федеральное агентство по образованию - Северо
реклама
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) «ТЕХНОЛОГИЯ СОЕДИНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ» Учебное пособие для студентов направления подготовки 261400.62 – «Технология художественной обработки материалов» квалификация выпускника бакалавр. Составитель К.Г.Сабеев. ВЛАДИКАВКАЗ 2014 Технология соединения материалов: курс лекций для студентов направления подготовки 261400.62 – «Технология художественной обработки материалов» квалификация выпускника – бакалавр/ Сост. К.Г.Сабеев; Северо-Кавказский горнометаллургический институт (государственный технологический университет). – Владикавказ: Терек, 2014. Настоящий курс лекций по «Технологии соединения материалов» предназначен для студентов направления подготовки 261400.62 – «Технология художественной обработки материалов» квалификация выпускника - бакалавр. Рассмотрены вопросы технологии соединения пяти основных классов материалов (металл, камень, стекло, керамика, дерево), которые используются для изготовления художественных изделий. Цель технологических указаний – обеспечить инженератехнолога по художественной обработке материалов комплексом знаний теории образования соединений, необходимым для выбора наиболее рационального способа и технологии соединения элементов художественного изделия следующих процессов: пайка, грануляция, технология выполнения штифтовых и заклепочных соединений, резьбовые соединения. Также рассмотрены процессы свариваемости металлов, оборудование для сварки и наплавки, виды сварных швов и соединений. 2 РАЗДЕЛ №1 КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВАРКИ Способы электрической сварки классифицируют по разным признакам: состоянию металла на поверхностях соединяемых деталей, способу использования электрической энергии, степени автоматизации процесса, характеру электродов и т. д. По состоянию металла в зоне нагрева по время процесса различают сварку плавлением и сварку давлением. При сварке плавлением участки свариваемых деталей находятся и жидком (расплавленном) состоянии; при сварке давлением металл нагревается до пластического состояния (в некоторых случаях при сварке давлением металл частично расплавляется, как, например, при контактной точечной сварке, когда расплавляется ядро точки, а также при стыковой сварке оплавлением). Сварку плавлением выполняют без сдавливания; сварка давлением для соединения деталей требует применения механического усилия сжатия. По способу нагрева электрическая сварка делится на электродуговую, электрошлаковую, контактную и электронно-лучевую. СПОСОБЫ НАГРЕВА МЕТАЛЛА ПРИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВАРКЕ Нагрев при электродуговой сварке. Электрическая энергия, поглощаемая дугой, превращается и тепловую. Тепловая мощность дуги, равноценная ее электрической мощности, составляет 0,24 UI кал/с, где 0,24 кал/вт•с — коэффициент перевода из электротехнических единиц в тепловые; U1 — напряжение и ток дуги. Эффективная (действующая) мощность дуги всегда меньше полной ее мощности, так как часть тепла расходуется на рассеивание в окружающую среду, разбрызгивание, плавление флюса и нагрев электрода. Часть тепла, израсходованного на нагрев электрода, возмещается переносом его с каплями расплавленного металла. Характеристика основных способов электрической сварки Описание способа сварки Схема Область применения Электродуговая ручная плавящимся электродом Свариваемые детали 1 нагреваются электрической дугой 2, горящей между ними, и электродом 3. Дуга расплавляет кромки деталей и электрод; расплавленный металл электрода и кромок деталей образует сварной шов При изготовлении паровых котлов, магистральных и технологических трубопроводов высокого давления, в морском и речном судостроении, вагоностроении, производстве резервуаров, подъемных кранов, аппаратов нефтеперерабатывающей и химической промышленности и др. 3 Электродуговая ручная неплавящимся электродом Свариваемые детали 1, нагреваются дугой 2, горящей между ним и графитовым или вольфрамовым электродом 4. Для образования шва в зону дуги вводят присадочную проволоку 3,Отбортованное соединение из тонкого металла можно сваривать без присадочной проволоки В производстве корпусов конденсаторов, бочек для горюче смазочных материалов, корпусов генераторов и стартеров для автомобилей и др. Электродуговая полуавтоматическая под флюсом Сварка производится дугой горящей под флюсом между изделием 1, и электродной проволокой 2, проходящей по гибкому шлангу 3, от отдающего механизма 4, Держатель 5, с бункером для флюса 6, перемещается вдоль шва вручную. Флюс частично расплавляющий при сварке и образующийся на поверхности шва шлака, предназначен для защиты расплавленного металла от вредного действия кислорода и азота воздуха и улучшения свойств расплавленного металла. Применяется в тех случаях, когда нецелесообразно применять автоматическую сварку; монтажные работы в строительстве, выполнение коротких и криволинейных швов, изготовлении тонкостенных изделий и др. 4 Электродуговая автоматическая под флюсом Плавление металла производится также, как и в предыдущем случае. Проволока 1 подается в область сварки механизмом 2,.Гоовка перемещается автоматически вдоль шва (или при неподвижной головке перемещается изделие 3). Неиспользованный флюс отсасывается через шланг 4, в бункер 5.Способ отличается высокой производительностью и качеством шва. При изготовление корпусов резервуаров, узлов, железнодорожных и шоссейных мостов, барабанов паровых котлов и т д. Электродуговая неплавящимся электродом в защитных газах Защитный газ подается под небольшим давлением в зону дуги через наконечник 1.Дуга 2 поддерживается между электродом 3., закрепленным в горелке, и свариваемым изделием 4. Газ предназначен для защиты расплавленного металла от вредного действмя кислорода и воздуха. Для этого способа применяются инертные газы: аргон, гелий и их смеси. Присадочная проволока 5 вводится в зону сварки. Тонкий металл можно сваривать без присадочной проволоки. При изготовлении различных конструкций из высоколегированных сталей, титана, алюминия и их сплавов, мед. инструментах и т.д. 5 Электродуговая плавящимся электродом в защитных газах Подача газа в зону дуги 2 производится также как и в предыдущем случае. Дуга 2,поддерживается между присадочной проволокой 3, и свариваемым изделием 1.Для сварки, кроме газов, перечисленных в предыдущем способе, применяется углекислый газ. Сварка в защитных газах как плавящимся так и неплавящимся электродом, может быть автоматической и полуавтоматической. В инертных газахприменяется при изготовлении химической аппаратуры, монтаже шинопроводов, изготовления каркасов, обшивок и облицовок легированных сталей, титана и цветных металлов, трубопроводов для агрессивных жидкостей и газов, и т.д. 6 Электрошлаковая В зазор между расположенными вертикально свариваемыми деталями 1 подается флюс 2 и электродная проволока 3. Дуга горит в начале процесса; после образования достаточно большого слоя шлака 4 она гаснет, так как проводимость жидкого шлака выше проводимости дуги. Электрический ток, проходя через жидкий шлак, выделяет большое количество тепла, достаточное для расплавления электродной проволоки, кромок соединяемых деталей и образования сварного шва 5. Жидкий металл удерживается в ванне, образованно прижатыми к деталям ползунами 6, которые перемещаются вместе со сварочным аппаратом и кромками деталей. Этот способ может применяться для соединений деталей большой толщины. Вместо проволоки может быть применен пластинчатый электрод При выполнении стыковых швов в изделиях толщиной более 50 мм; при сварке барабанов котлов высокого давления, станин крупных механических и гидравлических прессов, гидротурбин и гидрогенераторов, изготовлении крупных блоков из отливок и поковок, биметаллических изделий, сварке стержней тяжелой арматуры железобетона (диаметром более 30—40 мм), исправлении дефективного литья, сооружений корпусов судов, ахтерштевней и форштевней, бандажей цементных печей, тепловозных рам, тяжелых якорных цепей. 7 Контактная стыковая ( сопротивлением) Зажатые в электродах 1, свариваемые детали 2, сдавливаются приложенным усилием Р. Электрический ток проходящий непосредственно через детали, нагревает их в зоне стыка до пластического состояния. Затем давление несколько возрастает и ток выключается. Детали свариваются, образуя утолщения в зоне стыка. При соединении проволоки и стержней, труб, полос и листов, железнодорожный рельсов, автомобильных.