Паяные и клеевые соединения

Паяные соединения — это неразъемные соединения, обеспечиваемые силами моле­кулярного взаимодействия между соеди­няемыми деталями и припоем. Припой — это сплав или металл, вводимый в расплав­ленном состоянии в зазор между соединяе­мыми деталями и имеющий более низкую температуру плавления, чем соединяемые детали. Отличие пайки от сварки — отсут­ствие расплавления или высокотемпературного нагрева соединяемых деталей.

Связь в паяном шве основана на:

· растворении металла деталей в расплав­ленном припое;

· взаимной диффузии элементов припоя и металла соединяемых деталей;

· бездиффузионной атомной связи.

Прочность паяного шва существенно выше, чем припоя,

в связи с растворением в слое материала деталей,

в связи с тем, что слой находится в стесненном напря­женном состоянии между соединяемыми деталями.

Процесс пайки состоит из операций: прогрева соединяемых поверхностей, рас­плавления припоя, растекания припоя и заполнения шва, охлаждения и кристалли­зации.

Тип паяного соединения определяется формой и расположением деталей и на­грузкой. Пайкой соединяют однородные и разно­родные материалы: черные и цветные ме­таллы, сплавы, керамику, стекло и т. д.

Основные паяные соединения: внахлест­ку (ПН-1 ...ПН-6, включая телескопиче­ские ПН-4...ПН-6), встык (ПВ-1, ПВ-2), вскос (ПВ-З, ПВ-4), втавр (ПТ-1...ПТ-4), соприкасающиеся (ПС-1,ПС-2). Преиму­щественное применение имеют соединения внахлестку, как обеспечивающие достаточ­но высокую прочность вплоть до достиже­ния равнопрочности с целыми деталями.

Стыковые соединения имеют примене­ние, ограниченное малыми нагрузками, что связано с малыми поверхностями спая.

Соединения ступенчатые и вскос (ПВ-З, ПВ-4 с углом не более 30°) способны обеспечивать необходимую прочность, но их применение ограничивается сложностью изготовления.

Пайкой соединяют листы, стержни, тру­бы между собой и с плоскими деталями и др. Важную область составляют сотовые паяные конструкции.

Припой должен быть легкоплавким, хорошо смачивать соединяемые поверх­ности, обладать достаточно высокой проч­ностью, пластичностью, непроницае­мостью. Коэффициенты линейного расши­рения материалов соединяемых деталей и припоев не должны сильно различаться.

В технике применяют широкую номенклатуру припоев, разделяемую на группы по температуре плавления и по химическому составу.

Припой изготовляют в виде стержней, проволоки, пасты и порошка, а припойных сплавов различают намного больше, чем флюсов. Выбор припоя зависит от температуры плавления соединяемых металлических деталей.

Различают легкоплавкие, или мягкие, припои с температурой плавления до 350°С и тугоплавкие, или твердые, с температурой плавления выше 600°С. Из мягких припоев наиболее распространены оловянно-свинцовые сплавы, а из твердых — медноцинковые и серебряномедные сплавы. Из-за низкой температуры плавления не рекомендуется применять припои в соединениях, работающих при температуре выше 100°С. Мягкие припои широко применяют в приборостроении. Твердые припои применяют для соединений, несущих нагрузки. При статических нагрузках применяют припои на медной основе, а для соединений, воспринимающих ударные ивибрационные нагрузки,— припои на серебряной основе. В машиностроении употребительны следующие мягкие припои:

L-SN SB5 и L-SN AG5, а также оловянные сплавы с 5%-ной долей сурьмы или серебра с рабочей температурой от 230 до 240°С, применяемые для пайки коммуникационных медных труб с горячей или холодной водой, для обогревательных устройств и в пищевой промышленности.

Оловянно-свинцовые по ГОСТ 21930—76* : ПОС 61, ПОС 40, ПОС 30, ПОС 10 и др. (ши­рокое применение);

Соответственно температура их плавления составляет 190, 210 и 235°С, возрастая с понижением доли олова.

