Лекция № 9

Неразъемные соединения

СВАРКА И ПАЯНИЕ МЕТАЛЛОВ

В электротехнике и радиоэлектронной аппаратуре широко используются неподвижные контакты, основными из которых являются пайка, сварка и соединение контактолами.

Пайку применяют не только для получения постоянного электрического контакта с малым переходным сопротивлением и хорошей механической прочностью, но и для получения вакуум-плотных швов.

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О СВАРКЕ

Сварка — процесс соединения отдельных деталей в одно неразъемное целое в результате молекулярного сцепления атомов материала свариваемых деталей, ко­торое достигается благодаря местному нагреву частей деталей до пластического состояния или приложению к ним значительного сжимающего усилия. Все существую­щие способы сварки делят на сварку плавлением и свар­ку давлением. При сварке плавлением сваривае­мые участки деталей расплавляют на определенную глу­бину высокотемпературным источником тепла; в случае необходимости в образованную таким путем сварочную ванну добавляют присадочный материал, расплавляемый тем же источником тепла. При затвердевании сварочной ванны образуется шов, соединяющий сваренные детали. Структура и свойства металла в сварном шве обычно отличаются от исходных.

Сварка давлением при обычной температуре происходит при высоком давлении и применяется для небольшого числа вязких материалов — свинца, меди, алюминия. Поэтому сварку давлением выполняют, пред­варительно нагрев свариваемые места до пластическо­го состояния — тогда усилие сжатия, необходимое для соединения свариваемых деталей, можно снизить. При этом способе сварки, иногда называемом пластической сваркой, структура и свойства металла в свариваемом шве практически не изменяются.

По роду и методу использования источника тепла, применяемого для нагрева деталей, различают электри­ческую (электродуговую и электроконтактную), кузнеч­ную, газовую и термитную сварку. Из них электродуго­вую сварку выполняют только плавлением, электрокон­тактную и кузнечную — только давлением, а газовую и термитную — плавлением и давлением.

Сварку применяют для соединения не только метал­лических, но и неметаллических деталей (винипласто- вых, полиэтиленовых и т. п.).

Сварка дает экономию метал­ла, упрощение проектирования и конструирования свар­ных конструкций, экономию времени и снижение стои­мости изготовления конструкций.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРКА

Электродуговая сварка — наиболее распространен­ный вид сварки, основанный на использовании для на­грева свариваемых деталей типа электрической дуги.

Электрическая дуга была открыта в 1802 г. академи­ком В. В. Петровым. В 1882 г. русский инженер Н. Н. Бенардос предложил способ дуговой электросварки уголь­ным электродом (рис. 19, а). Электрическая дуга при этом возникает между основным свариваемым изделием и угольным электродом. Сварку по Бенардосу обычно ведут на постоянном токе (для устойчивости дуги) при полярности минус — на электроде и плюс — на сварива­емом изделии.

Этот способ применяют в основном для сварива­ния цветных металлов и их сплавов, горячей сварки чугуна и наплавки на изношенные поверхности твердых

сплавов.

Рис. 19. Схемы дуговой сварки.

а – угольным электродом; б – металлическим электродом

В 1888 г. другой талантливый рус­ский инженер Н. Г. Славянов разрабо­тал способ

электро- дуговой сварки ме­таллическим элек­тродом (рис. 19, б), очень скоро нашед-

ший широкое применение во всем мире. На Всемирной выставке в Чикаго В 1893 г. Н. С. Славянов был награжден дипломом и золо­той медалью. По методу Славянова дуга возбуждается между металлическим электродом и свариваемым изде­лием, на котором образуется небольшой объем жидкого металла (сварочная ванна). Материал электрода при этом также плавится и переходит в сварочную ванну. Сварной шов, образующийся при остывании, представ­ляет собой довольно однородный сплав. Сварку можно вести как на постоянном, так и на переменном токе, при­меняя для питания дуги специальные сварочные преоб­разователи — сварочные мотор-генераторы постоянного тока или сварочные трансформаторы с дросселем-регулятором. Наибольшее рас­пространение получила сварка на переменном токе.

