Методы сварки и пайки

Обновлено: 30.06.2024

Процесс соединения заготовок, в результате которого их материал не расплавляется, называется пайкой. То есть, материал не изменяет своих технических характеристик и качеств.

Пайка металлов происходит за счет смачивания поверхностей заготовок жидким припоем, которым заполняется зазор между двумя металлическими изделиями. При этом припой – это металл или сплав нескольких металлов, обычно олова и свинца.

Соединение с помощью пайки, без расплавления, дает возможность в будущем разъединить детали (распаять или перепаять заново), не нарушая их свойств. Качество пайки зависит от типов соединяемых металлов, от припоя и флюса, нагрева и вида соединения.

Преимущества и недостатки

К преимуществам процесса пайки можно отнести:

высокая технологичность процесса;
возможность проводить паяльные операции в труднодоступных и неудобных местах;
возможность соединять сложные по конструкции узлы и детали;
процесс можно проводить не точно по контуру соединения, а по всей плоскости;
нагрев при пайке обеспечивает термическую обработку металлических заготовок.

Что касается недостатков пайки, основной – это невысокая прочность паяного соединения на отрыв и сдвиг за счет мягкости припойного металла. Сложно проводить операции, которые касаются высокотемпературной технологии.

Где применяется

После сварки пайка находится на втором месте по применению в категории стыковки металлов. А в некоторых областях производства она занимает главенствующую позицию.

К примеру, в производстве компьютеров, сотовых телефонов и другой IT-ной техники. Ведь мельчайшие детали этой техники требуют компактного контакта между собой.

Кроме этого пайка применяется для соединения медных трубок в производстве холодильников, теплообменников, при соединении твердосплавных деталей между собой, к примеру, режущие пластины к резцам.

При проведении кузовных работах проводится соединение деталей к тонким металлическим листам. Лужение тоже является частью процесса пайки, а эту операцию применяют для защиты различных конструкций от коррозии металлов.

В общем, можно сказать, что если в каких-то ситуациях нельзя соединить две металлические заготовки между собой сваркой, болтовым соединением, шпильками, клепками, клеем или другими способами, то на помощь приходит именно пайка металла.

Разновидности

Классификация пайки металлов достаточно сложна, потому что в каждой категории приходится учитывать большое количество различных параметров. Имеет значения тип припоя, способ нагрева, присутствует ли в зазоре давление или нет, как кристаллизуется паяный шов.

Но чаще всего разделение проводится по температуре расплавленного припоя. Это низкотемпературный процесс (до 450 ℃) и высокотемпературный (свыше 450 ℃).

Низкотемпературную пайку чаще всего используют именно в электронике, потому что сама технология достаточно проста и экономична. При этом появляется возможность паять мелкие детали, что актуально для этой промышленности. К тому же этим способом можно проводить соединение разнородных металлов и материалов.

Что касается высокотемпературной технологии, то она обозначается высокими прочностными характеристиками места стыка, такое соединение может выдержать даже ударные нагрузки и высокое давление.

В мелкосерийном производстве высокую температуру обеспечивают газовыми горелками или токами индукционного типа средней или высокой частоты.

В классификации процесса пайки есть еще одно разделение, в основе которого лежит тип припоя. Самый распространенный способ – использовать готовый припой.

Кстати, это не обязательно стержни из сплавов, это может быть специальная паста. Припой просто расплавляется и затекает в зазор между деталями. Здесь проявляется капиллярное явление. Силы поверхностного натяжения заставляют расплавленный металл проникать во все поры и трещины деталей.

Вторая позиция в этом разделении – реакционно-флюсовая операция, для чего используется цинкосодержащий флюс. По сути, между нагретыми кромками заготовок из металла и флюсовым материалом происходит химическая реакция, конечный результат которой и есть припой.

Способы нагревания

Паяльные материалы можно нагревать разными способами. Если говорить о домашнем применении процесса пайки металлов, то самый распространенный вариант – паяльник или горелка.

Первый инструмент используется, если необходимо провести низкотемпературный процесс, второй – если высокотемпературный. Разнообразие современных паяльников велико. Среди них есть устройства с автоматической регулировкой температуры и другими полезными функциями.

В производстве используются в основном другие технологии: печная пайка, с помощью индукционных нагревателей, с погружением в специальные ванны с металлом или солями.

Применяется нагрев электросопротивлением, когда припой и соединяемые заготовки нагреваются за счет протекания по ним электрического тока, и прочие.

Припои

В реализации пайки элементов важны припои. Изготавливают их из чистых металлов или их сплавов. При выборе обращают внимание на две основные их характеристики: смачиваемость и температура плавления. Первое свойство – это сцепление припоя с заготовками, где прочность соединения между ними становится выше, чем между молекулами самого припойного материала.

Что касается температуры, то тут есть одно требование – температура плавления припойного металла должна быть ниже, чем тот же показатель у заготовок. Поэтому припойный материал делится на две категории: легкоплавкие и тугоплавкие.