и др. колес. Контактная стыковая ( оплавлением) Между торцами зажатых в электродах / деталей 2 электрическим током возбуждается процесс оплавления, который начинается в отдельных точках, а затем распространяется во всю поверхность стыка. После этого к деталям прикладывается большое усилие осадки и ток выключается. Оплавленный металл деталей, содержащий окислы и неметаллические включения, выдавливается из стыка в виде грата То же 8 Контактная точечная Сжатые электродами 1 перекрывающие друг друга свариваемые детали 2 (обычно из тонких листов или круглых прутков) подвергаются нагреву проходящим через них электрическим током. В точке (площадке) между электродами металл доводится до пластического состояния; внутри точки образуется литое ядро. После образования сварной точки ток выключается, а затем снимается усилие сжатия При изготовлении узлов кузова, кабины и других частей автомобиля, а также пассажирских вагонов, узлов самолетов в соединениях обшивки с каркасами перегородок и переборок, в производстве бытовых приборов (холодильников, стиральных машин), арматурных каркасов и сеток, электронных ламп Контактная (шовная) Свариваемые детали / сжаты вращающимися дисковыми электродами (роликами) 2, через которые проходит электрический ток кратковременными импульсами, с небольшими паузами (или непрерывно). В результате каждого цикла (импульс+ пауза) образуется сварная точка, причем для получения плотного шва каждая предыдущая точка перекрывается последующей При изготовлении бензобаков, тонкостенных баллонов, корпусов огнетушителей, молочных фляг бидонов, деталей и узлов бытовых приборов 9 Электронно-лучевая Для соединения деталей из металлов, имеющих высокую температуру плавления (вольфрам, молибден, ниобий), а также легко поддающихся окислению (алюминий, магний, бериллий) при сварке изделий из хромоникелевых и других высоколегировакых сталей Сварка производится теплом, которое выделяется при ударе быстро движущихся электронов (пучка) / о поверхность свариваемых деталей 7. Источником излучения электронов служит раскаленный катод 2, питаемый высоковольтным источником 3. Электронный луч проходит через анод 4 и фокусируется магнитной линзой 5. Сварка осуществляется в камере 6 с глубоким вакуумом. Сварной шов имеет очень малую ширину, так как электронный луч представляет собою весьма концентрированный источник тепла, проникающего на значительную глубину Плазменная Сварка выполняется плазменной струей, имеющей температуру и концентрацию тепла значительно большие, чем электрическая дуга Плазменной струей можно сваривать тугоплавкие металлы и неметаллы, а также металлы с неметаллами Эффективная тепловая мощность равна Кэ = 0,24 UI кал/с где Ко — эффективный коэффициент полезного действия, показывающий, какая часть тепла используется на расплавление металла: 10 при сварке угольным электродом …………………………………Сэ=0,5—-0,7 при сварке открытой дугой металлическим электродом ………...ЛГЭ=0,7—0,85 то же, под флюсом ............................. ………………………………...К3=0,8—0,95 Коэффициент Ко понижается при увеличении длины дуги и возрастает при сварке короткой дугой и с ростом глубины проплавления. Нагрёв при электрошлаковой сварке. Источник тепла при электрошлаковой сварке — расплавленный, сильно перегретый токопроводящий шлак, находящийся в зазоре между свариваемыми деталями. Температура шлака превышает 2000°С. При прохождении электрического тока от электрода к расплавленному металлу происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Тепловая мощность, так же как и при электродуговой сварке, равна 0,24 VI кал/с.Почти вся электрическая мощность расходуется на расплавление шлака, электрода и кромок основного металла. Большая часть тока проходит через торец электрода, и незначительная его часть — через боковую поверхность. Конец электрода, а вместе с ним и источник нагрева находятся от поверхности расплавленного металла на разном расстоянии, которое зависит от величины тока и напряжения: при большом токе и низком напряжении электрод глубже погружен в шлаковую ванну и конец его ближе к поверхности металла, чем при малом токе и высоком напряжении. Нагрев при контактной сварке. Нагрев при всех видах контактной сварки производится теплом, выделяемым электрическим током, проходящим по самим свариваемым деталям. Наибольшее количество тепла выделяется в контакте между свариваемыми деталями. Выделяющееся тепло доводит до расплавления или до пластического состояния металл на участке сварки. Так как время протекания тока, особенно при точечной и шовной сварке, мало, то сварочный ток должен быть весьма значителен. При стыковой сварке' время протекания тока составляет 1,5—40 с, иногда при стыковой сварке деталей с большой площадью поперечного сечения достигает нескольких минут. Точечная и шовная сварка происходят с временем протекания тока в пределах 0,01—3 с. При контактной сварке тепло расходуется не только на полезный нагрев металла в зоне сварки, но и на нагрев участков его, граничащих с зоной сварки, нагрев электродов и рассеивание в окружающий воздух (рис. 4.). Нагрев при электронно-лучевой сварке. При такой сварке важен способ подвода тепла. Тепловая энергия электронного луча направлена в глубину свариваемых деталей. Плотность энергии электронного луча может достигать 500 ООО кВт/см2, что в 5000 раз больше плотности энергии сварочной дуги (100 кВт/см2). Расход энергии по сравнению с дуговой сваркой под флюсом составляет всего 15—20%. ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ О СВАРИВАЕМОСТИ Свариваемостью называется способность металлов образовывать сварные соединения (без трещин и прочих дефектов), имеющие физические, механические и другие свойства, близкие к свойствам основного металла. Свариваемость определяется главным образом склонностью сварных соединений к образованию трещин. Различают трещины горячие, возникающие при температуре конца затвердевания металла шва и ниже се, и холодные, возникающие при температуре ниже 300 0 С Горячие трещины располагаются по границам кристаллов и приводят к межкристаллическому разрушению; холодные трещины вызывают внутрикристаллическое разрушение. Свариваемость также зависит от склонности к изменению структуры основы металла и переходной зоны сварного соединения и образования в этой зоне закалочной структуры. Свариваемость характеризуется и способностью сохранения сварным соединением специальных физических, механических свойств основного металла (жаропрочности, коррозионной стойкости и др.). 11 Свариваемость разных металлов и их сплавов различна. Степень свариваемости устанавливается большим или меньшим изменением свойств сварного соединения по отношению к основному металлу, причем для сравнения берется тот участок или зона сварного соединения, где в результате сварки получаются наихудшие свойства. Степень свариваемости сплава считается более высокой, если для его сварки можно применить много способов сварки и различные режимы при каждом способе (к таким сплавам относится низкоуглеродистая сталь). СВАРИВАЕМОСТЬ СТАЛИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЕЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА Наибольшее влияние на свариваемость стали оказывает количество содержащегося в ней углерода и легирующих компонентов. Легированные стали, широко применяющиеся в промышленности и строительстве, содержат элементы, приведенные в табл. 2. Пример маркировки стали 30Х2ГН2; в этой стали 0,26—0,34% углерода, 1,4—1,7% хрома, 0,8—1,1% марганца, 1,4—1,8% никеля. Буква А, стоящая в конце обозначения, показывает, что сталь имеет пониженное содержание серы и фосфора (например, 12ХНЗА, ЗОХГСА, ЗОХМА). По свариваемости все стали условно разделяются на четыре группы: I. Хорошо сваривающиеся. II. Удовлетворительно сваривающиеся. III. Ограниченно сваривающиеся. IV. Плохо сваривающиеся П р и м е ч а н и е . Углерод в легированных сталях буквенного обозначения не имеет; содержание его в сотых долях процента указывают цифрами в начале обозначения; количество легирующего элемента в процентах указывает цифрами после соответствующей буквы; при содержании элемента до 1% цифра не ставится. К группе I относятся стали с содержанием углерода до 0,25% и нормальным для углеродистых сталей содержанием марганца, кремния, никеля и хрома, а также низколегированные стали, содержащие до 0,2% углерода. К группе II относятся стали с содержанием углерода 0,25— О,'15%, а также низколегированные стали, содержащие 0,3—0,35% углерода. К группе III относятся стали, содержащие 0,35—0,5% углерода и низколегированные стали, в которых повышено содержание легирующих элементов. К группе IV относятся стали с высоким содержанием углерода (более 0,5%), а также низколегированные с повышенным содержанием хрома и кремния. Высоко углеродистые инструментальные стали от У7 (0,7% углерода) до У13 (1,3% углерода) обладают весьма низкой свариваемостью, дают сварные соединения плохого качества; практически сварка этих сталей не производится. РАЗДЕЛ №2 ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДА, ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПРИМЕСЕЙ НА СВАРИВАЕМОСТЬ СТАЛЕЙ Углерод. Стали с небольшим содержанием углерода хорошо свариваются всеми способами сварки, на любых режимах. Повышение содержания углерода в стали ведет к увеличению твердости и уменьшению пластичности. Металл в сварном соединении будет закаливаться, что поведет к появлению трещин. Интенсивное окисление углерода во время сварки вызывает образование большого количества газовых пор. Марганец. В небольшом количестве (в углеродистых сталях обычно 0,3—0,8%) марганец не ухудшает свариваемость и не затрудняет сварку. Будучи хорошим раскислителем, он способствует уменьшению содержания кислорода в стали. При повышении содержания марганца до 1,5—2,5% свариваемость ухудшается, так как 12 увеличивается твердость стали, образуются закалочные структуры и могут появиться трещины. Кремний. В углеродистых сталях кремний содержится в небольшом количестве (0,03— 0,35%), вводится как раскислитель и не влияет на свариваемость. При содержании кремния более 1% свариваемость ухудшается, так как образуются тугоплавкие окислы, ведущие к появлению шлаковых включении. В сварном соединении металл приобретает большую прочность и твердость, а вместе с этим и хрупкость. Хром. В углеродистых сталях содержание хрома не превышает 0,25%, что не отражается на свариваемости. В конструкционных сталях типа 15Х, 20Х, ЗОХ, 40Х хрома содержится от 0,7 до 1,1%. При таком содержании- хрома твердость увеличивается, а свариваемость ухудшается, особенно с увеличением содержания углерода. Еще более ухудшается свариваемость хромистых сталей Х5, 1X13, Х17; при сварке образуются тугоплавкие окислы, снижается химическая стойкость стали и образуются закалочные структуры. Свариваемость нержавеющих хромоникелевых сталей ухудшается в связи с возможностью межкристаллитной коррозии. Никель. В обычных углеродистых сталях никеля содержится 0,2— 0,3%, а в высоколегированных — до 28%. Никель, вместе с прочностью повышает, и пластичность металла сварного соединения и не ухудшает свариваемость. Молибден. В теплоустойчивых сталях молибден содержится в количестве 0,2—0,8%; в специальных сталях, предназначенных для работы при высоких температурах, содержание молибдена увеличивается до 2—3%. Молибден в сильной степени увеличивает прочность и ударную вязкость стали, но ухудшает свариваемость, так как вызывает, склонность к образованию трещин как в самом шве, так и в переходной зоне. Ванадий. Ванадий вводится в стали для увеличения прочности; в инструментальных и штамповых сталях его содержание доходит до 1,5%. Ванадий затрудняет сварку, способен сильно окисляться; при .