Качество сварного соединения в значительной степе­ни зависит от структуры и химического состава шва, а следовательно, от химического состава электрода.  Электроды покрывают специ­альной обмазкой, служащей для поддержания устойчи­вого горения дуги (ионизирующая обмазка), а также для раскисления или легирования материала шва и об­разования защитного шлакового покрова (качественная обмазка).

Для получения высококачественного сварного шва необходимо правильно подобрать электрод по типу, об­мазке и диаметру прутка, определить величину свароч­ного тока, тщательно очистить и разделать свариваемые места. Наиболее часто применяемые виды сварных сое­динений приведены на рис. 20, а их обозначение на чер­тежах регламентировано ГОСТ 5263—58.

При ручной сварке дугу зажигают кратковременным прикосновением электрода к месту сварки. При большой площади поперечного сечения шва приходится вести его заполнение расплавленным металлом методом последо­вательного наложения валиков. Качество ручной сварки всецело зависит от квалификации сварщика. При мас­совом или крупносерийном производстве однородных изделий выгодно применять автоматическую сварку по методу академика Е. О. Патона. В этом случае сварку ведет дугосварочный автомат (иногда называемый сва­рочным трактором), в котором подача электрода и флю­са, перемещение дуги и регулирование сварочного тока выполняются автоматически специальными механизма­ми. В процессе сварки сварочная ванна закрыта слоем жидкого шлака, образующегося при расплавлении флю­са, поэтому металл шва, надежно защищенный от кис­лорода и азота воздуха, раскисляется и легируется. Ско­рость сварки значительно выше, чем при ручном спо­собе.

Рис. 20. Виды сварных соединений

Сварку изделий из жароупорных, магниевых и алю­миниевых сплавов и нержавеющей стали для защиты шва от окисления и азотирования, а также для получе­ния коррозионностойкого сварного соединения выполня­ют в среде инертных газов (аргона, гелия) электродом из тугоплавкого металла — вольфрама без обмазки.

Электроконтактная сварка (сварка сопротивлением) основана на использовании нагрева частей (деталей) в месте сварки током, проходящим по свариваемым дета­лям. После достижения необходимой температуры сва­риваемые детали соединяют, прилагая необходимое дав­ление.

Электроконтактную сварку широко применяют для сварки деталей из различных сталей и цветных сплавов

Наиболее распространены три вида электроконтактной сварки: стыковая, точечная и роликовая.

Стыковую сварку (рис. 21, а) производят дву­мя способами — оплавлением и давлением. При этом соединение свариваемых изделий происходит по всей по­верхности их соприкосновения. При сварке оплавлением не требуется тщательной

Рис. 21. Схемы контактной сварки:

а — стыковой, б — точечной, в — роликовой

подготовки свариваемых мест. Ее применяют для деталей довольно сложного профиля. Торцы свариваемых деталей при этом способе приводят в легкое соприкосновение при подведенном к ним элект­рическом напряжении. В точках соприкосновения металл мгновенно нагревается и расплавляется, а последующее сближение деталей вызывает возникновение и разруше­ние новых перемычек, в результате чего концы деталей все более нагреваются и на них появляется тонкий слой жидкого металла, за которым следуют слои, нагретые до пластического состояния. При последующем сжатии (осадке) и выключении тока жидкий металл выдавли­вается из стыка, и слои, нагретые до пластического со­стояния, образуют сварное соединение. Необходимое электрическое напряжение на свариваемом стыке под­держивают в пределах 0,8—5 в, ток же достигает значе­ния сотен и тысяч ампер. Усилие осадки может состав­лять десятки тонн.

При сварке давлением свариваемые поверхности тща­тельно разделывают для того, чтобы получить надеж­ный контакт по всему стыку. Детали сжимают торцами и после этого дают ток. Стык и прилегающие к нему слои разогреваются до пластического состояния. Затем ток выключают и делают осадку. Сварное соединение приобретает при этом бочкообразное утолщение. Этот способ сварки применяют для стержней сечением до 1000 мм².