Первые – материалы на основе олова и свинца в чистом виде или с добавлением различных компонентов. Вторые – материалы на основе серебра или меди. Это медно-цинковые припои, которыми можно паять медные, бронзовые и стальные заготовки.

Серебряные марки считаются лучшими, у них высокие прочностные характеристики, поэтому их применяют для стыка деталей, работающих под вибрацией или ударами.

Кроме основных видов в промышленности используются и другие разновидности. К примеру, никелевые применяют для деталей, работающих при высоких температурах.

Золотые – для соединения золотых украшений или пайки трубок, работающих под вакуумом. Магниевые – для стыковки магниевых заготовок или деталей из сплавов этого металла.

Сам припой может быть изготовлен в виде стержней, пасты, порошка, таблеток, тонкой фольги, гранул различного размера.

Флюсы

Основное требование к качеству соединения – это физический контакт припоя с металлом двух деталей. Поэтому очень важно, чтобы на кромках заготовок не образовалась оксидная пленка.

Именно для этого в процессе пайки и применяют флюсы. Их основная задача – удалить старую пленку и не дать возможности образоваться новой.

Классификация флюсов основана на ряде различий по составу и свойствам. Они бывают:

активные и нейтральные;
с низкой температурой нагрева и высокой;
твердые, пастообразные, жидкие, в виде гелей;
на основе воды и безводные.

Из всех разновидностей, что сегодня используются для пайки металлов, самыми распространенными являются борная кислота и ее натриевая соль (бура), хлористый цинк, канифоль и ортофосфорная кислота.

Особенности паяния

Так как в промышленности реализуются разные проекты, то в процессе пайки могут участвовать разные металлы. Поэтому технологии пайки могут отличаться, а некоторых случаях ее применение крайне затруднено.

Сталь

Сразу надо оговориться, что стальные заготовки можно паять только припоями на основе олова. Цинкосодержащие материалы для этой операции не подходят за счет низкого смачивания. Вот технологическая карта проводимых этапов.

Кромки заготовок из металла очищают от грязи. Затем обрабатывают их наждачной бумагой или железной щеткой, удаляя тем самым оксидную пленку.

Проводится процесс обезжиривания с помощью любого растворителя. Заготовки стыкуются с зазором 2-3 мм. Производится нагрев паяльной лампой или другим нагревательным инструментом.

В зону нагрева добавляется флюс, а затем и припой. Обратите внимание, что последний должен нагреваться больше не от пламени огня, а от разогретых кромок заготовок. После окончания процесса с участка стыка удаляются остатки флюса и припоя.

Чугун

Соединять пайкой можно только серый чугун или ковкий, белый паять нельзя. Правила пайки чугуна основаны на решении двух проблем. Первая – плохая смачиваемость металла за счет большого в нем содержания графита.

Титан

Пайка титана одна из самых сложных. На поверхности этого металла расположен альфированный слой, который насыщен атмосферными газами. Его и придется удалить или с помощью травления, или пескоструйкой. И даже после этого на поверхности останется оксидная пленка.

Чтобы соединение стало качественным, пайку проводят или в вакууме, или аргоном, или специальными флюсами. Последний вариант не гарантирует высокое качество конечного результата. При этом необходимо строго соблюдать температурный режим, который варьируется для данного металла в диапазоне 800-900 ℃.

Что касается припоев, то здесь используют или серебряные, или алюминиевые. Оловянные и свинцовые припои применяют редко, потому что с самим титаном они соединяются плохо. Хотя если нанести оловянный слой или свинцовый на поверхность титановой заготовки, то можно гарантировать неплохое качество пайки.

Нихром

Пайка нихрома – самый простой процесс, потому что сам сплав (а это симбиоз хрома и никеля) является жаростойким и пластичным.

Температура его плавления в зависимости от добавок варьируется в пределах 1100-1400 ℃. То есть, для пайки можно использовать даже тугоплавкий припойный материал.

Пайка деталей из нихрома проводится при низкотемпературном режиме. Соединение сплава со сталью требует наличия высокотемпературного паяния. Многие мастера дома делают припои своими руками, смешивая вазелин (100 г), глицерин (5 г) и хлористый порошковый цинк (7 г).

Область применения пайки дает возможность соединять между собой детали из разных цветных металлов. Конечно, к выбору методов пайки надо подходить с позиции соответствия и технологии соединения, и правильного выбора расходных материалов.

Но, как показывает практика, в основе процесса лежит тип самих соединяемых заготовок, то есть, насколько высока их температура плавления.

Отталкиваясь от этого, и выбирается сам вид паяной операции. Ведь температура плавления припоя должна быть ниже, чем у металла соединяемых деталей. И нарушать этот закон нельзя ни в коем случае. Нарушили – получили некачественное соединение или, вообще, не получили спайки.

Технологические особенности пайки металлов: отличия от сварки

Пайка – это технологический процесс, главной особенностью которого является соединение деталей без их расплавления. Сохранение целостности структуры благотворно влияет на физические свойства и технические характеристики металла.

