Инструмент для проведения процесса соединения металлов

Следует отметить, что наряду с тщательной подготовкой поверхности детали в процессе пайки происходит окисление металла из-за нагрева поверхности, могут возникнуть окисные пленки в процессе длительного хранения деталей после обработки поверхности. Поэтому при пайке практически всегда применяют флюсы, которые предназначены для защиты металла от окисления кислородом из окружающей среды, очистки поверхностей от окисных пленок и улучшения смачиваемости металла припоем.

Флюс для пайки должен иметь меньший удельный вес и температуру плавления, чем припой, и в расплавленном виде хорошо смачивать металл. Эти свойства способствуют очистке поверхностей от окисных пленок до плавления припоя и вытеснению флюса по мере растекания припоя. В зависимости от свойств паяемых металлов и применяемых для них припоев флюсы можно разделить на три группы.

1. Флюсы, предназначенные для пайки мягкими припоями на основе олова и свинца. Основой таких флюсов служат органические соединения (канифоль, вазелин), хлориды цинка или аммония. При температуре 300...400. °С канифоль разлагается с выделением углерода и водорода, что ведет к интенсификации восстановления окислов паяемого металла. В нашей стране и за рубежом разработано большое количество флюсов для низкотемпературной пайки черных и цветных металлов. Перечисленные выше органические вещества в чистом виде в настоящее время применяются редко. Большое применение нашли органические флюсы, активированные различными неорганическими соединениями. Такие флюсы используются для пайки не только меди и ее сплавов, но и конструкционных углеродистых и коррозионностойких высоколегированных сталей. Примером может служить флюс ЛМ-1, предназначенный для пайки хромоникелевых, коррозионностойких сталей припоем с содержанием олова 30%. Он имеет состав: ортофосфорная кислота 32%, канифоль 6%, спирт этиловый 62%. Температурный интервал активности флюса составляет 200...240 °С. Другой флюс состава: хлористый цинк 48%, хлористый аммоний 12% и вода 40% - предназначен для пайки углеродистых и низколегированных сталей, меди, никеля и их сплавов и имеет температурный интервал активности 150...320 °С.

2. Флюсы, предназначенные для пайки твердыми припоями. Они содержат фтористые соединения, фторобораты и обязательно борный ангидрид, борную кислоту, или плавленую буру. Флюсы получают методом сплавления компонентов, используют сплав в виде порошков или паст, замешанных на воде, спирте или других связках. Так, для пайки конструкционных и коррозионностойких легированных сталей служит флюс марки ПВ209, имеющий состав: калия фтористого 41...43%, оксида бора 34...36%, тетрафторбората калия 22...24%. Температурный интервал активности 800... 1200 °С. Флюс марки 18В служит для пайки сталей, никелевых, медных сплавов серебряными припоями, содержит фтористый калий и борную кислоту его температурный интервал 550...850 °С.

3. Флюсы, предназначенные для пайки алюминия и его сплавов (фториды и хлориды металлов). Примером может служить флюс марки Ф5, содержащий хлористый калий (45%), хлористый магнии (28%), фтористый натрий (10%), хлористое олово (3%), хлористый кадмий (4%). Температурный интервал его активности 420...620 °С, и он предназначен для пайки алюминиевых сплавов.

Газовая пайка. При этом способе нагрев места пайки осуществляется газовыми горелками. Для пайки мелких деталей пользуются горелками, работающими на воздухе с природным (метаном), или другим горючим газом, или же ацетиленом. Для крупных деталей применяют горелки, работающие на кислороде с метаном или другими горючими газами, в особенности ацетиленом. Кислородно-ацетиленовые горелки применяют как специальные для пайки, дающие широкий факел, так и нормальные, сварочные. Специальные горелки для пайки создают менее концентрированный нагрев и охватывают пламенем сразу значительную поверхность; пламя поддерживается с небольшим избытком ацетилена.

Пайка погружением. При этом способе пайка производится погружением изделия в ванну с расплавленным припоем или в ванну с расплавленными солями. Для металлических ванн обычно используют медно-цинковые припои. Расплавленный припой в ванне покрывают слоем флюса. Поверхность изделия, которая должна остаться чистой, без припоя, смазывают пастами и растворами, препятствующими ее смачиванию.

Соляные ванны для твердой пайки устраивают по типу соляных ванн, для термообработки стали. Особенно удобны ванны с электрическим нагревом. Соляная смесь обычно состоит из хлоридов калия и бария КС1 + ВаС12. Состав ванны для любого температурного интервала можно подобрать, меняя соотношения составных частей соляной смеси.

