14.2 Плазменно-дуговая резка

Способ плазменно-дуговой резки основан на проплавлении обрабатываемого металла сжатой дугой и интенсивном удалении расплава струей плазмы. Сущность плазменного процесса, а также принципиальные схемы плазмотронов изложены в разделе «Плазменная сварка».

В отличие от плазменной сварки при резке происходит интенсивное удаление расплавленного металла кинетической энергией плазменной дуги. Для резки применяется, как правило, плазма прямого действия, резка выполняется на раскроечных столах с вытяжной вентиляцией специальными машинами (например, ППлЦ с цифровым программным управлением). Резка выполняется с заданной скоростью, перемещая режущий плазмотрон по заданной траектории над поверхностью разрезаемого металла (см. рис. 110).

1

2

3

1 – плазмотрон;

2 – разрезаемый металл;

3 – плазменная дуга.

Рис. 110. Схема процесса плазменно-дуговой резки.

В качестве рабочих плазмообразующих сред при плазменно-дуговой резке используют азот, его смеси с водородом, аргоно-водородные смеси, кислород и его смеси с азотом и особенно часто – сжатый воздух.

Рабочие смеси должны обеспечивать:

• эффективное преобразование и передачу разрезаемому металлу тепловой энергии электрической дуги;

• получение качественного металла на кромках реза;

• обеспечение стойкости рабочего электрода плазмотрона (катода);

• экономичность и недефицитность применения, а также безопасность работы;

• получение дополнительной энергии за счет экзотермических реакций.

Многоатомные газы и пары воды при высоких температурах столба дуги распадаются на атомы, вновь рекомбинирующие на поверхности реза и освобождающие дополнительную энергию, заимствованную при диссоциации молекул.

С целью повышения производительности и качества реза плазменную резку различных материалов выполняют с использованием соответствующих рабочих сред. Например, для резки алюминиевых сплавов наиболее подходят нейтральные газы (аргон, азот и их смеси с водородом). Для резки же стали целесообразно применение кислородосодержащих сред, в особенности, сжатого воздуха.

В таблице № 14 приведены рекомендуемые рабочие режущие среды для различных металлов.

Таблица № 14

Рабочая среда	Обрабатываемый металл
	Алюминий, медь и сплавы на их основе	Коррозионно-стойкая сталь		Углеродистая и низколегированная сталь
Сжатый воздух	Для заготовительной машинной резки t≤80	Для экономичной машинной и ручной резки
Кислород	Не рекомендуется	-	Для машинной резки повышенного качества
Азотно-кислородная смесь		Для машинной резки с повышенной скоростью
Азотно или аргоно-азотная смесь	Для экономичной машинной и ручной резки	Для полуавтоматической и ручной резки			-
Азотно-водородная смесь
Аргоно-водородная смесь	Для резки кромок повышенного качества и резки листов толщиной t = 80…140	Не рекомендуется

15. Пайка металлов

Пайка, как и сварка, один из способов получения неразъемных соединений.

Пайка - образование соединений с межатомными связями путем нагрева соединяемых деталей ниже температуры их плавления, смачивания их припоем, затекания припоя в зазор и последующей его кристаллизации.

В отличие от сварки, при которой основной и присадочный металл расплавляются, при пайке паяемый металл не плавится.

Преимущества пайки:

• возможность одновременно паять много деталей ( печная пайка);

• меньшие, чем при сварке деформации и напряжения; так как металл не нагревается, как правило, до критических температур и поэтому не претерпевает структурных изменений;

• пайка разъемна при повторном нагреве до температуры пайки.

Для проведения качественной пайки требуется:

• источник тепла, обеспечивающий проведение пайки ( паяльник, газопламенная горелка, печь, генератор тока высокой частоты (ТВЧ), точечная машина и т.п.);

• припой для заполнения зазора и образования паяного шва, выбранный согласно нормативным документам (см. таблицу №15);

• зазор между деталями и другие конструктивные элементы паяного соединения в соответствии с нормативными документами (см. таблицу №16);

• флюс для обеспечения смачиваемости, защиты паяемых поверхностей от окисления и образования капиллярных сил ( см. таблицу №17);

Оборудование для пайки ( источник тепла).

Печи, электронагревательные ванны относятся к источникам общего нагрева.

Из них чаще всего применяются камерные, шахтные печи с воздушной, вакуумной или с защитной средой, конвеерные печи.

Пайка при высокой температуре проводится, как правило, в печах, это придает безопасность производству, легко контролируется и может быть механизировано, поэтому такая пайка широко применяется в машиностроении. Детали при пайке в печах должны быть прижаты или закернены и установлены на подставку из теплопрочного материала. Применяют готовый припой необходимой формы и прфиля, при этом размещение припоя может быть над капиллярным зазором или под ним (см. рис. 111).

Флюс при пайке в печах с воздушной атмосферой наносится предварительно, его необходимо просушить перед помещением изделия в печь.

Вакуумные печи применяются для высокотемпературной бесфлюсовой пайки твердыми припоями ответственных соединений. Запрещается применять припои, содержащие цинк во избежание засорения вакуумной печи парами цинка.

В электронагревательных ваннах нагрев происходит путем теплопередачи от нагретых жидкостей - масла, расплавленных солей и щелочей .

В соляных ваннах одновременно большое количество изделий быстро получают

высокий равномерный нагрев, защищаются от окисления солью или флюсом и

паяются. Наряду с достоинствами пайка в соляных ваннах имеет и недостатки:

тяжелые вредные условия труда, большой расход соли, большой расход электроэнергии из-за повышенных тепловых потерь зеркалом ванны.

В радиотехнической промышленности часто для получения сразу нескольх спаев на одной детали применяется мягкая пайка волной припоя, при которой изделие перемещают по непрерывному потоку жидкого припоя в ванне, касаясь его точками, подлежащими пайке.

Источники местного нагрева - это газопламенные горелки, паяльники, паяльные лампы, установки с нагревом электросопротивлением (обычно машины контактной точечной сварки), индукторы. Для местого нагрева чаще всего применяются индукторы, которые питаются от генератора тока с частотой 50…10⁶ гц( см.рис. 111).

Индукторы обычно изготавливают из медных трубок с водяным охлаждением.

Индукционная пайка применяется чаще всего благодаря следующим достоинствам: обеспечивается быстрый равномерный нагрев зоны соединения, в результате чего паяемые поверхности не успевают сильно окислиться и зерно растет незначительно, режим пайки повторяется без настройки, процесс легко управляется и автоматизируется. Глубина проникновения электрического тока невелика, особенно при пайке магнитных материалов (при пайке парамагнитных меди, нержавеющих сталей, алюминия нагрев более равномерный).

Припои.

Требования, предъявляемые к припою:

• Т_ПЛ припоя должна быть меньше Т_ПЛ паяемого металлане менее, чем на 50С.

• коэффициенты линейного расширения припоя и металла не должны резко отличаться, иначе при кристаллизации припоя могут возникнуть трещины,

• жидкий припой (с флюсом, в защитной среде или в вакууме) должен хорошо смачивать паяемый металл,

• припои для радиоаппаратуры (РЭА) и электротехническихцелей должны иметь высокую электропроводность,

• прочность, пластичность, герметичность припоя должны соответствовать требованиям, предъявляемым к конструкции в целом.

Припои по температуре плавления делятся на мягкие ( легкоплавкие) с Т_ПЛот 30ºС до 450ºС итвердые( тугоплавкие) с Т_ПЛот 450 до 1200ºС ; по форме - на прутковые, листовые, порошковые, самофлюсующие ( флюс заключен в трубку, свитую из ленты).

Мягкие припои обычно применяют 2-х или 3-х компонентные. Из них чаще всего используют оловянно-свинцовистые припоиили с добавками сурьмы, кадмия, цинка, серебра, индия, висмута.

Твердые припои изготавливают на основе алюминия, железа, меди, марганца, никеля, кобальта, титана, циркония, серебра.

Алюминиевые припои системы Al + 11%Si(эвтектический сплав с Т_ПЛ = 577ºС и доэвтэктические сплавы). Они обладают хорошей смачиваемостью и коррозионной стойкостью, но отличаются от паяемого алюминия серым цветом.

Широкое распространение получили медные припои, даже чистая медь М0, М1.

Медь хорошо смачивает сталь, прочна, пластична, выдерживает высокую температуру при эксплуатации, но склонна к кристализационным трешинам и пористости. Медно-фосфорные припои - самые легкоплавкие из медных припоев, обладают самофлюсующими свойствами, так как фосфор при температуре пайки растекается по поверхности.защищая ее от окисления. Пайка черных металлов этими припоями не допускается, так как хрупкие фосфиды не выдерживают ударов и вибрации.Медно-никелевые припои применяют для пайки тонкостенных деталей, потому что при этом не происходит растворения основного металла. Ими паяют нержавеющие и жаропрочные сплавы, работающие при высоких температурах.Медно-цинковые припои (латуни)

нашли широкое применение для пайки большинства металлов из-за дешевизны, низкой температуры пайки, хорошей растекаемости, высокой прочности. Самые технологичные из них - ЛОК-62-06-04, П81, П47 (новинка, применяются взамен серебряных припоев).

Серебряные припои - содержат драгметалл, поэтому требуют тшательного расчета потребного количества и строгой бухгалтерской отчетности.

Это самые технологичные припои, ими паяются почти все металлы и сплавы в воздушной среде, даже металлы с неметаллами ( керамикой, стеклом). Паяные швы с этими припоями прочны, пластичны, коррозионностойки в различных средах, герметичны и обладают повышенной электро и теплопроводностью.

Физические свойства и хим. состав распространенных припоев указаны в таблице №15

Свойства припоев.

Таблица №15

Система	Марка, хим.состав	Назначение	Прочность при срезе МПа (кгс/мм^2) ТПЛ ºС
Sn + Pb Оловянно- свинцовые Sn +Pb+ Sb ( с сурьмой) Sn +Pb+ Cd (с кадмием)	ПОС-40 ( 40% Sn, Pb -ост) ПОССу 61-0,5 (60%Sn, 0,5%Sb, Pb - остальное) ПОСК 50-18 (50%Sn, 18%Cd, Pb - остальное)	Для пайки стали, меди и их сплавов Для пайки стали, меди и их сплавов Для пайки меди, стали, алюминия, порошковых материалов, чувствитель- ных к перегреву	38 (3,8) 180…235 45 (4,5) 180…183 40(4) 142…145
Sn +Pb+ Ag (с серебром)	Пср 2,5 (92%Pb, 2,5%Ag, Sn - остальное)	Для пайки меди, сталей, никеля и их сплавов на воздухе , а также для пайки неметаллов с металлопокрытием и металлов в изделиях радиоэлектронной аппаратуры (РЭА).	36 (3,6) 295…305
Cu Чистая медь	М1	Для индукционной пайки обычно в вакууме и защитной среде сталей, а также никелесодержащих сплавов ; на воздухе-применять флюс (буру)	220(22) 1083
Cu+P Медно-фосфорные	МФ-7 (7% Р, ост.- Cu) НОВИНКА	Для пайки меди и ее сплавов без флюса. Для пайки латуни Л63, алюмин. бронзы, флюс необходим	120(12) по меди, 707…810
Сu+P+Sn+Zr (с оловом и цирконием)	ПМФОЦр-6-4-0,03 ( 6% Р, 4% Sn, 0,03%Zr, остальное -Сu) НОВИНКА	Для пайки меди и бронзы, самофлюсующий	190(19) 640…700
Cu+Zn Медно-цинковые (латуни)	Л63 (63%Cu, остальное Zn)	Для пайки меди и углеродистой стали в воздухе.	273(27,3) 900…905
Cu+Zn+Sn+Si (с оловом и кремнием)	ЛОК-62-06-04 (62%Cu; 0,6% Sn; 0,4% Si; остальное Zn)	-"- Также для пайки чугуна.	316(31,6) 900…905
Cu+Zn+Р+Ni (с фосфором и никелем)	П81 (62% Cu; 6% Р ; 6% Ni; остальное - Zn) НОВИНКА	Для пайки меди, серебра, никеля и его сплавов, твердых сплавов, чугуна и их сочетаний, заменитель сереб- ряных припоев	170(17,0) 660
Ag+ Cu Серебряные	Пср 72 (72% Ag, остальноеCu) эвтектический	Для пайки меди, нержавею- щих сталей на воздухе и вакууме, керамики с металлами	300(30) 779
Ag+Cu+ Zn ( с цинком)	Пср 45 (45% Ag, 25%Zn, остальноеCu)	Для пайки меди, нержавеющих сталей, бериллиевой бронзы. Значительно дешевле Пср72	300(30) 660…725
Ag+Cu+ Zn+ Cd+Ni ( с цинком, кадмием, никелем)	Пср 40 (40% Ag, 17% Zn, 26% Cd, 0,3% Ni, остальноеCu)	Для пайки меди и ее сплавов, нержавеющих сталей Обладает высокой жидкотекучестью за счет введения кадмия. Пайку производить быстро.	380(38) 595…605
Ti+Cu+Fе+Si Титановые	ПрМТ 45 50% Cu, 3%Fе, 1%Si, остальное-Ti эвтектический	Для вакуумной пайки титана и его сплавов толщиной не менее 0,8мм.Смесь порошков,разведенная спиртом и водой.	343(34,3) 955
Al+Cu Алюминиевые	34А (65% Al, 27% Cu, 6% Si) эвтектический	Для пайки алюминиевых сплавов, обладают хорошей жидкотекучестью, самофлюсующий. Недостаток: имеет серый цвет, отличающийся от цвета алюминия, не применяется в пищевой промышленности.	92(9,2) 525
Cu+Ni+Fе+Si Медно-никелевые	ВПр 4 (30% Ni, 1%Fе, 2%Si) самофлюсую- щий	Для пайки сталей, в том числе и нержавеющих	320(32) 1170…1210
Fе+Cu+Ni+Сr +Nb Медно-железные	ПЖ60НХБ (60%Fе+1%Ni+1%Сr+1%Nb, ост.- Cu) самофлюсующ. НОВИНКА	Для напайки режущих пластин, в том числе и из быстрорежущей стали, на инструмент. Стойкость в 2. раза выше цельного инструмента.	270(27) 950…970

