Технологические процессы пайки

Пайка — технологический процесс получения неразъемных соединений из металлов и сплавов в результате расплавления легкоплавкого припоя, смачивания и растекания его по поверхности металла и заполнения зазора между соединяемыми заготовками с последующим затвердеванием.

Паянные соединения используются в самых разных отраслях машиностроения. На практике встречается пайка деталей или заготовок из самых разнообразных сталей, в том числе и жаростойких, титана, алюминия, меди и их сплавов, тугоплавких металлов.

Процесс образования непрерывной и прочной межатомной связи между соединяемыми деталями происходит без расплавления их кромок.

Типовые конструкции паяных соединений

Наиболее распространено соединение внахлестку, обеспечивающее наибольшую прочность за счет варьирования длины нахлестки. Соединения в скос или гребенчатые увеличивают прочность за счет увеличения длины (периметра) нахлестки. Другие виды, например стыковые и тавровые соединения, почти не используются, как менее прочные.

По условиям заполнения зазора между соединяемыми деталями различают два способа пайки: капиллярный и некапиллярный. В первом случае зазор заполняется припоем под действием капиллярных сил, во втором — под действием силы тяжести или внешнего давления.

К некапиллярным способам относятся:

• • пайкосварка, при которой припой заполоняет разделку кромок, как при сварке плавлением;
• • сваркопайка — способ соединения разнородных материалов, при котором расплавляется более легкоплавкий металл, являющийся припоем.

Капиллярная? гайка по механизму образования паяного шва подразделяется на пайку:

• • готовым припоем;
• • контактно-реактивную, при которой роль припоя играет жидкая фаза, образующаяся в результате контактного плавления соединяемых материалов, покрытий, нанесенных на материалы, или промежуточных прокладок припоя, введенных в соединение;
• • реактивно-флюсовую, при которой припой образуется в результате высаживания из флюса;
• • металлокерамическую композиционными припоями, при которой в зазор вносится порошковый наполнитель, образующий сеть разветвленных капилляров, и собственно припой, заполняющий их при пайке;
• • диффузионную за счет взаимной диффузии между припоем и металлами.

Пайки также различают по способу удаления оксидной пленки с флюсами или ультразвуком.

Припои

По температуре расплавления припои подразделяются на:

• • особо легкоплавкие (< 205°С);
• • легкоплавкие (205−450°С);
• • среднеплавкие (450−1100°С);
• • высокоплавкие (1100−1850°С);
• • тугоплавкие (>1850°С).

Припой получает название по основным компонентам или драгоценным или редким металлам, входящим в его состав. В настоящее время используют припои:

• • оловянно-свинцовые с Тпл = 183?270°С;
• • висмутовые и индиевые с Тпл = 94?342°С;
• • серебряные с Тпл = 660?940°С;
• • медно-цинковые с Тпл = 800?880°С;
• • медно-фосфорные с Тпл = 630?720°С;
• • Cu-Zn-Ni-Mn-St с Тпл = 900?1000°C;
• • Cu-Ni-Mn-Fe-Si с Тпл = 980?1120°С;
• • никелевые и никель-марганцевые с Тпл = 1005?100°С;
• • платиновые и палладиевые, золотые с Тпл = 940?1810°С;
• • магниевые с Тпл = 560?625°С.

Технологические процессы склейки

Процесс склеивания во многих случаях является более рациональным и экономичным, чем традиционные методы неразъемного соединения деталей. При рассмотрении клеев с точки зрения их применения необходимо обращать внимание на следующие аспекты.

Склеивание может оказаться единственным возможным способом образования соединения. Применение механических методов (например, клепки, пайки, сварки, крепления винтами) часто приводит к короблению, изменению цвета, коррозии или ухудшению качества материалов вследствие проявления других отрицательных факторов или дефектов. Склеивание может быть предпочтительным перед другими способами с точки зрения сокращения затрат и улучшения качества изделия за счет снижения объема механической обработки. В некоторых случаях при изготовлении клееных конструкций может потребоваться дополнительное подкрепление с помощью других методов сборки.