Детали собирают и на поверхность, подлежащую пайке, наносят флюс между кромками или около места соединения размещают припой, после чего детали скрепляют и обмакивают в ванну. Соляная ванна обеспечивает постоянный температурный режим с точностью ± 5°С и защищает место пайки от окисления. Деталь, вынутую из ванны, защищает от окисления при охлаждении пленка расплавленных солей, которая по охлаждении может быть удалена промывкой в горячей воде.

Пайка погружением в ванны отличается высокой производительностью, однородностью качества и может быть механизирована.

Электрическая пайка. Электрический нагрев места пайки может быть осуществлен различными методами: электрической дугой прямого или косвенного действия; пропусканием тока через место сварки; вихревыми токами, которые индуктируются в металле изделия переменными магнитными полями; за счет разогрева контакта между поверхностью изделия и токоподводящим электродом и т. д.

Для пайки дугой прямого действия медно-цинковые припои малопригодны ввиду летучести цинка и сильного его испарения и выгорания под действием высокой температуры дуги. Наиболее пригодны тугоплавкие медные припои с содержанием фосфора или кремния. Для пайки используют угольную дугу, которую направляют преимущественно на конец стержня припоя, касающегося основного металла; дуга не должна расплавлять кромки изделия.

Угольная дуга косвенного действия (дуговая горелка) заменяет газовую горелку и дает возможность выполнять процесс пайки твердыми припоями всех типов, как медно-цинковыми, так и серебряными. Технологически дуговая горелка менее удобна, чем газовая, и применяется обычно лишь при небольшом объеме работ по пайке.

Электрическую пайку сопротивлением можно выполнять на простых сварочных контактных машинах или на специальных электрических аппаратах для пайки. Нагрев места пайки производится пропусканием через него тока большой силы, который получают от низковольтного трансформатора, встроенного в корпус аппарата для пайки и составляющего с ним одно целое.

Более универсальными электрическими аппаратами для пайки являются аппараты, работающие по способу горячего контакта между угольным или графитным электродом и изделием. Такой аппарат состоит из двух основных частей: понижающего трансформатора, подвижного или стационарного, и клещей для пайки, соединяемых с зажимами трансформатора гибкими проводами, которые могут иметь значительную длину, что придает установке гибкость и универсальность применения.

Индукционная пайка токами высокой частоты. В последнее время быстро развивается и начинает находить широкое промышленное применение новый весьма эффективный способ пайки токами высокой частоты. Метод основан на нагреве металла вихревыми токами, которые создаются переменным магнитным полем высокой частоты. Переменное магнитное поле, в свою очередь, создается намагничивающими обмотками - индукторами. При приближении индуктора к поверхности изделия возникают вихревые токи в зоне металла, подвергающейся магнитному воздействию индуктора. Действие индуктора тем сильнее, чем меньше расстояние между индукторами и нагреваемым металлом. Для возможного уменьшения расстояния применяют индукторы с изоляцией из тугоплавкой эмали; в этом случае расстояние между индуктором и нагреваемым металлом может быть снижено до 0,3--0,5 мм.

Нагревание токами высокой частоты сосредотачивается в очень тонком поверхностном слое металла, в котором возникают вихревые токи. Нижележащие слои нагреваются вследствие теплопроводности. Малый объем разогреваемого металла позволяет вести нагрев весьма быстро, с высоким к.п. д.

Процесс пайки отличается чистотой, удобством выполнения, легко поддается механизации и может быть хорошо приспособлен к условиям массового производства однотипных деталей. Все эти преимущества нагрева токами высокой частоты обеспечивают возможность широкого промышленного использования его при пайке. Препятствием к применению токов высокой частоты пока служит довольно высокая стоимость и некоторая сложность установок для получения этих токов.

Пайка в печах. Нагрев под пайку может производиться также в различных печах, по устройству аналогичных печам для термообработки стали. Применяются, например, очковые печи с нефтяным отоплением; широко применяются муфельные печи, особенно удобны электрические муфельные печи. Пайка ведется посредством нагрева деталей с заранее нанесенными флюсом и припоем, который закладывают между соединяемыми кромками, или помещают рядом с местом пайки. Пайка в печах с применением флюса трудоемка, требует достаточно квалифицированной рабочей силы. Значительно важнее пайка в печах в восстановительной атмосфере; этот вид пайки имеет широкое применение.

