Лекции по свариваемости металлов, страница 6

Паяный шов – элемент паяного соединения, включающий зону сплавления и диффузионную зону.

Паянное соединение – элемент паяного изделия, включающий паяный шов и прилегающие к нему участки основного металла.

Зона сплавления (4) – прослойка сплава, заключенная между соединяемыми деталями, образующаяся в результате взаимодействия жидкого припоя с основным металлом и последующей кристаллизации.

Слой изотермической кристаллизации (5) – прослойка постоянного состава, образующаяся при температуре пайки в результате выделения из расплава зоны сплавления на подложку твердой фазы.

Прикристаллизованный слой (3) – прослойка переменного состава, образующаяся при затвердевании зоны сплавления в результате выделения на подложку избыточной фазы.

Диффузионная зона (2) граничащий с зоной сплавления слой основного металла, образующийся в результате диффузии контактов припоя и основного металла.

1. Особенностью кристаллизации металла паяных швов является выраженная ликвация. Различают зональную неоднородность, проявляющуюся в виде скоплений отдельных компонентов в микроскопических зонах, и внутрикристаллическую ликвацию, характеризующуюся химической неоднородностью в пределах кристаллита.

При определенной степени переохлаждения возможна бездиффузионная кристаллизация в шве, при которой образующая из жидкости твердая фаза соответствует ей по составу.

Бездиффузионная кристаллизация имеет очень большое значение при пайке. С уменьшением зазора в паяемых деталях, начиная с определения оптимального количества жидкой фазы в шве, бездиффузионная кристаллизация проходит во всем объеме зоны сплавления, обеспечивая одинаковую структуру и равномерность свойств по ширине шва. С увеличением зазора выше оптимального значения кристаллизация идет с разделением компонентов и образованием в центральной части шва легкоплавкой и малопрочной прослойки, играющей роль надреза. Преодолеть этот недостаток капиллярной пайки с большим зазором можно путем создания условий, обеспечивающих образование по всей ширине шва однородного твердого раствора с другим интервалом кристаллизации.

6.3 Дефекты паяного шва и методы их устранения

Дефекты полярных изделий можно разделить на 3 группы: дефекты заготовок и сборки под пайку, дефекты паяных швов, дефекты паяных изделий в целом.

Качество паяного изделия зависит в первую очередь от качества изготовления заготовок и тщательной сборки под пайку. В процессе сборки устанавливают необходимые зазоры и соединяемые детали надежно закрепляют. После нанесения и закрепления припоя изделие устанавливают в приспособление, обеспечивающее при пайке наилучшие условия затекания припоя в зазор и наименьшие коробления.

Дефектами паяных швов являются: поры, раковины, трещины, шлаковые и флюсовые включения, непропай, т.е. неполное заполнение зазора припоем, отсутствие в отдельных местах спая между основным металлом и припоем. Последнее объясняется несмачиванием в этих местах паяемого металла припоем. Причиной образования пор и непроваров является выделение в процессе пайки газов, содержащихся в припое и образующихся при испарениях отдельных компонентов припоев и флюсов, а также влияние окисной пленки в условиях недостаточного нагрева или малой выдержки при температурах пайки.

Раковины в зоне сплавления образуются в результате недостаточного питания соединительного зазора припоем и усадочных явлений, происходящих при кристаллизации. Возникновению пор, неспаев и усадочных раковин способствует большой зазор. Наличие влаги во флюсе и на припое приводят к появлению пор и непроваров. Для предупреждения этого прутки припоя проваривают.

Шлаковые включения в шве образуются вследствие длительного нагрева под пайку, когда флюс, реагирует с основным металлом, образует твердые остатки, которые плохо вытесняются припоям на поверхность.

Трещины в паяных швах возникают под действием собственных напряжений или при ударах паяемого изделия, когда закристаллизовавшийся припой имеет еще низкую прочность. Трещины разделяют на горячие и холодные. Трещины в зоне спая часто образуются при пайке разнородных материалов с резко различными физико-химическими свойствами.

К дефектам паяного изделия в целом относят деформации и коробления, появляющиеся в результате неравномерного нагрева и охлаждения в процессе пайки, а также из-за небрежной сборки под пайку. Образование этих дефектов можно предупредить или уменьшить принимая общий нагрев, постепенное охлаждение после пайки. Необходимо надежно фиксировать положение отдельных элементов, соблюдать технологию пайки.

7 Основные методы определения свариваемости.

Свариваемость металлов и сплавов определяется на:

1. стойкость металла шва против кристаллизационных трещин;

2. стойкость металла шва и околошовной зоны против холодных трещин;

3. испытания стойкости металла шва и околошовной зоны против перехода в хрупкое состояние.

4. проверка механических свойств металла шва и околошовной зоны;

5. оценка получения сложного сварного шва;

6. оценка стойкости против коррозии;

… и т.д.

Методы определения показателей свариваемости можно разделить: на прямые, при которых оценку производят путем сварки (пайки) образца заданной конструкции; и на косвенные, при которых сварочные процессы заменяют другим, имитирующим его процессом. Косвенные методы испытания следует рассматривать только как предварительные.

Определение служебных характеристик металла шва и сварного соединения.

1. Испытание металла шва на растяжение. Целью его является определение _т или _0,2 предела текучести металла, его временного сопротивления при растяжении _в, относительного удлинения _г, сужения ;

2. Испытания сварного соединения на растяжение целью его является определение прочности сварного соединения в целом или металла шва;

3. Испытания металла шва и отдельных участков околошвной зоны на ударный изгиб. Целью являются определение ударной вязкости испытуемого металла.

4. Результаты, полученные при испытании сравнивают со значениями того же показателя для основного металла или величиной, регламентированной стандартами или техническими условиями на данный вид продукции.

Для определения изменения свойств в отдельных участках сварного соединения и степени неоднородности металла шва, околошовной зоны замеряют твердость металла на этих участках на приборы типа Виккерса или Роквела.

Определение стойкости металла против перехода в хрупкое состояние.

В зависимости от условий эксплуатации сварное соединение может разрушиться пластично или хрупко. В обоих случаях происходит транскристаллическое разрушение, т.е. разрушение по телу зерна.

Для пластичного разрушения стали характерны следующие признаки: поверхность излома матовая; края разрушенного участка значительно деформированы. Для хрупкого разрушения характерны следующие признаки: поверхность излома блестящая; края разрушенного участка деформированы мало.

Двум видам разрушения соответствует сопротивление разрушению среза и сопротивление отрыву (хрупкая прочность).

Проводят испытания стандартных образцов на поперечный изгиб; [с условным надрезом] испытание образцов на ударный изгиб с определением энергии, необходимой для зарождения и распространения трещин; испытания на растяжения и изгиб на пластиках с надрезом с одной стороны, где критерием оценки является угол изгиба при максимальной нагрузке, сужение площади поперечного сечения и удлинение, характеризуют пластичность металла перед тем, как начнет распространяется трещина.

Различают методы качественной и количественной оценки стойкости сварных соединений против образования холодных трещин. Качественную оценку проводят при помощи технологических проб на сварных образцах, в которых создают условия, способствующие образованию холодных трещин.

Обычно прибегают к закреплению соединяемых элементов на жестком основании – плите большой толщины и т.п. В контрольном шве технологической пробы определяют наличие или отсутствие холодных трещин. Определяют их вид и протяженность. По этим показателям предполагают, будут ли в реальных сварных соединениях возникать трещины и какие, т.е. определяют пригодность тех или иных марок сталей и сплавов, сварочных материалов, методов, режимов и других условий сварки для изготовления конкретного сварочного изделия.

Количественные оценки стойкости металла против образования холодных трещин основаны на испытаниях путем замедленного разрушения с помощью специальных машин или устройств. Проводят испытания на окончании сварки. По результатам испытания строят кривые замедленного разрушения и судят о склонности к холодным трещинам.

Определение стойкости шва против образования кристаллизационных трещин.

Все известные методы испытаний сплавов на сопротивление образованию горячих трещин можно классифицировать следующим образом:

а) Определение механических свойств сплавов в температурном интервале хрупкости;

б) Испытания с предупредительным деформированием образцов, подвергнутых сварному нагреву (имеется в виду деформирование под действием внешних сил);

в) Технологические пробы, где величие деформации металла в температурном интервале хрупкости образца, последовательности и режимов сварки.

Методы, предназначенные специально для изучения механических свойств сплавов в температурном интервале хрупкости, позволяют выявлять элементарные свойства сплавов при нагреве и охлаждении, совокупность которых определяет сопротивление сплавов образованию горячих трещин. Речь идет в первую очередь о таких характеристиках, как прочность и пластичность сплавов в температурном интервале хрупкости и ширина этого интервала.

Испытания проводят на образцах из основного металла в изотермических условиях при температурах кристаллизации или температурах нагрева металла в околошовной зоне. При этом скорости охлаждения металла оказываются значительно меньшими, чем в реальных условиях, что отражается на структуре металла и, следовательно, на результатах механических испытаний. Кроме того, границы ТНХ, определенные в изотермических условиях, могут не соответствовать границам ТНХ при сварке, что обусловлено смещением линии солидуса.

Определение технологической прочности на различных технологических пробах, которые в свою очередь делятся на качественные и количественные.

Качественные пробы предназначены лишь для отбраковки плохо сваривающихся сплавов. Они сводятся к выполнению сварных швов на образцах постоянной формы при соблюдении строго определенной последовательности и определению трещин на поверхности, на границах или в изломах сварных швов.

Количественные пробы создают с целью определения относительного количественного значения показателя технологической прочности металлов. Подобные пробы предназначены для решения вопроса, в какой последовательности располагаются сплавы в ряду с увеличивающейся или уменьшающийся склонностью их к образованию горячих трещин. При этом в соответствии с различными методами [4] в качестве критерия для оценки склонности к образованию трещин принимают количество трещин, возникающих в пробе, длину трещин или некоторый конструктивный параметр свариваемой пробы.

В большинстве существующих технологических количественных пробах регулировать вероятность образования горячих трещин можно путем изменения темпа внешних деформаций – чаще всего за счет изменения жесткости свариваемых узлов или применения специальных жестких компонентов.

Рис. 6. Технологические пробы.

Рис. 6.

8. Свариваемость однотипных материалов различными способами сварки и пайки Свариваемость цветных металлов и сплавов

8.1 Свариваемость алюминия и его сплавов

При и сварке алюминия и его сплавов возникают следующие затруднения: