Kvasnickij_Pajka_mat

Дослідження впливу величини напустку та паяльного зазору на міцність з’єднання

відбувається пластична деформація. В цьому випадку коефіцієнт поперечної деформації µ = 0,5.

Пластичні деформації в спаяних напусткових з’єднаннях сприяють зниженню концентрації напружень в крайніх точках і вирівнюванню розподілу напружень τ по довжині напустку. В цьому випадку при застосуванні припоїв, які забезпечують високі пластичні властивості з’єднань, в розрахунках можна використовувати формули (7.1)–(7.3).

Спаяне напусткове з’єднання знаходиться також під дією згинального моменту завдяки ексцентриситету e (див. рис. 7.3). Кожний елемент з’єднання при розтягуванні згинається, як показано на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Спаяне напусткове з’єднання під дією згинального моменту

Величина напружень σМ під дією згинального моменту знаходиться за рівнянням [10]

де σ0 – напруження в елементах під дією розтягувального зусилля, МПа. Таким чином, величина згинальних напружень залежить від довжини напустку lн і товщини елементів δ: чим більше lн і чим

менше δ, тим менше величина згинального моменту і додаткових напружень.

Міцність спаяних з’єднань залежить від величини зазору. Наприклад, на рис. 7.5 показано залежність міцності з’єднань різних металів від

81

Паяння матеріалів

величини зазору при паянні припоєм системи олово–свинець (рис. 7.5,а) і припоєм ПСр-45 (рис. 7.5,б).

Рис. 7.5. Вплив величини зазору на міцність з’єднань при зсуві при паянні припоєм системи Sn–Pb (а) низьковуглецевої сталі (крива 1), латуні (2)

і міді (3), а також припоєм ПСр-45 (б) сталі 45 (крива 1) і Ст3 (2)

Міцність припою ПСр-45 нижча, ніж міцність спаяних з’єднань. Максимальне значення міцності з’єднань відповідає певній величині зазору, що знаходиться в межах 0,05…0,15 мм. При менших зазорах виникають непропаї, а при більших відбивається вплив нижчої міцності припою. Безумовно, що залежно від проникної здатності припоїв та їх взаємодії з основним металом зазначені розміри зазорів можуть дещо змінюватись.

Величина зазору суттєво впливає також на міцність стикових з’єднань, але при цьому надзвичайно важливе значення мають пластичність металу шва, співвідношення границь плинності припою і основного металу, положення прошарку припою відносно силового потоку та відносна товщина прошарку η:

η= ah

або

η = dh ,

82

Дослідження впливу величини напустку та паяльного зазору на міцність з’єднання

де h – товщина прошарку; a, d – відповідно сторона квадратного стержня та діаметр круглого стержня.

Залежно від співвідношення границі плинності припою σт,пр і границі плинності основного металу σт,о.м виділяють ”м’які” прошарки (σт,пр < σт,о.м) і ”тверді” прошарки (σт,пр > σт,о.м).

Розглянемо роботу ,,м’якого” прошарку товщиною h, розташованого поперек силового потоку, в стержні квадратного перерізу з стороною а, як показано на рис. 7.6.

Рис.7.6. Схема деформацій та напружень в стержні (1) з ”м’яким” прошарком (2) при одноосному розтягуванні:

а – стержень з прошарком; б – ”м’який” прошарок

Оскільки σт,пр < σт,о.м то при певних напруженнях прошарок прагне деформуватися пластично, хоча основний метал знаходиться в пружному стані. Коефіцієнт поперечної деформації (коефіцієнт Пуассона) основного металу в пружному стані

µо.м= – εпоп /ε = 0,25...0,30.

В пластичному стані (за границею пружності) приріст поздовжніх деформацій ε спричиняє поперечну деформацію εпоп з коефіцієнтом 0,5, тобто для ”м’якого” прошарку в пластичному стані коефіцієнт Пуассона дорівнює

µпр = – εпоп /ε = 0,5.

