Сварочная пайка. Специальные методы сварки и пайка

Сварка - пайка - технологический процесс, основанный на вводе в основной металл низкого содержания тепла, что приводит к расплавлению только присадочного материала.

Возрастающие требования к повышению стойкости к кор-розии ведут к применению во многих отраслях материалов с предварительно нанесенными покрытиями. Среди различных возможностей защитить сталь от коррозии цинк приобретает особое значение благодаря своим антикоррозионным каче-ствам, с одной стороны, и его низкой цены - с другой.

Нанесенный на основной материал слой цинка составля-ет в зависимости от метода производства от 1 до 20 мкм. Большое количество оцинкованных деталей применяется в автомобилестроении, строительном хозяйстве, в вентиляци-онной и кондиционерной технике, в бытовой технике и т. п.

Благодаря катодной защите цинк имеет большое значение для защиты стали от коррозии. Если происходит поврежде-ние защитного слоя цинка, то цинковое покрытие влияет на железо катодной защитой. Это влияет также на расстоянии 1 - 2 мм на непокрытую поверхность. Благодаря дистанцион-ному влиянию катодной защиты цинка защищаются как неоцинкованные кромки срезов листов, так и микротрещины, ко-торые возникают вследствие холодной обработки давлением, а также окружение сварочного шва, в котором испаряется цинк. Таким же образом на основании катодной защиты исключает-ся подпленочная коррозия цинкового слоя кромок среза.

В чем же сущность сварки - пайки оцинкованных деталей?

Цинк начинает плавиться при ~ 420 °С и при ~ 906 °С испа-ряться. Эти качества неблагоприятно влияют на сварочный про-цесс, так как зажигание сварочной дуги сопровождается испа-рением цинка. Испарение цинка и оксидов может привести к образованию пор, трещин, дефектам сварочных соединений и нестабильной сварочной дуге. Поэтому благоприятнее для оцин-кованных деталей, если устанавливается меньше тепла. Аль-тернатива при сварке - пайке оцинкованных листов в среде защитного газа - это применение медесодержащей присадоч-ной проволоки.

Особенно известны проволоки медно-кремниевые (Си SI3) и алюминиево-бронзовые. При использовании этих проволок можно назвать следующие преимущества:

• нет коррозии сварочного шва;
• минимальное разбрызгивание;
• малое выгорание покрытия;
• малое тепловложение;
• простая последующая обработка шва;
• катодная защита основного материала в непосредствен-ной области шва.

Эти присадочные материалы благодаря высокому содер-жанию меди имеют относительно невысокую точку плавле-ния (в зависимости от состава сплава - от 950 до 1080 °С). Основной материал не плавится, это значит, что соединение соответствует скорее пайке. Отсюда происходит также обо-значение «Сварка - пайка, или МИГ -пайка». Защитный газ рекомендуется, как правило, аргон.

Присадочные материалы

Для сварки - пайки оцинкованных листов рекомендуются следующие медные сплавы:

CuSi3; CuSi2Mn; CuA18

В практическом применении присадочные материалы типа CuSi3 используются наиболее часто. Их существенное пре-имущество состоит в небольшой прочности, которая облег-чает последующую механическую обработку. Текучесть при-садочного материала определяется значительным образом благодаря содержанию кремния. При повышающемся содер-жании кремния плавление становится вязким, поэтому нуж-но обращать внимание на жесткий допуск в содержании ле-гирующих добавок в сплаве.

Присадочный материал типа CuSi2Mn используют также для цинковых покрытий. Дополнительное содержание 1% марганца в проволоке повышает жесткость. По этой причине ее механическая обработка труднее, чем при других медных сплавах. Эта проволока применяется прежде всего там, где не требуется последующая механическая обработка. Свароч-ный присадочный материал типа СиА18 используется преж-де всего для стали с алюминиевым покрытием.

При процессе сварки - пайки используется преимуще-ственно управляемый переход материала в шов, следова-тельно, импульсная сварочная дуга. В некоторых случаях при-менения, специально при толстых слоях цинка от 15 мкм, большое количество испарений может вести к нестабильно-сти процесса пайки или сварки. Поэтому удобнее в случаях такого типа применять короткую сварочную дугу, которая мо-жет держаться стабильнее. В этом случае предъявляются вы-сокие требования к источнику питания и его характеристике регулировки.

В среде богатого аргоном защитного газа посредством надлежащего выбора параметров основного и импульсного тока достигается управляемый, без короткого замыкания пе-реход материала в шов (рис.1).

Переменная форма импульса при сварке - пайке (Iknt-сила тока, при которой применяется струйная дуга, IM - ус-редненная сила тока).

При оптимальном выборе параметров капля присадочного материала отрывается от проволочного электрода по импуль-су. В результате процесс почти лишен брызг. Исследования показали, что различные присадочные материалы и защит-ные газы требуют различной формы импульса. Это привело к отдельной для каждого присадочного материала «срезан-ной» по массе форме импульса. Особенно это действует для бронзовой и медной проволок.

Чтобы в тонких листах испарение цинка оставалось как можно меньше, нужно вести процесс при небольшой силе тока. Поэтому главное требование состоит в том, чтобы ис-точник тока в нижней области мощности обеспечивал осо-бенно стабильную дугу. Низко устанавливаемая сила основ-ного тока при этом так же важна, как и быстро реагирующее регулирование длины дуги, чтобы длина дуги могла держать-ся короткое время. Следствие - небольшой нагрев основно-го материала и уменьшение количества испарения цинка. Как результат обоих эффектов - встречается небольшое количе-ство пор (рис. 2).

Это положительно влияет как при последующей обработ-ке шва шлифовкой, так и при повышенном показателе проч-ности соединения пайкой.

Рис. 2. Угловой шов при импульсной сварочной дуге (толщина листа 1,5 мм )

Режим синержик

Хорошего результата пайки МИГ оцинкованных листов можно достигнуть только при помощи источника питания с достаточно богатым уровнем свободы в выборе параметров. Благодаря множеству бесступенчато устанавливаемых пара-метров (приблизительно тридцать параметров) можно без проблем улучшить отрыв капли при сварке импульсной ду-гой или использовать короткое замыкание при сварке корот-кой дугой для большого количества присадочных материа-лов. Эти дополнительные параметры усложняют обслужива-ние источника питания и ограничивали бы из-за этого круг пользователей лишь экспертами.

При помощи так называемого режима синержик (цифровое управление) с запрограммированными параметрами для каждой комбинации проволоки и газа этот процесс очень прост в обслуживании для пользователя.

Производитель сварочных аппаратов принимает на себя задачу оптимизации параметров для многих различных ос-новных и присадочных материалов, а также защитных газов. Этот научно обоснованный результат записывается в элект-ронном запоминающем устройстве в форме банка данных. Пользователь получает выбор параметров для любого при-садочного материала прямо в источнике питания. Встроен-ный микропроцессор заботится о бесступенчатом выборе мощности в диапазоне от минимума до максимума.