стирке требует введения в зону плавления активных раскислителей. Вольфрам. Как и ванадий, вольфрам содержится в специальных сталях — инструментальных и штамповых — в количестве до 2%. Стали с содержанием вольфрама обладают весьма значительной твердостью и прочностью при высоких температурах. Вольфрам ухудшает свариваемость, сильно окисляется; поэтому сварка сталей, содержащих вольфрам, требует особых приемов. Титан и ниобий. В высоколегированных хромистых и хромоникелевых сталях при сварке образуются соединения углерода с хромом — карбиды хрома. Уменьшение содержания хрома по границам зерен ведет к образованию межкристаллитной коррозии и разрушению сварных швов. Для противодействия этому процессу в стали вводят титан или ниобий в количестве 0,5—1%. Титан и ниобий соединяются с углеродом, препятствуя образованию карбидов хрома. Тем самым титан и ниобий улучшают свариваемость стали. Медь. В сталях, используемых для ответственных конструкций высокой надежности, содержится медь в количестве 0,3—0,8%. Медь улучшает свариваемость, повышая прочность, пластические свойства, ударную вязкость и коррозионную стойкость. Сера. Сера — вредная примесь в стали, ее повышенное содержание приводит к образованию горячих трещин. Наибольшее допускаемое содержание серы — 0,06%, наименьшее — в большинстве легированных сталей—0,02% (в некоторых—0,01%). Фосфор. В сталях содержится сравнительно небольшое количество фосфора в виде фосфидов (химических соединений фосфора с железом). Фосфор — вредная примесь; повышенное содержание фосфора вызывает при сварке появление холодных трещин, следовательно, ухудшает свариваемость. В углеродистых сталях содержание фосфора допускается не более 0,08%. Кислород, азот и водород. Кислород содержится в сплаве в виде примеси железа, т. е. химического соединения железа с кислородом. Закись железа растворяется в чистом расплавленном железе в количестве до 0,5%, что соответствует содержанию 0,22% кислорода. растворимость в стали закиси железа уменьшается с повышением в ней 13 содержания углерода. Кислород ухудшает свариваемость стали, снижая ее механические свойства: прочность, пластичность, ударную вязкость. Азот растворяется в расплавленном металле, попадая из окружающего воздуха; при охлаждении сварочной ванны азот образует химические соединения с железом (нитриды), которые повышают прочность и твердость стали и значительно снижают пластичность. Водород — вредная примесь в стали. Водород скапливается в отдельных местах сварного шва, образует газовые пузырьки, вызывает появление пористости и мелких трещин. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕТАЛЛА СВАРОЧНОЙ ВАННЫ С ГАЗАМИ И ШЛАКОМ Шлак и газы образуются из расплавляемого флюса или защитного покрытия электрода. В связи с высокой температурой при процессе сварки, высокой скоростью нагрева и расплавления и малым объемом ванны взаимодействие металла с компонентами шлака и газами пропс ходит интенсивно. К моменту кристаллизации (затвердевания) металла химические реакции в зоне сварки не успевают закончиться; и приводит, например, к недостаточному раскислению металла шва, насыщению его излишним количеством некоторых элементов (марганец, кремний и. др.) или, наоборот, выгоранию нужных компонентов. Поэтому состав защитного покрытия электродов или флюса, а также режим нагрева при сварке должны обеспечивать нормальное протекание химических реакций в зоне сварки. СТРОЕНИЕ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ В сварном соединении из углеродистой стали, выполненном электродуговой сваркой, имеются следующие зоны (в поперечном сечении): металл шва, состоящий из затвердевшего расплавленного металла соединяемых деталей и присадки и имеющий литую структуру; зона термического влияния, в которой металл не расплавлялся, но структура менялись под влиянием нагрева; основной металл, где структура металла осталась неизменной. Обычно зона термического влияния имеет низкие механические свойства, полому качество сварного соединения частично определяется се протяженностью. СВАРОЧНАЯ ПРОВОЛОКА ДЛЯ ПЛАВЯЩИХСЯ ЭЛЕКТРОДОВ Для сварки плавящимися электродами и наплавочных работ выпускаются: —проволока стальная сварочная — ГОСТ 2246—70; —проволока стальная наплавочная — ГОСТ 10543—63; —проволока сварочная из алюминия и алюминиевых сплавов ГОСТ 7871—63; —прутки чугунные для сварки и наплавки ГОСТ 2671—70; —специальная порошковая проволока — по техническим условиям; —голая сплошная легированная проволока — по техническим условиям. Из стальной сварочной проволоки изготовляют электроды с защитным покрытием для ручной дуговой сварки; эту проволоку применяют также для автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом и в среде защитных газов. ГОСТ 2246—70 предусматривает выпуск проволоки следующих диаметров: 0,3; 0,5; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0; 12,0 мм. Всего выпускается 77 марок проволоки, в том числе: низкоуглеродистой — 6 марок, легированной — 30 марок и высоколегированной— 41 марка. Стальная наплавочная проволока предназначается для механизированной электродуговой наплавки. ГОСТ 10543—63 предусматривает выпуск проволоки следующих диаметров: 0,3; 0,5; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0 мм и 6,5 и 8,0 мм — горячекатаная катанка. 14 Всего выпускается 28 марок наплавочной проволоки, в том числе: углеродистой — 8 марок, легированной—11 марок и высоколегированной — 9 марок. Сварочная проволока из алюминиевых сплавов выпускается следующих диаметров: 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,5; 2,8; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5; 5,0; 5,5; 6,0; 7,0; 8,0; 9,0; 10,0; 11,0 12,0 мм. ГОСТ 7871— II предусматривает выпуск 11 марок проволоки. Рис. 1. Типы сечений порошковой проволоки Чугунные прутки для сварки и наплавки выпускаются следующих диаметров: 4; 6; 8— 10; 12—16 мм, длиной 250, 350 и 450 мм. ГОСТ 2671—70 предусматривает выпуск 6 марок прутков, химический состав которых приведен в табл. 1. Порошковая проволока представляет собой трубку, свернутую ИЗ СТАЛЬНой ленты толщиной 0,2—0,5 мм и заполненную порошком из газообразующих и шлакообразующих компонентов. Порошковая проволока применяется для полуавтоматической дуговой сварки как открытой дугой, так и в защитных газах. Сечения порошковой проволоки нескольких типов представлены па рис. 6. Порошковая проволока применяется также для наплавки и заварки дефектов чугунного литья. Диаметр порошковой проволоки—1,6—3,0 мм. Для дуговой сварки голым электродом без защитной среды в .пускается легированная проволока ЭП-245 (Св-20 ГСТЮА) ЭП-439 (Св-15 ГСТЮЦЛ) но ГОСТ 2246—70. Наибольшее распространение получила проволока ЭП-439, при применении которой стабильность дуги обеспечивается церием и цирконием, а раскислении металла сварочной ванны — марганцем, кремнием, алюминием и т таном. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ СВАРКИ И НАПЛАВКИ Общие требования к металлическим (стальным) плавящим" электродам, технические условия и классификация устанавливают с ГОСТ 9466—60. Электроды должны удовлетворять следующим технологическим требованиям: 15 — легкое зажигание и устойчивое горение дуги на режимах, указанных в паспорте; —равномерное расплавление покрытия; —равномерное покрытие шва шлаком и легкое его удаление; —отсутствие трещин в металле шва. ГОСТ 9466—60 устанавливает также требования к прочности влагостойкости электродов и равномерности нанесения покрытий. ГОСТ устанавливает виды и методы испытаний сварных соединений и швов, выполненных электродами. Таблица 1. Размеры электродов (ГОСТ 9466—60) Длина электрода L, мм Диаметр электрода, мм 1,6 2,0 2,5 3,0 4,0 5,0-12,0 из углеродистой и легированной проволоки из высоколегированной проволоки 225 или 250 225 или 250 350 250 400 или 450 450 350 350 или 450 Электроды для сварки изготавливают четырех классов; для сварки конструкционных углеродистых и низколегированных сталей (ГОСТ 9467—60); для сварки теплоустойчивых сталей (ГОСТ 9467—60); для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами (ГОСТ 10052—62); для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами ГОСТ 10051—62). По характеру содержащихся в покрытии компонентов электроды делят на четыре группы: 1. С покрытиями руднокислого типа, которые состоят главным образом из окислов железа, марганца, кремния, иногда — титана. Металл швов, выполненных этими электродами, склонен к образованию трещин; шов в значительной степени насыщается кислородом и водородом, что ведет к пористости. Руднокислые покрытия обладают повышенной токсичностью. Для сварки сталей с повышенным содержанием углерода и легированных эти электроды не применяют. В обозначении электродов этой группы ставится буква Р. 2. С покрытиями фтористокальциевого типа, которые не содержит окислов железа и марганца. Эти покрытия в основном содержат мрамор (СаСОз) и плавиковый шпат, а также