ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА ПРОЧНОСТЬ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Одним из важных моментов в обеспечении высокого качества паяных соединений является подготовка по­верхности под пайку. Сюда включается удаление раз­личного рода загрязнений с поверхности изделия и окис­неш пленки. Известно, что наличие остатков жировых загрязнений или недостаточно тщательное удаление окисной пленки нарушают условия смачивания паяемой поверхности расплавом припоя и являются причиной возникновения дефектов типа непропаев. При этом не­маловажное значение имеет способ удаления окисной пленки. Ниже представлено влияние способа подготов­ки поверхности перед пайкой на прочность паяных сое­динений (кгс/мм2) на примере пайки стали Ст. З железо­марганцевым припоем [14]:

Расплавы флюсов наряду с удалением окисной плен­ки способствуют снижению межфазной энергии на гра­нице раздела основной металл — флюс — припой, что улучшает смачивание. При пайке в газовых средах, со­держащих СО, Н2, N2, возможно нежелательное их воз­действие на металл с образованием на его поверхности карбидов, нитридов, гидридов, обезуглероженных зон.

Использование газовых сред обеспечивает возмож­ность получения паяных швов с минимальными зазора­ми. При пайке в вакууме вследствие дегазации металла

Рис. 115. Влияние предварительной де­формации основного металла иа свой­ства паяных соединений

1 — титан ВТ1-1; 2 — сплав ОТ4; 3 — сплав ВТ5-1

шва увеличивается плотность и прочность паяных сое — динений. Таким образом, при выборе способа удаления окисной пленки необходимо обращать внимание на эти факторы.

Предварительная деформация основного металла (например, сплавов на основе железа) вызывает дроб­ление структуры, образование тонкодисперсных выделе­ний карбидов по плоскостям скольжения, накопление дефектов упаковки, что способствует упрочнению паяе­мого металла, а это в свою очередь влияет на прочность паяных соединений (рис. 115) [13].

Особым случаем подготовки поверхности изделия к пайке является нанесение технологических и барьерных покрытий, приводящих к заметному упрочнению паяных соединений.

Способ пайки оказывает влияние на прочность пая­ных соединений. Так, например, пайка в печах или со­левых ваннах обеспечивает более равномерный нагрев,
чем пайка горелками или паяльником. Однако печной нагрев или нагрев в солевых ваннах может привести к снижению прочности основного металла. Этого недо­статка лишены такие способы нагрева, как индукцион­ный и сопротивлением.

Режим пайки зачастую оказывает решающее влияние на прочность паяных соединений. Как известно, в поня­тие режима пайки входит температура пайки, время вы­держки при температуре пайки, давление, скорость ох­лаждения паяного соединения.

Правильный выбор температурного интервала пайки обеспечивает хорошее смачивание припоем поверхности, гарантированное заполнение зазоров, контролируемое взаимодействие припоя с основным металлом. Совокуп­ность этих факторов обеспечивает максимальную проч­ность паяных соединений.

На рис. 116 приведена зависимость относительного удлинения титана и его сплавов при различной выдерж­ке в процессе пайки. Как можно видеть из приведенных данных, наибольшая пластичность обеспечивается при кратковременных и оптимальных выдержках. Причина этого явления в снижении прочности основного металла при диффузии в него припоя. При оптимальной выдерж­ке увеличение пластичности достигается в результате повышения равномерности распределения припоя в объ­еме основного металла. Дальнейшая выдержка при пай­ке сверх оптимальной ведет к падению пластичности в результате роста зерна основного металла. Оптималь­ное количество жидкой фазы в шве определяется эмпи­рически на основе анализа свойств паяного соединения.

Время выдержки в выбранном интервале температур пайки также определяет прочность паяйых соединений. Так, при капиллярной пайке время выдержки невелико и составляет от десятков секунд до нескольких минут. Увеличенное время выдержки, например при диффузи­онной пайке, может привести к резкому повышению прочности соединения. Однако продолжительное время выдержки может заметно ухудшить свойства основного металла. Зависимость прочности паяного соединения на срез от выдержки при пайке припоями Fe—Mn, Fe—С—- Мп и медью приведена на рис. 117.

Большое влияние на повышение прочности паяных соединений оказывает давление в процессе пайки. Это
особенно важно при пайке паяльными порошками и пас­тами, когда давление обеспечивает необходимую плот­ность металла шва.

Скорость охлаждения оказывает существенное влия­ние на структуру и, как следствие,, прочность паяных соединений. Увеличение скорости охлаждения может приводить к измельчению структуры, перераспределе­нию составляющих зоны сплавления или к выделению структурных составляющих, определяющих прочност­ные характеристики соединения. Как правило, измель­чение структурных составляющих повышает прочность соединения. Влияние скорости охлаждения на прочность

соединений при пайке в вакууме меди свинцом, оловом, индием и припоем ПСр7,5 дано на рис. 118 [15].