Подача проволоки

В сравнении со стандартными проволоками бронзовые проволоки очень мягкие. Поэтому предъявляются особые тре-бования к механизму подачи проволоки. Подача присадочной проволоки должна осуществляться свободно, без трения. 4-роликовый привод с задействованными подающими роли-ками передает сам при небольшой силе прижима достаточ-ную силу для подачи проволоки. Обычно используются гладкие ролики с полукруглой канавкой. Чтобы удерживать неболь-шое сопротивление трения в шланговом пакете, нужно исполь-зовать тефлоновый или пластмассовый канал. Точное вхож-дение проволоки в контактный наконечник - следующая ос-новная предпосылка для бесперебойной подачи проволоки.

Точно подобранный по размеру контактный наконечник в горелке обеспечивает надежный контакт для передачи тока на бронзовую проволоку.

Примеры применения сварки - пайки

Процесс сварки - пайки может применяться как для неле-гированных и низколегированных, так и для нержавеющих сталей. Главным образом этот метод используется для ста-лей с оцинкованной поверхностью. Незначительное выгора-ние слоя как в непосредственной области шва, так и на об-ратной стороне обусловлено малым тепловложением и низ-кой температурой плавления присадочного материала.

Рис. 3. Примеры применения пайки МИГ в автомобильной промышлен-ности и смежных отраслях: элемент топливопровода, дверная петля

Для сварки - пайки подходят все виды сварочных швов и сварочные позиции, которые известны для сварки в среде защитного газа. Как вертикальные швы (снизу вверх и сверху вниз), так и потолочные позиции выполняются безукоризненно. Скорость сварки при пайке МИГ идентична сварке МАГ (до 100 см/мин).

4.1 Расчётная оценка ожидаемых механических свойств металла шва

При оценке ожидаемых механических свойств металла шва необходимо учитывать действие следующих технологических факторов: долю участия основного металла в формировании шва и его химический состав; тип и химический состав сварочных материалов; метод и режим сварки; тип соединения и число проходов в сварном шве; размеры сварного соединения; величину пластических деформаций растяжения в металле шва при его остывании.

4.1.1 Влияние доли участия основного металла и, соответственно, химического состава металла шва на его механические свойства устанавливается эмпирическими уравнениями.

а) Временное сопротивление разрыву s в, МПа, вычисляют по формуле

s в =48+500∙С+252∙Mn+175∙Si+239∙Cr+77∙Ni+80∙W+70∙Ti+

176∙Cu+290∙Al+168∙Mo, (51)

б) Относительное удлинение

δ=50,4─(21,8∙С+15∙Mn+4,9∙Si+2,4∙Ni+5,8∙Cr+6,2∙Cu+

2,2∙W+6,6∙Ti)+17,1∙Al+2,7∙Mo, (52)

где символами в уравнениях 48, 49 обозначено содержание химического

элемента в металле шва, %.

в) s т =0,73∙s в, (53)

где s в – временное сопротивление разрыву, МПа;

г) ψ=2,32∙δ, (54)

где δ – относительное удлинение, %.

4.1.2 Влияние скорости охлаждения и граничных условий на механические

свойства металла шва

а) Мгновенную скорость охлаждения металла в околошовной зоне при температуре наименьшей устойчивости аустенита w 0 , град/с при однопроходной сварке стыковых соединений со сквозным проплавлением определяют по формуле

w 0 =2plсgd 2 (Т min ─Т 0) 3 /(q п 2), (55)

б) Мгновенную скорость охлаждения металла в околошовной зоне при температуре наименьшей устойчивости аустенита w 0 , град/с при сварке тавровых соединений определяют по формуле

w 0 =3plсgd 2 (Т min ─Т 0) 3 /(q п 2), (56)

в) Мгновенную скорость охлаждения металла в околошовной зоне при температуре наименьшей устойчивости аустенита w 0 , град/с при наплавке валика на массивное тело определяют по формуле

w 0 =2pl(Т min ─Т 0) 2 /q п, (57)

где l – коэффициент теплопроводности, Вт/(см× 0 С),

с – удельная теплоёмкость, Дж/(г× 0 С);

g – плотность основного металла, г/см 3 ;

d– толщина свариваемого металла, см;

Т 0 – начальная температура, 0 С;

Т min – температура наименьшей устойчивости аустенита, 0 С;

q п – погонная энергия сварки, Дж/см.

Для низкоуглеродистых и низколегированных сталей можно принять

¾ l=0,42Вт/(см× 0 С);

¾ сg=5,25Дж/(см 3 × 0 С);

¾ Т min =550…600 0 С.

Полученные расчётным путём механические характеристики металла шва по формулам 51─53 следует скорректировать влиянием мгновенной скорости охлаждения (рисунок 9).

Рисунок 9 – График относительных характеристик механических

свойств металла шва в зависимости от мгновенной скорости

охлаждения шва

г) Механические характеристики металла шва с учётом мгновенной скорости охлаждения:

s в шва =s в ∙f(s в), (58)

s т шва =s в ∙f(s т), (59)

ψ шва =s в ∙f(ψ), (60)

4.2 Ожидаемые механические свойства и структурный состав металла околошовной зоны определяют по атласам (структурных превращений металла в точках ОШЗ при сварке) в зависимости от скорости охлаждения или погонной энергии сварки для каждой конкретной марки свариваемой стали (свариваемого металла).

5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ

Алгоритм технологии сварки в общем виде можно представить:

а) Основной металл:

1) выбор, наименование свариваемого материала;

2) оценка свариваемости;

3) подготовка к сварке.

б) Сварочные материалы:

1) выбор, наименование сварочных материалов;

2) подготовка к сварке.

в) Сборка.

г) Сварка:

1) режим сварки;

2) техника выполнения сварки.

д) Зачистка сварного соединения.

е) Контроль качества сварного соединения.

После каждой операции следует назначать контроль.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1.

"ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

РАЗДЕЛКИ КРОМОК НА ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

СВАРНОГО ШВА"

Цели работы.

1. Освоить методику расчёта основных параметров режима дуговой сварки и геометрических параметров сварного шва.

2. Исследовать влияние геометрических параметров разделки кромок на геометрические параметры сварного шва (наплавленного валика).

1. Аппарат сварочный:

2. Эпидиаскоп.

4. Слесарный инструмент.

5. Измерительный инструмент.

6. Калькулятор инженерный.

7. Пластина из стали Ст3 (10, 20, 09Г2С) с канавками различных геометрических параметров.

10. Миллиметровка.

1. Выполнить замеры геометрических параметров канавок;

2. Настроить режим сварки (заданный по таблице 9);

4. Выполнить сварку;

5. Изготовить макрошлиф;

6. Спроецировать контуры сварных швов на миллиметровку и выполнить замеры:

а) Ширины шва, е;

б) Глубины проплавления, h;

в) Высоты усиления, g;

г) Высоты шва, Н;

е) Площади наплавки, F н;

8. Выполнить расчет относительного расхождения, теоретических и полученных экспериментальным путём, значений геометрических параметров сварных швов.

9. Сделать выводы о работе.

Таблица 9 – Параметры режима сварки

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2.

"РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ СТЫКОВОГО СОЕДИНЕНИЯ"

Цели работы.

1. Разработать технологию сварки стыкового соединения пластин из низкоуглеродистой конструкционной стали ферритного класса.

Продолжительность лабораторной работы – 4 часа

Оборудование, инструмент и материалы.

