Вопросы для самопроверки

1. Из какого материала был изготовлен первый электрод для

электродуговой сварки?

2. Для чего служат неплавящиеся электроды в сварочном процессе?

3. Какие материалы кроме угля (графита) используются для изготовления неплавящихся электродов?

4. Какие методы для стабилизации горения дуги применяются при использовании в сварочном процессе угольных или графитовых электродов?

5. Для чего применяется омеднение поверхности угольных и графитовых сварочных электродов и как это влияет на их прочность?

6. Как происходит процесс изготовления угольных и графитовых сварочных электродов?

7. Какие основные требования предъявляются к неплавящимся электродам во время сварочного процесса?

8. Какие неплавящиеся электроды нашли наибольшее применение в сварочной технике?

9. Вследствие чего (они не плавятся) расходуются неплавящиеся сварочные электроды?

3. Припои для пайки

Изготовление различных изделий посредством пайки по тех­нологии в ряде случаев значительно отличается от производства сварных. Однако обычно по организационной структуре предприя­тий техническое руководство сваркой и пайкой находятся в одних подразделениях. В связи с тем, что по сущности получения пая­ные соединения нужно рассматривать как частный случай свар­ных [46], припои для выполнения пайки также являются сва­рочными материалами.

Припоем называется металл (обычно сплав), заполняющий в жидком состоянии в процессе пайки зазор между кромками (по­верхностями) паяемых изделий и образующий после охлаждения соединения, характеризующиеся установлением металлических связей затвердевшего припоя с контактировавшими с ним епаиваемыми металлами (однородными или разнородными). Процесс пайки сопровождается диффузионными процессами в системе при­пой—паяемый металл и, как правило, приводит к появлению промежуточных слоев в виде твердых растворов или химических соеди­нений составляющих припоя и паяемого металла.

Процесс пайки осуществляется при температурах ниже тем­пературы паяемого металла, но, как правило, несколько превы­шающих температуру ликвидус припоя. Поэтому весьма важной характеристикой припоя является его температура ликвидус и температурный интервал ликвидус—солидус. В связи с тем, что паять приходится весьма разнообразные металлы с различными температурами плавления, то и диапазон температур плавления припоев должен быть достаточно широким. Учитывая и необходи­мость получения в месте спая твердых растворов или химических соединений, обеспечивающих необходимые свойства паяного соеди­нения, составляющие припоев для пайки различных металов не могут быть одинаковыми.

Поэтому для пайки широкого ассорти­мента различных металлов и особенностей эксплуатационных ус­ловий работы паяных соединений (температура, возможность коррозии, требуемая прочность и пр.) состав припоев, применяе­мых в промышленности, весьма многообразен.

Обычно технологически припои разделяют на мягкие (с условно принятой температурой плавления Т_пл <С 450 °С) и твердые (с Т_пл > 450 °С), хотя такая классификация и не очень точна. Удобна их классификация и по базовому металлу, являющемуся основой припоя. При этом припои на различной базе, как правило, пригодны не для всех металлов и их применение связывается с конкретными металлами и сплавами.

К мягким припоям относятся сплавы на базе галлия, висмута, индия, олова и свинца, кадмия, цинка. Твердые припои применяются на базе алюминия, серебра, меди, золота, никеля и других металлов.

Наиболее распространенными являются припои, представляю­щие собой сплавы с добавкой к основе элементов, снижающих температуру плавления в связи с образованием достаточного коли­чества легкоплавких эвтектик. Иногда добавляются элементы и повышающие температуры плавления сплава.

Припои на базе галлия (Ga, Т_пл = 29,8 °С) получаются посредством добавления к жидкой основе дисперсных порошков (в основном меди, никеля, иногда с добавкой олова, серебра и др.) и предварительного создания достаточно разномерной пасты. Пайка осуществляется при температурах 50 ^оС сплавов с более высокой температурой плавления. В дальнейшем как при комнатной температуре, так и посредством дополнитель­ной термической обработки при ограниченных температурах (более 70 °С) происходит дальнейшее обогащение галлия соответ­ствующими элементами порошков и основного металла, и темпе­ратура распая растет до 200 °С и более высоких.