Области применения, в которых применение клеев рационально, следующие:

• • соединение разнородных материалов (сочетание металлов, резин, пластиков, вспененных материалов, древесины, стекла и т. д.);
• • соединение разнородных металлов, образующих коррозионно-опасные пары (например, железо с медью);
• • склеивание многослойных конструкций, в частности трехслойных с заполнителем (сотовым или пенным), изготовление листовых слоистых материалов (пластиков, сочетания древесины с металлом);
• • приклеивание усиливающих элементов конструкции — элементов жесткости;
• • конструкционное склеивание — создание элементов, испытывающих напряжения на сдвиг и сжатие, полностью исключая механические способы крепления;
• • герметизация соединений — стыков, швов, технических отверстий, образующихся при клепании, винтовых и болтовых соединений;
• • крепление малопрочных хрупких элементов (тонких пленок, фольги и т. д.);
• • склеивание элементов конструкций специальной формы, если площадь склеивания велика или соединение осуществляется во многих точках одновременно, либо требуется точная подгонка между сопрягаемыми элементами конструкции.

Преимущества склеивания:

• • способность соединять самые разнообразные материалы, которые могут существенно отличаться по свойствам, модулю упругости и толщине. Склеиванием можно соединять тонколистовые детали, тогда как другие способы соединения обычно неприемлемы;
• • более равномерное распределение напряжений в склеиваемых элементах (не вызывающих их коробления), чем при сварке, клепке, резьбовых соединениях. Это обусловлено значительной концентрацией напряжений, возникающих при сварке, а также отсутствием отверстий под заклепки и болты;
• • возможность экономичной и быстрой сборки, замены нескольких видов сборки единым способом склеивания, одновременной сборки многих элементов конструкции. Многообразие адгезивных материалов по форме и способам нанесения позволяет приспособить их ко многим производственным процессам;
• • прочность клееной конструкции часто выше, а стоимость ниже, чем той же конструкции, выполненной альтернативными методами сборки. Применение клееных соединений вместо заклепочных и болтовых может привести к значительному снижению массы конструкции;
• • деформационная способность многих адгезивных материалов обеспечивает возможность поглощать, перераспределять или более равномерно передавать напряжения от одного элемента конструкции к другому;
• • возможность соединять чувствительные к нагреву материалы, деформирующиеся или разрушающиеся от сварки или пайки;
• • клеи могут служить герметизирующим материалом, предотвращающим воздействие влаги и химических реагентов. Во многих случаях клеевой шов является тепло-, звукои электроизолятором, а также может существенно уменьшить электролитическую коррозию между разнородными материалами.

Клеевые соединения хорошо работают на сдвиг, равномерный отрыв, переносят динамические и переменные нагрузки.

Недостатки склеивания:

• • необходимо весьма тщательно проектировать соединение, устранять воздействие на него отслаивающих и растягивающих нагрузок, а также напряжений, возникающих в результате различия в коэффициентах термического расширения склеиваемых элементов и клеевого шва;
• • недостаточная теплостойкость клеевого шва ограничивает применение клеевых конструкций до определенных температур, в то время как клепаные, сварные и паянные соединения удовлетворительно работают при более высоких температурах. Некоторые клеи недостаточно стойки к тепловому и механическому удару;
• • трудно обеспечить требуемый уровень контроля качества;
• • ухудшение прочностных характеристик соединения под действием температуры, биосреды, химических реагентов, пластификаторов, радиационного облучения и других эксплуатационных факторов;
• • тенденция к ползучести под постоянной нагрузкой, характерная для термопластичных клеев; низкая прочность при отслаивании, присущая многим термореактивным клеям; часто неизвестная величина долговечности соединений в условиях воздействия жестких эксплуатационных факторов.

Несмотря на указанные недостатки, клеевые соединения получили большое распространение в авиационной и космической технике и отраслях, где используют композиционные материалы.

Клеи представляют собой вещества или смеси веществ органической, элементоорганической и неорганической природы, которые обладают хорошей адгезией, когезионной прочностью, достаточной эластичностью, минимальной усадкой и способны отверждаться с образованием прочных соединений. Клей состоит из наполнителя, отвердителя, растворителя, связующего компонента, пластификатора. В зависимости от отвердителя различают клеи холодного и горячего отверждения.

Среди большого числа используемых клеев выделим особо те, которые нашли применение в машиностроении:

• • на основе эпоксидных смол;
• • на основе фенольных смол;
• • полиуретановые;
• • силикатные;
• • специальные.

Клеи на основе эпоксидных смол применяют для соединения металлов, керамики, пластмасс, древесины и других материалов. Предел прочности склеивания стали со сталью при сдвиге 35−40 МПа.