Стыковая сварка удобна тем, что ее можно пол­ностью механизировать и сделать высокопроизводитель­ной. Этим методом сваривают рельсы, трубы, штампо­ванные листы (в автомобилестроении) и др.

Точечную сварку (рис. 21, б) применяют для соединения внахлестку листов, штампованных и прокат­ных профилей и т. п. Эту сварку выполняют на специ­альных машинах точечной свар-ки. Свариваемые детали накладывают друг на друга и сжимают массивными медными электродами, охлаждаемыми изнутри водой. При включении тока металл свариваемых деталей в ме­сте их контакта быстро нагревается — в центральной части до жидкого, а по краям — до пластического состо­яния. После этого делают осадку давлением на электро­ды и выключают ток.

Роликовую (шовную) сварку (рис. 21, в) выполняют подобно точечной, но вместо стержневых применяют вращающиеся роликовые электроды, что по­зволяет получить сплошные швы при перекатывании па­ры контактных роликов по поверхностям наложенных друг на друга деталей. Возможно выполнение как сплошного, так и прерывистого шва.

Электроконтактную сварку применяют для сварива­ния сталей с любым содержанием углерода, для свари­вания меди с латунью, меди и латуни со сталью и т. д.

Кузнечная сварка — кузнечная операция, посредст­вом которой соединяют куски нагретого металла. При этом необходимо, чтобы металл был пол­ностью прогрет и тщательно прокован, а места сварки — надежно очищены.

ГАЗОВАЯ СВАРКА

Газовая сварка для нагрева свариваемых в рас­плавленном состоянии металлических изделий и при­садочного материала основана на использовании тепла газового пламени. Тепловые и химические свойства пла­мени зависят от рода и состава смеси. При газовой свар­ке применяют газо-кислородные смеси (бензино-кислородные, водородно-кислородные и наиболее часто ацетилено-кислородные), дающие при сгорании температуру до 3100—3300° С. Образование и сжигание смеси проис­ходит в специальных газовых горелках.

Кислород для газового пламени хранят в баллонах, окрашенных в голубой цвет, ацетилен — в баллонах бе­лого цвета. Часто ацетилен получают на месте разло­жением карбида кальция водой в ацетиленовых генера­торах. И тот и другой газ требуют крайней осторожно­сти в обращении.

Газовую сварку плавлением широко при­меняют для изготовления тонкостенных деталей из ста­лей, цветных металлов и их сплавов. Различают левый и правый способы газовой сварки. В первом случае шов ведут справа налево, пламя направлено на основной и присадочный металл, который находится перед горелкой и концом погружен в сварочную ванну. Этим способом сваривают металл толщиной до 5 мм.

При правом способе сварку ведут слева направо, пламя движется впереди присадочного материала и всегда направлено на шов, создавая условия для лучше­го качества сварки. Этим способом пользуются при свар­ке металла толщиной более 5 мм.

Газовую сварку давлением подразделяют на сварку с оплавлением или без оплавления торцов сва­риваемых деталей (аналогично электроконтактной свар­ке). Нагревание производят специальными многопла­менными горелками. Сварку без оплавления ведут при заданной температуре или постоянном давлении с обя­зательной предварительной обработкой торцевых по­верхностей.

ТЕРМИТНАЯ СВАРКА

Термитная сварка. Для нагревания свариваемых де­талей используют тепло, выделяющееся при горении термитов — порошкообразных смесей окислов металлов с восстановителями. Так, алюминиевый термит (смесь порошка алюминия с окисью железа) поджигают и при температуре около 3000°С получают окись алюминия и чистое термитное железо. Термитную сварку применяют для сваривания стыков железнодорожных рельсов, арма­туры железобетонных сооружений, труб, проводов связи и для приварки стыковых электрических соединителей (шунтов) к рельсам.

