Каталог организаций

Процессы кристаллизации при пайке

Очень большое влияние на процессы кристаллизации при пайке оказывают характер температурного поля, величина температуры, продолжительность ее действия, скорость остывания, свойства основного металла и флюсов. При пайке между припоем, находящимся в жидком состоянии, и твердым основным металлом имеет место взаимодействие. При этом возможны следующие случаи.

Во-первых, припои не вступают в химическое взаимодействие с металлами, они не растворяются в металлах и не растворяют их сами. Во-вторых, припои не вступают в химическое взаимодействие с металлами, но способны растворять металлы. В-третьих, припои и соединяемые металлы вступают в химическое взаимодействие. Это имеет место при пайке железа оловом. На границе раздела появляется пленка. Так как продолжительность химического взаимодействия мала, то толщина пленки оказывается ничтожно малой (0,01—0,001 мм).

При использовании некоторых припоев, например серебра при папке титана, в результате химического взаимодействия образуются интерметаллические пленки, препятствующие дальнейшему проникновению жидкого припоя в твердый титан. Такие прослойки часто охватывают всю поверхность контакта,

Чем короче время взаимодействия припоя и металла, тем тоньше интерметаллическая пленка и, как правило, лучше свойства соединений. Увеличение толщины пленок ухудшает доступ расплава к твердому металлу и затормаживает диффузию между расплавом и твердой фазой. В результате этого свойства соединений ухудшаются.

Концентрация напряжений в паяных швах. Паяные швы имеют концентраторы напряжений, оказывающие значительное влияние на работоспособность всего соединения. Особенно велики концентраторы в стыковых и нахлесточных соединениях.

Рассмотрим распределение напряжений в стыковом паяном шве — тонкой мягкой прослойке с пределом текучести, меньшем, нежели у основного металла. Модуль упругости мягкой прослойки также меньше модуля упругости основного металла. Это придает прослойке повышенную деформативность.

Исследования, проведенные О. Л. Бакши, основанные на уравнениях теории упругости и пластичности, показали, что несмотря на пониженное значение σт мягкой прослойки по сравнению с σт основного металла, соединения подобного типа работают удовлетворительно. На контактах в плоскостях и в зоне мягкой прослойки возникает сложнонапряженное состояние при работе ее в пределах пластических деформаций. Это сопровождается повышением σт и σв.

Рассмотрим работу стыковых паяных соединений элементов с круглым поперечным сечением. В зоне пластических деформаций в мягкой прослойке образцов, нагруженных продольной силой, образуются напряжения (рис. 5): σz вдоль оси образца, σr в направлении радиуса, σt по направлению касательной, -τrz = +τzr в кольцевых поверхностях.

Из теории пластичности следует, что наибольшие по величине напряжения образуются на контактных плоскостях. Сели модули упругости основного металла и мягкой прослойки близки между собой, то напряжения на контактных плоскостях определяются уравнениями:



где σт — предел текучести металла прослойки при одноосном напряженном состоянии; R — радиус цилиндрического образца; r — радиус, определяющий положение точки в образце; s0 — толщина прослойки.

Наибольшие значения напряжений достигаются на оси элемента. С уменьшением толщины прослойки напряжение резко увеличивается.

Чтобы напряжения на контактных плоскостях достигали σт, σz должно быть очень велико, что физически неосуществимо, так как при этом произошло бы разрушение самого образца. Отсюда можно сделать вывод, что образование пластических деформаций на контактных плоскостях невозможно, так как произойдет хрупкое разрушение.

Если модуль упругости прослойки очень мал по сравнению с модулем упругости основного металла, то при достижении на контактных плоскостях касательных напряжений, равных пределу текучести σт, осевые напряжения также должны были бы достигать огромного значения, неосуществимого в действительности. Поэтому разрушения также носят хрупкий характер.

Таким образом, при Eпросл = Eосн.мет и при Eпросл, малом по сравнению с Еосн.мет, соединения в стыковом паяном шве обладают повышенной прочностью, низкой пластичностью и разрушаются хрупко по прослойке или пластично вдали от нее по основному металлу.

Иная картина наблюдается в паяных соединениях нахлесточного типа, наиболее распространенного в изделиях. Распределение касательных напряжений q по длине нахлестки в направлении действия сил происходит неравномерно и в значительной степени аналогично условиям работы сварных фланговых швов. Для соединения двух деталей с равными площадями паяных поперечных сечений (рис. 6) наибольшее значение q max на единицу длины паяного шва в концевых точках определяется уравнением



где



G — модуль упругости металла паяного шва при сдвиге; b — ширина образца из основного металла; Е — модуль упругости основного металла при растяжении; s0 — толщина мягкой прослойки (паяного шва); l — длина нахлестки.

Если из условия статической равнопрочности паяного шва основному металлу принять l = 2s; F = sb, где s — толщина основного металла, то



Рис. 5. Поле напряжений в мягкой прослойке стержня с круглым поперечным сечением под действием растягивающей силы в зоне пластических деформации

Рис. 6. Распределение усилий q в нахлесточном паяном соединении, работающем в пределах упругих деформаций

Рис. 7. Величины коэффициентов концентраций усилий Кт в нахлесточных паяных швах в зависимости от параметра 2GS/Es0. Длина нахлесточного шва равна двойной толщине соединяемой детали.

Рис. 8. Диаграмма зависимости касательного напряжения от угла сдвига; tg φ выражает модуль упругости при сдвиге в пределах упругих деформаций G; tg φ0 выражает при θ = 0 модуль у up у гости соединений в области пластических деформации.

Коэффициент концентрации напряжений в паяном шве:


Значения коэффициентов Кт определяют в функции 2G (рис. 7). Если принять модуль упругости мягкой прослойки латунного припоя Л62 равным 10 ООО кгс/мм8 (98 ООО МН/'м2), G = 4000 кгс/мм2 (39 200 МН/м2), модуль упругости стали E = 20 000 кгс/мм2 (196 000 МН/м2), то G/E = 0,4. Чем меньше величина отношения G/E, тем соответственно меньше коэффициент концентрации.

Рассмотрим случай, когда коэффициент концентрации близок к единице. Это возможно при значении = 0,5. Примем толщину паяного шва s0 = 0,2 мм и s = 5 мм при отношении модуля упругости мягкой прослойки при сдвиге к модулю упругости основного металла при растяжении, равном 1/200. Это возможно лишь при условии, если металл паяного шва испытывает значительную пластическую деформацию, что вероятно, так как предел текучести мягкой прослойки меньше предела текучести основного металла.

На рис. 8 изображена зависимость между касательным напряжением τ и углом сдвига θ. Тангенс угла θ наклона прямой выражает при этом условную величину модуля упругости G при пластическом деформировании. Очевидно, что выравнивание касательных напряжений и устранение концентраторов напряжений возможно лишь при очень больших пластических деформациях. При меньших пластических деформациях концентрация напряжений в паяных швах возникает и монотонно снижается в процессе деформирования.

Возможность образования пластических деформаций в нахлесточных паяных соединениях, сопровождаемая снижением напряжений в крайних точках соединений и выравниванием эпюры по длине соединения, — преимущество паяных швов.

Паяные соединения, выполненные встык, склонны к разрушениям в хрупком состоянии. Паяные нахлесточные соединения сохраняют свои пластические свойства и этим самым устраняют образование концентраторов напряжений, которые наблюдаются при их работе в пределах упругих деформаций.

 

Рис. 9. Эпюры распределения напряжений при испытании образцов поляризованным светом из оптическим прозрачного материала «висхомлит», δр = 15,5 кгс/см2 (1,55 МН/м2):
1 — модель паяного шва; 2 — модель сварного шва.

При сопоставлении величин концентраций напряжений в соединениях паяном нахлесточном (рис. 9, а) и сварном (рис. 9, б), состоящем из двух лобовых швов, коэффициенты концентрации напряжений высоки в обоих типах соединения, но при пайке они ниже, нежели в сварных лобовых швах. Это обстоятельство объясняется более рациональной конструктивной формой паяного соединения по сравнению со сварным и подчеркивает целесообразность этих соединений.

Также по теме:

Прочность пайки. Механическая прочность паяных соединений.

Деформации при сварке. Напряжения и деформации в металлах при сварке.