83

Паяння матеріалів

Таким чином, ”м’який” прошарок прагне звузитися більше, ніж основний метал (умовно це показано на рис. 7.6,а штриховою лінією), але основний метал цьому перешкоджує. Це призводить до утворення між прошарком і основним металом дотичних напружень τ, а в перерізі І-І прошарку з’являються розтягувальні напруження σ. Такі ж напруження діють в інших напрямках (наприклад, за площиною листа), що формує об’ємний напружений стан, який перешкоджає пластичній деформації прошарку. При цьому площа перерізу прошарку залишається більшою, ніж вона повинна бути після досягнення границі плинності металу прошарку. Навантаження руйнування Pруйн визначається добутком руйнувального напруження σруйн і площі перерізу Fруйн. Оскільки зменшенню Fруйн перешкоджає основний метал і площа перерізу прошарку залишиться більшою, ніж вона повинна бути після досягнення границі плинності металу прошарку, то руйнування може відбутися навіть по основному металу. Для цього потрібно мати малу відносну товщину ”м’якого” прошарку η = h/a, а міцність прошарку на рівні, не нижчому 80 % міцності основного металу. При великій різниці між міцністю основного металу і припою отримати з’єднання з міцністю основного металу неможливо [11].

Слід відзначити, що при надзвичайно тонких прошарках припою, наприклад при паянні з тиском, властивості спаяного з’єднання визначаються процесами розчинення припоєм основного металу та дифузійними процесами.

Експериментальними дослідженнями Бредса встановлено вплив величини зазору на міцність стикових з’єднань при паянні сталі міддю і сріблом [11]. Ці метали є високопластичними та при паянні сталі утворюють ”м’який” прошарок. Результати досліджень показано на рис. 7.7.

З рис. 7.7 видно, що зі зменшенням товщини прошарку припою міцність з’єднання зростає. Максимальна міцність спостерігається при зазорах, значно менших 0,1 мм, однак з наведених даних не можна визначити відносну товщину прошарку. Більш конкретне

84

Дослідження впливу величини напустку та паяльного зазору на міцність з’єднання

уявлення про вплив відносної товщини прошарку припою на міцність спаяних з’єднань дає рис. 7.8 [10, 11].

Рис. 7.7. Залежність міцності стикових з’єднань інструментальної (1) і низьковуглецевої (2) сталі, спаяних міддю (а) і сріблом (б),

від величини зазору

З рис. 7.8 видно, що при відносній товщині прошарку припою (міді) менше 0,06, міцність спаяних з’єднань дорівнює міцності армко-заліза.

Рис. 7.8. Залежність міцності стикових з’єднань армкозаліза, спаяних міддю, від величини зазору h та відносної товщини прошарку η:

○– розрив по шву;

∆– розрив по основному металу

Вплив ”твердих” прошарків, що знаходяться поперек силового потоку, залежить від наявності концентраторів напружень. Якщо ці прошарки не знаходяться в зоні концентрації напружень, то на міцність з’єднань вони не впливають. При наявності концентраторів

85

Паяння матеріалів

напружень у ”твердому” прошарку міцність спаяного з’єднання різко падає, оскільки більш міцний метал більш чутливий до концентрації напружень.

”М’які” та ”тверді” прошарки припоїв у спаяних деталях і вузлах можуть знаходитись також вздовж силового потоку, як показано на рис. 7.9.

ІІІ

ІІІ

При розтягуванні – стисканні зразка, зображеного на рис. 7.9, площини перерізів І–І і ІІ–ІІ не викривляються, тобто деформації ε під дією напружень σ по всьому перерізу однакові, а напруження в основному металі і припої різні. Залежність величини напружень від величини деформації основного металу, ”м’якого” та ”твердого” прошарків припою показано на рис. 7.10 [6].

Рис. 7.10. Діаграми залежності напружень σ від деформації ε для основного металу (1), ”м’якого” (2) та ”твердого” (3) прошарків при розтягуванні

86

Дослідження впливу величини напустку та паяльного зазору на міцність з’єднання

На рис. 7.10. точками А1, А2, А3 позначено руйнування основного металу, ”м’якого” та ”твердого” прошарків відповідно при деформаціях ε1, ε2, ε3. Якщо з’єднання має ”м’який” прошарок, то при досягненні в основному металі навіть руйнівного напруження σ1 при деформації ε1 прошарок не вичерпає свою пластичність. У цьому випадку раніше руйнується основний метал, і напруження в прошарку будуть менші за руйнівні. Якщо в з’єднанні утворився ”твердий” прошарок, то він зруйнується раніше основного металу при деформації ε3, створить концентратор напружень та спричинить негативний вплив на міцність з’єднання.

Таким чином, міцність спаяних з’єднань залежить від багатьох факторів. Їх дійсний вплив, оптимальні величини зазорів та допустимі напруження доцільно визначати дослідним шляхом.

Допустиме напруження для спаяного з’єднання визначають через руйнівне напруження і коефіцієнт запасу міцності kз. При статичному навантаженні рекомендується kз = 2,5…3,0, а допустимі напруження знаходять за рівнянням

[σ′]= σp ; kз

[τ′]= τp , kз

де σp = PFp МПа для з’єднання встик; τp = PFp МПа для з’єднання

внапусток; Рр – руйнівне навантаження на шов, МН; F – площа шва, спаяного встик або площа напустку, м2.

7.2.Устаткування і матеріали

1.Печі для паяння камерна, шахтна, вакуумна СНВ-1.3.1/2011 або установка УДСВ-ДТ.

87

Паяння матеріалів

2.Прилади контролю і вимірювання температури паяння.

3.Прес для випробування зразків до 50 кН.

4.Штангенциркуль.

5.Піпетка для дозування розчину флюсу.

6.Зразки для телескопічних з’єднань (5 шт.), показані на рис. 7.11,а, та зразки для стикових з’єднань (10 шт.), показані на рис. 7.11,б.

7.Свинцево-олов’яний припій ПОС-30 у вигляді дроту.

8.Флюс: 50-відсотковий розчин хлористого цинку.

9.Ацетон, чи спирт, або інший знезжирювальний розчин.

10.Абразивний папір.

11.Набір прокладок, що забезпечують величину напустку та рівномірний зазор між поверхнями паяння.

12.Слюсарний інструмент.

13.Мідна фольга товщиною 0,01; 0,1; 1,0 мм.

Рис. 7.11. Зразок для паяння стикових з’єднань (а) та складені для паяння зразки з телескопічним з’єднанням (б):

1,3 – циліндричні зразки; 2 – припій;4 – керамічна підкладка; 5 – стальні підкладки

88

Дослідження впливу величини напустку та паяльного зазору на міцність з’єднання

7.3.Порядок виконання роботи

7.3.1.Дослідження впливу величини зазору на міцність телескопічних з’єднань

1. Підібрати зразки, щоб забезпечити зазори між поверхнями паяння

0,05; 0,10; 0,15; 0,20; 0,25 мм (див. рис. 7.11); d1 змінюється обробкою на токарному верстаті для забезпечення заданої величини зазору; верхній і нижній зразки підбирають попарно.

2. Зачистити зразки абразивним папером і знежирити їх поверхні.

3. Визначити величину паяльних зазорів ∆ з точністю до 0,01 мм. Виконувати вимірювання діаметра кожної заготовки не менше ніж у трьох точках, розташованих під кутом 120°. Середнє значення занести в таблицю для реєстрації результатів досліду:

4. Виготовити кільця з припою. Необхідний об’єм припою v розрахувати за умови заповнення зазору з урахуванням утворення галтелей за формулою

Діаметр дроту припою орієнтовно визначається за формулою dпр = 8l∆πmax .

89

Паяння матеріалів

Усі дослідження телескопічних з’єднань виконуються при паянні свинцево-олов’яним припоєм. Паяння зразків можна проводити після попереднього лудіння поверхонь, що гарантує змочування при малих зазорах. Підготовлені зразки нагрівають до температури паяння і вставляють один у другий.

5.Нанести на заготовки номери зразків і скласти їх на керамічній пластині. За допомогою підкладок 4, 5 (див. рис. 7.11,б) встановити величину напустку 10 мм. Забезпечити рівномірність зазорів за допомогою трьох вставок, установлених в зазор між заготовками по колу приблизно через 120 º, встановити підготовлений припій.

6.За допомогою піпетки нанести флюс. Кількість флюсу повинна бути незмінною для кожного зразка.

7.Складені зразки розташувати на керамічній пластині і помістити в піч, нагріту на 40...50 °С вище температури плавлення припою.

8.Витримати зразки в печі протягом 4…5 хв, потім витягти їх із печі, охолодити, промити від залишків флюсу і випробувати на пресі.

9.Результати випробувань занести в таблицю і за отриманими даними побудувати залежність міцності зразка від величини зазору.

7.3.2. Дослідження впливу величини напустку на міцність телескопічних з’єднань

1. Підібрати зразки (див. рис.6.11,б роботи № 6) із однаковим паяльним зазором (6 шт.).

2–4. Виконати операції попереднього досліду.

5. Нанести на зразки номери і скласти їх на керамічній пластині, забезпечивши величину напустку 2; 3; 5; 10; 15; 20 мм за допомогою підкладок 4, 5 (див. рис. 7.11,б). Рівномірність паяльного зазору забезпечується, як в попередньому дослідні.

6–8. Виконати операції попереднього досліду.

90