необходимые раскислители и легирующие компоненты. Эти покрытия, наряду с нужной прочностью металла шва, обеспечивают его высокие пластические свойства и ударную вязкость. Недостаток этих покрытий — снижение устойчивости горения in (тишине плавикового шпата), что требует применения постоянной и обратной полярности, и некоторое повышение токсичности В обозначении электродов этой группы ставится буква Ф. 3. С покрытиями рутилового типа, основной компонент которых- рутил т. е. двуокись титана (ТіO2). Для шлаковой и газовой защиты и покрытия этого типа вводят 16 соответствующие минеральные и органические компоненты, а для повышения производительности иногда добавляют железный порошок. Электроды с рутиловым покрытием обеспечивают устойчивое горение дуги при переменном токе, высокое качество металла шва и низкую токсичность. В общем выпуске электроды с рутиловыми покрытиями составляют 75—80%. В обозначении электродов этой группы ставится буква Т. 4. С покрытиями органического типа, основные компоненты которых— мука, целлюлоза и другие органические составы, создающие главным образом газовую защиту дуги и образующие при плавлении тонкий шлак. Электроды с органическими покрытиями применяют большей частью для сварки стали малой толщины. В обозначении электродов этой группы ставится буква О. Назначение электродных покрытий (обмазок). Общее назначение электродных покрытий состоит в обеспечении стабильности горения сварочной дуги и получении металла шва с требуемыми, заранее заданными свойствами (прочность, пластичность, ударная вязкость, стойкость против коррозии и др.). Стабильность горения сварочной дуги достигается путем ионизации воздушного промежутка между электродом и свариваемой деталью. Требуемые свойства шва обеспечиваются следующими действиями обмазок: —газовая защита зоны сварки и расплавленного металла от кислорода и азота воздуха. Газообразующие компоненты обмазок: древесная мука, крахмал, пищевая мука, хлопчатобумажная пряжа, декстрин, целлюлоза; —раскисление металла сварочной ванны, т.е. связывание кислорода, находящегося в шлаках. Раскислителями служат главным образом металлы, обладающие большим сродством с кислородом, чем железо: марганец, титан, молибден, хром; эти металлы вносятся в обмазку в виде ферросплавов. Раскислителем служит также ферросилиций, иногда —углерод (в виде графита) и алюминии; —шлаковая защита от действия кислорода и азота воздуха. Шлак создает оболочку вокруг жидкого металла, переходящего с электрода в сварочную ванну. Шлаковое покрытие уменьшает скорость охлаждения и затвердевания металла шва, способствуя выходу из него газовых и неметаллических включений. Шлакообразующими компонентами обмазок являются: титановый концентрат, марганцевая руда, каолин, мрамор, мел, кварцевый песок и др.; —легирование металла шва для улучшения механических, физических и химических свойств, т. е. введение в него таких элементов, как хром, марганец, кремний, молибден, титан, ниобий и др. Легирование металла шва иногда производится применением специальной проволоки, содержащей нужные элементы. Шире применяют легирование металла шва введением элементов в обмазку. Легирующие компоненты: ферросплавы, иногда — чистые металлы. В зависимости от назначения электродные покрытия делятся на стабилизирующие (тонкие) и качественные (толстые). Толщина тонких покрытий составляет 0,02—0,15 мм на сторону, а толстых 0,5—1,0. Для повышения производительности, т.е. для увеличения количества наплавляемого металла в единицу времени, в электродные покрытия иногда вводят железный порошок. Введенный в покрытие железный порошок, кроме того, улучшает технологические свойства электродов: облегчает повторное зажигание дуги, уменьшает скорость охлаждения наплавленного металла, что благоприятно сказывается при сварке в условиях низкой температуры. Для закрепления покрытий на стержне электрода применяют связующие компоненты (жидкое стекло, декстрин). Жидкое стекло имеет также стабилизирующие свойства. Коэффициент наплавки. Количество металла, которое при сварке переходит на свариваемое изделие, пропорционально величине сварочного тока и времени горения дуги; 17 за определенное время и при определенном сварочном токе оно будет равно: G=KnIt. Но, количество наплавленного металла в разных случаях будет неодинаково; оно зависит от химического состава металла электродного стержня, состава покрытия, рода и полярности тока сварочной дуги. Эта зависимость характеризуется коэффициентом наплавки (г/А-ч). Кn= G I t Таким образом, коэффициентом наплавки называется количество металла, перешедшего с электрода на спариваемое изделие при сварочном токе 1 А за 1 ч. Коэффициент наплавки характеризует производительность сварки. Для электродов с качественными покрытиями Кп составляет 7-ИО г/А-ч; электроды с железным порошком в покрытиях имеют Ки = П—15 г/А-ч; при автоматической и полуавтоматической сварке под флюсом и в защитных газах значение Ки повышается до 18ч-Н-25 г/А-ч. Электроды для сварки сталей. Каждый тип электродов объединяет несколько марок с покрытиями, разработанными различными предприятиями и организациями. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГЕ Рис. 2. Схема электрической дуги прямого действия: / — электрод, 2 — свариваемое изделие, 3 — источник питания, 4-анодная область, 5 — катодная область, в — столб дуги Для сварки металлов обычно используется электрическая дуга прямого действия, в которой одним электродом служит угольный или металлический стержень (рис. 2), 1 вторым- свариваемое изделие 2, К электродам подведено питание от источника 3 постоянного тока. Дуга может питаться и от источника переменного тока промышленной частоты (50 Гц). Дуга состоит из анодной области 4, катодной области 5 и столба 6. В электрической дуге, имеющей небольшой объем, выделяется значительное количество тепла. Большая концентрация тепла и высокая температура дуги (6000—7000°С) позволяют расплавлять практически все известные металлы. Электрическая дуга возникает в результате сильного нагрева торца электрода (катода), который под действием электрического поля начинает испускать свободные электроны (электронная эмиссия). В дуговом промежутке образуются положительно заряженные частицы — ионы. Проводимость ионизированного газа в дуговом промежутке зависит от степени ионизации. Степень ионизации — отношение количества заряженных частиц в данном объеме газа к общему количеству частиц до начала ионизации. Чем выше степень ионизации газа, тем устойчивее дуга. Дня ионизации газа в дуговом промежутке необходимо затрат in в энергию. Количество энергии, необходимое на образование свободною электрона и положительного иона, называется потенциалом ионизации; выражается оно в электронвольтах (эВ). Для повышения степени ионизации, а следовательно, для стабилизации дуги, в 18 дуговой промежуток вводит такие элементы, которые обладают наименьшим потенциалом . Такими элементами являются калий, натрий, барий и др. Соединения, в которые входят эти элементы, вводят в покрытия электродов или в защитный флюс. Таблица 2. Значения потенциалов ионизации некоторых элементов Элемент Потенциал ионизации, эВ 4,32 5,12 5,19 5,96 6,08 6,74 6,76 6,81 7,35 Калий Натрий Барий Алюминий Кальций Хром Ванадий Титан Молибден а) 6) Элемент Потенциал ионизации, эВ Марганец Железо Кремний Углерод Кислород Азот Аргон Фтор в) 7,60 7,83 7,94 11,24 13,57 14,51 15,70 18,70 г) Рис. 3. Процесс возбуждения электрической дуги: а — короткое замыкание, б — образование слоя жидкого металла, в — образование шейки, е— возникновение дуги. Электрическая дуга возбуждается путем короткого замыкания сварочной цепи и последующего быстрого отвода электрода от свариваемого изделия (рис.3). Если в сварочную цепь параллельно включен источник тока высокого напряжения и высокой частоты (осциллятор), то дуга возникает без касания электродом свариваемого изделия, так как электронная эмиссия начинается под действием электрического поля. Для возбуждения дуги конец электрода приближают на расстояние 2— 3 мм к поверхности изделия. Длина дуги. При горении дуги на поверхности свариваемого изделия образуется ванна расплавленного металла (сварочная ванна) с углублением — кратером. Расстояние от конца электрода до поверхности сварочной ванны называется длиной дуги. Длина дуги при ручной дуговой сварке металлическим электродом составляет от 2 до 6 мм. Практически можно считать нормальной или короткой дугу, длина которой приблизительно равна диаметру электродного стержня. Длинной называется дуга, длина которой более 6 мм. Сварку обычно ведут короткой дугой. При сварке длинной дугой происходит сильное разбрызгивание, окисление капель расплавленного металла, что ведет к пористости шва и плохому сплавлению наплавленного и основного металлов. 19 Рис 4. Схема горелки для получения плазменной струи: 1- дуговой разряд. 2-стержневой (вольфрамовый) электрод, 3-сопло, 4-подвод газа, 5плазменная струя. При сварке угольным электродом длина дуги может достигать 5-20 мм. Перенос металла в дуге. Электродным металл переходит в сварочную ванну в виде капель. Капля образуется на конце электрода, ЗАТЕМ она вытягивается; шейка, связывающая каплю с электродом, когда капля касается сварочной ванны, шейка рвется, после чего дуга возникает вновь. В момент перехода капли с электрода в сварочную ванну происходит весьма кратковременное короткое замыкание дугового промежутка. За секунду с электрода на изделие переносите в среднем 30 капель металла. При высоки плотностях тока, например при сварке в защитных газах, электродный металл переходя на изделие в виде непрерывного потока мелких капель. Такой перенос называется струйным Плазменная струя. Для расплавления тугоплавких материалов и для резки используется плазменная струя, которая представляет собой поток сильно ионизированных частей, несущих большое количество концентрированной тепловой энергии. Температура плазменной струи достигает 15 000—20 000° С. Для создания плазменной струи используется дуговой разряд, возбуждаемый между двумя электродами в узком электрически нейтральном канале специальной горелки (независимая струя)> или между электродом горелки и изделием (зависимая струя). Чаще применяется независимая струя. Плазмообразующими газами служат аргон, азот, водород, гели и их смеси. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДУГИ Напряжение на дуге. Электрическая сварочная дуга представляет собой неоднородный проводник, последовательно включенный в электрическую цепь. Общее падение напряжения на дуге равно сумме падений напряжения в катодной и анодной областях и столбе дуге. Падение напряжения в столбе зависит от длины дуги. Следовательно, общее падение напряжения на дуге будет Un = a/bL, где а — постоянный коэффициент, численно равный сумме падений напряжения в катодной и анодной областях; b—падение напряжения на 1 мм длины дуги; L — длина дуги, мм. Для возбуждения дуги при сварке металлическим электродом необходимо напряжение 30—60 В. Это напряжение называется напряжением зажигания. Статическая вольт-амперная характеристика дуги. Графически выраженная зависимость напряжения дуги от сварочного тока называется статической вольт-амперной характеристикой. 20 На участке / с возрастанием тока напряжение надает, что объясняется увеличением катодного пятна, поперечного сечения дуги и, следовательно, ее проводимости. Характеристика называется падающей. На этом участке дуга неустойчива. На участке // плотность тока в дуге постоянна, так как сечение столба дуги увеличивается пропорционально току. Поэтому напряжение дуги постоянно. Характеристика называется жесткой; обеспечивает устойчивый процесс сварки. На участке III, когда сечение столба дуги уже не может увеличиваться, плотность тока возрастает с увеличением тока, а проводимость дуги остается постоянной. Это вызывает увеличение напряжения дуги. Характеристика называется возрастающей. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Электрическая дуга постоянного тока может иметь прямую или обратную полярность. При прямой полярности отрицательный полюс источника питания присоединяется к электроду, а положительный- к свариваемому изделию. Это делается для того, чтобы уравнить количества тепла, те. выделить па топком электроде меньше сила, чем на более массивном изделии. На прямой полярности устойчивее горит дуга между угольным электродом и изделием. Обратная полярность применяется при необходимости выделения меньшего количества тепла в спариваемом изделии, например, при сварке тонких и мелких изделий, легированных, в частности, нержавеющих сталей, некоторых цветных металлов. Рис.5. Отклонение дуги постоянного тока под действием магнитного поля Иногда, наоборот, требуется увеличить количество тепла, выделяемого на электроде, например, при сварке электродами УОНИ-13, в покрытии которых содержится значительное количество соединений фтора (как известно, фтор, см. табл.2 имеет высокий потенциал ионизации). Па дугу постоянного тока, особенно при сварочных токах большой величины, оказывает действие магнитное поле, которое отклоняет дугу от ее оси, как это показано на рис. 5, а, б. Это вызывает затруднение при сварке. Уменьшить действие отклоняющего дугу магнитного ноля можно изменением места токоподвода (рис. 5, в), наклоном электрода и сторону отклонения дуги (рис. 5, г), уменьшением длины дуги. Электрическая дуга переменного тока. При питании дуги от источника переменного тока (частота 50Гц) дуга будет гаснуть и вновь зажигаться один раз и течение каждого периода. Во время этих перерывов будет уменьшаться степень ионизации дугового промежутка, что снизит устойчивость дуги. Для повторного зажигания дуги требуется несколько большее напряжение, чем напряжение горения. Для повышении устойчивости дуги переменного тока можно применять повышенное напряжение зажигания (по сравнению с постоянным током), введение в покрытия электродов элементов с низким потенциалом ионизации (см. табл.2) и включение в сварочную цепь индуктивного сопротивления для сдвига нулевого значения тока относительно нулевого значения напряжения. 21 ВИДЫ СВАРНЫХ ШВОВ И СОЕДИНЕНИЙ Сварные швы делят по следующим признакам: По р а с п о л о ж е н и ю о т н о с и т е л ь н о д е й с т в ующего на шов у с и л и я (рис, 33,а) на фланговые /, лобовые 2, комбинированные 3, косые 4. Косые швы по отношению к направлению действия усилия расположены в пределах от 30 до 60 . Рис. 6. Классификация сварных швов: а — по расположению относительно действующего усилия, б — по положению в пространстве, в — по усилению, г — по ширине, д — по количеству слоев, е — по длине При сварке труб различают стыки при вертикальном и горизонтальном расположении оси, а также поворотные и неповоротные стыки. По типу у с и л е н и я (рис. 6,в) на нормальные /, усиленные 2, ослабленные 3 (при прихватке). По ш и р и н е (рис. 6, г) на ниточные 1 (выполняемые без поперечных колебательных движений; ширина шва равна или немного больше диаметра электрода), уширенные 2 (выполняемые с поперечными колебательными движениями; ширина таких швов не превышает 30 мм). По к о л и ч е с т в у с л о е в (рис. 6, д) на однослойные (однопроходные) /, многослойные (многопроходные) 2. По п р о т я ж е н н о с т и (рис. 6, е) на сплошные 1, прерывистые 2. По н а з н а ч е н и ю на прочные, плотные, прочно-плотные. 22 Рис.7. Виды сварных соединений. Различают следующие виды сварных соединений: стыковые, угловые, тавровые, нахлесточные, торцовые (рис. 7). Применение тех или иных соединений обусловливается характером конструкции (например, в резервуарах, трубопроводах — стыковые; в фермах, стойках — нахлесточные и т. д.), способом сварки, толщиной металла и др. ПОДГОТОВКА МЕТАЛЛА К СВАРКЕ Перед сваркой торцы кромок и прилегающие к ним участки шириной 15—20 мм от края очищают от грязи, ржавчины, масел, бетона, раствора и т. д. Рис.8. Виды подготовки кромок под сварку 23 Очистку кромок можно производить различными растворителями, газокислородным пламенем, кислотами, механическим путем — металлическими щетками, напильниками, абразивными кругами и т. д. В тех случаях, когда нельзя обеспечить глубину проплавления по всему сечению шва (большая толщина свариваемых изделий, малая мощность источника тепла, затруднения формирования шва из-за большого объема сварочной ванны, необходимость уменьшения доли основного металла в шве и т. п.), производят специальную разделку кромок. Разделка заключается в скосе кромок для того, чтобы «опустить» сварочную ванну вниз для обеспечения провара корня шва. При этом на кромках оставляют притупление для предотвращения прожогов. При сборке свариваемых изделий между кромками обязательно оставляют зазор, необходимый для приближения источника тепла к притуплению, а также для уменьшения деформаций и напряжений при сварке. Исключение составляет нахлесточное соединение, где наличие зазора нежелательно, так как ухудшаются условия работы всей конструкции. Выбор формы подготовки кромок зависит от способа сварки, имеющегося сварочного оборудования и конкретных условий, при которых будет обеспечено необходимое количества шва, при минимальном сечении разделки (ГОСТ 526469). ВЫБОР РЕЖИМА СВАРКИ Форма и размеры шва в основном определяются режимом сварки. Под режимом понимают совокупность параметров (показателей), определяющих условия протекания процесса сварки. При ручной дуговой сварке основными параметрами режима являются: диаметр электрода, мм; величина тока, А; род и полярность тока. Выбор диаметра электрода при сварке в нижнем положении практически неограничен и зависит от квалификации сварщика и его умения манипулировать сварочной ванной определенного объема. Ориентировочно диаметр электрода в зависимости от толщины свариваемых стальных изделий можно подбирать, руководствуясь следующими данными: Толщина металла, мм . . Диаметр электрода, мм . . 0,5—1,5 1,5—2 1,5—3 2—3 3—5 3—4 6—8 4—5 9—12 4—6 13—20 5—6 При сварке в вертикальном положении не следует выбирать электроды диаметром более 5 мм; при сварке в потолочном и горизонтальном на вертикальной плоскости положениях не рекомендуется использовать электроды диаметром более 4 мм. В зависимости от размеров сечения швов они выполняются однослойными или многослойными. Однопроходная сварка производительна и экономична, но металл шва имеет грубую малопластичную столбчатую структуру. Одновременно увеличивается зона термического влияния, что также является нежелательным. При многослойной сварке наложение каждого последующего слоя вызывает термообработку предыдущего слоя. Уширенные швы выполняют с различными поперечными колебательными движениями торца электрода. Цель этих движений — создать общую для обеих кромок сварочную ванну и обеспечить хороший провар. ПРИЕМЫ СВАРКИ В РАЗЛИЧНЫХ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ПОЛОЖЕНИЯХ Сварка в нижнем положении. Если это возможно, сварка выполняется слева направо. Электрод под небольшим углом наклонен в сторону направления сварки. Однако нельзя наклонять электрод в сторону той или иной кромки, так как может возникнуть глубокий подрез. Возможно направление сварки от себя, к себе, справа налево и т. д. При сварке в вертикальном положении (рис. 9) электрод немного наклоняют вниз для того, чтобы силой давления газов дуги препятствовать стеканию металла сварочной ванны. 