На рис. 22 дана схема сварки рельсовых стыков; тер­митную смесь поджигают в тигле и затем выливают в форму, в которую заключены концы свариваемых рель­сов.

При сварке плавлением (рис. 22, а) продукты реак­ции заливают в форму через отверстие в днище тигля, термитным железом расплавляют торцы рельсов и заполняют

зазор между ними. При сварке давлением (рис. 22, б) железо не сваривается с концами рельсов, так как окись алюминия образует на поверхности стали прочную пленку, но благодаря теплу концы рельсов на­греваются до пластического состояния и при осадке сва­риваются.

ПАЯНИЕ МЕТАЛЛОВ

Пайкой называется процесс получения неразъемных соединений с помощью специальных сплавов или металлов, температура плавления которых ниже температур плавления соединяемых деталей. Пайку применяют для всех марок углеродистых и ле­гированных сталей, цветных металлов и их сплавов, твердых сплавов и разнородных металлов.

Специальные сплавы, применяемые при пайке, называют припоями. Процесс пайки сопровождается нагреванием. В результате припой плавится, растекается по поверхности соединяемых деталей, заполняя зазор между ними. На границе соприкосновения расплавленного припоя и поверхностей соединяемых деталей происходят сложные физико-химические процессы. Припой диффундирует в основной металл, а поверхностный слой основного металла растворяется в припое, образуя промежуточную прослойку. После застывания образуется неразъемное соединение.

Наличие оксидных пленок, механических и органических загрязнений на поверхностях соединяемых деталей затрудняет процесс пайки. Поэтому перед пайкой соединяемые поверхности тщательно очищают, а в процессе пайки защищают от окисления вспомогательными составами, называемыми флюсами.

Для получения электрических контактов в радиоэлектронике применяют также токопроводящие пасты, клеи, эмали, объединяемые общим названием контактолы.

Припои должны обладать следующими свойствами: хорошая текучесть, т.е. способность легко растекаться в расплавленном состоянии и заполнять узкие зазоры и щели; малый интервал температур кристаллизации; высокая механическая прочность; коррозийная стойкость; высокая электропроводность.

Припои делятся на мягкие с температурой плавления до 400 ⁰С, и твердые с температурой плавления выше 400 ⁰С. Разные виды припоев существенно различаются по механическим свойствам.

Название марок припоев определяется металлами, входящих в их состав в наибольшем количестве (олово − О, свинец − С, алюминий − А, серебро − Ср, сурьма − Су, медь − М, цинк – Ц, кадмий − К). Обозначение драгоценного иди редкого металла, входящего в состав припоя, присутствует в названии марки и при малых количествах этого металла в сплаве. Мягкие припои имеют сравнительно невысокую температуру плавления и в ряде случаев не обеспечивают контакту, необходимую механическую прочность. К мягким припоям относятся оловянно-свинцовые припои (ПОС), с содержанием олова до 18% (ПОС-18), до 90% (ПОС-90). Удельная проводимость этих припоев составляет 9...13% от удельной проводимости меди, а температурный коэффициент линейного расширения больше, чем у меди, на 60...70%. Их температура плавления Т_пл = 183 ⁰С. Самую низкую темпера­туру плавления имеет сплав ПОС61 (третник).

Введение сурьмы повышает прочность припоя марки ПОС и уменьшает его «ползучесть» под нагрузкой. По содержанию сурьмы припои марки ПОС подразделяют на бессурьмянистые, малосурьмянистые (0,2...0,5% сурьмы, например ПОССу-30-0,5) и сурьмянистые (1.. .5% сурьмы, например ПОССу-40-2).

Добавка кадмия повышает проводимость и механическую прочность контакта (например, припои марки ПОСК).В радиотехнике и полиграфии нередко требуются сплавы с еще более низкой температурой плавления. Такие сплавы могут быть получены добавлением к ПОС висмута, сурьмы и кадмия. Например, сплав, содержа­щий около 12% олова, 25% свинца, 50% висмута и 12% кадмия, имеет температуру плавления 68° С.