Прежде чем говорить о том, что такое пайка, рассмотрим основные плюсы и минусы технологии. К достоинствам относят:

Возможность соединять поверхности с различными физическими и химическими свойствами.
Технологию пайки использует для работы в труднодоступных местах, где исключается сваривания.
Отсутствуют требования к форме и размерам изделий.
Возможно выполнение обработки все плоскости касания.
Пайка не создает внутреннее напряжение, что положительно сказывается на качестве металла.
Относительная простата, по сравнению со сваркой, процесса позволяет выполнять спаивание заготовок уже после получения базовых знаний в этой области.

Специалисты выделяют три недостатка.

Малая прочность соединения. Это связано со свойствами материалов, которые используются в качестве припоя. Отсюда и следующий минус.
Низкая термостойкость. Нельзя работать с деталями, эксплуатация которых связана с повышенными температурами. Например, заделка отверстия в чайнике точно не порадует качеством и долговечностью.
Низкая производительность. По этой причине пайку практически не применяют на массовом производстве, а выполняемые работы связаны с точечными воздействиями.

Отличия от сварки

Неподготовленному человеку очень сложно увидеть разницу между сваркой и пайкой, ведь соединительный шов практически не имеет визуальных различий. Между тем, принципы действия данных технологий кардинально отличается. Итак, чем отличается сварка металлических деталей от паяния?

Основное отличие заключается в воздействии на поверхность. При сварке на заготовку воздействует электрическая дуга, возникающая при разрыве замкнутой цепи. Под действием высокой температуры создается зона расплава, в которой перемешиваются базовый металл и флюс. При застывании образуется сварочный шов. При пайке зона соединения состоит исключительно из легкоплавкого припоя, без фракций основного изделия. Температура плавления расходных материалов недостаточна для изменения агрегатного состояния заготовок.

Для выполнения сварочных работ необходимо дорогостоящее оборудование, которое зависит от типа сварки. В некоторых случаях необходимы вспомогательные приспособления, такие как подающий механизм для полуавтоматических аппаратов. Оборудование для запаивания отличается простой и низкой стоимостью. Этим и обусловлена популярность пайки при выполнении восстановительного ремонта в домашних условиях.

Вот чем сварка отличается от пайки. Несмотря на массу достоинств, рассматриваемая технология не получила должного распространения, ввиду низкой прочности на отрыв. Для надежного крепления детали стыкуют с перекрытием по плоскости.

ГОСТ 17325-79. Пайка и лужение: основные термины и определения

Данный межгосударственный стандарт устанавливает четкие термины и определения, которые надлежит применять в технической документации. Он охватывает все сферы рассматриваемых технологий: от общих понятий до дефектов соединений.

Алфавитный указатель терминов переведен на английский и немецкий языки.

Стандарт имеет статус действующего.

[stextbox – это процесс, считающийся предшествующим пайке. После обработки на поверхности образуется тонкий слой олова.[/stextbox]

Где применяется?

Технология пайки занимает почетное второе место по частоте использования для соединения материалов. Первенство принадлежит сварке. Однако существуют сферы, где по определенным причинам невозможно применить сварочное оборудование и достойной альтернативы пайке не существует. Утверждение справедливо для следующих отраслей промышленности:

Производство электронных плат управления. Для крепления миниатюрных компонентов применяют спаивание.
Холодильное оборудование. Медные трубки, теплообменники соединяют только с помощью пайки. Ремонт радиаторов для наземного транспорта и спецтехники осуществляют с применением данной технологии.
Соединение высоколегированных сплавов, которые плохо поддаются действию сварки.
Авиационная промышленность. Промежуточный слой обшивки самолетов имеет сотовую структуру. Для ее производства используют пайку в термических печах.

[stextbox применяют в тех случаях, когда прочие виды соединения, такие как клепка, склеивание или болтовое, невозможно применить по каким-либо причинам. Важным условием является отсутствие требований по высокой прочности контакта.[/stextbox]

Скелетная

Скелетной называется технология, при которой под слоем припоя рассматривается базовая поверхность. Характеризуется экономным потреблением металла для пайки и удобством визуального контроля. Применяется при работе в электротехнической сфере, в частности для соединения проводов.

Волновая

Данный вид пайки применяют для крепления элементов на печатные платы. Волновой метод был разработан в 50-х годах ХХ века, с активным внедрением электронных схем в различные приборы бытового и промышленного назначения. На массовом производстве действуют полностью автоматизированные линии.

[stextbox из разновидностей волновой, является селективная пайка. Она характеризуется избирательностью воздействия припоя. Ее применяют для обработки элементов, монтируемых в отверстия.[/stextbox]

Холодная

Холодная пайка – это метод, при котором соединение образуется за счет взаимного проникновения элементов друг в друга. Скорость реакции зависит от температуры и продолжительности контакта. Одна из самых простых схем для пайки. Применяется для соединения полиэтиленовых и полипропиленовых изделий.

В бытовых условиях холодный метод применяются для монтажа линолеума и ремонта труб из полиэтилена.