Конструктивные элементы паяных соединений.

К конструктивным элементам паяного соединения относятся: вид соединения,

капиллярный зазор, площадь соединения или ширина нахлестки, наличие и размеры канавки под укладку припоя.

По типу соединения паяные швы могут быть нахлесточные, телескопические (частный вид нахлесточных), стыковые, косостыковые, тавровые (см. рис.111).

стыковое 2 (слабое) применяередко)

нахлесточное 1

косостыковое 3 (более технологичное, чем 2)

тавровое 4 (слабое)

Канавка под

укладку припоя

т

телескопическое 6 (разновидность нахлесточного)

авровое 5 ( более технологичное, чем 4)

Рис.111

В конструкциях трубопроводов, работающих под большим (до 10ати) давлением, применяются телескопические соединения, в которых величина зазора определяется размерами соединяемых деталей.

В таблице №16 указаны рекомендуемые зазоры при пайке конкретных металлов.

Таблица №16

Паяемый металл	Припой	Величина зазора мм
Алюминий и его сплавы	Al+Cu	0,15…0,3
Медь и ее сплавы	Cu+Zn Cu+Р Ag+ Cu Sn + Pb	0,08…0,3 0,04…0,2 0,05…0,25 0,05…0,2
Стали НУС	Cu	0.01…0,05
Нержавеющие стали	Cu+Zn Ag+ Cu	0.02…0,1 0.08…0,2
Титан	Титановые	0,03…0,04

индуктор

припой

ГВЧ

паяемые детали

припой

F

паяемые детали

ГВЧ

индуктор

Рис.112

вверху- расположение припоя над индуктором, внизу- расположение припоя под индуктором, при этом необходимо приложить усилие F.

Флюсы

Флюсы должны удовлетворять следующим требованиям:

• улучшать смачивание поверхности паяемого металла расплавленным припоем,

• предохранять поверхность металла и расплавленного припоя от окисления при нагреве,а также растворять окисные пленки,

• сохранять свои свойства в течение всего процесса пайки,

• не вызывать сильную коррозию соединения,

• иметь Т_ПЛ флюса меньшую, чем Т_ПЛ припоя,на 50…100С,

• не выделять ядовитых веществ,

• химически не взаимодействовать с припоем и не образовывать с ним два несмешивающихся слоя,

• иметь меньшую плотность, чем припой, с целью легкого удаления его после пайки.

В зависимости от температурного интервалаактивности флюсы подразделяются на 2 класса: для пайки низкотемператерными припоями и для пайки высокотемпературными припоями.

По физическому состочнию флюсы делятся на твердые, пастообразные, жидкие, газообразные.

По химическому воздействию на паяемый металл флюсы подразделяются на нейтральные(смолосодержащие), слабокоррозионные (на основе слабых кислот) и коррозионные (на основе хлористой кислоты и ее солей).

Нейтральные или некоррозионные флюсыоказывают только зашитное действие, они не растворяют окисные пленки, их чаще всего применяют для пайки луженных поверхностей, (покрытых оловом, серебром, медью, кадмием). Это канифольили ее растворы в спирте или органических растворителях.

Слабокоррозионные флюсы более активны, они состоят из животных жиров, масел, органических кислот( молочной, олеиновой, щавелевой и др.), их растворов в воде или спирте, а также хлоридов и фторидов аммония.

