении его окислами.
После нанесения флюса рекомендуется сразу соединить детали, чтобы исключить попадание на влажную поверхность посторонних частиц. Если по какой-то причине непосредственно пайка будет происходить чуть позднее, то деталям лучше дождаться этого момента уже в собранном виде. Рекомендуется повернуть трубу в фитинге или раструбе или, наоборот, фитинг вокруг оси трубы, с тем, чтобы убедиться, что флюс равномерно распределился в монтажном зазоре и почувствовать, что труба достигла упора. Затем необходимо удалить тряпкой видимые остатки флюса, после чего соединение готово к нагреву.
Для обычной «мягкой» пайки используются флюсы на основе цинка или хлоридов алюминия. Флюсы являются агрессивной субстанцией. Поэтому излишнее количество флюса нежелательно. Если после пайки остатки флюса не удалять, то это приведет к попаданию его в соединение и со временем может вызвать коррозию и утечку. После пайки также производится удаление всех видимых остатков флюса с поверхности трубы (поскольку при нагреве, в результате теплового расширения и вытеснения припоем, на поверхности трубы вновь окажется некоторое количество флюса из монтажного зазора).
При твердой (высокотемпературной) пайке с припоями из серебра или сварке-пайке с бронзовым припоем в качестве флюса используют буру. Ее смешивают с водой до получения вязкой кашицы. Или используют готовые флюсы для высокотемпературной пайки. При использовании медно-фосфорного припоя для спаивания медных деталей флюс не требуется, достаточно механической очистки.
Наиболее приемлимым является использование согласованных припоя и флюса для конкретного вида пайки одного производителя. В этом случае гарантировано обеспечивается качество паяного шва и соответственно всего соединения.
Припои.
Качество и прочность пайки, выдерживаемая температура соединения зависит от применяемого припоя. В большинстве случаев пайку соединений осуществляют при помощи нескольких марок припоев.
Для мягкой пайки в основном применяют сплавы на основе олова, с добавками серебра или меди. Свинцовые припои в питьевом водоснабжении не применяются. Выпускаются обычно в виде проволоки с D= 2мм-3мм, что удобно при работе с капиллярными соединениями.
Для твердой пайки применяют в основном две группы припоев: медно-фосфорный, медно-фосфорный с серебром и многокомпонентные на основе серебра (серебра не менее30%). Медно-фосфорные и медно-фосфорный с серебром - твердые припои специально разработаны для пайки меди и ее сплавов, при этом они являются самофлюсующимися.
В отличие от медно-фосфорных сплавов твердые серебряные припои не содержат фосфор. Эти припои обладают высокой пластичностью, прочностью и коррозионной устойчивостью. По сравнению с медно-фосфорными более дороги. Выпускают их в виде твердых прутков с D = 2мм-3мм. При пайке требуется флюс.
Необходимо принимать тщательные меры предосторожности при использовании низкотемпературного медного припоя, содержащего кадмий, в связи с отравляющим воздействием паров кадмия.
Нагрев соединения при мягкой пайке
Как правило, нагрев для мягкой пайки осуществляют пропановыми (пропан-воздух или пропан-бутан-воздух) горелками. Пятно контакта между пламенем и поверхностью соединения постоянно перемещают для достижения равномерного нагрева всего соединения и при этом время от времени касаются прутком припоя до капиллярной щели (обычно с практикой достаточность нагрева определяется по цвету поверхности и появлению дыма флюса). Электронагрев соединения принципиальных отличий в пайке не имеет.
Если при контрольном касании прутком припой не плавится, нагрев продолжают. Нагревать пруток подаваемого припоя не следует. При этом, ни в коем случае не следует забывать о необходимости перемещения пламени, чтобы не перегреть какой-то отдельный участок соединения. Как только припой начал плавиться, пламя отводят в сторону и позволяют припою заполнить монтажный (капиллярный) зазор.
Вследствие капиллярного эффекта заполнение монтажного зазора происходит автоматически и полностью. Нет необходимости во введении излишних количеств припоя, поскольку это не только расточительно, но также может привести к затеканию излишков припоя внутрь соединения
При использовании стандартных прутков припоя с D=2,5мм-3мм, количество припоя приблизительно равно диаметру трубы. На практике необходимый по длине участок припоя отгибают в виде буквы «Г». В этом случае не расходуется излишне припой, и четко контролируется момент «пропаяно - не пропаяно», что немаловажно при большом объеме работы.