24 Сварку потолочных швов ведут короткой дугой на пониженном токе так, чтобы на конце электрода образовывался козырек, удерживающий расплавленный металл. Возможность сварки в потолочном положении объясняется действием сил поверхностного натяжения. Рис. 9. Способы сварки в вертикальном положении: о — сверху вниз, б -снизу вверх. Значительную сложность представляет сварка горизонтальных швов на вертикальной плоскости. Для заполнения разделки применяют ниточные многослойные швы. При получении определенных навыков возможно выполнение этих швов с колебательными движениями При сварке во всех пространственных положениях (кроме нижнего) сварочная дуга должна быть минимальной длины (короткая дуга). При многослойной сварке перед наложением очередного слоя предыдущий слой очищают от шлака. Ручная дуговая сварка угольными электродами. Этот способ применяют для сварки стального листа (0,3—1,0 мм), при наплавке твердых сплавов, а также при сварке алюминия и меди. Обычно процесс ведут на постоянном токе прямой полярности, используя угольные или более стойкие при высокой температуре графитовые электроды. РАЗДЕЛ №3 ПАЙКА Основные понятия Пайкой называют процесс соединения металлических деталей, находящихся в твердом состоянии, посредством расплавленного связующего металла или сплава – припоя, имеющего более низкую, чем соединяемый основной металл температуру плавления. Между расплавленным припоем и основным металлом происходят на 25 небольшой глубине процессы взаимного растворения и диффузии, в результате которых при застывании получается прочное соединение деталей. Химикаты, применяемые при пайке для облегчения соединения металлов и способствующие удалению окислов из места пайки, называют флюсами. Рабочей температурой припоя является та температура, до которой должны быть нагреты припой и спаиваемые поверхности деталей, чтобы соединение их стало возможным. Обычно эта температура находится несколько выше температуры ликвидуса припоя. Температурой активности флюсов называют ту наименьшую температуру, при которой они выполняют свои функции. Работы, проводимые при температуре, меньшей чем 450 °С, относятся к пайке мягкими припоями, а выполняемые при температурах выше 450–650 °С – к пайке твердыми припоями. Припои Из основных определений рассматриваемого процесса становятся ясными главные задачи пайки, а также условия, необходимые для выполнения этих задач. 1. Припой должен плавиться в то время, когда основной металл еще находится в твердом состоянии. Металлы и сплавы с высокой температурой плавления паяют твердыми припоями, а низкоплавкие – мягкими припоями. Разница температур плавления припоя и основного металла должна быть не менее 50 °С. При изготовлении филигранных изделий опасность местного перегрева настолько велика, что указанная разница между температурами должна быть значительно больше 50 °С. 2. Жидкий припой должен хорошо растекаться по спаиваемому металлу. Иногда ювелиры во время пайки наблюдают следующие явления: припой во время пайки превращается в шарик вместо того, чтобы распределиться по всему месту пайки и заполнить стык. Это явление обусловлено различными причинами и чаще всего силами поверхностного натяжения. Место пайки необходимо предварительно нагреть до нужной температуры и затем производить пайку. Иногда причиной недостаточного смачивания является большое различие между структурами припоя и основного металла, а также наличие пленок окислов и загрязнений на поверхности припоя или детали. Поверхность металлических деталей всегда имеет микронеровности, не видимые невооруженным глазом, которые образованы следами предшествующей обработки, например шлифования, и выступами конечных плоскостей кристаллической решетки, напоминающими при сильном увеличении скалистый ландшафт с острыми вершинами. Припой в расплавленном состоянии должен заполнить все эти неровности, растворив особенно далеко выступающие части. 3. Соединение припоя с основным металлом должно быть долговечным. Прочность и долговечность паяного соединения зависит от способности припоя смачивать основной металл и от сродства припоя и основного металла. В процессе пайки происходит диффузия расплавленного припоя в нагретый основной металл. При продолжительном нагреве или при последующем отжиге после пайки диффузия значительно повышается. Таким образом, получается структура, которая схематически изображена на рис. 10. Припой имеет первоначальную структуру только посередине соединения, а в краевых зонах шов обогащен кристаллитами спаиваемого металла. На границе основного металла также образуется узкая смешанная зона, и только за ней видна его нормальная структура. Практически эти зоны могут выглядеть различно. Припой может смешаться с основным металлом вплоть до своей срединной зоны; можно и совсем не обнаружить смешанную зону в спаянном шве, если ее ширина меньше величин, различаемых под микроскопом. 26 Рис. 10. Структура паяного шва: 1 – основной металл; 2 – припой; 3 – зона диффузии припоя, 4 – зона диффузии основного металла. Мягкие припои. Почти все важные для техники мягкие припои являются сплавами системы олово–свинец. Диаграмма состояния, изображенная на рис. 11, чрезвычайно похожа на известную диаграмму системы серебро–медь. При температуре 183,3 °С образуется эвтектика, содержащая 61,9 % олова. Для улучшения свойств припоев к олову и свинцу добавляют незначительные количества других металлов. В производстве ювелирных изделий обычно применяются припои с содержанием олова от 50 до 60 %. В качестве особенно низкоплавких припоев иногда используют «металл Вуда» – сплав, состоящий из четырех частей висмута, двух частей свинца, одной части олова и одной части кадмия. Рабочая температура этого припоя равна 61 °С, т. е. он может плавиться даже в горячей воде. Основные данные по составу и свойствам мягких припоев приведены в табл. 3. Рис. 11. Диаграмма состояния системы Sn – Pb. 27 Таблица 3 Состав и свойства важнейших мягких припоев (тертников) Содержание компонентов, % Удельны Температура, С й вес, Cu+As+N Sn Sb Fe Pb ликвидуса солидуса г/см3 i 8 0,56 0,05 0,1 остаток 270 305 10,8 25 1,7 0,05 0,1 183 257 9,8 -30 2,0 0,06 0,12 183 249 9,6 -33 2,2 0,07 0,14 183 242 9,5 -40 2,7 0,08 0,16 183 223 9,3 -50 3,3 0,09 0,18 183 200 8,8 -55 3,6 0,1 0,2 183 183 8,6 -60 3,2 0,1 0,2 183 185 8,5 -90 1,3 0,1 0,2 183 219 7,5 -Твердые припои. При изложении материала по благородным сплавам рассматривалось влияние присадочных металлов на структуру и свойства этих сплавов. На основе проведенных исследований указывалось, что наиболее подходящими присадками для снижения температурного интервала плавления сплавов на основе золота и серебра являются цинк и кадмий. Фактически большинство твердых припоев для благородных сплавов легируется этими же присадками. Составы и свойства припоев для пайки сплавов на основе серебра и золота приведены в табл. 4 и 5. Таблица 4 Припои для сплавов серебра и их свойства Марка припоя 6501 6502 6303 6504 5405 Lag83 (83ДИН1735) Характер припоя очень твердый твердый средний мягкий очень мягкий очень твердый Рабочая Содержание серебра, температура, Применение 1000/000 С 650 760 650 650 650 740 720 700 540 670 830 830 Для пайки сплавов серебра Для пайки чистого серебра 28 Таблица5 Припои для сплавов золота и их свойства Содержание Рабочая золота темпеМарка Характер или Применение ратура, припоя припоя платины, С 1000/000 1 2 3 4 5 833 Au Для пайки PL1 твердый 60 Pd 920 платины и ее сплавов 220 Pt 560Au Припой для WL1 твердый 920 сплавов белого 100 Pd золота Для пайки 1005 средний 750 Au 820 сплавов золота 750 пробы 1004 мягкий 750 Au 810 1451 высокотвердый 585 Au 850 Для пайки 1452 твердый 585 Au 820 сплавов золота 1453 средний 585 Au 775 585 пробы 1454 мягкий 585 Au 760 851 твердый 333 Au 790 Для пайки 851 средний 333 Au 760 сплавов золота 333 пробы 853 мягкий 333 Au 740 РАЗДЕЛ № 4 Флюсы Действие флюсов. При нагреве на поверхности большинства металлов образуются пленки окислов. Хотя перед пайкой окисные пленки механически удаляются шабровкой, но остатки окислов должны быть растворены флюсами, которые снижают также возможность образования новых окислов. Таким образом, в процессе пайки флюсы должны выполнить следующие задачи: – растворить имеющиеся остатки окислов; –защитить места пайки и припой от окисления посредством глазуревидного покрытия; – способствовать повышению жидкотекучести припоя. Чтобы решить эти задачи, флюсующие средства обязаны удовлетворять следующим требованиям. 1. Рабочая температура припоя и температура действия флюсов должны быть согласованы между собой. Температура, при которой флюс растворяет окислы, должна быть несколько ниже, чем рабочая температура пайки. Кроме того, скорость реакции, т. е. темп растворения окислов должен быть выше, чем скорость пайки. Пайка должна проводиться достаточно быстро, чтобы помешать появлению новых окислов. 2. Флюсы должны иметь возможно низкую вязкость и умеренное поверхностное натяжение. От вязкости флюса зависит его подвижность. Вязкость должна быть достаточно низкой, чтобы не препятствовать растеканию припоя, но, с другой стороны, она должна быть и достаточно велика, чтобы флюс, как единый защитный слой, надежно покрывал 29 припой и место пайки. Ясно, что материал, который, обладая высоким поверхностным натяжением как ртуть, скатывается в шарики, непригоден в качестве флюса. Хороший флюс должен иметь низкое поверхностное натяжение, чтобы он мог в расплавленном состоянии хорошо смочить и покрыть поверхность основного металла. 