1. Аппарат сварочный:

а) А-1416 в комплексе с источником питания постоянного тока – выпрямителем сварочным ВКСМ-1000 и балластными реостатами РБ-302 (РБ-301, РБ-303);

б) АДФ-1002 в комплексе с источником питания переменного тока – трансформатором сварочным ТДФ-1000.

2. Эпидиаскоп.

3. Оборудование, инструмент и материалы для изготовления макрошлифов.

4. Слесарный инструмент.

5. Измерительный инструмент.

6. Калькулятор инженерный.

8. Сварочная проволока Св-08ХМ (Св-08, Св-08Г2С), диаметром 3,0мм (2,0мм, 2,5мм, 4,0мм).

9. Флюс сварочный АН-60 (АН-348).

10. Миллиметровка.

11. Карандаш с твёрдостью НВ или В.

Задание и методические указания.

11. Изготовить макрошлиф;

а) Ширины шва, е;

б) Глубины проплавления, h;

в) Высоты усиления, g;

г) Высоты шва, Н;

д) Площади проплавления, F пр;

е) Площади наплавки, F н;

17. Сделать выводы о работе.

Пункты задания и методических указаний даны в рекомендуемой последовательности для их выполнения

Временное сопротивление разрыву s в, МПа, определяют по формуле

Предел текучести s т, МПа, определяют по формуле

где НВ – твёрдость металла шва по Бринеллю

Отчёт о лабораторной работе оформить на бумаге формата А4 по ГОСТ 2.105-95. Основную надпись допускается не наносить на поле текстового документа.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3.

"РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ СОЕДИНЕНИЯ С УГЛОВЫМ ШВОМ"

Цели работы.

1. Разработать технологию сварки таврового (нахлёсточного) соединения пластин из низкоуглеродистой конструкционной стали ферритного класса.

2. Применить на практике методику расчёта основных параметров режима дуговой сварки и геометрических параметров сварного шва.

3. Закрепить навыки работы с технической литературой и нормативной документацией.

Продолжительность лабораторной работы – 4 часа

Оборудование, инструмент и материалы.

1. Аппарат сварочный:

в) А-1416 в комплексе с источником питания постоянного тока – выпрямителем сварочным ВКСМ-1000 и балластными реостатами РБ-302 (РБ-301, РБ-303);

г) АДФ-1002 в комплексе с источником питания переменного тока – трансформатором сварочным ТДФ-1000.

2. Эпидиаскоп.

3. Оборудование, инструмент и материалы для изготовления макрошлифов.

4. Слесарный инструмент.

5. Измерительный инструмент.

6. Калькулятор инженерный.

7. Пластины из стали Ст3 (10, 20, 09Г2С).

8. Сварочная проволока Св-08ХМ (Св-08, Св-08Г2С), диаметром 3,0мм (2,0мм, 2,5мм, 4,0мм).

9. Флюс сварочный АН-60 (АН-348).

10. Миллиметровка.

11. Карандаш с твёрдостью НВ или В.

Задание и методические указания.

1. Выполнить замеры геометрических параметров пластин;

2. Из ГОСТов выписать химический состав и механические характеристики основного металла, химический состав сварочной проволоки и сварочного флюса;

3. Оценить свариваемость основного металла по критериям, указанным в разделе 3;

4. В соответствии с ГОСТом или с заданием выбрать тип сварного соединения, назначить исходные геометрические параметры сварного соединения и сварного шва;

7. Оценить стойкость металла шва против образования горячих трещин и стойкость металла околошовной зоны против образования холодных трещин по критериям, указанным в разделе 3.

9. Сделать выводы о правильности выбора сварочных материалов, параметров режима сварки. Разработать технологию сварки в соответствие с рекомендациями раздела 5.

10. В соответствие с разработанной технологией выполнить сварочные работы и контрольные операции;

11. Изготовить макрошлиф;

12. Спроецировать контуры сварного шва на миллиметровку и выполнить замеры:

ж) Ширины шва, е;

з) Глубины проплавления, h;

и) Высоты усиления, g;

к) Высоты шва, Н;

л) Площади проплавления, F пр;

м) Площади наплавки, F н;

13. Замерить твёрдость металла шва;

14. Выполнить расчёт временного сопротивления разрыву и предела текучести металла шва по формулам 61 и 62;

15. Выполнить расчет относительного расхождения, теоретических и полученных экспериментальным путём, значений геометрических параметров сварных швов;

16. Представить значения величин геометрических параметров сварного шва и механических характеристик металла сварного шва, определённые расчетом и экспериментальным путём и относительное расхождение между ними в виде таблицы 10.

17. Сделать выводы о работе.

Пункты задания и методических указаний даны в рекомендуемой последовательности для их выполнения

Таблица 10 – Расчётные и экспериментальные параметры

Отчёт о лабораторной работе оформить на бумаге формата А4 по ГОСТ 2.105-95. Основную надпись допускается не наносить на поле текстового документа.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. способы дуговой сварки 3

1.1 Электрическая сварочная дуга как технологический элемент 3

1.2 Основные способы дуговой сварки 5

1.3 Расчёт основных параметров режима механизированной сварки

в защитных газах и под флюсом и геометрических параметров

сварного шва 14

2. расчёт химического состава металла шва 22

2.1 Расчёт химического состава металла шва по смешению 22

2.2 Расчёт химического состава металла шва с учётом

прироста элементов из флюса 23

3. расчётные способы оценки сталей против

образования трещин при сварке 24

3.1 Оценка склонности сталей к образованию горячих

трещин при сварке 24

3.2 Оценка склонности легированной стали к образованию

холодных трещин при сварке 26

4. оценка ожидаемых механических свойств

сварного соединения 30

4.1 Расчётная оценка ожидаемых механических свойств

металла шва 30

4.2 Ожидаемые механические свойства и структурный состав

металла околошовной зоны 32

5. разработка технологии сварки 33

6. лабораторная работа №5. "Исследование влияния

геометрических параметров разделки кромок на

геометрические параметры сварного шва" 34

7. лабораторная работа №6. "разработка технологии

сварки стыкового соединения 36

8. лабораторная работа №7. "разработка технологии

сварки соединения с угловым швом 39

библиографический список 42

Специальные методы сварки и пайки

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Специальные методы сварки и пайки» для студентов специальности

150202 «Оборудование и технология сварочного производства»

очной и заочной форм обучения

Утверждено редакционно-издательским советом

Тюменского государственного нефтегазового университета

Составители: к.т.н., доцент Крылов А.П.,

ассистент Рыбин В.А.

© Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет» 2011

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Ручная дуговая сварка меди покрытыми электродами

Цель работы:

Изучение процессов сварки меди ручной дуговой сваркой покрытыми электродами: установление технологических параметров режима сварки при заданных теплофизических свойствах свариваемого металла на температурные поля и геометрические размеры сварного шва; выбор оптимальных режимов сварки для материала заданной толщины.

Материалы и оборудование:

1. Источник питания постоянного сварочного тока с крутопадающей ВАХ.

2. Медные пластины толщиной 4 мм, размером 150 х 50 мм – 2 шт.

3. Электроды для сварки меди «Комсомолец 100».

4. Стальная подкладочная пластина размером 10×200×200 мм.

Теоретические сведения:

Медь – это первый металл, который человек начал добывать и обрабатывать еще задолго до знакомства с железом. В земной коре меди сравнительно немного (~ 0,01 %), но из-за присущих ей уникальных свойств, она во многих случаях оказывается незаменимой.

