4.5 Термическая резка, наплавка, металлизация и пайка

4.5.1 Термическая резка металлов может выполняться двумя путями: сжиганием металла в струе кислорода, сквозным проплавлением металла электрической, плазменной дугой или газовым пламенем. В зависимости от этого различают способы термической резки металлов.

Газокислородная резка (ГКР) основана на способности металла, нагретого до температуры воспламенения, сгорать в струе кислорода. Условиями проведения качественной ГКР являются:

- температура плавления (Т_пл) должна быть выше температуры его воспламенения;

- Т_пл оксида должна быть ниже Т_пл основного металла;

- теплопроводность, во избежание потерь тепла, должна быть минимальной.

Этим условиям удовлетворяют большинство углеродистых (до 0,7% С) и низколегированных сталей. Резку высокоуглеродистых сталей (> 0,7% С) ведут с подогревом. Высокохромистые стали, чугуны, Сu, Al, Mg этим условиям не удовлетворяют. Например, для чугуна Т_пл = 1200°С, Т_вос=1350°С, для стали Т_пл=1500°С, Т_вос=1250-1350°С, для меди Т_пл=1083°С, Т_пл СuО = 1336°С, Т_пл Си₂О = 1235°С, для алюминия Т_пл 658°С, Т_пл Al₂O₃ = 2050^оС, для высокохромистых сталей Т_пл Cr₂O₃ =2000°С.

Для удаления оксидов и оксидных пленок вместе с режущим кислородом вдувается флюс (песок, углекислый натрий с добавками 5-10% фтористого натрия и др.).

ГКР осуществляется с помощью обычного газосварочного оборудования, может быть ручной и машинной. Режущим инструментом является резак который в отличие от сварочной горелки имеет дополнительный канал для подачи режущего кислорода. ГКР состоит из трех процессов: подогрева металла, горения металла в среде О₂ и выдувания оксидов. ГКР можно разрезать металл толщиной до 2000мм.

Электродуговая резка (ЭДР) заключается в том, что горящая дуга выплавляет металл в месте реза. ЭДР выполняется как угольным, так и металлическим электродами. Различают воздушно- кислородно- и аргоно-дуговую резку. При ЭДР толщина реза составляет 100мм и более.

Плазменнодуговая резка (ПДР) заключается в выплавлении металла из полости реза направленным потоком плазмы, совпадающим со столбом дуги. ПДР применяется для резки листов алюминия и его сплавов (δ = 80-120 мм), медных сплавов, нержавеющих сталей, керамики, полупроводников и др. Ддя ПДР применяют газы N, Ar, He.

4.5.2 Наплавка процесс нанесения на металл слоя требуемого состава, при этом проплавление основного металла и его перемешивания с наплавленным металлом должны быть минимальный.

Существуют различные способы наплавки, основными из них являются: дуговая, вибродуговая, токами высокой частоты, газокислородная и плазменная.

Дуговая наплавка (ДН) металлическими электродами ведется короткой дугой на минимальном токе. Дня повышения производительности применяют наплавку пучком электродов и трехфазной дугой. Дня наплавочных работ разработано около 70 марок электродов (ГОСТ 10051-75) типа ЭН-15ГЗ-25, ЭН-60Х2СМ-50,ЭН-70ХХПНЗ-25, ЭН-130Х28СЧН -50 и т.д.), кроме того можно применять электроды общего назначения. Широко используются литые твердые сплавы-стеллиты (W, Co, Fe), сормайты (Fe, C, Cr, Ni) порошкообразные (зернистые) сплавы - вокар (W-C и др.) с НRС 80-82, металлокерамические (спеченные) твердые сплавы с НRC 86-90 (WC-Ti-Co), плавленые карбиды –WС с HRC 92-94, применяют для бурового инструмента.

Дуговая наплавка может быть ручной автоматической и полуавтоматической, под флюсом, электрошлаковой. Для твердых и порошкообразных сплавов применяют наплавку неплавящимися электродами (угольными или графитовыми). Для наплавки очень тонких слоев применяют дуговую наплавку вольфрамовыми электродами.

Широко распространена вибродуговая наплавка, которая производится стальной проволокой Ø 01,2-2 мм. При вибрации проволоки возникают короткие замыкания цепи, способствующие переносу электродного материала. Наплавляемая деталь в процессе наплавки вращается и на наплавленную поверхность подается охлаждающая жидкость.

4.5.3 Металлизация состоит в осаждении на поверхности изделия жидкого пылеобразного металла, распыляемого газовой струей. Распылённые капли металла, ударяясь о поверхность детали и, соединяясь с ней, образуют слой покрытия. Металлизированный слой состоит из мелких поверхностно-окисленных частичек металла и имеет меньшую прочность и плотность чем наплавленный слой.

Различают металлизацию дуговую, газовую, плазменную, ТВЧ и др. Металлизацию применяют для защиты от износа, коррозии, в декоративных целях.

4.5.4 Пайка металлов и сплавов это процесс соединения металлов путем заполнения зазора между ними присадочным металлом-припоем. Соединение образуется без расплавления кромок, что обеспечивает возможность распая.

Процесс образования паяного шва состоит из следующих этапов: прогрева материала до температуры, близкой к Т_пл припоя, расплавления припоя, растекания жидкого припоя по поверхности твердого материала, охлаждения и кристаллизации пропоя в шве. В результате смачивания твердой металлической поверхности между припоем и основным металлом возникает межатомная связь. Немаловажную роль при этом играют диффузионные процессы взаимодействия основного металла с припоем.

По особенностям процесса и технологии пайку делят на: капиллярную, при которой припой в зазоре удерживается за счет капиллярных сил; диффузионную, при которой в результате длительной выдержки при температуре пайки происходит взаимная диффузия компонентов; контактно-реактивная, при которой в результате контактного плавления металла и припоя образуется сплав шва; реактивно-флюсовую, при которой припой образуется за счет реакции вытеснения между основным металлом и флюсом (например: (3ZnCl₂+2Al=2AlCl₃+Zn), пайка-сварка, где паяный шов образуется как и при сварке плавлением.

Наибольшее применение получили капиллярная пайка и пайка-сварка. Качество паянных соединений зависит от выбора способа и технологии пайки, припоев и флюсов.

Припои должны отвечать следующим требованиям: Т_пл припоя меньше Т_пл основного металла; обеспечивать хорошую смачиваемость; коэффициенты термического расширения припоя и основного металла должны быть равны; обеспечивать необходимые свойства шва.

В зависимости от температуры плавления припои делят на легкоплавкие (Т_пл до 500°С) и тугоплавкие (Тпл > 500°С).

К легкоплавким припоям относятся оловяносвинцовые припои (П0С18...П0С90, цифры указывают содержание, Sn). Они имеют σ_в=43-60 МПа. Применяются в электро-радиоаппаратуре для пайки тонких проводов из меди. Оловяно-цинковые припои образуют соединения эвтектического типа. Припои ПОС-90 (90% Sn, Т_пл 199⁰С), ПОС-70, ПОС-60, ПОС-40 используют для пайки алюминия. Известны припои с очень невысокой температурой плавления (сплавы Вуда - Sn-Pb-Cd-Bi, Т_пл=68°С, Л47 – Sn-Pb-Cd-Bi-In, Т_пл=47⁰С).

К тугоплавким припоям относятся медно-цинковые ПМЦ-36, ПМЦ-48, ПМЦ-54 (цифры указывают на содержание Сu) Тпл_в=800-880°С, σ_в=300-200 МПа), применяются: для пайки неответственных деталей из меди и латуней. Медно-фтористые припои ПМФ7 (7%Р) позволяют вести пайку без флюса. Медно-серебряные припои ПСР-72, ПСР-50, ПСР-10 обладают хорошей смачиваемостью, растворимостью, пригодны для пайки любых металлов и сплавов, обеспечивает высокие механические свойства и малое переходное электросопротивление, Т_пл = 850⁰ С. Для пайки электронных трубок и вакуумной аппаратуры применяются медно-золотые припои. Для пайки Al и его сплавов применяют припои Al-Si (4-13%), Cu-Sn и др.

Припои используют в виде прутков, лент, трубок, порошков.

Флюсы для пайки служат для защиты паяемого соединения, очистки места пайки и припоя, от загрязнений, улучшения растекания припоя. Основными требованиями к флюсам являются: Т_пл флюса < Т_пл припоя; должен удалять поверхностные неметаллические пленки; хорошо смачивать поверхность; не должен заметно изменять состав металла шва.

По степени химического действия флюсы делятся на три группы:

- некоррозионные защитные: канифоль - С₂₀Н₃₀О₂- абиетиновая кислота, Т_пл = 73°С; канифольные лаки, древесные смолы применяют для пайки в радиоэлектронике;

- слабокоррозионные: минеральные масла и органические кислоты НСl, р-ры HNO₃. Применяют для пайки легкоплавкими припоями;

- коррозионные: хлористый цинк – ZnCl₂ , является реактивным флюсом, применяется для пайки Al и его сплавов; бура Na₂B₄O₇ и борная кислота Н₃BO₃ применяется для пайки тугоплавкими припоями.

Технологический процесс пайки легкоплавкими припоями состоит из следующих операций: подготовки поверхности; покрытие поверхности флюсом; подогрев (250-300°С) и залуживание паяльником; разогрев паяльником места пайки и нанесение припоя его расплавление и введение в зазор. Прочность соединения составляет σ_в=50-70МПа.

При пайке тугоплавкими припоями подготовленные и обработанные флюсом части изделий нагревают вместе с припоем до температуры его плавления. Наиболее распространена пайка газовым пламенем. Прочность соединения достигает (σ_в=450МПа).

Способы пайки классифицируют в зависимости от источников нагрева: пайка в печах, позволяет получать равномерный нагрев, имеет высокую производительность; индукционная пайка производится в вакууме или защитной среде, нагревают только место пайки; пайка сопротивлением может осуществляться на контактных сварочных машинах при изготовлении тонкостенных изделий; пайка погружением в ваннах с расплавленными солями (55% КСl и 45% NaCl, T=700-800°С) или припоями, применяют для деталей сложных форм из стали, алюминиевых и твердых сплавов; пайка с радиационным нагревом за счет излучения кварцевых ламп, электронного луча, светового потока (лазера); газопламенная пайка выполняется газосварочными или плазменными горелками; пайка электрическими и ультразвуковыми паяльниками. Последние применяют для пайки алюминия и их сплавов.

Основными типами паянных соединений являются стыковые, внахлестку, в ус, а также их разновидности.

Вопросы для самоконтроля

1. На чем основано газокислородная резка и условия ее проведения?

2. В чем состоит процесс электродуговой и плазменнодуговой резки?

3. Сущность, виды и применения наплавки.

4. Сущность, виды и применения металлизации.

5. Сущность и особенности процесса пайки.

6. Припои и флюсы для пайки, их виды и назначения.

7. Технология пайки легкоплавкими и тугоплавкими припоями.

8. Способы пайки, их применения.