К рассматриваемой технологии имеет косвенное отношение.

Бессвинцовая

Современная технология, которая начала активно развиваться после ужесточения требований по экологической безопасности. В настоящее время все Японские производители электроники полностью отказались от использования свинцовых припоев. В качестве рабочего сплава в бессвинцовом методе применяют комбинацию олова, серебра, цинка и меди. Соотношение и добавочные элементы зависят от сферы деятельности.

Контактная

Вид пайки, при котором соединяют детали с различными составами. Технологический цикл включает в себя кратковременное изменение агрегатного состояния контактной области. Для надежного скрепления часто используют прослойку, которая помогает добиться нужного результата. Несоблюдение данного правила ведет к тому, что прочность контакта будет очень низкой. Расходные материалы называют эвтектиками. Так можно соединить медь с алюминием, где между деталями будет алюминиево-медный сплав. Отличительная особенность – высокая скорость реакции.

Высокотемпературная

Отличительная особенность данного способа спаивания – высокая температура воздействия на заготовку. В результате соединение будет обладать устойчивостью к перепадам температур, а также высоким показателем крепости. За качестве придется платить – данный метод считается наиболее сложным, с технологической точки зрения.

[stextbox отдельных случаях температура должна достигать 1000 Сº. По этой причине при высокотемпературной пайке невозможно использовать обычные паяльники – требуются более мощные генераторы тепловой энергии.[/stextbox]

Индукционная

В качестве источника тепла используется высокочастотный ток, который воздействует на соединяемые изделия. Генератор являются специальные индукторы, которые можно изготовить самостоятельно. Существуют установки стационарного и мобильного типа.

Во избежание активации окислительных процессов, работы проводят в вакуумной среде. Разрешено соединять детали при атмосферном воздухе, при условии использования специальных самофлюсующихся припоев.

Инфракрасная

Еще один современный способ, в основе которого лежит принцип нагрева заготовок электромагнитными волнами. Нагревательные элементы изготавливают из кварца или керамики.

Инфракрасная паяльная станция – сложный прибор, стоимость которого не позволяет применять его в бытовых условиях. Основное преимущество заключается в том, что электромагнитные волны невидимого спектра не представляют угрозы здоровью человека.

Капиллярная

Наиболее распространенный способ спайки изделий. Суть технологии заключается в том, что при увеличении температуры пропой, нанесенный на поверхность, расплавляется и занимает все пространство между соединяемыми деталями.

Метод используется как в быту, так и на производстве. В основе любого метода лежит капиллярная технология, как сама идея пайки – нанесение на поверхность горячего припоя.

Существует несколько способов нагрева расходных материалов. В домашних условиях наиболее часто применяют следующие приспособления:

Паяльник. Применяют для выполнения работ, характеризующихся относительно низкой температурой. Максимальное воздействие не превышает 400 Сº. Современные модели оснащены механизмом для регулировки температуры. Выпускают паяльники аккумуляторного типа питания. Идеально подходит для работы с золотом и прочими мягкими металлами.
Горелка. Различают газовые и плазменные модели. Они используют один вид топлива – природный газ, а отличаются лишь величиной пламени. Они работают в высокотемпературном режиме, что позволяет спаивать тугоплавкие металлы. Недостаток горелок заключается в сложности регулировки температуры пламени.

От грамотного подбора припоя зависит конечный результат. Для изготовления чаще используют различные сплавы, чем чистый металл. Основными характеристиками являются:

адгезия к поверхности;
температура плавления.

Первый параметр влияет на прочность сцепления изделий. Второй – на сферу применения, ведь температура плавления припоя должна быть ниже, чем у базового металла.

Исходя из этого, пропой делят на две группы:

Легкоплавкие. В основе лежит свинец, олово, к которым добавляют различные химические элементы.
Тугоплавкие. Изготавливают на основе серебра и прочих металлов, с температурой плавления выше 500 Сº.

Для ремонта ювелирных украшений используют специальный золотой припой.

Форма выпуска зависит только от изготовителя. Он может иметь вид стержня, сухого порошка, гранул или таблеток.

Его – защита контактной поверхности от оксидной пленки. Качественный флюс должен удалить следы ржавчины перед работой, а также препятствовать появлению свежих следов коррозии. Они отличаются по следующим параметрам:

Химическая активность.
Температура нагрева.
Содержание воды в составе (водные/безводные).
Форма выпуска (паста, гель, жидкость).

Наиболее популярными флюсами являются:

Борная кислота;
Бура (натриевая соль борной кислоты);
Канифоль;
Ортофосфорная кислота;
Хлорид цинка.

При необходимости можно изготовить кислоту для пайки своими руками.

Особенности технологического процесса зависят от характеристик соединяемых элементов. Рассмотрим некоторые типы металлов.