Медь – диамагнитный, пластичный и тяжелый материал (γ = 8,94 г/см3) с высокой теплопроводностью (λ = 0,923 кал/см·с·0С) и низким электросопротивлением (ρ = 1,68 мкОм·см), а также высокой коррозионной стойкостью. Эти свойства меди определяют ее широкое применение в электротехнической и химической промышленности, в судостроении, приборостроении, металлургии и других отраслях производства.

Чистая медь обладает небольшой прочностью (σ = 216 … 235 МПа) и высокой пластичностью (δ = 60 %; ψ = 75 %).

Медь плавится при 1083 0С и кипит при 2360…2595 0С. В меди не обнаружено полиморфных превращений, во всем интервале температур ниже точки плавления, она имеет ГЦК решетку. Удельная теплоемкость меди примерно такая же, как железа и составляет 0,0915 кал/г·0С. примеси, содержащиеся в меди, снижают ее электропроводность (рис.1). кислород в не больших количествах повышает электропроводность меди ввиду того, что он способствует удалению при плавке примесей за счет их окисления.

С газами медь взаимодействует весьма активно, но с азотом не взаимодействует даже при высоких температурах.

Электроды с покрытиями для дуговой сварки меди (как и для других цветных металлов) государственными стандартами не регламентируются и изготавливаются по техническим условиям или паспортам на конкретные марки, составленные и утвержденные предприятиями или организациями - разработчиками электродов.

Стержни электродов изготавливаются из тянутой проволоки или круглых тянутых и прессованных прутков, регламентированных стандартами.

К числу первых марок электродов для сварки меди, разработанных Томским политехническим институтом совместно с заводом «Комсомолец» на основе медной проволоки марок М1 … М3 относятся электроды серии «Комсомолец» (комсомолец 100, Комсомолец МН, Комсомолец МС). В качестве раскислителей наплавленного металла применены ферромарганец, ферросилиций и кремнистая медь (71 % Cu, 24 % Si, 1 % Fe и до 0,155 % S).

Полное раскисление достигается при содержании кремния в металле шва в пределах 0,3…0,7 %. Положительное влияние на качество металла шва оказывает совместное легирование его марганцем и кремнием при соотношении 1: 3, что обеспечивает легкоплавкие, хорошо удаляемые из металла шлаки. При повышенном содержании кремния металл сварного шва охрупчивается. В пятидесятых годах прошлого века были разработаны электроды марок ММ3-1, ММ3-2. В качестве раскислителей в этих электродах применены ферросилиций, графит и сплав симанил состава: 31…35 % Si, 19…22 % Mn, 27…30 % Al. Применение сплава симанил вместо ферросплавов позволило снизить содержание железа и вредных примесей в наплавленном металле, что улучшило технологичность электродов.

Наибольшее распространение для сварки конструкций из меди и хромистой бронзы средних и больших толщин (5…20 мм) получили электроды марок АНЦ-1, АНЦ-2, выпускаемые по ТУ ИЭС 593-86, позволяющие выполнять сварку на форсированных режимах. При использовании этих электродов происходит относительно незначительное легирование металла шва (2…2,5 раза меньше, чем при использовании электродов «Комсомолец 100»), что существенно увеличивает его электропроводность.

Освоены в серийном производстве усовершенствованные электроды марок АНЦ/ОЗМ-2, АНЦ/ОЗМ-3, АНЦ/ОЗМ-4, предназначенные для сварки технически чистой меди, содержащей не более 0,01 % кислорода. Они имеют высокую производительность от 4 до 4,9 кг/ч (для электродов диаметром 4 мм) и коэффициент наплавки от 14,5 до 17,5 г·А/ч. Медь толщиной до 4 мм сваривают без разделки кромок; до 10 мм – с односторонней разделкой при угле скоса кромок до 60…70 0 и притуплением 1,5…3 мм. При большей толщине рекомендуется Х – образная разделка кромок. Использование электродов серии АНЦ позволяет выполнять стыковые соединения на меди толщиной до 20 мм без разделки кромок одно или двусторонними швами.

Перед сваркой свариваемый металл тщательно очищают от оксидов и загрязнений до металлического блеска и обезжиривают для получения более качественного сварного соединения. Зачистка кромок может выполняться механическим способом – наждаком, металлическим щетками и т.п. Абразивным камнем пользоваться не рекомендуется, так как оставляемые им на поверхности металла глубокие риски служат очагами последующих загрязнений и затрудняют обезжиривание органическим растворителями.

При ручной сварке меди покрытыми электродами необходим подогрев кромок, начиная с толщины 4 мм. Температура подогрева возрастает с увеличением толщины свариваемых кромок и габаритов изделия.

При толщине кромок 5…8 мм металл подогревают до 200…300 ˚С, при толщине 24 мм – 750… 800 ˚С. электроды марки АНЦ-1 (АНЦ-2) обеспечивают выполнение сварки без подогрева металла толщиной до 10…15 мм или с невысоким подогревом для металла больших толщин.

Таблица 1

Ориентировочные режимы ручной однопроходной сварки меди покрытыми электродами

Сварка покрытыми электродами выполняется на постоянном токе обратной полярности. Сварочный ток назначают из соотношения I св ~ 50 d эл (табл.2), а для электродов серии АНЦ - I св = (85…100) d эл при U д = 45…50В.

При многослойной сварке меди толщиной более 10… 12 мм (3…6 слоев) используют электроды диаметром 6…8 мм при сварочном токе до 500 А.

Сварку ведут короткой дугой без поперечных колебаний электрода. Лучшее формирование шва обеспечивает возвратно-поступательное движение электрода. Удлинение дуги ухудшает формирование шва, увеличивает разбрызгивание, ухудшает механические свойства сварных соединений. При сварке стыковых соединений используют металлические (стальные или медные) или асбестовые подкладки. Сварку производят в нижнем положении или слегка наклонном положении (на подъем).

Сварка электродами «Комсомолец 100» обеспечивает удовлетворительные механические свойства металла шва: σ в =180…200 МПа; δ = 18…20 %; α = 1800; KCU = 0,59…0,78 МДж/м2. Достаточно высокие механические свойства шва и сварного соединения на меди можно получить также при использовании электродов со стержнями из бронзы Бр.КМц 3-1, Бр.ОФ 4-0,3 и латуни Л90 (σ в = 190…230 МПа; α = 1800).

Проковка швов на меди без нагрева увеличивает прочность металла швов при некотором снижении пластичности (σ в = 235…242 МПа; α = 143…1800).

Теплопроводность и электрическая проводимость сварных по сравнению с этими же параметрами основного металла значительно снижаются. Электрическая проводимость металла шва составляет всего 20 % электрической проводимости меди М1. примерно в такой же степени снижается электрическая проводимость шва при сварке электродами со стержнями из бронзы Бр.КМц 3-1.

Порядок выполнения работы

1. Произвести подготовку пластин под сварку с V-образным скосом кромок под общим углом 70-80˚, с притуплением 2-3 мм.

2. Установить пластины на стальной подкладке встык с зазором в 1 мм и произвести прихватку, как показано на рис. 1.

3. Выполнить сварку пластин в соответствии с рис.1

4. После окончания сварки произвести быстрое охлаждение пластин в воде.