Клеи на основе фенольных смол (типа БФ) также используют для склеивания различных видов материалов. Однако их теплостойкость не выше 70 °C, прочность на сдвиг — 25−30 МПа. Полиуретановые клеи имеют теплостойкость до 120 °C и такую же прочность, как клеи БФ. Силикатные обеспечивают прочность шва при температурах до 250 °C. Специальные клеи, типа циакрина, обладают повышенной прочностью и теплостойкостью.

Процесс склеивания включает в себя следующие операции:

• • приготовление клея необходимой вязкости;
• • подготовку склеиваемых поверхностей (они должны быть хорошо подогнаны одна к другой, очищены от загрязнений, масляных пятен и обезжирены);
• • нанесение одного или нескольких слоев клея (кистью, шпателем, роликами, на клеевальцах, погружением, а также пульверизатором);
• • подсушивание слоя клея для удаления растворителя;
• • соединение деталей (возможно использование избыточного давления);
• • сушку на воздухе или в термостате (полимеризация или запекание клея);
• • обработку швов.

Предъявляемые к клеям требования зависят от назначения и условий эксплуатации конструкций. Однако во всех случаях швы должны быть менее жесткими, чем склеиваемые материалы, и иметь близкие термические коэффициенты расширения.

Типичные конструктивные формы клеевых соединений представлены па рис. 18.36.

Рис. 18.36. Конструктивные формы клеевых соединений:

а — встык; б — усовое; в — внахлестку; г — нахлестка со скошенными краями; д — с накладкой; е — с утопленной двойной накладкой; ж — со скошенными накладками; з — двойная нахлестка; и — полушиповое По характеру распределения напряжений клеевые соединения классифицируют следующим образом:

• • работающие на сдвиг, в которых возникают преимущественно касательные напряжения;
• • встык, работающие на отрыв, в которых имеют место главным образом напряжения растяжения;
• • соединения, в которых появляются соизмеримые по величине касательные и нормальные напряжения.

Наиболее распространены соединения внахлестку (см. рис. 18.36, в-з). В них возникают преимущественно напряжения сдвига.

Особое значение имеют требования к технологическому процессу склеивания. Клеи должны хорошо заполнять зазоры между склеиваемыми поверхностями, образуя прочные, необходимой толщины швы без непроклеев.

Слоистые клееные конструкции представляют собой металлополимерные системы, обладающие рядом исключительных свойств и получившие широкое распространение в некоторых отраслях машиностроения и промышленности. Их применение позволяет значительно повысить усталостную прочность и долговечность, обеспечивает минимальную концентрацию напряжений. Возникновение усталостных трещин в слоистом материале и скорость их распространения значительно меньше, чем в монолитном металле такой же толщины.

Технологические процессы клепки

Клепка — это операция, с помощью которой получают неразъемные соединения листовых материалов. Процесс клепки состоит из просверливания отверстий в деталях, установки в них заклепок и расклепывания их выступающих концов с образованием второй головки. Заклепки изготовляют из материалов, обладающих вязкостью и пластичностью в холодном состоянии. Они состоят из стержня с одной головкой, которая называется закладной, вторая — замыкающая головка, образуется при расклепывании. Типичные схемы клепочных соединений приведены на рис. 18.37.

Рис. 18.37. Схема клепочных соединений, применяемых при сборке изделий:

1 — заклепка; 2 — соединяемые детали Клепку используют в тех случаях, когда нагрев соединяемых деталей нежелателен, а также при сборке деталей из разнородных материалов, сварка и пайка которых затруднена, а склеивание не обеспечивает нужной прочности. Клепка образует прочное и герметичное соединение деталей. Она получила широкое распространение в авиации, судостроении, при монтаже крупных инженерных сооружений (мостов, створов шлюзов и др.).

Клепку выполняют в горячем и холодном состоянии. В первом случае заклепки нагревают до -1000°С; процесс закапчивается при температуре более 450 °C, ниже которой металл теряет пластичность и приобретает синеломкость. Клепку осуществляют ударами пневматических клепальных молотков или под прессом. Для заклепок диаметром 3−12 мм используют пневматические прессы в виде стационарных установок или подвесных скоб (рис. 18.38), при диаметре менее 3 мм — вибрационные, винтовые и педально-рычажные прессы.

Рис. 18.38. Переносный гидравлический клепальный пресс-скоба.