3. Флюсующие средства должны полностью ошлаковызать загрязнения и отводить их из зоны пайки. Недостаточно, если флюс только растворяет остатки окислов, он должен также удалять продукты растворения от места пайки. В противном случае вязкий слой шлака будет снижать подвижность припоя и препятствовать активному действию новых порций флюсующих материалов на поверхность металла. Флюсы для мягких припоев. Под этими флюсами имеются в виду все те флюсы, температура действия которых достаточно низкая, чтобы применять их при использовании мягких припоев. Хлористый цинк – ZnС12. Этот флюс представляет собой белую соль, легко растворимую в воде. Она гигроскопична и при температуре, равной 283 °С, превращается в жидкотекучую массу. При взаимодействии флюса с водой (для этого достаточно влажности воздуха) образуется хлористый водород ZnCl2 + H2O – ZnO + 2HC1. Полученный газ растворяет окислы в месте пайки и превращает их в хлориды по реакции 2НС1 + СuО – СuС12 + Н2О. Плавящийся хлористый цинк должен быть также в состоянии поглотить окись цинка и хлориды, образовавшиеся из окислов металлов. Остатки этого флюса могут вызывать коррозию металлов и поэтому должны удаляться тщательной промывкой после пайки. Нашатырь (хлористый аммоний) – NH4C1. Нашатырь – это белая растворимая в воде соль, которая применяется вместе с хлористым цинком в виде жидкого флюса. Паяльная жидкость. Самый простой способ изготовления паяльной жидкости заключается в растворении отходов листового цинка в соляной кислоте до насыщения 2НС1 + Zn→ZnCl2 + Н2↑. Насыщенный раствор разбавляется водой в отношении 1:1. Температура действия паяльной жидкости, однако, соответствует точке плавления соли (ZnCl2), равной 283 °С. Как показано на рис. 12, добавлением хлористого аммония достигается значительное понижение температуры плавления флюса, которое можно регулировать соотношением обоих компонентов флюса. При содержании хлористого аммония 28 % и хлористого цинка 72 % достигается минимум температуры плавления, равный 180 °С. Благодаря соединению этих солей при высоких температурах происходит отделение газа – хлористого водорода с образованием, кроме того, аммониевых хлоридов цинка Zn(NH3)2Cl2 и Zn(NH3)Cl2, которые еще больше способствуют процессу пайки ZnCl2 + NH4C1 – Zn(NH3) С12 + НС1. Практически изготовление такой жидкости для пайки происходит так, что обе соли берутся в нужном соотношении и растворяются в воде. Применение этого жидкого флюса для пайки благородных металлов нежелательно по указанным выше соображениям для хлористого цинка. Канифоль – С20Н30О2. Она добывается из смолы хвойных деревьев и представляет собой мягкую желтую смолу, которая плавится в зависимости от состава при 30 температурах 100–200 °С. В противоположность до сих пор рассмотренным флюсам канифоль совершенно безвредна при пайке благородных металлов. Она растворяет имеющиеся окислы в значительно меньшем объеме, чем паяльная жидкость. Применяется только после основательной зачистки мест пайки и при высокой скорости последней. Рис. 12. Фрагмент диаграммы состояния системы ZnCl2 – NH4Cl. Флюсы для твердых припоев. К ним относят химикаты, используемые в качестве флюсующих материалов при пайке твердыми припоями. Борная кислота и бура. Бура – это классический флюс ювелира данной категории. Борную кислоту ювелир при пайке применяет тогда, когда полированная вещь должна сохранить свой блеск, несмотря на пайку, и когда нужно полностью избежать окисления ее поверхности. Борная кислота и бура образуют при нагревании расплав в виде глазури, который во время пайки распадается с образованием трехокиси бора – В2О3. Трехокись бора реагирует с окислами металлов с образованием солей борной кислоты, например: СuО + В2О3 → Сu(ВО2)2. В борной кислоте при температурах ниже 900 °С эти продукты растворения, как это схематически показано на рис. 13, а, осаждаются в виде плотного слоя на поверхности металла. Благодаря этому поверхность получает защитный слой, но зато новые частицы трехокиси бора не смогут теперь попасть к месту пайки, где образовались окислы. Только тогда, когда температура становится выше 900 °С, жидкотекучесть флюса повышается и порученные бораты могут вновь соединяться с трехокисью бора (рис. 13, б). 31 Рис. 13. Схема действия флюсов на окисленную поверхность металла: расплавленной борной кислоты при температуре ниже 900 С (а) и при температуре выше 900 С (б); в – расплавленной буры. Бура распадается при переходе точки плавления на трехокись бора и метаборат натрия. Трехокись бора растворяет окислы и загрязнения металла, как это описано при действии борной кислоты, образуя метабораты. Вновь образованные метабораты растворяются имеющимися метаборатами натрия и отводятся ими прочь от места образования, чтобы новые частицы трехокиси бора могли приблизиться к окисленному слою металла и также вступить с ним в реакцию (рис. 13, в). Процесс будет идти до тех пор, пока все окислы не будут растворены полностью. Для улучшения действия буры и снижения температуры активности флюса к ней добавляют фтористые соединения. Пайка мягкими припоями Общие сведения. Каждый ювелир должен считать своей основной задачей, как можно реже прибегать к пайке оловянным припоем, используя в основном твердые припои. В процессе изготовления новых деталей иногда приходится выполнять пайку оловом, которая имеет следующие недостатки: – прочность соединения при пайке оловом меньше, чем при пайке твердым припоем; – после пайки оловом невозможно производить в дальнейшем пайку твердым припоем, потому что оловянный припой при высокой температуре сильно окисляется и разъедает основной металл; – при попадании остатков оловянного припоя в шихту для переплава благородных металлов весь получаемый сплав становится хрупким и практически бесполезным. Учитывая изложенное, не следует ни в коем случае хранить вместе оловянный припой с благородными металлами и инструментом, предназначенным для их обработки. Поэтому необходимо: 1) все шаберы, напильники, а также вспомогательные инструменты и средства, нужные для паяния, хранить в особом ящике; 2) прежде чем начать работать с оловянным припоем, нужно освободить рабочее место; 3) отдельно хранить металлические опилки и отходы, содержащие оловянный припой, никогда не держать их вместе с обычными остатками от опиловки. Зачистка (фришевание). При проведении любой пайки места спая должны быть тщательно зачищены. Самый простой и чаще всего применяемый метод зачистки состоит в удалении пленки окислов трехгранным шабером отовсюду, где должна происходить пайка. При этом надо следить, чтобы не оставалось заусенцев и остатков старого припоя. Можно 32 успешно применять и другие механические или химические методы очистки: травление или очистку проволочной щеткой, обработку стеклянной щеткой, напильником, наждаком, фрезами и т. д. Чем чище соединяемые поверхности, тем выше качество пайки. Пригонка. Спаиваемые части располагаются друг перед другом. Расстояние между ними должно быть незначительным, но с другой стороны, должно еще оставаться достаточно места для припоя. Если на готовом изделии должна быть смонтирована на оловянном припое оправа или ободок, то нужно позаботиться о том, чтобы на украшении заранее была припаяна твердым припоем точно пригнанная внутренняя или наружная рамка (рис. 14, а), к которой и крепится оправа, припаиваемая оловом по возможно большей поверхности. Рис. 14. Примеры увеличения поверхности спая при пайке мягким припоем. Если нужно спаять два конца проволоки встык, то для увеличения поверхности спая нужно подложить металлическую полоску, которая с одной стороны припаяна твердым припоем к концу проволоки. Еще лучше установить подходящую (почти без зазора) трубку на спаиваемое место (рис. 14, б, в). Но иногда во время ремонта все же нельзя обойтись без того, чтобы не спаять шинку кольца оловом, так как каст в верхней части кольца заполнен чувствительными к высокой температуре камнями, которые нельзя вынуть, а затем положить вновь. В таких случаях изготавливают из тонкого металлического листа трубку так, чтобы внутренний размер трубки соответствовал внутреннему диаметру кольца. На поверхность трубки припаивают мягким припоем верхнюю часть кольца, затем насаживают на среднюю часть трубки шинку и припаивают ее оловянным припоем. В заключение отпиливают выступающие части трубки. Отремонтированное таким надежным способом кольцо будет долго носиться (рис. 14, г). Часто бывает необходимо скрепить отдельные детали украшения, например пластинки с эмалью, посредством штифтов, которые припаиваются твердым припоем, и в таком виде все части украшения отделываются вплоть до полировки. В этом случае продевают штифты, имеющие несколько большую длину чем нужно, сквозь точно подогнанные отверстия основания (рис. 14, д). Затем надевают на штифты маленькие колечки, согнутые из четырехгранной проволоки, и накрепко припаивают их оловянным припоем к основанию украшения и нижней части штифтов. В заключение отпиливают концы штифтов и полой отделочной полушаровой фрезой обрабатывают из колечка и основания штифта сферическую головку, подобную заклепочной. 