5. Вырезать из сварных пластин образцы и изготовить из них макро- и микрошлифы, произведя травление макрошлифов реактивом из 15 г двуххромовокислого калия, 10 мл серной кислоты и 100 мл воды.

6. Исследовать макро- и микроструктуру образцов. Исследование микроструктуры производить при увеличении ×200.

Рис.1. Схема прихватки и сварки медных пластин

Отчет должен содержать:

· описание методики проведения опытов

· результаты опытов, занесенные в соответствующие графы таблицы;

· формулирование выводов

· объяснение полученных результатов;

· краткое описание устройства и работы сварочной установки;

· технологический процесс сварки заданного узла.

Вопросы для самоконтроля:

1. Состав покрытия электродов для ручной дуговой сварки меди и ее сплавов.

2. Технология ручной дуговой сварки покрытыми электродами.

3. Маркировка сварочной проволоки для сварки меди и ее сплавов.

4. Флюсы для сварки электродуговой сварки меди и ее сплавов.

5. Как выбирают ток при сварке меди под слоем флюса.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Қазақстан Республикасының Министерство

Білім және ғылым образования и науки

министрлігі Республики Казахстан

Д. Серікбаев атындағы ВКГТУ

ШҚМТУ им. Д. Серикбаева

УТВЕРЖДАЮ

декан факультета МиТ

_______________2014 г.

Пісіру мен дәнекерлеу әдістері

Зертханалық жұмыстар бойынша әдістемелік

нұсқаулар

Специальные методы сварки и пайка

Методические указания по лабораторным

(практическим) работам

Специальность: 5В071200, «Машиностроение»

Специализация: «Технология и оборудование сварочного производства»

Усть-Каменогорск

Методические указания разработаны на кафедре машиностроения и технологии конструкционных материалов на основании ГОСО РК 3.08.338 – 2011 для студентов специальности 5В071200 «Машиностроение».

Обсуждено на заседании кафедры «М и ТКМ»

Зав. кафедрой

Протокол № от 2014г.

Одобрено методическим советом факультета машиностроения и транспорта

Председатель

Протокол № ____ от _______________ 2014г.

Разработал

Должность профессор

Нормоконтролер

В методических указаниях представлены полные описания лабораторно-практических работ .

Каждая работа состоит из наименования, целей и задач, теоретической части изучаемого вопроса и рекомендаций по практическому выполнению с указанием итоговой таблицы или формы графика. Кроме того, указаны требования к отчету по работе и дан перечень основных вопросов для самопроверки.

1 ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ГАЗОВОЙ СВАРКИ

1.1 Цель работы

Целью лабораторной работы является изучение:

Процесса сварки;

Техники сварки;

Устройства сварочного поста;

Назначения сварочных приборов и приспособлений.

1.2 Оборудование, приспособления, инструмент

Присадочная проволока;

Газогенератор;

Газовая горелка;

Газовый резак;

Спецодежда.

При газовой сварке для расплавления кромок соединяемых частей и вводимого присадочного материала используют тепло, выделяемое при сгорании горючих газов (ацетилен, пропан, бутан, пары керосина, водород и т. д.) в технически чистом кислороде. При этом максимальные температуры пламени равны соответственно 3100, 2750, 2500, 2400, 21000С. Наибольшее распространение получила ацетилено-кислородная сварка в связи с ее экономичностью и эффективностью при максимальном качестве соединений.

1.3.1 Кислород

Для сварочных работ используют газообразный кислород, который получают из воздуха методом его глубокого охлаждения (сжижения). Кислород поставляют к месту потребления в стальных баллонах голубого цвета под давлением 15МПа или в жидком виде – в специальных сосудах с хорошей теплоизоляцией. Для превращения жидкого кислорода в газ используют газификаторы или насосы с испарителями для жидкого кислорода.

Кислород имеет высокую химическую активность, образуя соединения со всеми химическими элементами, кроме инертных газов. Реакции соединения с кислородом протекают с выделением большого количества тепла.

При соприкосновении чистого газообразного кислорода с органическими веществами, маслами, жирами может произойти их самовоспламенение. Поэтому всю кислородную аппаратуру необходимо тщательно обезжиривать. Кислород способен образовывать в широких пределах взрывчатые смеси с горючими газами

1.3.2 Ацетилен (С2Н2)

Ацетилен является основным горючим газом для газовой сварки и резки металлов , температура его пламени при сгорании в смеси с технически чистым кислородом достигает 31500С (при избытке кислорода 34500С).

Технический ацетилен при нормальных давлении и температуре представляет собой бесцветный газ с резким специфическим запахом.

При использовании ацетилена необходимо учитывать его взрывоопасные свойства. Температура самовоспламенения ацетилена колеблется в пределах 240-6300С и зависит от давления и присутствия в нем различных веществ.

Повышение давления существенно снижает температуру самовоспламенения ацетилена.

Ацетилен с воздухом образует взрывоопасные смеси в пределах от 2,2 до 81% ацетилена по объему при нормальном атмосферном давлении, а с технически чистым кислородом – в пределах от 2,3 до 3% ацетилена. Наиболее взрывоопасны смеси, содержащие 7 – 13% ацетилена.

Присутствие окиси меди снижает температуру воспламенения ацетилена до 2400С. Поэтому категорически запрещается при изготовлении ацетиленового оборудования применение сплавов, содержащих более 70% меди.

Взрывоопасность ацетилена понижается при растворении его в жидкостях. Особенно хорошо он растворяется в ацетоне . В одном объеме технического ацетона при 200С и нормальном атмосферном давлении можно растворить до 20 объемов ацетилена. Растворимость ацетилена в ацетоне увеличивается с увеличением давления и понижением температуры.

Ацетилен получают при разложении водой карбида кальция (СаС2) по реакции

Непосредственно на рабочем месте газосварщика аустилен либо находится в баллонах белого цвета, либо получают из карбида кальция в газогенераторе.

1.3.3 Кислородно-ацетиленовое пламя

Строение аустилено-кислородного пламени показано на рисунке 1. Оно характерно также для большинства газокислородных смесей.

1 – ядро; 2 – восстановительная зона; 3 – факел пламени

Рисунок 1 – Схема строения газокислородного пламени.

Ядро 1 пламени состоит из смеси холодных газов с четко выраженными границами. В зоне 2 ацетилен сгорает в чистом кислороде при их соотношении 1:1 по реакции

Эта зона характеризуется восстановительной атмосферой за счет наличия СО и Н2 и максимальной температурой 31500С. При плавлении и сварке этой зоной процесс протекает эффективно и с минимальным окислением металла шва.

В наружной зоне продукты неполного сгорания дожигаются за счет кислорода окружающего воздуха по реакции

При этом формируется факел пламени 3, который используется для дополнительного подогрева свариваемых кромок и шва.

В зависимости от соотношения газов в смеси пламя может быть нормальным (рисунок 1), науглераживающим (ацетиленовым) и окислительным (рисунок 2).

а) – нормальное; б – науглероживающее; в - окислительное

Рисунок 2 – Виды ацетилено-кислородного пламени.