Пайку стали выполняют припоями на оловянной основе, без каких-либо исключений. Перед выполнением работ следует предварительно подготовить поверхность, с помощью механической обработки. Очищенные детали обезжиривают. После этого элементы стыкуются с зазором не более 3 мм. Отличительной особенностью работы со сталью – способ нагрева припоя. Он должен получать тепло не от горелки, а от самих заготовок. По окончанию работ с поверхности необходимо удалить остатки расходных материалов.

Обработке поддается любой тип чугуна, за исключением белого. Данный металл содержит графит, который снижает адгезию. Поэтому в качестве флюса необходимо использовать борную кислоту.

[stextbox работе с чугуном запрещено превышать температурный порог 750 Сº. В противном случае начнется необратимый процесс изменения структуры металла.[/stextbox]

Пайку титана считают одной из самых сложных работ. Это связано с его поверхностным слоем, который насыщен различными газами. В качестве предварительной подготовки используют травление или пескоструйную обработку.

Специалисты рекомендуют проводить спайку в вакуумной среде, для повышения качества соединения. Для работы без защиты используйте серебряный флюс.

Работы проводятся при температуре 900 Сº.

Данный металл не доставляет проблем. Нихром — это сплав никеля и хрома. Он отличается пластичностью и высокой жаростойкостью. Его температура плавления находится в диапазоне 1100-1400 Сº, что позволяет выбрать любой подходящий припой.

Серебро

Пайку серебра под силу выполнить не только профессиональному ювелиру, но и обычному человеку, который не сталкивался с ремонтом украшений. Для спайки используют тугоплавкий серебряный припой и буру, в качестве флюса.

По завершению работы можно обработать изделие лимонной кислотой или йодом. В первом случае украшение посветлеет, а во втором – приобретет темный оттенок.

Золото

Ремонт дорогостоящих украшений – тонкий процесс. В случае порчи золотых изделий рекомендуем обратиться к квалифицированному специалисту. Для выполнения соединения необходимы специальные приспособления и особый припой.

Ради разовых работ покупать дорогостоящее оборудование нецелесообразно.

Данный металл абсолютно не требователен к флюсам. Лучше всего подойдет хлорид цинка или спиртовой раствор канифоли. А вот с припоем нужно быть аккуратнее: олово повышает хрупкость соединения, свинец придает вязкость, поэтому рекомендуем использовать составы на серебряной основе.

Рабочая температура не должна превышать 900 Сº.

Заключение

Пайка металлов – ответственный процесс, который позволяет соединить между собой детали с различным составом. При выполнении работ особое внимание следует уделять припою – его температура плавления должна быть ниже, чем у базового металла.

[stextbox Головань Игорь Алексеевич Опыт работы 20 лет: «Я начал заниматься ремонтов радиаторов в 1999 году. Тогда все было проще – автомобилей не так много, материал заранее известен, поэтому подобрать расходники не было проблемой. Сейчас задача усложнилась – очень часто в технической документации не указывают тип металла, приходится искать информацию по разным форумам – в больших городах с этим всегда проще, транспорта ведь больше. В работе использую паяльник и горелку, сделанные своими руками, хотя есть и заводской инструмент для особо тонких работ».[/stextbox]

Особенности сварки и пайки

Ознакомление с основными методами сварки и пайки. Характеристика дефектов сварных соединений: трещин, непроваров, пор, шлаковых вольфрамовых и окисных включений. Рассмотрение особенностей неразрушаещего и разрушающего контроля качества сварочных работ.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	14.10.2014
Размер файла	26,5 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Содержание

1. Основные методы сварки

2. Основные методы пайки

3. Дефекты сварных соединений

3.1. При сварке давлением

3.2. При точечной сварке

3.3. При роликовой сварке

3.4. При стыковой сварке

4. Допустимые и недопустимые дефекты

Список использованной литературы

Введение

Большинство металлических конструкций состоит из соединенных между собой отдельных элементов. Соединения могут быть подвижными и неподвижными, разъемными и неразъемными.

Неразъемные соединения металлических элементов в современных условиях осуществляются при помощи сварки, пайки, клепки и склеивания.

Наиболее совершенными видами соединений металлических элементов являются сварные и паяные. В этих случаях между соединяемыми элементами возникает металлическая форма связи.

Сварка и пайка являются очень древними процессами. Однако только в конце XVIII столетия началось быстрое развитие сварки, связанное с интенсивным развитием промышленности. Следует отметить, что разработка и практическое применение основных современных методов сварки были осуществлены в те времена замечательными русскими инженерами Н. Н. Бенардсоном и Н. Г. Славяновым.

Интенсивная разработка новых методов пайки началась позднее - в конце первой половины XIX столетия. В это время возникла острая необходимость соединять элементы конструкций из разнородных и трудносвариваемых металлов и сплавов.

Процессы сварки и пайки целесообразно рассматривать с трех основных точек зрения: конструктивной, технологической и по природе самих процессов.

С конструктивной точки зрения сварка и пайка представляют собой процессы создания неразъемных соединений металлических деталей. Сварные и паяные соединения необходимо рассматривать как элементы конструкций.

С технологической точки зрения сварка и пайка являются важнейшими операциями процесса сборки металлических деталей в узлы и целые конструкции.