Они легко испаряются, но их остатки могут вызвать коррозию, поэтому последние после пайки необходимо удалять.

Коррозионные флюсы состоят из неорганических кислот, хлоридов и фторидов металлов. Они очень эффективны для большинства методов пайки, могут быть и легкоплавкими, и тугоплавкими. Главная их составляющая - хлористый цинк. Для снижения температуры плавления в него добавляют хлориды и фториды аммония, меди, олова, натрия, калияи неорганические кислоты. Для пайки при температуре более 500°С применяют буру,борную кислоту, фториды и их смеси

Некоторые марки флюсов для пайки металлов привелены в таблице № 17

Таблица № 17

Группа флюса, ТПЛº	Наименование марка, состав	Паяемые металлы	Применяемые припои	Применение
Некорро-зионный 150..300	Канифоль сосновая марок А и Б	Медь,ее сплавы ин/у сталь с оловянно-свинцовымпокрытием	Оловянно- свинцовый, Пср2,5	Ручная и меха- низированная пайка, луже- ние РЭА, кон- сервация
Некорро- зионный 160…350	ЛТИ-120 ( 20% канифоль, 5% диэтиламин, 2% триэтаноламин, спирт- остальное)	Сталь,медьи их сплавы.	Оловянно-свинцовые с сурьмойи кадмием.	Пайка и луже- ние различных конструкций из стали
Слабокорро-зионный 200…400	ФДФс (25% диэтиламин солянокислый, 50% этиленгликоль, 25%кислота ортофосфорная)	Сталь, хромо- никелевые сплавы.	Оловянно-свинцовые с содержанием олова не менее 30%	-“- при условии полного удале- ния остатков флюса, кроме монтажных соединений.
Коррозион- ный 180…320	ФЦА (45%цинк хлористый, 10% аммоний хлористый, о45%вода)	Медь,ее сплавы высокохромис- тые стали, никель	Оловянно-свинцовые и низкотемператур-ные серебряные	Лужение и пайка конструк- ций с полным удалением остатков флюса, кроме монтаж- ных соединений
Коррозион- ный 650…670	200 (65% борный ангидрид, 20% бура – натрий тетраборнокислый, 15% кальций фтористый)	Медь, ее сплавы, нержа- веющие стали	Серебряные и медно цинковые припои с ТПЛ 850°С…1000°С,	Пайка газопламенной горелкой, печная пайка конструкций.
Коррозион- ный 500…550	209 ( 35%борный ангидрид, 40% калий фтористый 25% калий борфтористый)	Нержавеющие стали, латуни	Серебряные припои с ТПЛ 700°С…800°С,	-“-
Коррозион- ный 360…380	Ф370А (50% калий хлористый 36% литий хлористый 4% натрий хлористый 10% кадмий хлористый)	Алюминий и его сплавы, магний и его сплавы	Припои для пайки алюминия и магния (ПА-12 и др.)	Пайка узлов РЭА, групповая пайка изделий методом погружения

Контроль качества пайки

Контроль качества паяных соединений, так же, как и сварных, должен быть пооперацион-ным , т.е. после выполнения одной или нескольких операцийконтроль хим. состава припоя и флюса, контроль величины гарантированного зазора, качества подготовки поверхностей под пайку, контроль параметров режима при механизированных методах пайки (печной, индукционной и др.), контроль внешнего вида после пайки, контроль технологической пробой, специальные виды контроля по указанию в чертеже ( контроль глубины затекания припоя, рентгеноконтроль, испытания образцов на растяжение, на удар, на изгиб и др.). Необходимость каждого вида контроля, если нет требований в КД, должна быть указана в техпроцессе.

Паяные швы должны быть непрерывными и равными по длине с плавным переходом к основному металлу в виде вогнутой галтели. Галтель выпуклой формы – признак некачественной пайки (см. рис.113). Такая галтель может получиться из-за плохой смачиваемости деталей и припоя, отсутствия необходимого зазора, неполного расплавления припоя и т.п.). В паяных соединениях не допускаются трещины, непропаи, химическая эрозия, подрезы, свищи, поры, включения, усадочные раковины свыше норм, указанных в КД. Допускается исправление всех дефектов подпайкой и перепайкой не более 2-х раз, а также слесарной зачисткой.

галтель

1

1

галтель

2

2

Рис. 113

б)

а)

1,2 – паяемые детали, а) – некачественная пайка, б) – качественная пайка