Нагрев соединения при твердой пайке
Для твердой пайки нагрев ведут только газопламенным способом (пропан-кислород или ацетилен-воздух, допустимо ацетилен-кислород) при температуре окружающего воздуха от -10°С до +40°С. При использовании медно-фосфорного припоя пайка возможна без флюса. Так как паечный шов гораздо прочнее, то допускается некоторое уменьшение ширины спаивания по сравнению с мягкой пайкой. Для выполнения твердой пайки требуется высокая квалификация и опыт, в противном случае очень легко перегреть металл и возможны разрывы.
Пламя горелки должно быть «нормальным» (нейтральным). Сбалансированная газовая смесь содержит равное количество кислорода и газообразного топлива, в результате чего пламя нагревает металл, не оказывая другого воздействия. Факел пламени горелки при сбалансированной газовой смеси (ярко синего цвета и небольшой величины).
Уменьшающееся пламя горелки указывает на избыточное количество газообразного топлива в газовой смеси, которое превышает содержание кислорода. Незначительно уменьшающееся пламя нагревает и очищает поверхность металла для операции пайки быстрее и лучше.
Пересыщенная кислородная смесь - это газовая смесь, содержащая избыточное количество кислорода, в результате чего образуется пламя, которое окисляет поверхность металла. Признаком этого явления служит черный окисный налет на металле. Факел пламени горелки, насыщенный кислородом (бледно-голубого цвета и маленький)
Соединяемые трубы, нагревают равномерно по всей окружности и длине соединения. Обе элемента соединения нагревают пламенем горелки в месте соединения до темно-вишневого цвета (750°С-900°С), равномерно распределяя теплоту. Допускается выполнять пайку в любом пространственном положении соединяемых деталей.
Соединение не должно быть нагрето до температуры плавления металла, из которого изготовлены трубы. Применяют горелку соответствующего размера с несколько уменьшающимся пламенем. Перегрев соединения усиливает взаимодействие основного металла с припоем (то есть усиливает образование химических соединений). В итоге, такое взаимодействие отрицательно влияет на срок службы соединения.
Если внутренняя труба разогрета до температуры пайки, а наружная труба имеет более низкую температуру, то расплавленный припой не затекает в зазор между соединяемыми трубами и перемещается в направлении источника теплоты
Если равномерно разогревать всю поверхность концов спаиваемых труб, то припой поданный к кромке раструба плавится под воздействием их теплоты и равномерно поступает в зазор соединения. Трубы для пайки достаточно прогреты, если пруток твердого припоя плавится при контакте с ними. Для улучшения пайки, предварительно немного прогревают пруток припоя пламенем горелки.
Производители выпускают малогабаритные газовые горелки с одноразовыми баллончиками, которые позволяют проводить нагрев для твердой и мягкой пайки, но при твердой пайке диаметр соединений в два раза меньше, чем при мягкой.
Особенности
Пайка медных труб и фитингов встык не допускается. При использовании сварки для диаметров свыше 108 мм (толщина стенки более 1,5мм) допускается соединение встык.
Соединение пайкой более чем двух элементов следует производить одновременно. При этом соблюдается очередность заполнения монтажных зазоров припоем (например в тройнике)- с нижнего к верхнему. В этом случае восходящее тепло не мешает остыванию и кристаллизации припоя.
Поочередное соединение элементов допустимо при применении двух видов пайки: вначале высокотемпературная, а затем низкотемпературная. Не допускается применение высокотемпературной пайки на соединении с низкотемпературной пайкой.
Запрещена
Пайка бесфитинговых соединений получаемых без раздачи конца трубы эспандером, например колокольных соединений - получаемых развальцовкой или завальцовкой конца трубы. Следует применять переходные муфты.
Пайка отводов, производимых без специального инструмента или в отводе (колене) трубопровода. Следует использовать стандартные тройники или отвод формируемый специальным инструментом.
Пайка любых не стандартных соединений, получаемых без раздачи трубы эспандером или специальным инструментом для вытяжки отвода.
Перегрев
При проведении паяльных работ очень важно избегать «перегревания», так как это может привести к разрушению флюса, который теряет способность растворять и удалять оксиды. Во многих случаях это является причиной неудовлетворительного качества пайки. Чтобы избежать перегревания, рекомендуется убедиться в том, что температура достигла точки плавления припоя. Для этого необходимо периодически касаться припоем нагреваемого соединения.
Или же использовать для этой цели флюс с порошковым припоем: как только во флюсе заблестели капли расплавившегося порошкового припоя - соединение нагрето. Некоторые флюсы при достаточном для пайки нагреве выделяют сигнально дым или меняют цвет.
При высокотемпературной пайке происходит отжиг металла, и при перегревании медь теряет свои прочностные свойства, становится рыхлой и очень мягкой. Это может привести к порывам трубы. Метод контроля как и при мягкой пайке - периодически касаться соединения припоем. При достаточном опыте достаточность нагрева будет определяться по цветам побежалости. Важно не использовать слишком мощный источник нагрева, например, кислородно-ацетиленовую горелку для сварки фитинга 12 размера.
Заключительные процедуры
После заполнения монтажного (капиллярного) зазора припоем необходимо дать ему застыть, что означает абсолютное требование исключить взаимное перемещение сочлененных деталей. После застывания припоя необходимо удалить влажной тряпкой все видимые остатки флюса, а при необходимости воспользоваться дополнительным количеством теплой воды.
При пайке и сварке могут образовываться наплывы металла (грат), который при необходимости должен быть удален. При любых видах пайки и сварки не допустимы наплывы металла (грат) внутри соединения, мешающие потоку жидкости. Они должны удаляться.
Приобретаемый опыт в работе позволяет использовать оптимальное количество припоя при пайке, не приводящее к образованию грата в соединении.
После окончания монтажа системы надо как можно скорее провести технологическую промывку системы для удаления остатков флюса с внутренних поверхностей, поскольку, флюс попавший при пайке внутрь соединения и будучи агрессивным веществом, может привести к нежелательной коррозии металла.
Контроль качества пайки
Контроль качества является важнейшей операцией. С целью унификации паяных сборочных единиц, установления норм и требований к паяным изделиям разработан стандарт ГОСТ 19249-73 «Соединения паяные. Основные типы и параметры» . Стандарт определяет конструктивные параметры паяного соединения, его условные обозначения, содержит классификацию основных типов соединений.
Дефекты паяных соединений
Качество паяных изделий определяется их прочностью, степенью работоспособности, надежностью, коррозионной стойкостью, способностью выполнять специальные функции (герметичность, теплопроводность, стойкость к изменениям температуры и т.п.). К наиболее типичным дефектам паяных соединений относятся поры, раковины, шлаковые и флюсовые включения, непропаи, трещины.
Причиной образования непропаев, может явиться, блокирование жидким припоем газа при наличии неравномерного нагрева или неравномерного зазора, местное отсутствие смачивания жидким припоем поверхности паяемого металла. Трещины в паяных швах могут возникать под действием напряжений и деформаций металла изделия в процессе охлаждения.
Неметаллические включения типа флюсовых или шлаковых возникают при недостаточно тщательной подготовке поверхности изделия к пайке или при нарушении ее режима. При слишком длительном нагреве под пайку флюс реагирует с паяемым металлом с образованием твердых остатков, которые плохо вытесняются из зазора припоем. Шлаковые включения могут образоваться также из-за взаимодействия припоев и флюсов с кислородом воздуха или пламенем горелки.
Правильное конструирование паяного соединения (отсутствие замкнутых полостей, равномерность зазора), точность сборки под пайку, дозированное количество припоя и флюсующих сред, равномерность нагрева - условия бездефектности паяного соединения.
Способы контроля качества паяных изделий
Для оценки качества паяных изделий применяется контроль без разрушения и с разрушением. Технический осмотр изделия невооруженным глазом или с применением лупы в сочетании с измерениями позволяет проверить качество поверхности, заполнение зазоров припоем, полноту галтелей, наличие трещин и других наружных дефектов.
В соответствии с требованиями технических условий паяные изделия подвергают другим методам неразрушающего контроля. При необходимости применяют распай соединения, дающий полное представление о качестве соединения. Применяется в качестве выборочного контроля.
Безопасность
Соблюдение правил безопасности имеет большое значение При проведении паяльных работ необходимо соблюдать правила безопасности, так как флюсы и сплавы могут содержать вредные вещества. Флюсы, нанесенные во время пайки в холодном или нагретом состоянии, расщепляются и выделяют пары, которые могут содержать токсичные вещества и нанести вред здоровью.
Необходимо принимать тщательные меры предосторожности при использовании низкотемпературного медного припоя, содержащего кадмий, в связи с отравляющим воздействием паров кадмия. При пайке необходимо обеспечить соответствующую вентиляцию, так как может появиться вредный для здоровья дым фтористых соединений из флюса в котором используется фтор.
Чтобы избежать вреда, рекомендуется проводить все работы в хорошо проветриваемом помещении, убедиться в том, что данная продукция произведена в соответствии с действующими нормами, установленным в отношении токсичных веществ, внимательно изучить описание их свойств, которое имеется на этикетке.
При высокотемпературной пайке для травления соединительных деталей могут применяться растворы кислот и щелочи. Работать с ними необходимо в резиновых перчатках и кислотостойкой одежде. Лицо и глаза необходимо защищать от брызг защитными очками. После окончания работ и перед принятием пищи необходимо тщательно вымыть руки.
При пайке газовой горелкой перед началом работы необходимо проверить герметичность шлангов и аппаратуры. Баллоны с газом должны храниться в вертикальном положении. Емкости с растворами после работы сдаются на склад, не допускается слив растворов и щелочей в канализацию.
При производстве работ по монтажу медных внутренних сантехнических систем необходимо соблюдать требования техники безопасности согласно СНиП 12-04.
В некоторых странах для использования флюсов при пайки медных труб, предназначенных для водоснабжения, и газопроводов, необходимо, согласно местным правилам, получить разрешение от властей.
Нормативная документация по пайке и сварке: ГОСТ 1922249-73 и ГОСТ 16038-80. Европейский стандарт TN 1044. Использование газов для газопламенной пайки и сварки регламентируется ГОСТ 5542-87, и ГОСТ 20448-90.
Пайка твердыми припоями
К атегория:
Пайка
Пайка твердыми припоями
Пайку твердыми припоями применяют для получения прочных и термостойких швов.
Пайку твердыми припоями осуществляют, соблюдая следующие основные правила:
- как и при пайке мягкими припоями, повеохности подгоняют друг к другу припили-ванием, тщательно очищают от грязи, окислов и жиров механическим или химическим способом;
- подогнанные детали в месте спая покрывают флюсом, на место спая накладывают кусочки- припоя (медные пластинки) и закрепляют мягкой вязальной проволокой;
- подготовленные детали (заготовки) нагревают паяльной лампой, в кузнечном горне или электропечи;
- когда припой расплавится, деталь снимают с огня и держаг в таком положении, чтобы припой не мог стекать со шва;
- затем деталь медленно охлаждают. Охлаждать детали с напаянной пластинкой в воде нельзя, так как это ослабит прочность соединения.
Применяют другой способ пайки: подготовленную деталь (изделие) нагревают и обсыпают бурой, затем нагревают и к месту соединения подводят конец медной или латунной проволоки, которая, расплавляясь, заливает место спая. По мере охлаждения спаянные детали промывают в воде, протирают сухими тряпками и просушивают; шов зачищают наждачной бумагой или опиливают напильником.
Дефекты при пайке, их причины и меры предотвращения следующие:
припой не смачивает поверхность паяемого металла вследствие недостаточной активности флюса, наличия окисной пленки, жира и других загрязнений. Для предотвращения несмачивания в состав флюса добавляют фтористые соли или увеличивают его количество, улучшают обработку деталей, удаляя следы коррозии, жира; наплывы или натеки припоя вследствие недостаточного прогрева детали, припой не расплавился.
Рис. 1. Лужение деталей: а - погружением в ванну с оловом, б - нагрев деталей для облуживания, в - обслуживание растиранием олова
Безопасность труда при выполнении паяльных работ и лужении. Рабочие места, предназначенные для выполнения работ по пайке мелких деталей, должны оборудоваться местными вытяжными устройствами, обеспечивающими скорость движения воздуха непосредственно на месте пайки не менее 0,6 м/с.
В помещениях, где выполнялись паяльные работы, должно производиться мытье полов, сухая уборка пола не разрешается. Хранение одежды в помещениях, где производится пайка, запрещается.
В непосредственной близости от рабочих мест, предназначенных для выполнения работ по пайке мелких деталей мягкими припоями, должны устанавливаться: умывальник, бачок с 1%-ным раствором уксусной кислоты для предварительного обмывания рук и легкообмы-ваемые переносные емкости для сбора бумажных или хлопчатобумажных салфеток и ветоши. Около умывальника постоянно должны быть мыло, щетки, салфетки для вытирания рук. Применение полотенец общего пользования не разрешается.
Подготовка металлов и процесс пайки связаны с выделением пыли, вредных паров цветных металлов и солей, которые, попадая в организм человека через дыхательные органы, пищевод или кожу, вызывают раздражение слизистой оболочки глаз, поражение кожи и отравление.
Поэтому при пайке, и лужении необходимо соблюдать следующие правила;
рабочее место паяльщика должно быть оборудовано местной вентиляцией;
не допускается работа в загазованных помещениях;
после окончания работы и перед принятием пищи тщательно мыть руки мылом;
химикаты засыпать осторожно малыми порциями, не допуская брызг.
Попадание кислоты в глаза может вызвать слепоту, испарения кислот очень вредны;
серную кислоту хранить в стеклянных бутылях с притертыми пробками в плетеных корзинах с мягкой прокладкой;
пользоваться только разведенной кислотой. При разведении кислоту следует вливать в воду тонкой струей, непрерывно помешивая раствор. Запрещается лить воду в кислоту, так как при соединении воды с кислотой происходит сильная химическая реакция с выделением большого количества теплоты. Даже при небольшом количестве воды, попадающей в кислоту, вода быстро нагревается и превращается в пар, что может привести к взрыву;
- не допускаются ручные операции, при которых возможно непосредственное соприкосновение кожи работающего (промывка, притирка изделий, розлив и др.) с дихлорэтаном (огнеопасная ядовитая жидкость) или содержащими его смесями;
- при нагреве паяльника соблюдать общие правила безопасного обращения с источником нагрева;
- при работе с паяльными лампами: проверить исправность лампы, горючее наливать в лампу не более 75% емкости; недопустимо доливать или наливать горючее в не-остывшую лампу; керосиновую лампу заправлять только керосином; работать электрическим паяльником, ручка которого должна быть сухой и не проводящей тока.
Рис. 2. Пайка твердыми припоями: а - подгонка поверхностей деталей, б - смазывание поверхностей деталей флюсом, в - вставка медной пластины, г - фиксирование соединяемых деталей направляющей прокладкой, д - нагрев деталей
Имеется несколько способов пайки твердыми припоями. Эти способы могут быть классифицированы по способу нагрева металла в процессе пайки. Обычно твердые припои разделяются на медные, медно-цинковые, медно-никелевые и серебряные. Отдельную группу составляют алюминиевые припои. Наиболее важные твердые припои стандартизованы.
Припой ПМЦЗ б из-за низкой прочности и хрупкости в машиностроении не применяется. Припои ПМЦ48 и ПМЦ54 ввиду недостаточной пластичности и низкой вибростойкости паянных ими соединений применяются мало. Наибольшее распространение получили припои JI62 и JIOK 62-06-04, дающие прочные паяные соединения. Предел прочности припоя JI62 составляет 30 кГ/мм2 при относительном удлинении 35 %.
Основой большинства флюсов для твердой пайки является бура Na2B407, кристаллизующаяся с десятью частями воды в крупные прозрачные бесцветные кристаллы Na2B407 ЮН20. Кристаллическая бура начинает плавиться при 75 °С; по мере
усиления нагрева она постепенно теряет воду, сильно вспучиваясь и разбрызгиваясь, и переходит в безводную соль - плавленую или жженую буру, плавящуюся при температуре 783 °С. Бура в расплавленном состоянии может быть нагрета до высоких температур без заметного испарения; она весьма жидкотекуча и энергично растворяет окислы многих металлов, в особенности окислы меди.
Для пайки нержавеющей стали применяется смесь из равных частей буры и борной кислоты, замешанных на насыщенном водном растворе хлористого цинка до пастообразного состояния. При пайке серого ковкого чугуна для выжигания графита и увеличения чистой металлической поверхности, смачиваемой припоем, во флюсы часто вводят сильные окислители (хлорат калия, перекись марганца, окись железа и т. д.).