По природе процессов сварка и пайка являются сложным металлургическими, разнообразными по форме процессами.

1. Основные методы сварки

Существующие в настоящее время способы сварки можно подразделить на две основные группы (по состоянию соединяемых кромок в процессе сварки). К первой группе относятся способы, при которых металлы свариваются в твердом состоянии при совместной пластической деформации, часто одновременно с дополнительным нагревом (способы сварки давлением). Ко второй группе относятся способы, при которых металлы вместе соединения расплавляются (способы сварки плавлением).

При сварке методами первой группы металлы совместно сжимаются и деформируются. В зависимости от температуры металла в месте сварки эти методы подразделяются на три подгруппы. В первом случае сварка проводится без подогрева металлов (сварка глубокой деформацией, сварка сдвигом). Этими методами свариваются только высоко пластичные металлы. Во втором случае металлы подогревают в процессе сварки до температур, близких к температуре порога рекристаллизации (сварка ультразвуковыми колебаниями).

Наибольшее значение имеют методы третьей подгруппы. Металлы в этом случае нагреваются до температур, значительно превышающих температуру порога рекристаллизации. В качестве источников тепла используются горн (кузнечная сварка), электрический ток (контактная стыковая и шовно-стыковая сварка), газовое пламя (газопрессовая сварка) и др.

При сварке методами второй группы между соединяемыми деталями мощным источником тепла создается ванночка расплавленного металла. Она образуется преимущественно за счет оплавления кромок свариваемых деталей. После удаления источника тепла в ванночке затвердевает (кристаллизуется) и образуется сварное соединение. В качестве источника тепла используется электрическая дуга, электрический ток, поток электронов, газовое пламя и др.

2. Основные методы пайки

Пайка представляет собой технологический процесс, при котором соединение деталей происходит в результате расплавления припоя без расплавления металла соединяемых деталей.

В образовании паяного соединения большое значение имеют процессы растворения и диффузии, а также образование химических соединений между основным металлом и припоем. Припой должен хорошо смачивать основной металл. Обычно припой представляет собой сплавы различных цветных металлов. Температура плавления его должна быть ниже, чем температура плавления основного металла.

Между сваркой с расплавлением металлов и пайкой много общего, однако, существенно отличаются технологии процессов.

Если при сварке кромки соединяемых деталей расплавляются и металл, образующий шов, аналогичен, как правило, свариваемому, то при пайке кромки деталей нагреваются до температуры, ниже температуры плавления паяемого металла. Соединение их производится расплавляемым специальным металлом - припоем, имеющим более низкую температуру плавления.

В зависимости температуры плавления припоя методы пайки можно подразделить на две основные группы.

К первой группе относятся методы пайки, при которых используются припои с температурой плавления значительно ниже температуры плавления паяемого металла.

Ко второй группе относятся методы пайки, при которых используются припои с температурой плавления, близкой к температуре плавления паяемого металла.

3. Дефекты сварных соединений

Надежность эксплуатации сварных соединений зависит от их соответствия нормативной документации, которая регламентирует конструктивные размеры и форму готовых сварных швов, прочность, пластичность, коррозионную стойкость и свойства сварных соединений. Все встречающиеся типы дефектов сварных соединений можно подразделить на четыре группы: по расположению, форме, размерам и количеству.

По расположению различают дефекты наружные, внутренние и сквозные. По форме компактные и протяженные, плоские и объемные, острые (с надрезом) и округлые (без надреза). По размерам - мелкие, средние и крупные. По количеству - единичные и групповые (цепочки, скопления).

К наружным дефектам относятся нарушения формы, размеров и внешнего вида швов: неравномерная ширина шва по его длине, неравномерная высота шва, неравномерные катеты угловых швов, подрезы, наплывы, прожоги, не заваренные кратеры, свищи.

Образование внутренних дефектов при сварке связано с металлургическими, термическими и гидродинамическими явлениями, происходящими при формировании сварного шва.

К внутренним дефектам относятся: трещины (горячие и холодные), непровары, поры, шлаковые вольфрамовые и окисные включения.

3.1 При сварке давлением

Не провар - это участок сварного соединения, где отсутствует сплавление между свариваемыми деталями, например, в корне шва, между основным и наплавленным металлом (по кромке) или между смежными слоями наплавленного металла. Не провары уменьшают рабочее сечение сварного шва, что может привести к снижению работоспособности сварного соединения. Являясь концентраторами напряжений, непровары могут вызвать появление трещин, уменьшить коррозионную стойкость сварного соединения, привести к коррозионному растрескиванию. Не провар является очень опасным дефектом сварки.

Разнообразие видов пайки

Пайка металлов появилась задолго до изобретения электрической сварки. Ее использовали в Древнем Риме и Вавилоне, о чем говорят археологические раскопки.

За это время технологии усовершенствовались, и появились новые виды пайки, в которых для нагрева металла используется электрический ток, пламя газовой горелки, энергия лазера или иные источники тепловой энергии.

Капиллярный

Капиллярный вид пайки – самый распространенный. Многие, применяя его, даже не подозревают о таком названии. Суть технологии заключается в следующем.

Припой расплавляют, он нагревается и заполняет собой пространство между двумя подготовленными деталями. Смачивание поверхности деталей и удержание припоя происходит во многом благодаря эффекту капиллярности.

Капиллярный вид пайки распространен в быту и на различных производствах. Для его проведения потребуется паяльник или горелка. По сути, любой вид пайки можно считать в определенной мере капиллярным, поскольку в каждом присутствует капиллярное смачивание поверхностей заготовок жидким припоем.

Диффузионный

Этот вид паяния отличается от остальных длительностью процесса, поскольку на диффузию требуется время.

Припой внутри зоны шва выдерживается при определенной температуре дольше, чем, скажем, при обычном капиллярном виде пайке. Соединение двух заготовок происходит за счет диффузии припоя и спаиваемых металлов.

Сам процесс диффузии заключается в проникновении молекул одного вещества в структуру другого вещества. Спайка происходит на молекулярном уровне и дает возможность получить более прочный шов.

Диффузионный вид требует строго соблюдения температурного и временного режима. Температура нагрева в зоне пайки всегда выше, чем температура плавления припоя.

Контактно-реакционный

Вид пайки под названием «контактно-реакционный» или «реактивный» означает процесс сплавления при контакте двух деталей из разных металлов.

Происходит фазовый переход металла из твердого в жидкое состояние с последующим отвердением и сплавлением. Часто такое соединение осуществляют через тонкую прослойку, которая нанесена на одну из заготовок гальваническим или иным способом.

Используются легкоплавкие материалы – эвтектики. Так можно соединить серебро и медь, где между деталями будет образован медно-серебрянный сплав. Проводят пайку олова и висмута, серебра и бериллия, графита и стали.

Можно спаивать алюминий с другими материалами через прослойку меди или кремния. Соединение получается прочным, время пайки занимает доли секунд.

Реакционно-флюсовой

В основе реактивно-флюсового вида пайки лежит химическая реакция, при которой из флюса при соединении с металлом образуется припой. Это хорошо видно, когда между собой соединяются алюминиевые детали.

Для их стыковки применяется флюс на основе хлористого цинка. При нагреве цинк начинает взаимодействовать с алюминием, превращаясь в металлический припой.

Он заполняет собой все пространство зазора, делая место зоны пайки прочным соединением. При этом очень важно точно соблюсти пропорции наносимого флюса. Его должно быть много, чтобы чистый цинк в необходимом количестве мог выделиться из флюсового порошка.

Иногда при этом виде пайки приходится добавлять цинковый припой в небольших количествах, как дополнение к основному процессу. Обычно это делают, если две заготовки соединяются внахлест.

Пайка-сварка

Такое название технология получила потому, что сам процесс очень сильно напоминает сварку металла с присадочным материалом (проволокой или порошком).

Но в данном случае вместо присадки используется припой. Этот вид чаще всего используют для того, чтобы заделать дефекты и изъяны на поверхностях металлических деталей (литых).

Сам процесс можно проводить разными способами:

пайка в печах;
окунанием в ванну с жидким припоем;
сопротивлением с помощью электрического тока;
индукционным способом;
радиационным;
с помощью паяльников и газовых горелок.

Некоторые виды появились сравнительно недавно, еще исследуются и дорабатываются.

В печах

Первый вариант обеспечивает равномерное распределение припоя по дефектным участкам детали и равномерное прогревание, что особенно важно, когда приходится паять крупногабаритные заготовки со сложной конфигурацией.

При этом разогрев в печи может проходить одним из многих существующих способов, начиная от нагрева пламенем, и до сложно технологических процессов, таких как индукция, электросопротивление.

Конструкция самих печей отличается друг от друга лишь подами, на которые укладывают паяемые заготовки. Для крупных деталей используются печи, в которых под не движется, а для маленьких – подвижные в виде конвейеров на роликах.

Главная задача этого вида пайки – создать внутри печи специальную газообразную субстанцию. Пайка в печах может быть полностью механизирована, что ведет к повышению производительности труда. А для производств с массовым выходом готовой продукции это идеальный вариант.

Применение индукции и сопротивления

Что касается индукционного вида, то для него используют токи высокой частоты. Электричество пропускается через спаиваемые детали, отчего они и нагреваются.

Способ пайки сопротивлением чем-то схож с индукционным видом. Просто в этой технологии ток пропускается и через заготовки, и через паяльный элемент. То есть, соединяемые детали становятся частью электрической цепи.

Проводят такой процесс в электролитах или в специальных контактных машинах, действие которых очень похоже на стандартную электросварку. Контактные машины обычно используются в производствах, где необходимо паять между собой изделия из тонкого листового металла.

Пайка же в электролитах используется сегодня не часто за счет сложности настройки параметров технологического процесса. Ведь процесс проходит по принципу теплового эффекта, возникающего между катодом (спаиваемые детали) и анодом.