Изменение прочности от скорости охлаждения в дан­ном случае определяется распределением составляющих и изменением фазового состава шва.

В практике пайки для повышения механических, кор­розионных и других характеристик паяного шва до­вольно часто используют термическую обработку паяно­го соединения, которая может быть применена при пай­ке термообрабатываемых сплавов. При пайке изделий из закаливающихся сталей термообработку совмещают
с термическим циклом пайки. Так, например, при соеди нении быстрорежущих инструментальных сталей с кор­пусом инструмента из конструкционных сталей в каче­стве припоя используют ферромарганец (70—80% Мп). Это позволяет сразу после пайки произвести закалку инструмента с температуры 1200—1300° С с последую­щим отпуском при температуре 560—580° С. Аналогич­ным образом совмещают пайку с закалкой и отпуском для конструкционных сталей.

Кроме того, иногда используют термодиффузион­ный гомогенизирующий отжиг с целью выравнивания состава и улучшения структуры и механических харак­теристик паяного соединения. Так, например, использу­ют термодиффузионную обработку паяных соединений титановых рабочих колес центробежных компрессорных машин. Пайку проводят с применением в качестве при­поя фольги меди или. никеля (контактно-реактивная пайка) [16], что позволяет резко повысить механические характеристики паяного соединения и значительно сни­зить структурную и концентрационную неоднородность сплава в паяном шве. Такой обработкой можно добить­ся практически полного исчезновения хрупких фаз в шве.

Для обеспечения стабильности свойств паяных сое­динений в различных условиях эксплуатации и хране­ния прибегают к старению паяных соединений. Под ста­рением подразумевают распад пересыщенных твердых растворов, упорядочение, образование новых фаз на гра­нице контакта разнородных материалов и т. п.

Старение может происходить естественным путем, т. е. в процессе эксплуатации или хранения паяного из­делия или искусственным путем при специальных режи­мах термообработки. При анализе свойств паяных сое­динений необходимо учитывать явления, происходящие в процессе старения, поскольку при этом возможно воз­никновение фаз, в различной степени влияющих на прочностные характеристики соединений. Например, при пайке меди и латуни низкотемпературными оловянно­свинцовыми припоями в результате старения при темпе­ратуре до 170° С происходит снижение прочности соеди­нений из-за роста слоя интерметаллида Cu6Sn5 в зонах спаев [17]. Сложный многостадийный распад твердого раствора в паяном шве отмечен при пайке стали Х18Н10Т с использованием припоев ПМцЮ и Г40НХ

[18]. Отмечено различие интенсивности старения в цент­ральной и периферийной частях шва. Старение паяных швов с применением припоя ПМцЮ при температурах до 500° С не вызывает существенного изменения прочно­сти. Старение же соединений, выполненных припоем Г40НХ и особенно при температуре 500° С, приводит к резкому охрупчиванию паяных швов. В связи с этим припой Г40НХ нельзя рекомендовать для пайки сталь­ных конструкций, работающих при температуре около 500° С.

Прочность паяных соединений определяется также влиянием дефектов, которые могут образовываться при несоблюдении оптимальных условий и режима пайки.

К наиболее типичным дефектам, снижающим проч­ность паяных соединений, относятся поры, раковины, трещины, шлаковые и флюсовые включения, непропаи.

Все дефекты сплошности в паяных швах могут быть разделены на дефекты, связанные с заполнением жид­ким припоем капиллярных зазоров, и дефекты, возника­ющие при охлаждении и затвердевании паяных швов [191.

Возникновение первой группы дефектов определяет­ся особенностями движения расплава припоя в капил­лярном зазоре (поры, непропаи). Другая группа дефек­тов появляется вследствие уменьшения растворимости газов в металлах при переходе из жидкого состояния в твердое (газоусадочная пористость). Сюда также отно­сится пористость кристаллизационного и диффузионного происхождения. Кроме пор, к дефектам сплошности можно также отнести трещины, которые могут возни­кать в металле шва, в зоне спаев или в основном ме­талле.

Большую группу дефектов составляют шлаковые и флюсовые включения.

Причиной образования непропаев, которые берут на­чало у границы раздела с основным металлом, может явиться неправильное конструирование паяного соеди­нения (наличие «глухих», не имеющих выхода полостей в капиллярном зазоре), блокирование жидким припоем газа в шве при наличии неравномерного нагрева или не­равномерного зазора, а также местное отсутствие смачи­вания жидким припоем поверхности основного металла. С повышением температуры при удалении окисных пле­нок или загрязнений этот дефект может исчезнуть, а блокированные газовые включения могут перейти в ме­талл шва.

Кроме того, причиной появления блокированных остатков газа в швах может быть неравномерность про­движения фронта жидкости при затекании припоя в за­зор. Этот фронт дробится на участки ускоренного и за­медленного продвижения, в результате чего могут отсе­каться малые объемы газа. Таким же, образом может происходить захват флюса и шлаков в шве [21].

В процессе охлаждения соединения из-за уменьшения растворимости газов происходит их выделение и образо­вание рассеянной газовой пористости. Опыт высокотем­пературной пайки алюминиевых сплавов с предваритель­ной дегазацией припоев и флюсов показывает, что пори­стость металла шва при этом резко уменьшается.

Другой весьма распространенной причиной образова­ния рассеянной пористости является возникновение так называемой усадочной пористости. Это явление харак­терно для случая затвердевания зон сплавления с широ­ким интервалом кристаллизации. При наличии сравни­тельно малых зазоров усадочные междендритные пусто­ты, как правило, тянутся в виде цепочки в центральной части шва. При больших зазорах усадочные поры распо­лагаются в шве более равномерно в междендритных про­странствах.

Причиной образования пор в паяных швах может явиться эффект сфероидизации [23].

Пористость в зоне паяного шва возникает в резуль­тате нескомпенсированной диффузии атомов припоя и основного металла. Такого рода пористость возникает в системах припой — основной металл, у которых имеется заметное различие в коэффициентах диффузии, и распо­лагается чаще всего в диффузионной зоне.

Трещины в паяных швах могут возникать под дейст­вием напряжений и деформаций металла изделия или шва в процессе охлаждения. Принято различать холод­ные и горячие трещины. Холодные трещины образуются при температурах до 200° С. Горячими называются тре­щины, образующиеся при температуре выше 200° С. Эти трещины обычно имеют кристаллизационное или полиго — низационное происхождение. Если в процессе кристалли­зации скорость охлаждения высока и возникающие при этом напряжения велики, а деформационная способность металла шва мала, то возникают кристаллизационные трещины. Полигонизационные трещины в металле шва возникают уже при температурах ниже температуры со — лидуса после затвердевания сплава по так называемым полигонизационным границам, образующимся при встраи­вании дислокации в металле в ряды и образовании сет­ки дислокаций под действием внутренних напряжений.

Холодные трещины возникают чаще всего в зоне спаев, особенно в случае образования прослойки хруп­ких интерметаллидов.

Трещины в основном металле, могут образоваться, как рассмотрено выше, в результате воздействия жидких припоев.

Неметаллические включения типа флюсовых или шлаковых могут возникнуть в случае недостаточно тща­тельной подготовки поверхности изделия к пайке или при нарушении режима пайки. При слишком дли­тельном нагреве под пайку флюс реагирует с основным металлом с образованием твердых остатков, которые плохо вытесняются из зазора припоем. Шлаковые включе­ния могут образоваться также из-за взаимодействия припоев и флюсов с кислородом воздуха или пламенем горелки.

Анализ влияния рассмотренных факторов на проч­ность паяных соединений показывает [22], что увеличен­ная дефектность швов наблюдается при весьма малых или увеличенных зазорах.

К эксплуатационным факторам, влияющим на проч­ность соединения, относятся условия нагружения паяных соединений и условия их эксплуатации. К условиям нагружения относится характер приложения нагруз­ки, скорость нагружения, температура. Так, стыко­вые паяные соединения хорошо работают при растяже­нии и выдерживают гораздо меньшие нагрузки при из­гибе или ударе. При повышении температуры эксплуата­ции паяного изделия прочность соединения, как правило, падает. Однако при сравнительно невысоких температу­рах за счет диффузионного выравнивания и легирования состава сплава паяного шва возможно даже некоторое повышение прочности соединения.

Из практики эксплуатации стальных трубопроводов, паянных припоем на железной основе и работающих при повышенной температуре порядка 250—300° С, известно, что прочность соединения в процессе эксплуа­тации растет. Средой, в которой работают паяные соеди­нения, могут быть перегретый пар, активные газовые атмосферы, растворы, расплавы солей или металлов, т. е. среды, которые могут вступать в активное взаимо­действие с металлом паяного соединения. Как правило, в результате такого взаимодействия свойства паяного соединения ухудшаются либо из-за коррозионного раз­рушения металла шва, либо из-за межкристаллитного проникновения компонентов среды на значительную глубину. При оценке прочности и эксплуатационной надежности паяных соединений необходимо учитывать все эти факторы.

Updated: 18.04.2016 — 02:02