Основные свойства и область применения мягких припоев приведены в таблице 3.47 [1].

Таблица 3.47.

Основные свойства и область применения мягких припоев

Мягкие припои подразделяют также на низкотемпературные с температурой плавления, до 400 ⁰С и легкоплавкие с температурой плавления до145 ⁰С.

Механическая прочность этих припоев не значительна, но они находят применение при пайке деталей, чувствительных к нагреванию (полупроводниковые приборы, выводы гибридно-пленочных и многокристальных больших интегральных микросхем).

Мягкие припои используют для пайки внутренних выводов корпусов микросхем, проволочных выводов навесных компонентов, герметизации корпусов, лужения наружных выводов корпусов микросхем, монтажа безкрпусных интегральных микросхем.

Твердые припои отличаются тугоплавкостью (температура плавления 500…900 ⁰С) и высокой механической прочностью.

Технология пайки этими припоями значительно сложнее и проводится в специальных электрических печах. Твердые припои на основе серебра (ПСр) применяют при пайке ответственных изделий электронной техники. В электронной промышленности твердыми припоями паяют узлы электронных ламп, электровакуумных устройств, а также герметичных корпусов. Такие припои называются электровакуумными. Они должны обладать следующими свойствами: обеспечивать высокую механическую прочность пайки в инертной среде или вакууме без применения флюса, остатки флюса и образующиеся оксиды могут загрязнить внутреннюю поверхность электровакуумного устройства; не испаряться при нагревании и не загрязнять детали устройства; обладать достаточно большими значениями электропроводности.

Основные свойства и область применения твердых припоев приведены в таблице 3.48.

Таблица 3.48.

Основные свойства и область применения твердых привоев

К твердым припоям относят серебряные, медно-цин­ковые, медно-фосфористые и специальные припои. Твер­дые припои плавятся при 700—900° С. Медно-цинковые припои имеют марку ПМЦ, а число после буквенного обозначения указывает на процентное содержание меди (ГОСТ 1534—42). Медно-фосфористые сплавы, применя­ющиеся в качестве припоев, обозначают буквами МФ (ГОСТ 4515—48), серебряные — ПСр (ГОСТ 8190—56), а числа указывают соответственно процент фосфора и серебра. Твердые припои обеспечивают более прочное и нагревостойкое соединение при пайке. Пайку алюминия выполняют специальными алюминиевыми припоями, в состав которых, кроме алюминия, входят олово, цинк, кадмий и др. Процесс пайки алюминия значительно сложнее, чем пайка черных металлов, меди и ее спла­вов. В качестве флюсов при пайке мягкими припоями применяют хлористый цинк (травленную кислоту), хло­ристый алюминий, нашатырь, соляную кислоту, кани­фоль. В частности, для лужения и пайки медных прово­дов в электротехнике, и особенно в радиотехнике, в ка­честве флюса применяют только канифоль. Канифоль в расплавленном состоянии растворяет окислы меди и же­леза, а ее остаток на месте пайки не вызывает коррозии, негигроскопичен и не является проводником электриче­ского тока. Кроме того, канифоль не разъедает изоля­ции проводов. Флюсами при пайке твердыми припоями служат бура, борная кислота и их смеси.

Пайка алюминия и его сплавов значительно ослож­нена тем, что эти материалы окисляются на воздухе и образуют твердые тугоплавкие неэлектропроводящие пленки окислов. Необходимый нагрев при пайке повы­шает интенсивность окисления. Поэтому при пайке алю­миния и его сплавов требуются особые, сложные по со­ставу припои, включающие хлористый цинк, хлористый алюминий, фтористый натрий и т. п. Нагрев при пайке производят паяльниками, газовыми горелками, паяль­ной лампой, в печах с нейтральной или восстановитель­ной средой, в соляных ваннах и др. Применяют также нагрев токами высокой частоты или электроконтактный.