Вокруг заготовок образуется водородная оболочка, у которой очень высокое электрическое сопротивление. Отсюда и выделение большой тепловой энергии.

Погружение в ванну

Пайка с погружением проводится или в среде расплавленного припоя или в массе специальных солей. Последний вид пайки – это быстро проводимая операция за счет непосредственного нагрева заготовок от солей, которые выполняют функции и нагревательного элемента, и флюса. Что касается погружения в припой, то необходимо отметить возможность полного или частичного погружения.

Радиационный метод

Радиационный вид пайки производится за счет мощного светового потока, который формируется кварцевой лампой, лазером или катодным расфокусированным лучом.

Технология появилась относительно недавно, но показала, что таким способом можно достигать высокого качества пайки двух металлических заготовок. К тому же появилась реальная возможность контролировать процесс и по степени нагрева, и по временным срокам. При этом лазер удаляет оксидную пленку с припоя и с металла, что гарантирует высокое качество паяного шва.

Газовая оболочка в зоне соединения, образорванная за счет нагрева металлов, дает возможность при соединении не использовать флюсы. Поэтому, когда сегодня говорят о пайке без флюса, подразумевают лазерную технологию.

Горелка и паяльник

Что касается пайки горелками, то чаще всего применяются две технологии, которые, по сути, ничем не отличаются одна от другой. Происходит просто нагрев двух деталей и припоя, уложенного между ними в зазор.

В первом способе – за счет сгорания газа, во втором – за счет образования плазмы (это сгораемый газ, который движется тонкой струей с большой скоростью). Необходимо отметить, что способ с газовыми горелками считается универсальным.

Горелки, испускающие поток плазмы, работают при высоком температурном режиме. А это позволяет паять между собой детали из титана, молибдена, вольфрама и прочие тугоплавкие материалы.

Сложность этой технологии заключается в том, что настроить электрическую дугу под определенную температуру нагрева (до определенной точности) практически невозможно.

Пайка паяльником используется давно. Если еще 5-10 лет назад можно было говорить только об электрических приборах или нагреваемых от огня, то сегодня предложений куда больше.

Хотелось бы отметить паяльники, работающие от ультразвука. То есть, сам ультразвук имеет отношение к процессу пайки лишь с позиции разрушения оксидной пленки.

Поэтому и появилась возможность паять различные металлы в воздушном окружении без флюсовых материалов. Непосредственно пайка происходит от нагрева припоя.

Вакуумный

Пайка в вакууме и сегодня еще используется не всегда и не везде. Сложность данного вида заключается в том, что необходимо в зоне паяния создать разряженную атмосферу без воздуха.

Как известно, присутствующий в воздухе кислород является причиной образования оксидной пленки, которая покрывает собою металлические заготовки и припой.

Пленка очень тугоплавка, при пайке теряются температурные градусы для нагрева соединяемых деталей. Поэтому все ученые до сих пор и ищут способы, как удалить оксидное покрытие или провести процесс без него. Пайка в вакууме – один из таких вариантов.

Препятствуют внедрению вакуумного вида в производство такие факторы:

низкая производительность процесса, потому что приходится нагревать каждую отдельную деталь;
таким способом можно паять лишь заготовки небольших размеров;
сложность создания станков и дополнительного оборудования;
сложность проведения процесса пайки.

Однако если говорить о космосе, где отсутствует атмосфера, то вакуумный вид считается весьма перспективным.

Селективный

Нельзя сказать, что селективный вид пайки принципиально отличается от капиллярного. Точно также в нем применяют припой и нагрев. Но расплавляют припой только в выборочных местах (локальных точках), на которые планируется прикрепить элементы.

Селективную пайку применяют в основном для изготовления плат и выводов штыревых компонентов. Она схожа с волновым методом, применяемым для пайки smd-чипов.

Установка селективной пайки – оборудование, относящееся к категории полуавтоматов. Оно не дешевое, но экономит расходные материалы почти в десять раз, по сравнению с волной, поэтому распространяется все шире и шире.

Температурный режим и материалы

Классификация процессов пайки основывается на методах проведения операций, условиях, при которых получают соединения, и на видах расходных материалов. Понятия и виды пайки подробно описывает ГОСТ 17325.

Пайку называют высокотемпературной или твердой, если припой разогревается до температуры 450 ℃ и выше. В противном случае приходится иметь дело с низкотемпературным видом (мягким).

Для низкотемпературного вида применяют легкоплавкие припои. К ним относятся сплавы олова и свинца, висмута, галлия, индия. К тугоплавким принадлежат медно-серебряные, медно-цинковые припои.

В связи с повелением новых материалов и требований экологической безопасности, технологии пайки постоянно меняются. Свинцовые припои применяют все меньше, устанавливают дымоуловители, разрабатывают лазерное и ультразвуковое оборудование.

Немалую роль в развитии пайки играет внедрение роботизированных систем, позволяющих значительно ускорить работу.

Читайте также: