1.4. Вплив розміру паяльного зазору на механічні властивості паяного з’єднання
При високотемпературному паянні розмір паяльного зазору вибирається в основному з умови капілярності, що забезпечує заповнення зазору розплавленим припоєм. При паянні сталі оптимальними вважають зазори в межах 0,05-0,2 мм, а для алюмінієвих сплавів – 0,1-0,25 мм [12, 13]. При цьому неприпустимо зменшення або збільшення зазору в процесі паяння, тому що це призводить до непропаю й зниження механічних властивостей з'єднання. Для забезпечення гарантованих зазорів пропонують здійснювати рифлення поверхонь, що паяються, [14, 15]. Така технологія застосовна для паяння телескопічних з'єднань. Розміри деталей вибирають такими, при яких внутрішню деталь уводять із зусиллям у деталь, що її охоплює, зминаючи при цьому гребінці рифлення. Заглиблення рифленої поверхні є надійними капілярними каналами для переміщення припою. Очевидна обмеженість застосування такого методу. Безсумнівно, що при розробленні технології паяння вузлів, особливо великогабаритних, кращим є відсутність строгої регламентації розмірів паяльного зазору. Збирання й паяння деталей будуть суттєво полегшеними, якщо допустимі відхилення розмірів зазору будуть вимірюватися не сотими й десятими частками міліметра, а його цілими числами.
Паянню з великими (0,5-1,5 мм) некапілярними зазорами присвячено багато праць, сутність яких зводиться до одного – створення капілярності в некапілярному зазорі. Для цього вводять у зазор тонкий дріт, сітку [12, 16] або металевий порошок-наповнювач [17]. Більш технологічним є застосування порошкового наповнювача.
Вважають, що причиною незначного застосування паяння з великими зазорами є не відсутність капілярності, а неоднорідність структури металу паяних швів [36]. При кристалізації тугоплавка складова припою кристалізується першою на основному металі, а легкоплавка, менш міцна, кристалізується в центральній зоні шва, обумовлюючи істотне зниження механічних властивостей з'єднання. Введення наповнювача в зазор може змінити структуру шва, зокрема, усунути утворення дендритів і лікваційної зони [18]. Однак зі збільшенням вмісту наповнювача знижується міцність, тому вважається, що при просоченні спеченого кістяка з наповнювача утворюється пористість у вигляді замкнених порожнин з газом. Уникнути такої пористості можна, якщо наповнювач буде переміщатися в зазор разом з розплавленим припоєм у процесі паяння. Однак в’язка течія суміші порошку й припою можлива при кількості наповнювача не більше 25% [19]. При такому співвідношенні припою й наповнювача структурна неоднорідність металу шва зменшується, але не усувається.
Таким чином, уявляється, що попереднє заповнення зазору наповнювачем і організація його просочення розплавом припою, що виключає утворення газової пористості, може бути методом суттєвого підвищення якості паяного з'єднання. Вважають, що при просоченні порошку металу розплавленим припоєм відбувається тристадійне формування металу шва, що супроводжується ущільненням. На першій стадії (капілярна усадка) відбувається перегрупування частинок наповнювача в результаті змочування й дії капілярних сил. Цей процес відбувається з великою швидкістю. На другій стадії усадка відбувається по розчинно-осаджувальному механізмові, по якому переважно розчиняються частинки з малим радіусом кривизни, і відбувається перенесення речовини до часток з більшим радіусом кривизни. На третій стадії, найбільш повільній, відбувається твердофазне спікання частинок наповнювача з незначною макроусадкою. Неминучість значної макроусадки на перших двох стадіях процесу вимагає або введення додаткової кількості припою в зазор при виконанні паяння (підживлення), або зменшення розміру зазору (осадження) [20]. Кожна із цих операцій становить певні труднощі й вимагає спеціальних технологічних рішень, у тому числі й із застосуванням фізичних методів керування формуванням паяного шва. Для гарантованого заповнення зазору наповнювачем і припоєм застосовують магнітне поле [21, 22]. Однак більш технологічним і універсальним є підживлення фіксованого паяльного зазору з наповнювачем розплавленим припоєм з периферійної зони під дією капілярних сил. Усадка металу, в остаточному підсумку, залежить від кількості рідкої фази, що брала участь у формуванні металу шва у фіксованому зазорі. Очевидно, що найменша усадка буде в тому випадку, коли паяльний зазор перед паянням буде повністю заповнений наповнювачем, а розплавлений припій буде просочувати його, переміщуючись у процесі паяння з периферійної зони [23] або зі спеціального живильника.
Відомо, що найбільш щільне заповнення об'єму можна здійснити часточками тетраедричної форми. Гарне заповнення можна одержати при застосуванні ідеальних куль трьох розмірів, що вписуються в утворені між кулями порожнини. У цьому випадку заповнення об'єму може досягати 65 % [24].
Процес паяння із заповненням некапілярного зазору наповнювачем і наступним просоченням його рідким припоєм найбільш близький до процесів, застосовуваних у порошковій металургії при спіканні виробів за наявності рідкої металевої фази [25] і просоченні пористої заготовки рідким металом [26-28].