Пайка в печах с восстановительной атмосферой. Пайка ведется в специальных печах с электрическим обогревом в атмосфере газов, обладающих восстановительными свойствами по отношению к окислам основного металла. Часто в качестве восстановительного газа применяется водород, поэтому способ этот иногда называют пайкой медью в атмосфере водорода, или водородной пайкой. Способ, как правило, не требует применения флюса, что является важным его техническим преимуществом, удешевляющим пайку и снижающим трудоемкость процесса, так как не требуется операции нанесения флюса на место пайки и удаления остатков флюса по окончании процесса пайки.

Собранные детали с припоем, помещенным около шва, проходят через электрическую печь с восстановительной атмосферой, которая защищает металл от окисления, восстанавливает имеющиеся окислы и усиливает смачивание металла припоем. Расплавляющийся припой смачивает поверхность металла, расплывается по ней и под действием капиллярных сил всасывается в шов, сплавляясь с основным металлом. Затем детали поступают в камеру охлаждения с восстановительной атмосферой, где остывают до температуры, при которой деталь, выданная из печи, при соприкосновении с атмосферным воздухом не окисляется, цвет металла не изменяется, и паяные детали выходят из печи с чистой, светлой поверхностью.

Процесс пайки весьма экономичен, обеспечивает прочность и плотность соединений, точность размеров, хороший внешний вид.

Склеивание

Склеивание – способ получения неразъемных соединений за счет образования адгезионной связи клеевой пленки, т.е ее прилипания и поверхностного сцепления с поверхностями склеиваемых материалов. По природе основного компонента различают клеи неорганические, органические, элементоорганические. К органическим клеям относят композиции на основе природных и синтетических полимеров. Первые используют для склеивания древесины, бумаги, кожи, текстильных материалов и т. д. вторые – для склеивания металлов. Стекла, керамики, пластмасс, древесины, текстильных. Целлюлозных и других материалов. Элементоорганические клеи, обладающие высокими термостойкостью и термостабильностью, используют для склеивания металлов, керамики, графита, термостойких пластмасс и др.

К общим достоинствам склеивания можно отнести:

- возможность соединить разнородные (металл и неметалл0 материалы, чего нельзя сделать ни сваркой, ни пайкой;

- достаточно высокую прочность соединений, особенно работающих со статической нагрузкой;

- защиту шва от воздействия внешней среды, когда затвердевшая пленка клея защищает шов от воздействия внешней среды и, обладая диэлектрическими свойствами. Препятствует возникновению контактной коррозии (если соединяемые детали изготовлены из различных металлов);

- герметичность соединения;

- не происходит увеличение массы конструкции;

- снижение трудоемкости выполнения соединения.

К недостаткам склеивания можно отнести:

- ограниченная прочность соединения, работающего с динамическими нагрузками;

- нестабильность механических и диэлектрических свойств затвердевшего клея во времени;

- большинство клеев плохо работает при повышенной температуре. А также при резком и значительном колебании температур;

- клеи многих марок токсичны и могут вызвать повреждения кожи или вредно действовать на дыхательные пути;

- некоторые клеи нельзя хранить, в связи с чем, их необходимо использовать сразу же после приготовления, что не всегда удобно для производства.

Технологический процесс склеивания в некоторой степени зависит от конструкции и материала заготовок, марки клея и принципа затвердевания его, но наиболее характерный технологический процесс склеивания включает в себя следующие операции: подгонку поверхностей; очистку и обезжиривание; приготовление клея; нанесение клея; сборку соединяемых заготовок; выдержку; очистку шва; контроль.

Подгонка поверхностей. При склеивании заготовок шов обычно выполняют внахлестку или с подкладками. Это увеличивает площадь соприкосновения и тем самым повышает прочность соединения. Поверхности под склеивание должны плотно прилегать друг к другу, что позволит получить ровный тонкий слой клея, обладающий хорошим равномерным сцеплением с основным материалом. Для заготовок, изготовленных, из металла и других жестких материалов. Подгонка поверхностей проводится механической обработкой или рихтовкой. При механической обработке швов не следует добиваться высокого качества поверхности. Небольшая шероховатость Rа 2,5….0,63 способствует повышению прочности соединения. Пескоструйная обработка в этом случае дает очень хорошие результаты. Так как не только делает поверхность шероховатой, но и надежно очищает ее. Для эластичных материалов подгонка поверхностей не проводится.