В группе твердых припоев различают очень низкоплавкие припои на алюминиевой основе, среди которых отметим особенно удобный для пайки по зазору алюминиевых сплавов всех видов — это L-AL SL12. Кроме того, низкоплавкими твердыми припоями являются припои, содержащие не менее 20% серебра. Так, например, припой L-AG 2P с относительно высоким диапазоном температуры плавления (от 650 до 810 °С) применяют для пайки меди и всевозможных медных сплавов во всех отраслях, где используют медь. Из группы твердых припоев, содержащих не менее 20% серебра, следует особо упомянуть припой L-AG 40CD — низкоплавкий твердый припой (595-630°С), относящийся к разновидности твердых припоев, служащих для пайки по зазору стали, меди и латуни. Припои на основе меди имеют температуру плавления около 900°С и используются при пайке стали, ковкого чугуна, меди и медных сплавов — это, например, L-Cu Zn 40, L-Cu Zn 39 Sn и так называемый нейзильбор L-Cu Ni 10 Zn 42.

Важно также знать, что медные, серебряные и мягкие припои проявляют оптимальную прочность только при ширине зазора от 0,05 до 0,1 мм, в то время как алюминиевые припои пригодны для зазоров шириной от 0,2 до 0,4 мм.

В процессе пайки для защиты поверхностей от загрязнения и окисления и соответственно для улучшения растекания жидкого припоя применяют флюсы.

Флюсы.От качества флюса во многом зависит хорошее смачивание припоем мест спайки и образование прочных швов. При температуре паяния флюс должен плавиться и растекаться равномерным слоем, в момент же пайки он должен всплывать на внешнюю поверхность припоя. Температура плавления флюса должна быть несколько ниже температуры плавления применяемого припоя.

Химически активные флюсы (кислотные)— это флюсы, имеющие в большинстве случаев в своем составе свободную соляную кислоту. Существенным недостатком кислотных флюсов является интенсивное образование коррозии паяных швов.

К химически активным флюсам прежде всего относится соляная кислота, которая употребляется для пайки стальных деталей мягкими припоями. Кислота, оставшаяся после пайки на поверхности металла, растворяет его и вызывает, появление коррозии. После пайки изделия необходимо промыть горячей проточной водой. Применение соляной кислоты при пайке радиоаппаратуры запрещается, так как во время эксплуатации возможно нарушение электрических контактов в местах пайки. Следует учитывать, что соляная кислота при попадании на тело вызывает ожоги.

Хлористый цинк (травленая кислота) в зависимости от условий пайки применяется в виде порошка или раствора. Используется для пайки латуни, меди и стали. Для приготовления флюса необходимо в свинцовой или стеклянной посуде растворить одну весовую часть цинка в пяти весовых частях 50-процентной соляной кислоты. Признаком образования хлористого цинка служит прекращение выделения пузырьков водорода. Из-за того, что в растворе всегда имеется небольшое количество свободной кислоты, в местах пайки возникает коррозия, поэтому после пайки место спая должно тщательно промываться в проточной горячей воде. Пайку с хлористым цинком в помещении, где находится радиоаппаратура, производить нельзя. Применять хлористый цинк для пайки электро и радиоаппаратуры также нельзя. Хранить хлористый цинк необходимо в стеклянной посуде с плотно закрытой стеклянной пробкой.

Бура (водная натриевая соль пироборной кислоты) применяется как флюс при пайке латунными и серебряными припоями. Легко растворяется в воде. При нагревании превращается в стекловидную массу. Температура плавления 741°С. Соли, образующиеся при пайке бурой, необходимо удалять механической зачисткой. Порошок буры следует хранить в герметически закрытых стеклянных банках.

Нашатырь (хлористый аммоний) применяется в виде порошка для очистки рабочей поверхности паяльника перед лужением.

Химически пассивные флюсы (бескислотные).

К бескислотным флюсам относятся различные органические вещества: канифоль, жиры, масла и глицерин. Наиболее широко в электро- и радиомонтажных работах применяется канифоль (в сухом виде или раствор ее в спирте). Самое ценное свойство канифоли, как флюса, заключается в том, что ее остатки после пайки не вызывают коррозии металлов. Канифоль не обладает ни восстанавливающими, ни растворяющими свойствами. Она служит исключительно для предохранения места пайки от окисления. Для приготовления спиртово-канифольного флюса берется одна весовая часть толченой канифоли, которая растворяется в шести весовых частях спирта. После полного растворения канифоли флюс считается готовым. При применении канифоли места пайки должны быть тщательно очищены от окислов. Часто для пайки с канифолью детали следует предварительно облуживать.