При избытке ацетилена (рисунок 2.б) ядро увеличивается, приобретает расплывчатые очертания и начинает коптить. Такое пламя используется при сварке высокоуглеродистых сталей и чугунов. При избытке кислорода ядро пламени укорачивается и заостряется. Такое пламя, несмотря на более высокую температуру в 34500С, вызывает окисление компонентов сплавов и для сварки не должно использоваться.

1.3.4 Способы сварки

В зависимости от направления перемещения горелки и присадочного прутка по шву различают левый и правый способы сварки. При левом способе (рисунок 3.а) впереди перемещается присадочный пруток, а за ним горелка. Левый способ более простой и применяется для сварки малых толщин до 3 мм.

а – левый; б – правый; 1 – присадочный пруток; 2 – газовая горелка

Рисунок 3 – Способы газовой сварки

При правом способе впереди перемещается горелка, а за ней присадочный пруток (рисунок 3.б). Правый способ сложнее, но более производительный и позволяет эффективно воздействовать на жидкую металлическую ванну (перемешивать, поддерживать, перемещать).

Вертикальные швы выполняют левым способом, а горизонтальные и потолочные – правым. Для лучшего перемешивания металла необходимо конец присадочного прутка погружать в расплавленную ванну и совершать им колебательные движения. Диаметр присадочного прутка выбирают примерно равным свариваемой толщине, но не более 4-5 мм. Присадочный пруток берут того же состава, что и основной металл. Мощность горелки выбирают из расчета 120-150 л/час на 1 мм толщины свариваемого металла. При сварке листов разной толщины мощность горелки выбирают по большей толщине.

Легированные стали и цветные металлы сваривают с применением флюсов, соответствующих составов.

1.3.5 Оборудование сварочного поста

Устройство сварочного поста может отличаться только способом поставки ацетилена:

Поставка ацетилена в баллоне;

Выработка ацетилена на месте сварки в газогенераторе.

На рисунке 17 представлен первый вариант схемы сварочного поста.

Сварка и пайка на сегодняшний день являются наиболее популярными и действенными способами соединения металлов, их сплавов. Люди, которые знают основы пайки и умеют производить монтаж каких-либо металлических изделий путем пайки, как правило, знают основы сварки, как альтернативного варианта воздействия на материал, а также его сплав. Несмотря на это сварка все же отличается от пайки. В связи с этим каждый способ достоин тщательного рассмотрения.

Сварка металлов: способы и виды

Общие сведения

Сварка представляет собой процесс получения (монтаж) неразъемного соединения путем установления межатомных связей между соединяемыми поверхностями металлов, их сплавов при общем или местном воздействии (нагреве), пластическом деформировании.

Сегодня существует достаточно много видов сварки (порядка ста). Известные виды классифицируются по физическим, технологическим, а также техническим свойствам и признакам. В зависимости от формы применяемой энергии по физическим признакам можно выделить три класса.

• Термическая;
• Механическая;
• Термомеханическая.

Стоит отметить, что термический класс деталей представляет собой все виды соединения металлов и сплавов с применением тепловой энергии (плазменная, дуговая, газовая).

Механический класс представляет собой все виды сварки металлов, а также их сплавов, которые осуществляются посредством механической энергии (трением, холодная, ультразвуковая, а также сварка взрывом).

Термомеханический класс подразумевает под собой виды сварки металлов и сплавов, во время применения которых используется давление, а также тепловая энергия (диффузионная, а также контактная).

Классификация видов сварки производится по определенным техническим признакам:

• По непрерывности процесса (прерывистая, непрерывная);
• По способу защиты детали в области работы (в вакууме, в воздухе, под флюсом, в газе, в пене, с использование комбинированной защиты);
• По степени механизации (механизированная, ручная, автоматическая, автоматизированная);
• По характеру защиты детали в области действия дуги на поверхность твердых материалов (в контролируемой атмосфере, со струйной защитой);
• По типу защитного газа (в инертных или активных газах).

Стоит обратить внимание на то, что технологические признаки сварки устанавливаются для каждого вида в отдельности. В связи с этим требуется ознакомление с наиболее популярными видами обработки, а также соответствующим оборудованием.

Дуговая сварка

Соединение металлов с применением электрической дуги позволяет добиться соединения путем плавления. Нагрев свариваемых кромок деталей производится посредством теплоты электрической дуги.

На сегодняшний день используются четыре основных вида дуговой сварки металлов:

1. Ручная работа может производиться двумя способами: плавящимся и неплавящимся электродом. В первом случае во время работы применяются электроды, способные плавиться под воздействием электрической энергии. Подобный метод наиболее часто применяется при ручной работе. Таким образом, происходит возбуждение электрической дуги, после чего в результате этого происходит расплавление электрода и последующее расплавление кромки материала. В результате подобного воздействия электричества возникает ванна расплавленного материала. После охлаждения ванночка превращается в шов. Во втором случае с неплавящимся электродом происходит следующее: соединяемые кромки соприкасаются, после чего между электродом (графитовым или угольным) и изделием происходит возбуждение дуги; кромки изделия, а также присадочный материал нагревают до температуры плавления, в результате чего выполняется ванночка расплавленного материала (сплав). После затвердения материал (сплав) образует сварной шов. Подобный способ может воздействовать на любой цветной металл, а также его сплав.
2. Автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом может выполняться посредством механизации основных движений, которые выполняет сварщик во время ручной обработки металлов или при воздействии на его сплав.
3. В защитном газе производится с помощью неплавящегося (вольфрамового) электрода, либо посредством применения плавящегося электрода. Сварной шов образуется в первом случае за счет расплавленных кромок. Таким образом, в случае необходимости в зону дуги подается присадочный материал. Второй случай предполагает подачу в область дуги электродной проволоки, которая в дальнейшем расплавляется, тем самым принимая участие в образовании шва деталей (также может воздействовать на сплав). Защита шва от образования на ней оксидной пленки достигается не без участия струи защитного газа, вытесняющего из рабочей области воздух.
4. Электрошлаковая обработка металлов, а также их сплавов достигается при помощи плавления кромок соединяемого материала, а также электрода посредством тепла от электрического тока во время прохождения через шлак. Помимо всего шлак способствует защите материала от воздуха, а, соответственно, от последующего окисления.

Пайка и все, что нужно о ней знать

Пайка используется в качестве способа создания надежного соединения металлов и сплавов еще с давних времен. Металлические изделия, полученные в результате обработки, носились еще в Вавилоне, Риме, Древнем Египте, а также Греции. Безусловно, с тех пор и до нашего времени дошли лишь немногие технологические правила применения, но и данные правила сегодня далеко не всем известны. Таким образом, способы пайки следует знать каждому, кто желает или уже знает основы пайки.

Что такое пайка?

Пайка – процедура соединения материалов путем введения между паяемыми деталями припоя. Припой, выполняющий роль связующего материала, заполняет зазор между материалами, тем самым осуществляя монтаж деталей, после чего при застывании образует единый целый сплав, являющийся неразъемным соединением. Процедура позволяет воздействовать на какой-либо материал и его сплав.

Во время процедуры тиноль воздействует на металл и его сплав, производя нагрев до нужной температуры, которая выше температуры плавления основного материала. Так, припой приобретает жидкую консистенцию, после чего происходит смачивание поверхности паяемых деталей, тем самым позволяя заполнять собой зазоры между соединяемыми деталями. Далее следует растворение основного материала в тиноле, взаимная диффузия. При застывании выходит надежный монтаж двух деталей.

Чем отличается пайка то варки?

Монтаж деталей путем применения пайки по виду похож на сварочный монтаж, но суть процедуры в корне отличается от сварки. Рассмотрим отличия подробнее.

Отличия:

1. Основной материал во время работы не расплавляется до определенной температуры, как это происходит во .
2. Отсутствующее расплавление металла основы деталей позволяет соединять детали достаточно мелких размеров.
3. В первом случае разъединение, а также соединение деталей (монтаж/демонтаж) может производиться без ущерба для целостности материала (сплав или металл не страдает).
4. Процедура может воздействовать на разные металлы, сплав каждого из них, и даже на неметаллы во всяком сочетании.
5. Пайка уступает сварочному процессу по прочности соединений. Таким образом, монтаж деталей путем пайки, поддающихся значительным механическим нагрузкам, не всегда предпочтителен.

Виды соединения

Рассмотрим виды пайки, которые нужно знать, поскольку лужение и пайка, а также другие процессы могут производиться по-разному в зависимости от выбранного вида соединения деталей.

Виды:

• Низкотемпературная . Преимущества: возможность обработки миниатюрных деталей, экономичность, простота использования.
• Высокотемпературная . Преимущества: доступен монтаж деталей, подвергающихся сильным механическим нагрузкам.
• Композиционная процедура воздействует на металл и сплав изделия, имеющего неравномерные или некапиллярные зазоры. Применяются композиционные припои.
• Готовым припоем – наиболее популярный способ.
• Реакционно-флюсовая пайка.

Вышеупомянутые методы работы сегодня уверенно применяются во многих отраслях, занимают свои ниши. В связи с этим говорить о предпочтении одного способа нецелесообразно.

Технологический процесс пайки включает комплекс выполняемых операций, основными из которых являются следующие.

Подготовка поверхности под пайку. Качество подготовки поверхности под пайку во многом определяет уровень и стабильность свойств паяного со­единения. Существуют следующие основные способы очистки поверхности: 1) термический (горелками, отжигом в восстановительной атмосфере, в вакууме); 2) механический (обработка режущим инструментом или абразивом, гидропескоструйная или дробеструйная галтовка); 3) химический (обезжиривание, химическое травление, электрохимическое травление, травление с ультразвуковой обработкой, комбинированное с обезжириванием и травлением).

Подготовка детали под пайку включает в себя также нанесение специальных технологических покрытий гальваническим или химическим способом, горячим лужением (погружением в расплавленный припой), с помощью ультразвука, плакированием, термовакуумным напылением. Часто сборка включает в себя нанесение припоя, укладку его в виде дозированных заготовок из проволоки или фольги. При размещении припоя необходимо учитывать условия пайки: расположение изделия в печи или другом нагревательном устройстве, режимы нагрева и охлаждения.

Нанесение флюса. Иногда при сборке деталей под пайку требуется нанести флюс. Порошкообразный флюс разводят дистиллированной водой до состояния негустой пасты и наносят шпателем или стеклянной палочкой, после чего детали подсушивают в термостате при 70–80°С в течение 30–60 мин. При газопламенной пайке флюс подают на прутке разогретого при­поя, при пайке паяльником – рабочей частью паяльника или вместе с при­поем, в случае применения оловянно-свинцового припоя – в виде трубок, наполненных канифолью.

Пайка (нагрев места соединения или общий нагрев собранных деталей) выполняется при температуре, превышающей температуру плавления при­поя, как правило, на 50–100°С. В зависимости от температуры плавления применяемых припоев пайка подразделяется на высокотемпературную и низкотемпературную.

Поверхности, не подлежащие пайке, предохраняют от контакта с припоем специальной обмазкой из графита с добавками небольшого количества извести. Пайку погружением в расплавленный припой используют для стальных, медных, алюминиевых и твердых сплавов, деталей сложных геометрических форм. На этот процесс расходуется большое количество припоев. Разновидностью пайки погружением является пайка бегущей волной припоя, когда расплавленный припой подается насосом и образует волну над уровнем расплава. Паяемая деталь перемещается в горизонтальном направлении. В момент касания ванны проходит пайка. Бегущей волной паяют в радиоэлектронной промышленности при производстве печатного радиомонтажа.

3. Способы пайки

Способы пайки классифицируют в зависимости от используемых источников нагрева. Наиболее распространены в промышленности пайка радиационным нагревом, экзофлюсовая, паяльниками, газопламенная, погружением, электродуговая, индукционная, электросопротивлением, пайка в печах.

Пайка радиационным нагревом. Пайку выполняют за счет излучения кварцевых ламп, расфокусированного электронного луча или мощного светового потока от квантового генератора (лазера). Конструкцию, подлежащую пайке, помещают в специальный контейнер, в котором создают вакуум. После вакуумирования контейнер заполняют аргоном и помещают в приспособление, с двух сторон которого устанавливают для обогрева кварцевые лампы. После окончания нагрева кварцевые лампы отводят, а приспособление вместе с деталями охлаждают. При применении лазерного нагрева сосредоточенная в узком пучке тепловая энергия обеспечивает испарение и распыление окисной пленки с поверхности основного металла и припоя, что позволяет получать спаи в атмосфере воздуха без применения искусственных газовых сред. При радиационном способе пайки лучистая энергия превращается в тепловую непосредственно в материале припоя и паяемых деталей. Этот способ пайки непродолжителен.

Экзофлюсовая пайка. В основном этим способом паяют коррозионно-стойкие стали. На очищенное место соединения наносят тонкий порошкообразный слой флюса. Соединяемые поверхности совмещают, на противоположные стороны заготовок укладывают экзотермическую смесь. Смесь состоит из разных компонентов, которые укладывают в форме пасты или брикетов толщиной в несколько миллиметров. Собранную конструкцию устанавливают в приспособлении и помещают в специальную печь, в которой происходит зажигание экзотермической смеси при 500°С. В результате экзотермических реакций смеси температура на поверхности металла повышается и происходит расплавление припоя. Этим методом паяют соединения внахлестку и готовые блоки конструкций небольших размеров.

Пайка паяльниками. Основной металл нагревают и припой расплавляют за счет теплоты, аккумулированной в массе металла паяльника, который перед пайкой или в процессе ее подогревают. Для низкотемпературной пайки применяют паяльники с периодическим нагревом, с непрерывным нагревом, ультразвуковые и абразивные. Рабочую часть паяльника выполняют из красной меди. Паяльник с периодическим нагревом в процессе работы иногда подогревают от постороннего источника теплоты. Паяльники с постоянным нагревом делают электрическими. Нагревательный элемент состоит из нихромовой проволоки, намотанной на слой асбеста, слюды или на керамическую втулку, устанавливаемую на медный стержень паяльника. Паяльники с периодическим и непрерывным нагревом чаще используют для флюсовой пайки черных и цветных металлов мягкими припоями с температурой плавления ниже 300–350°С. Ультразвуковые паяльники применяют для бесфлюсовой низкотемпературной пайки на воздухе и для пайки алюминия легкоплавкими припоями. Оксидные пленки разрушаются за счет колебаний ультразвуковой частоты. Абразивными паяльниками можно паять алюминиевые сплавы без флюса. Оксидная пленка удаляется в результате трения паяльника о металл.

Важное значение имеет сборка узлов под пайку. Сборка должна обеспечивать фиксацию взаимного положения деталей с требуемым зазором и поступление припоя в зазор. В тех случаях, когда припой заранее закладывают в соединение в виде фольги и затем нагревают узел (например, в вакуумной печи), необходимо обеспечить сжатие деталей при температуре пайки с определенным усилием. Если это усилие будет недостаточным, то получится слишком толстый шов с неудовлетворительной прочностью. Чрезмерное сжатие может повредить паяемый узел.

Для сжатия деталей при пайке применяют специальные приспособления. Необходимое усилие сжатия обеспечивается механическими зажимами или разницей между температурным расширением материала изделия и материала приспособления. Последний способ нередко является единственным, когда печная пайка осуществляется при высоких температурах.

Газопламенная пайка. При пайке нагрев осуществляется пламенем газовой горелки. В качестве горючего газа используют смеси различных газообразных или жидких углеводородов (ацетилен, метан, пары керосина и т. д.) и водород, которые при сгорании в смеси с кислородом дают высокотемпературное пламя. При пайке крупных деталей горючие газы и жидкости применяются в смеси с кислородом, при пайке мелких деталей – в смеси с воздухом. Пайку можно выполнять как горелками специального типа, дающими широкий факел, так и нормальными, сварочными паяльными лампами.

Пайка погружением в расплавленный припой. Расплавленный припой в ванне покрывается слоем флюса. Подготовленная к пайке деталь погружается в расплавленный припой (металлическую ванну), который также является источником тепла. Для металлических ванн обычно используют медно-цинковые и серебряные припои.

Пайка погружением в расплавленную соль. Состав ванны выбирают в зависимости от температуры пайки, которая должна соответствовать рекомендуемой температуре ванны 700–800°С при работе на смеси определенного состава. Ванна состоит из хлористых натрия, калия, бария и др. Этот метод не требует применения флюсов и защитной атмосферы, так как состав ванны подбирают таким, что он вполне обеспечивает растворение оксидов, очищает паяемые поверхности и защищает их от окисления при нагреве, т. е. является флюсом.

Детали подготавливают к пайке, на шов в нужных местах укладывают припой, после чего опускают в ванну с расплавленными слоями, являющимися флюсом и источником тепла, где припой расплавляется и заполняет шов.

Электродуговая пайка. При дуговой пайке нагрев осуществляется дугой прямого действия, горящей между деталями и электродом, или дугой косвенного действия, горящей между двумя угольными электродами. При использовании дуги прямого действия обычно применяют угольный электрод (угольная дуга), реже – металлический электрод (металлическая дуга), которым служит сам стержень припоя. Угольную дугу направляют на конец стержня припоя, касающегося основного металла, так, чтобы не расплавлять кромок детали. Металлическую дугу применяют при токах, достаточных для расплавления припоя и очень незначительно оплавляющих кромки основного металла. Для пайки дугой прямого действия пригодны высокотемпературные припои, не содержащие цинка. При помощи угольной дуги косвенного действия можно выполнять процесс пайки высокотемпе­ратурными припоями всех типов. Для нагрева этим способом применяют специальную угольную горелку. Ток к электродам подается от машины для дуговой сварки.

Индукционная пайка (пайка токами высокой частоты ). При индукционной пайке детали нагреваются индуктируемыми в них вихревыми токами. Индукторы изготовляются из медных трубок, преимущественно прямоугольного или квадратного сечения, в зависимости от конфигурации деталей, подлежащих пайке.

При индукционной пайке быстрый нагрев детали до температуры пайки обеспечивается использованием энергии высокой концентрации. Для предохранения индуктора от перегрева и расплавления применяется водяное охлаждение.

Пайка электросопротивлением. При этом способе пайки электрический ток низкого напряжения (4–12 В), но сравнительно большой силы (2000–3000 А) пропускают через электроды и за короткое время нагревают их до высокой температуры; детали нагреваются как за счет теплопроводности от нагретых электродов, так и за счет тепла, выделяемого током при его прохождении в самих деталях.

При прохождении электрического тока паяемое соединение нагревается до температуры плавления припоя, и расплавленный припой заполняет шов. Контактную пайку производят или на специальных установках, обес­печивающих питание током большой силы и малого напряжения, или на обычных машинах для контактной сварки.

Пайка в печах. Для пайки используются электрические печи и реже пламенные печи. Нагрев деталей под пайку производят в обычной, восстановительной или обладающей защитными свойствами средах. Пайку высокотемпературными припоями производят с применением флюсов. При пайке в печах с контролируемой средой подлежащие пайке детали из чугуна, меди или медных сплавов собирают в узлы.

Пайка соединений металлов с неметаллическими материалами. Пайкой можно получить соединения металлов со стеклом, кварцем, фарфором, керамикой, графитом, полупроводниками и другими неметаллическими материалами.

Обработка после пайки включает в себя удаление остатков флюса. Флюсы, частично оставшиеся после пайки на изделии, портят его внешний вид, изменяют электрическую проводимость, а некоторые вызывают коррозию. Поэтому остатки их после пайки должны быть тщательно удалены. Остатки канифоли и спиртоканифольных флюсов обычно коррозии не вызывают, но если по условиям эксплуатации изделий требуется их удалить, то изделие промывают спиртом, спиртобензиновой смесью, ацетоном. Агрессивные кислотные флюсы, содержащие соляную кислоту или ее соли, тщательно отмывают последовательно горячей и холодной водой с помощью волосяных щеток.

Типовые паяные соединения показаны на рис. 2.1. Паяные швы отличаются от сварных по конструктивной форме и способу образования.

Тип паяного соединения выбирают с учетом эксплуатационных требований, предъявляемых к узлу, и технологичности узла в отношении пайки. Наиболее распространенным видом соединения является пайка внахлестку.

Рис. 2.1. Типовые паяные соединения

В узлах, работающих при значительных нагрузках, где, кроме прочности шва, необходима герметичность, детали следует соединять только внахлестку. Швы внахлестку обеспечивают прочное соединение, удобны привыполнении и не требуют проведения подгоночных операций, как это имеет место при пайке встык или в ус.

Стыковые соединения обычно применяют для деталей, которые нерационально изготовлять из целого куска металла, а также в тех случаях, когда нежелательно удваивать толщину металла. Их можно применять для малонагруженных узлов, где не требуется герметичность. Механическая прочность припоя (особенно низкотемпературного) обычно бывает ниже прочности соединяемого металла; для того чтобы обеспечить равнопрочность паяного изделия, прибегают к увеличению площади спая путем косого среза (в ус) или ступенчатого шва; часто с этой целью применяют комбинацию стыкового соединения с нахлесткой.

Пайкой можно изготавливать сложные по конфигурации узлы и целые конструкции, состоящие из нескольких деталей, за один производственный цикл (нагрев), что позволяет рассматривать пайку (в отличие от сварки) как групповой метод соединения материалов и превращает ее в высокопроизводительный технологический процесс, легко поддающийся механизации и автоматизации.

При пайке возможны следующие дефекты: смещение паяемых элементов; раковины в швах; пористость в паяном шве; флюсовые и шлаковые включения; трещины; непропай; деформации местные и общие.