Очистка и обезжиривание поверхностей. Очистка поверхности от грязи, окалины, масла и жира способствует лучшей смачиваемости поверхности клеем и повышает сцепление клея с основным материалом. Способ выполнения этой операции определяется главным образом свойствами материала соединяемых заготовок. Обезжиривание поверхностей проводится промывкой бензином, ацетоном и другими растворителями. Хорошие результаты дает травление поверхностей.

Выбор реактива для травления зависит от материала соединяемых заготовок: заготовки из низкоуглеродистой стали очищают в ванне с 25%-ным раствором фосфорной кислоты при t=60ºС; заготовки из нержавеющей стали – в щелочных ваннах; алюминиевые заготовки – в растворе серной кислоты; медные и латунные – в азотной кислоте. После травления заготовки промывают в горячей воде.

Хорошие результаты при склеивании получаются, если на соединяемые металлические поверхности предварительно наносят покрытия. Например, на стальные заготовки – цинкованием, на латунные – лужением; на алюминиевые – анодированием.

Резину подготавливают к склеиванию зачисткой наждачной шкуркой, металлическими щетками с последующей протиркой бензином.

Пластмассовые заготовки обезжиривают растворителями. Выбор которых определяется маркой материала.

Приготовление клея. Поступающие на производство клеи или компоненты, из которых составляют клеевые композиции, должны быть проверены на годность по внешнему виду, склеивающей способности, вязкости, жизнеспособности. Готовые клеи и композиции, кроме того, проверяют на содержание сухого остатка. Эту работу выполняют в лабораторных условиях. При работе с клеями следует ознакомиться с сопроводительными документами, содержащими сведения о дате и времени приготовления и сроках хранения или времени жизнеспособности.

Нанесение клея. На подготовленную поверхность шва клей наносят различными способами. Выбор конкретного способа зависит от исходного состояния клея (жидкое, пастообразное, пленочное, порошкообразное), конструкции и материала соединяемых заготовок, степени автоматизации производства.

Жидкие клеи, имеющие преимущественное применение, наносят кистью, распылением, поливом или окунанием. Толщина слоя клея должна составлять 0.1…0.15 мм независимо от способа нанесения и количества слоев. Как правило. Клей наносят в один или два слоя. После нанесения первого слоя заготовки подсушивают на воздухе для удаления из клея растворителей. На это затрачивается от 20 до 60 мин. Второй слой наносят аналогичным способом и также подсушивают на воздухе до отлипания.

Сборка соединяемых заготовок. После выдержки на воздухе, а в некоторых случаях после дополнительного подсушивания (в зависимости от применяемых клеев) при повышенных температурах (60…90ºС) заготовки. Подлежащие соединению, собирают в специальных приспособлениях или с помощью винтовых прихватов. Склеиваемые поверхности должны быть прижаты друг к другу с определенным усилием, величина которого зависит, прежде всего, от марки клея. Заниженное или завышенное усилие снижает прочность шва, так как нарушаются условия затвердевания. Завышенное усилие может привести к уменьшению оптимальной величины слоя клея или вообще выжать клей на отдельных участках поверхности. Заниженное давление может не компенсировать зазоры между заготовками, образовавшиеся в результате некачественной подгонки или коробления.

Выдержка. Процесс затвердевания клея происходит в результате улетучивания растворителя (обратимы клей) или полимеризации (необратимый клей). В соответствии с этим меняются режимы выдержки. Для большинства обратимых клеев температура выдержки должна быть нормальной, меняется лишь время выдержки. Для необратимых клеев, затвердевающих в результате полимеризации, требуются более строгие режимы выдержки по температуре, давлению и времени. Конкретные режимы определяются маркой клея и материалом склеиваемых заготовок. Некоторые клеи после выдержки при повышенной температуре и давлении дополнительно выдерживают в нормальных условиях (24…48 ч) для стабилизации структуры клея.

Очистка шва. Остатки затвердевшего клея удаляют с поверхностей детали металлическими щетками, шаберами, наждачной бумагой или промывкой растворителями.

Контроль. Параметры и методы контроля определяются условиями работы деталей и техническими требованиями к соединению. В этой связи следует различать соединения. Которые должны выдерживать определенные механические нагрузки, и соединения, скрепляющие ненагруженные заготовки.

Независимо от назначения все клеевые соединения подвергают внешнему осмотру.

Соединения, работающие с механическими нагрузками, проверяют на прочность при отрыве и при срезе. Соединения из эластичных материалов проверяют на разрыв, на срез и на усилие отдира, некоторые соединения – на герметичность (избыточным давлением, вакуумом или другими допустимыми методами).