Стеарин не вызывает коррозии. Используется для пайки с особо мягкими припоями свинцовых оболочек кабелей, муфт и др. Температура плавления около 50°С.

В последнее время широкое применение получила группа флюсов ЛТИ, применяемых для пайки металлов мягкими припоями. По своим антикоррозийным свойствам флюсы ЛТИ не уступают бескислотным, но в то же время с ними можно паять металлы, которые раньше не поддавались пайке, например детали с гальваническими покрытиями. Флюсы ЛТИ могут применяться также для пайки железа и его сплавов (включая нержавеющую сталь), меди и ее сплавов и металлов с высоким удельным сопротивлением (см. табл. 6.1).

Таблица 6.1

Наименование	В весовых пропорциях
ЛТИ-1	ЛТИ-115	ЛТИ-120
Спирт-сырец или ректификат	67-73	63-74	63-74
Канифоль	20-25	20-25	20-25
Солянокислый анилин	3-7	—	—
Метафенилендиамин	—	3-5	—
Диэтиламин солянокислый	—	—	3-5
Триэтаноламин	1-2	1-2	1-2

При пайке с флюсом ЛТИ достаточно произвести очистку мест пайки только от масел, ржавчины и других загрязнений. При пайке оцинкованных деталей удалять цинк с места пайки не следует. Перед пайкой деталей с окалиной последняя должна быть удалена травлением в кислотах. Предварительное травление латуни не требуется. Флюс наносится на место спая с помощью кисточки, что можно сделать заблаговременно. Хранить флюс следует в стеклянной или керамической посуде. При пайке деталей сложного профиля можно применять паяльную пасту с добавлением флюса ЛТИ-120. Она состоит из 70—80 г вазелина, 20—25 г канифоли и 50—70 млг флюса ЛТИ-120.

Но флюсы ЛТИ-1 и ЛТИ-115 имеют один большой недостаток: после пайки остаются темные пятна, а также при работе с ними необходима интенсивная вентиляция. Флюс ЛТИ-120 не оставляет темных пятен после пайки и не требует интенсивной вентиляции, поэтому применение его значительно шире. Обычно остатки флюса после пайки можно не удалять. Но если изделие будет эксплуатироваться в тяжелых коррозийных условиях, то после пайки остатки флюса удаляются при помощи концов, смоченных спиртом или ацетоном. Изготовление флюса технологически несложно: в чистую деревянную или стеклянную посуду заливается спирт, насыпается измельченная канифоль до получения однородного раствора, затем вводится триэтаноламин, а затем активные добавки. После загрузки всех компонентов смесь перемешивается в течение 20—25 минут. Изготовленный флюс необходимо проверить на нейтральную реакцию с лакмусом или метилоранжем. Срок хранения флюса не более 6 месяцев.

При низкотемпературной пайке применяют в виде флюса канифоль и ее растворы, вазелин а также более активные флюсы, содержащие органические кислоты (олеиновую, молочную лимонную) и др.

При высокотемпературной пайке серебряными, медными и жаростойкими электродами применяют прокаленную буру Na₂B₄O₇ и ее смесь с борной кислотой. Для повышения активности флюса добавляют фтористые и хлористые соли металлов.

Клеевые соединения — это соединения неметаллическим веществом посредством поверхностного схватывания (адгезии) и внутренней межмолекулярной связи (когезни) в клеящем слое. Эти соединения в последние годы получили широкое при­менение.

Технология создания клеевых соединений состоит из подготовки склеиваемых поверхностей деталей путем очистки их от пыли, обез­жиривания и образования ше­роховатости зачисткой наж­дачной шкуркой или обработ­кой пескоструйным аппара­том; нанесения клея на эти поверхности и сборки деталей соединения; выдержки соеди­нения при требуемых давлении и температуре

Рис. 23.

Наиболее распространенные виды клеевых соединений (рис. 23) — нахлесточные (а), стыковые по косому срезу (в ус) (б) и с наклад­ками (б).