Эти припои используются для пайки цветных металлов с покры­тиями (например, гальваническими), главным образом деталей, к соеди­нениям которых предъявляются тре­бования достаточной теплостойко­сти, но которые нельзя нагревать до высоких температур в процессе пайки. Висмут (Bi, Т_пл = 271 °С) дает легкоплавкие эвтектики, с це­лым рядом элементов. Наиболее лег­коплавкая эвтектика (Т_пд = 46,7 °С), получается в его сплаве с кадмием, свинцом, оловом и индием.

Вообще припои на базе висмута с различ­ными добавками имеют температуру плавления (или ликвидус, для не­эвтектических составов) от 46,7 до 140° С. Для припоев на базе висмута характерно отсутствие усадки при охлаждении и даже не­который «рост».

Сплавы индия (In, = 156,4 °С) с кремнием, оловом, цинком дают эвтектики с наинизшей температурой плавления — около 90° С. Припой состава 52 % In, 48% Sn (Т_пл = 117 °С) смачивает стекло и, сцепляясь с ним, позволяет осуществлять пайку металлов с другими неметалли­ческими материалами.

Кадмий (Cd, T_nJl > 321 °С) также в виде сплавов в основ­ном с цинком, оловом, свинцом и серебром является основой неко­торых мягких припоев для пайки в пределах температур 150- 440 °С.

Наиболее распространенными для пайки ряда металлов и спла­вов являются оловянно-свинцовые припои. Иногда для увеличе­ния их прочности к ним добавляют сурьму в количестве не более 7 % в связи с ее охрупчивающим действием.

Ряд оловянно-свинцовых припоев тестированы (ГОСТ 1499-54). Их составы приводятся в специальных таблицах.

В табл. 3 приведены некоторые характеристики припоев на базе Са, Сd, Вi, Т и др.

Припои, отмеченные в таблице звёздочкой (*), изготавливаются в виде пасты.

Таблица 3

	Состав припоев, % вес									Темпера-ту­ра в °С
Ga	Си	N1	Ag	Bi	Cd	Sn	РЬ	In	Zn	ликвидус (плавление эвтектик)	солидус
65	35	__	__	—	—	__	__	__	__	*	__
55	—	45	—	—	—	—	_—	—	—		—
65	31	—	4	—	—	—	—	—	—	*	—
34	66	—	—	—	—	—	—	—	—		—
60	30	—		—	—	—	—	10,0	—	*	—
—	—	—	—	44,3	5,3	8,3	22,6	19,5	—	46,7	—
—	—	—	—	49,5	10,1	13,1	27,3	—	—	71	—
—	—	—	—	52	—	16	32	—	—	95	—
—	—	—	—	56	—	40	.—	—	4	130	—
—	—	—	—	60	40	—	—	—	—	144	—
—	—	—	—	50	—	19	31	—	—	100	95
—	—	—	—	50	—	25	25	—	—	125	90
—	—	—	—	42	16	—	42	—	—	130	91
—	—	—	—	—	13,6	41,4	—	44,2	0,8	90	—
—	—	—	—	—	—	46		52,2	1,8	108	—
—	—	—	—	—	—	48	—	52	—	117	—
—	—	—	—	—	—	—	—	98	2	142	—
—	—	—	—	—	82,6	—	—	—	17,4	266	—
—	—	—	—	—	50	30	—	—	20	277	157
—	—	—	5	—	79	—	—	—	16	285	270
—	—	—	—	—	60	10	—	—	30	332	—
* Изготовляется в виде пасты при температуре 45 — 50 оС. В результате происходящего взаимодействия температура плавления сильно изменяется.

Различные оловянно-свинцовые припои рекомендуются для применения в зависимости от их свойств. Например, ПОС-90 — для пайки внутренних поверхностей пищевой посуды и медицин­ской аппаратуры;

ПОС-40 — для пайки латуни, железа и медных проводов; ПОСС-4-6 - для лужения, выравнивания вмятин в ку­зовах автомобилей и пайки белой жести, железа, меди.

Цинк (Zn, Т_пл = 419 °С) со многими эле­ментами образует эвтек­тики. На основе цинка разработан ряд припоев для пайки алю­миния, меди и некоторых их сплавов. Например, для пайки алюминия ис­пользуется припой на базе цинка с добавками меди и алюминия иногда, для повышения их сопротивляемости кор­розии во влажной атмо­сфере, с добавками олова и свинца (соответственно до Sn< 0,5 % и Pb = 1,5 %).. Эта группа припоев на базе цинка продолжает разрабаты­ваться.

Из припоев на основе алюминия для пайки алюминия и его сплавов наибольшее распростране­ние имеет твердый (Т_пл-525 °С) припой марки 34 А (25-30 % Си, 4-7 % Si, А1 - остальное), близкий по составу к эвтектике в системе А1-CuAl ₂-Si. Иногда к этой системе до­бавляют кадмий и цинк, реже -марганец и олово, что позволяет в значитель­ных пределах варьиро­вать их температуры пла­вления.

Наиболее универсаль­ными являются припои на базе серебра

(Ag, Т_пл. = 960 °С) - серебря­ные припои. С теми или иными добавками они при­меняются для пайки спла­вов на железной основе, в частности высоколегированных сталей со значительным содержанием хрома, медных сплавов и сплавов титана. В этих случаях к серебру добавляют различные активные добавки (литий и др.).

Наиболее распро­странены серебряные припои тройной системы

Ag-Си-Zn, ко­торые тестированы (ГОСТ 8190—56).

В табл. 4 приведены некоторые характеристики этих припоев.

Таблица 4

Марка припоя	Состав в % вес.			Приме- си (не более)		Темпе- ра­тура, °С		Предел прочности кГ/мм2	Электролроводность (в % от электропро­водности меди)
	Ag	Си	Zn	РЬ	Все­го	ликвидус	солидус
ПСр-10	10±0,3	50±*	Осталь­ ное	0,5	1	850	810	—	6,5
ПСр-12	12±0,3	36±1	То же	0,5	1	800	750	18,5	11,1
ПСр-25	25+0,3	40±1	»	0,5	1	775	745	28	6,9
ПСр-45	45±0,3	30±0,3	»	0,3	0,5	725	600	30	9,7
ПСр-65	65±0,6	20±0,3	»	0,3	0,5	720	685	—33	8,6
ПСр-70	70±0,6	26±0,5	»	0,3	0,5	755	730	—33	4,2

Различные припои этой группы также имеют наиболее реко­мендованные области их применения как по составам спаиваемых металлов, так и различным дополнительным требованиям к пая­ным соединениям.

Кроме тестированных серебряных припоев, есть ряд припоев с участием серебра для различных специальных назначений. В качестве примеров можно привести припой для пайки меди и ее сплавов, содержащий серебро, медь и фосфор (5-7 %) и имеющий температуру плавления 650 °С.

Относительно широко применяются припои на основе меди. Медь (Т_пл = 1083 °С) сама используется при пайке некоторых сплавов на железной основе в качестве припоя. Больше приме­няются в качестве припоев медно-цинковые и медно-фосфористые сплавы. Ряд этих сплавов гостированы в виде различных марок припоев (ПМц-36, ПМц-48, ПМц-54), однако все они имеют малую пластичность и используются относительно редко, главным обра­зом для пайки меди и сплавов на ее основе. Более распространен­ными как припои являются некоторые марки латуней (Л62, Л68) с содержанием меди соответственно 60,5-63,5 и 67-70 %.