У літературі з паяння мало відомостей про механічну міцність з'єднань, спаяних при некапілярному паяльному зазорі. Загальним є встановлений факт, що розмір некапілярного зазору суттєво впливає на міцність з'єднання. У роботі [29] максимальна міцність при паянні сталі 20 латунню Л63 отримана при зазорі 0,1-0,25 мм. У роботі [30] максимальна межа міцності при випробуванні на зріз з'єднання сталі 10, паяного латунню Л63 з наповнювачем з мідного порошку, склала 250 МПа при зазорі 0,5 мм. При збільшенні розміру зазору міцність знижується. Різке зниження міцності при збільшенні зазору більше 1,5 мм установлене в роботах [21, 22].
При паянні телескопічних з'єднань вуглецевої сталі латунню встановили підвищення міцності й інших механічних характеристик зі збільшенням зазору в межах 0,2-1 мм при застосуванні залізного порошку як наповнювача [31]. Як видно з наведених даних, міцність паяних з'єднань при великих некапілярних зазорах з наповнювачем при статичних випробуваннях невисока. Задачею більшості дослідників було одержання щільного з'єднання при некапілярному зазорі з наповнювачем, а необхідна міцність з'єднання досягалася в основному за рахунок величини напустка.
Відомостей про ударні й випробування на утому стикових паяних з'єднань із некапілярними зазорами немає.
Паяне з'єднання з некапілярним паяльним зазором можна розглядати як з'єднання з м'яким прошарком, тому що в більшості випадків метал шва має менші, ніж основний метал, твердість і міцність. Установлено [32], що, як і у зварному, у паяному з'єднанні при розтяганні проявляється ефект контактного зміцнення м'якого прошарку [33, 34], і міцність з'єднання оцінюється за формулою
,
де – межа міцності м'якого прошарку;
К? – коефіцієнт, що залежить від співвідношення:
,
де h – товщина прошарку;
s – ширина зразка;
d – діаметр зразка.
При цьому К? значно зростає при зменшенні ?.
При більш складних, ніж розтягання, схемах статичного навантаження, наприклад, при стисненні або розтяганні зі зрушенням [35], у м'яких прошарках виникають особливо небезпечні зони, що вимагають ретельного вивчення. У випадку композитних прошарків, у яких поряд з м'яким металом є елементи із твердого металу, загальний характер напруженого стану аналогічний напругам у з'єднанні з однорідним прошарком, однак на межах м'яких і твердих складових спостерігається скривлення кутових деформацій, величина яких залежить від співвідношення ?вм/ ?вт [36]. У з'єднаннях із тришаровим м'яким прошарком міцність також суттєво залежить від частки м'якого металу й підвищується при її зменшенні [37].
При розгляді паяного з'єднання як з'єднання з м'яким прошарком у роботах [32, 38] зроблений висновок, що при розтяганні стикові з'єднання повинні руйнуватися крихко через незначну товщину м'якого прошарку й більш низкою порівняно з основним металом міцністю металу прошарку. Тому зазначено про перевагу з'єднань внапуск, у яких відбувається перерозподіл напруг у пластичній зоні.
Однак при дослідженні з'єднань із м'яким прошарком з ? = 0,01-0,05, виконаних дифузійним зварюванням, установили, що при розтяганні не завжди буде мати місце крихке руйнування тонкого м'якого прошарку. При зменшенні товщини прошарку його руйнування поступово переходить від в’язкого до крихкого. Крихке руйнування відбувається тоді, коли межа текучості м'якого прошарку ?тмп, що підвищується зі зменшенням вмісту м’якого металу за гіперболічним законом стає вище опору металу прошарку відриву від основного металу R?мп, а діючі напруги хоча б в одній точці стануть більше R?мп. Якщо метал прошарку має R?мп > ?том, крихкого руйнування не буде. При зменшенні вмісту м,якого металу до критичної величини ?тмп стане такою, що дорівнює ?том і з'єднання зруйнується по основному металу. Практичне підтвердження отримано при дифузійному зварюванні жароміцних сплавів через тонкий нікелевий прошарок. Такий самий результат отриманий при випробуванні стикових паяних з'єднань низьколегованих і високолегованих сталей, виконаних паладієвими припоями з капілярними зазорами (? = 0,01-0,015). Стикові з'єднання руйнуються при розтяганні не крихко по шву, а по основному металу [39- 41].
Повідомлень про дослідження паяного шва як м'якого прошарку при динамічних навантаженнях у технічній літературі немає. У зварних з'єднаннях з м'яким прошарком межа утоми ?-1 при циклічних навантаженнях зростає зі зменшенням ? при лінійному й плоскому напруженому стані [42]. Утомна міцність з'єднання з м'яким прошарком збільшується зі зменшенням ? і при вигині із скручуванням. При скручуванні ?-1 з'єднання з м'яким прошарком не залежить від його товщини [43].
Очевидно, що паяне з'єднання як тонкий м'який прошарок перебуває у жорсткому напруженому стані й має мінімальний ресурс пластичності при деформуванні. Усунути цей недолік паяного з'єднання можна при збільшенні товщини шва як прошарку і формуванні металу шва з механічними властивостями, що дорівнюють або більшими, ніж в основного металу.
,
– межа міцності м'якого прошарку;
,