Достоинства клеевых соединений: возможность соединения де­талей из разнородных материалов, в том числе из тонколистовых, и не поддающихся сварке и пайке; герметичность, обеспечиваемая непрерывной клеевой пленкой; высокая коррозионная стойкость; хорошее сопротивление усталости.

Недостатки клеевых соединений: низкая прочность при неравномерном отрыве (отдире); ограниченная теплостойкость (лучшие клеи сохраняют достаточную прочность при температуре до 250°С); зависимость прочности соединения от сочета­ния материалов склеиваемых деталей, температуры склеивания и условий работы соединения; требование точной пригонки поверхно­стей склеиваемых деталей.

Прочность клеевого соединения зависит от марки клея, материалов соединяемых деталей, качества подготовки склеиваемых поверхностей деталей, режима склеивания и толщины клеевого шва. Толщина шва, зависящая от вязкости клея и давления при склеивании соединяемых деталей, рекомендуется в пределах 0,05. . .0,15 мм.

Применяемые в машиностроении клеи подразделяют на:

термореактивные — эпо­ксидные, полиэфирные, фенолоформальдегидные, полиуретановые;

термоплас­тичные на основе полиэтилена, поливинилхлорида; эластомеры на основе каучуков.

При нормальной температуре 18...20°С предел прочности на сдвиг большинства клеев 10...20 МПа (предельные достигае­мые значения 30...50 МПа); при 200... 250 °С снижается на 30...50 %.

Клеи на основе кремнийорганических соединений и неорганических полимеров (в частности, ВК2) обладают теплостой­костью до 700... 1000 "С, но меньшей проч­ностью и повышенной хрупкостью.

Предел выносливости клеевого соедине­ния при пульсационном цикле оценивают около 0,7 временного сопротивления, при повторном ударном 0,2.

Наряду с жидкими клеями применяют клеи в виде пленок, которые вкладывают между соединяемыми деталями, а потом нагревают и сжимают.

Если раньше инертные материалы, на­пример фторопласты, полиэтилен, не до­пускали склеивания, то теперь после спе­циальной поверхностной химической обра­ботки их склеивают обычными клеями. . Основным недостатком клеевых соедине­ний является их слабая работа на неравно-ядерный отрыв, что накладывает требова­ния на конструкцию соединений. Наиболее широко применяют соединения внахлестку, работающие на сдвиг. Стыковые соедине­ния для обеспечения прочности выполняют по косому срезу (на «ус») или предусмат­ривают накладки. При увеличении толщи­ны клеевого слоя прочность падает. Опти­мальная толщина слоя 0,05...0,15 мм.

Клеевые соединения могут упрочнять или полностью заменять соединения с на­тягом.

Для особопрочных соединений, испы­тывающих произвольную нагрузку, вклю­чая неравномерный отрыв, и вибрацион­ную нагрузку, применяют комбинирован­ные соединения, клеесварные и клеезаклепочные, клеерезьбовые.

Клеезаклепочные соединения прочнее клеесварных. Их обычно выпол­няют по незатвержденному (фенольному БФ-1, БФ-2 и др.) клею, что исключает необходимость сдавливания соединяемых листов при склеивании.

Успешно применяют клееболтовые со­единения.

Рассеяние энергии в клеевых соедине­ниях на 20—30 % больше, чем в обычных фрикционных.

При расчете на прочность нахлесточного клеевого соединения (рис. 4.1, а)размер нахлестки может быть определен из условия равнопрочности соединяемых деталей и клеевого шва:

где δ—толщина склеиваемых деталей; [σ_ρ] — допускаемое напря­жение на растяжение этих деталей; [τ_р]—допускаемое напряжение на срез клеевого шва.

Расчет на прочность клеевых соединений аналогичен расчету сварных соединений. Обычно размер клеевого шва назначают в за­висимости от размеров соединяемых деталей и расчет шва на проч­ность осуществляют как проверочный. Соответственно расчет на прочность клеевого шва нахлесточного соединения (рис. 4.1, а)про­изводят по формуле

где τ_с — расчетное напряжение на срез в клеевом шве; F — сила, действующая на соединение; b — ширина соединяемых деталей. Допускаемое напряжение на срез шва можно принимать для клея БФ-2 [τ_с] = 15. . .20 МПа, для клея БФ-4 [τ_с]=25. . .30 МПа.

ЛЕКЦИЯ № 7.