При регламентированном количестве примесей, в основном свинца и железа около 0,2 %. Улучшение технологических свойств латуней, в частности, при их применении в качестве припоев, может быть достигнуто дополнительным их легированием оловом и крем­нием. В качестве таких припоев применяются ЛОК59-1- 0,3 и ЛОК62-06-04, предложенные

Г. А. Асиновской (ВНИИавто-генмаш). Эти припои имеют температуру плавления несколько выше 900 °С.

Большее снижение температуры плавления по сравнению с медью имеют припои в системе Си-Р. Эвтектика(при 8,25 % Р) имеет температуру плавления 707 °С. Обычно медно-фосфористые припои содержат от 4 до

~8,5 % Р. Они применяются в основном для пайки сплавов на медной основе, так как со сплавами на базе железа имеющийся в припоях фосфор дает хрупкие прослойки в паяных швах.

Применяются в качестве припоев и более сложные сплавы на основе меди с добавками цинка и марганца (до ~20 %), а также цинка, никеля и кремния, а также более сложные. В частности, для припайки быстрорежущей стали и твердых сплавов к держав­кам из машиноподелочной стали применяются припои ГПФ и ГФК, характеристики которых даны в табл. 5.

Припои для пайки пластин из быстрорежущей стали с державками

Таблица 5

Марка припоя	Состав припоя, % вес.						Температура, оС
	Си	Zn	Fe	Ni	Mn	Si	Ликви- дус	Соли- дус
ГПФ ГФК	66—72 62—71	6—8	12—14 5—7	10—14 4—5	4—5 5—6	1— 1,8 3—4	1280 955	1190 935

Для ряда случаев (ювелирные изделия, вакуумная аппаратура) применяются припои, содержащие значительные количества (~30 - 75 %) золота. В качестве добавок к золоту обычно исполь­зуются серебро, медь, палладий и цинк. Температура ликвидус для большинства таких припоев изменяется в пределах 750 - 1000 °С.

Еще более высокотемпературные припои применяются на базе никеля и железа. Эти припои, главным образом на базе никеля, применяются для пайки жаропрочных сталей и металлов с высо­кой температурой плавления. Добавками к этим при­поям являются марганец, хром, кремний и бор.

Припои различных составов применяются либо в виде сплош­ных металлических отливок (стержни, пластинки), пластически деформированными (проволока, лента, фольга и пр.), а также в виде зерен (типа дроби) и порошков - для хрупких и не поддающихся деформированию сплавов. В некоторых случаях при­пои изготовляются составными (пруток с различным составом центральной части и периферии, многослойные листы, фольга и др.).

В связи с тем, что кроме предварительной очистки паяемых поверхностей и в процессе пайки необходимо удалять различные загрязнения (в основном окислы), которые могут появиться в период нагрева до температуры пайки, необходимо обеспечивать очистку их до взаимодействия с припоем. Для этого при пайке применяются, как правило, флюсы твердые (с температурой плав­ления меньшей, чем температура плавления припоя), жидкие и газообразные. В ряде случаев флюсы вводят вместе с припоями.

Так, при порошкообразных припоях вводят и порошкообразный флюс в виде общей смеси. Иногда изготовляются и прутки сложной формы, в которых по длине равномерно распределен металличес­кий припой и неметаллические составляющие твердого флюса.

Весьма удобна во многих случаях пайка самофлюсующими припоями. В этом случае составляющая припоя, активно взаимо­действуя с металлом по паяемой поверхности (кромке), очищает ее от окислов.В частности, такие характеристики имеют припои, содержащие литий (обычно в количествах до

2 %), фосфор (в медно-фосфористых припоях), бор и некоторые другие составляющие флюсов. Пайка самофлюсующимися припоями обычно удобнее, чем не самофлюсующимися, является технологически более гибкой, позволяет достигать большей производительности.

Как правило, стандартные припои поставляются централизо­ванно. Некоторые специальные припои потребители изготовляют непосредственно на своем производстве.