Флюсы могут иметь форму порошка или пасты. Применяются также флюсы и в виде жидких растворов, например раствор буры в горячей воде. Иногда целесообразно применять прутки припоя, покрытые флюсом. Флюсующее действие могут оказывать составные части самого припоя. Например, фосфор, окисляясь в фосфорный ангидрид, является хорошим флюсом для меди и медных сплавов, восстанавливая окислы и переводя их в легкоплавкие фосфорнокислые соединения. Поэтому фосфористые медные ири-пои не требуют флюсов для пайки медных сплавов, что очень удобно на практике.
Рис. 1. Классификация способов пайки твердыми припоями
Порошкообразные флюсы можно посыпать тонким слоем на кромки, причем часто применяется предварительный подогрев кромок, с тем чтобы частицы флюса плавились, прилипая к металлу, и не сдувались пламенем горелки при пайке. В порошкообразный флюс можно также обмакивать конец прутка припоя, нагретый выше температуры плавления флюса, который прочно пристает к прутку. Пасты и жидкие растворы наносят кистью или в них обмакивают припой. Можно изготовлять пасту из флюса с порошкообразным припоем и наносить ее на кромку перед пайкой.
Для пайки имеют важное значение подготовительные работы, часто определяющие качество соединения. Широко применяются три основные формы паяных соединений: нахлесточное, стыковое и соединение «в ус» (рис. 239). Наиболее распространенным является нахлесточное соединение, удобное для выполнения и весьма прочное. Увеличивая перекрытие нахлесточного соединения, можно повышать его прочность и в большинстве случаев достигнуть равнопрочности с основным металлом. Стыковое соединение имеет лучший внешний вид и при хороших припоях и правильном выполнении часто может обеспечить достаточную прочность (предел прочности может доходить до 40- 45 кГ/мм2). Стыковое соединение применяется в тех случаях, когда удвоение толщины металла нежелательно. Соединение в ус, требующее усложненной подготовки кромок, совмещает преимущества стыкового и нахлесточного соединений и обеспечивает хороший внешний вид и отсутствие выступающих кромок. Соединение в ус дает возможность достичь равнопрочности с целым сечением за счет увеличения рабочей площади соединения.
Существенное значение имеет величина зазора между соединяемыми кромками, которая должна быть малой как для улучшения всасывания жидкого припоя действием капиллярных сил, так и для увеличения прочности соединения. Для серебряных припоев рекомендуется зазор 0,05-0,15 мм; для пайки медью в защитном газе рекомендуются зазоры 0,1-0,2 мм. Строгие требования в отношении величины зазора заставляют производить достаточно чистую механическую обработку поверхностей, так как грубая обработка, например опиловка напильником или опескоструивание, может быть причиной чрезмерного расхода припоя в соединении и резкого падения его прочности.
Для хорошего смачивания припоем поверхность, подлежащая пайке, должна быть безукоризненно чистой. Обезжиривать можно горячей щелочью, трихлорэтиленом или четыреххлористым углеродом. Окислы удаляют травлением в кислотах с последующей тщательной промывкой и сушкой.
Рис. 2. Формы паяных соединений: 1 - нахлесточное; 2 - стыковое; з - «в ус»
Механическую очистку производят протиркой ветошью, тонкой наждачной бумагой, шлифованием мелкозернистыми шлифовальными кругами, щетками и т. д. При сборке часто предварительно наносят флюс на кромки и размещают припой между кромками; в этом случае применяют припой в форме фольги или тонкого порошка, или же припой в виде проволоки или ленты, помещаемой около места пайки.
Собранные детали перед пайкой должны быть достаточно прочно скреплены проволочными связками, шпильками, точечной сваркой и т. д., с тем чтобы устранить возможность смещения деталей при нагреве и в процессе пайки. Поверхность изделий, которая не должна облуживаться, покрывают перед пайкой пастой из мела, глины, графита или их смесей, или смачивают раствором хромовой кислоты и тому подобными веществами, устраняющими прилипание припоя к поверхности изделия.
Пайку изделий твердыми припоями применяют в том случае, если неразъемные соединения должны обладать достаточной прочностью (временное сопротивление 15-20 кгс/мм2).
Твердые припои имеют температуру плавления выше 450 °С.
Для нагрева изделий при пайке твердыми припоями используют различные методы: газовым пламенем (горелкой), в печах, в соляных ваннах, токами высокой частоты, на электрических контактных машинах.