33 Фиксация деталей при пайке. Иногда достаточно, если отдельные детали, расположенные на подкладке для пайки – асбестовом листе или куске древесного угля, устанавливаются вместе или надвигаются одна на другую, а затем спаиваются. В других случаях детали удерживают обычными круглогубцами или особой цангой для пайки. Преимущество последнего способа заключается в том, что предмет свободно удерживается рукой и надобность в подкладках отпадает. Можно применять также для удерживания соединяемых деталей зажимы, пришпиливание булавками, связывание проволокой и другие методы, описанные ниже при пайке твердыми припоями. Практические приемы пайки. Флюс следует наносить на всю поверхность спая. Жидкие флюсующие вещества наносят кисточкой, а пастообразные – маленьким шпателем. При пайке паяльником (рис. 15) припой берут острием горячего паяльника и переносят на место пайки. Для этого сначала проводят ребром горячего паяльника несколько раз по куску нашатыря, пока оно не заблестит, а затем надавливают острием паяльника на конец прутка припоя, тогда небольшое количество припоя расплавляется и остается на паяльнике. В процессе пайки нужно обращать внимание на то, чтобы паяльник был достаточно горячим и на его острие находилось бы достаточное количество олова. Рис. 15. Пайка мягким припоем с помощью электрического паяльника. Острием паяльника проходят по стыку; при легком передвижении острия паяльника основной металл нагревается в месте соединения до температуры, нужной для выполнения работы, после чего припой стекает на место соединения. Припой поддерживается в жидкотекучем состоянии теплом, непрерывно подводимым паяльником, и затекает встык. Если зазор велик и количество припоя на паяльнике недостаточно для его заполнения, то берут новую порцию олова указанным выше способом и переносят его в шов. Перед проведением пайки горелкой пруток припоя прокатывают до нужной толщины, затем его разрезают на полосы, которые должны быть узкими, длинными и достаточно тонкими. Во всех случаях пайка будет более удачной, если одна из двух спаиваемых частей уже предварительно покрыта по соединяемой поверхности гладким слоем припоя (облужена). При пайке горелкой одновременно накладывают флюс и кусочки припоя таким образом, чтобы припой лежал непосредственно на стыке и при нагреве мягким пламенем равномерно распределялся по шву. Количество припоя нужно рассчитать таким образом, чтобы зазор был хорошо заполнен и не оставалось ненужного остатка. В зависимости от вида изделия и особенностей шва применяют тот или иной характер пламени. Так как пайка оловянными припоями не требует высокой температуры, то ее можно выполнять быстро газовым паяльным пистолетом. Короткое острое пламя применяют в тех случаях, когда надо быстро выполнить небольшую пайку и избежать нагрева расположенных близко камней. 34 Целесообразнее для пайки оловом использовать мягкое шумящее пламя, которым проводят поперек предмета до тех пор, пока припой не расплавится и равномерно заполнит шов. Если при первой попытке заполнение шва не происходит, или расплавленный припой течет в непредусмотренном направлении, то неправильно пытаться заставить его течь в шов путем повышения жара пламени. В этом случае припой покроется слоем окиси, «сгорит» и станет совершенно непригодным. Поэтому, если пайка по каким-либо причинам не получилась, помогает лишь одно: необходимо снова зачистить места пайки, нанести новый припой, новый флюс и повторить процесс пайки. Зачистка паяного шва. Весь излишний припой, который после пайки находится возле шва и на нем, должен быть удален. Опытному паяльщику будет нетрудно вести работу по очистке изделия, потому что он положит столько припоя, сколько нужно, чтобы заполнить зазор, и умелым направлением пламени горелки он вынудит припой проникнуть в шов, не загрязняя все изделие. Но, несмотря на это, всегда остаются небольшие остатки припоя, которые удаляют острым шабером, штихелем, напильником и т. п. режущими инструментами. Травление и все другие последующие химические методы обработки здесь не нужны, потому что пайка происходит при более низкой температуре, чем температура отжига и окисления сплавов благородных металлов, изделие не перегревается и, следовательно, изменение наружной поверхности основного металла в этом случае исключено. РАЗДЕЛ № 5 Пайка твердыми припоями Общие сведения. Пайка твердым припоем, как показывает само название, обеспечивает более прочное соединение спаиваемых частей. Высокие пластичность и ковкость припоя, глубоко проникающего в основной металл, позволяют выдерживать значительные механические напряжения в спаяных местах при прокатке, ковке, гибке, выколотке и т. п. Вследствие того, что припой и основной металл имеют значительно меньшую разность температур плавления, этот метод требует проведения подготовительных операций в большом объеме, основательных знаний и наличия определенного опыта работы. Очистка. Все, что сказано о подготовке поверхности к пайке мягким припоем, относится целиком и полностью и к пайке твердым припоем. Необходима абсолютная чистота того места, где будет производиться пайка. Плохо влияют на пайку ювелирных изделий не только пленки окислов, но и остатки жира или смазки. То и другое должно быть тщательно удалено. Пригонка. Все соединяемые части, в которых имеются остаточные напряжения в результате предшествующей обработки, должны прежде всего подвергнуться отжигу. В противном случае может случиться, что звено (ушко) расширится в зазоре из-за внутренних напряжений или запаиваемая оправа при нагреве перекосится так, что спаиваемые концы не удастся установить друг против друга. Все замкнутые пустотелые детали должны иметь небольшие отверстия в незаметном месте, чтобы при нагреве воздух мог из них удаляться, в противном случае деталь во время паяния может вспучиться или лопнуть. Очевидным является и то, что правильно выбранный зазор уменьшает ненужную последующую работу. Ширина зазора от 0,1 до 0,2 мм гарантирует успех работы. При рассмотрении пайки мягкими припоями было показано несколько возможных вариантов увеличения поверхности соединения. Вследствие более высоких механических свойств шва, спаянного твердым припоем, не нужно так увеличивать поверхности соединения, как при пайке мягкими припоями. Однако при пайке тонких противостоящих частей таких 35 изделий, как изящные звенья цепочек, тонкие оправы и даже шинки колец, подвергаемых большим напряжениям, целесообразно выполнять стык со скосом или наклонно (рис. 16, а), несколько увеличивая поверхность шва. Вместо того, чтобы просто ставить проволоку торцом для припаивания ее к пластинке основания, следует увеличить площадь соединяемых поверхностей изгибом конца проволоки в виде ступни. Можно также просверлить пластинку, вставить в отверстие конец проволоки и запаять твердым припоем (рис. 16, б). Рис. 16. Примеры увеличения поверхности спая при пайке твердым припоем. 36 Если нужно закрепить на основании ободковую оправу вместе с припаянной к ней опорой для камня, то целесообразно (как это показано на рис. 16, в) несколько опустить вниз опору и выпилить в пластине основания такое отверстие, чтобы выступающую внутрь часть опоры камня можно было прямо ввести в это отверстие и там запаять. При соединении двух частей пустотелого предмета часто бывает трудно расположить их тонкие края так, чтобы они точно стояли друг перед другом, если к тому же учесть, что при нагреве они еще и перекашиваются. В этом случае лучше поместить между обеими частями тонкую металлическую пластинку и припаять к ней эти части с обеих сторон, а выступающие участки пластинки отпилить (рис. 16, г). Если такие изделия, как плоские шинки колец или сломанные ручки ложек, выдерживающие значительную нагрузку, должны быть снова спаяны, то рекомендуется метод ремонта, изображенный на рис. 16, д. В соединяемых частях предмета нужно с обеих сторон выпилить вырезы под прямым углом к стыку, вставить туда узкую соединительную полоску из тонкого листа и пропаять ее вместе со стыком. Часто бывает нужно вставить в шинку кольца кусочек металла для увеличения диаметра кольца или замены поврежденного места. Чтобы во время пайки эта вставка была надежно укреплена и для обеспечения возможно большей прочности, ей так же, как и соединяемым концам шинки, придают опиловкой форму ласточкиного хвоста, затем вставляют ее в паз и припаивают (рис. 16, е). Установка шинки на вновь изготовленное кольцо бывает часто очень трудной, так как во время пайки она плохо держится на головке кольца (касте) и сдвигается, в то время как припой течет прямо, что вызывает неприятные последствия. Для их предупреждения следует рекомендовать простое и пригодное почти во всех случаях средство: выпилить на концах шинки ступеньку. Этого достаточно, чтобы во время пайки надежно удерживать шинку на касте (рис. 16, ж). В заключение следует упомянуть основное правило для хорошо продуманной пригонки: всегда следует переносить швы с наружной лицевой стороны на внутреннюю поверхность, если это возможно. Фиксация деталей. При мягкой пайке часто обходятся без подкладок под спаиваемые детали, вполне достаточно удерживания их щипцами ввиду быстрого нагрева изделия. Напротив, в случае твердой пайки, ювелир устанавливает детали на куске угля надежно и устойчиво; при этом устраняются ненужные потери тепла, расходуемого на нагрев удерживающего инструмента. Используемый в качестве подкладки кусок древесного угля должен быть без сучков и иметь примерно плитовидную форму. Уголь следует подготовить так, чтобы он при употреблении почти не обгорал. Для этого новый кусок угля обрубают по краям, оборачивают его толстой обвязочной проволокой, предварительно медленно отжигают и затем нагревают до тех пор, пока кромки его не становятся красными. Если уголь при этом разрывается, что часто случается, он все-таки сохраняет свой размер без изменения, благодаря обвивающей его проволоке. Во многих случаях достаточно, если соединяемые части просто сближают друг с другом на гладком куске угля и спаивают их. Если, например, нужно спаять под прямым углом две проволоки, целесообразно нацарапать чертилкой крест на угле, чтобы контролировать этим правильное положение проволоки. Таким же способом можно начертить многие вспомогательные линии и затем по ним устанавливать и выравнивать соединяемые части. Но для напайки тонких проволочек на гладкую металлическую пластинку не рекомендуется укладывать ее на уголь, так как следует учесть, что эти спаиваемые части будут перегреты; при этом припой будет вытекать, не спаивая проволочки с основным металлом. В таких случаях следует пользоваться универсальной подставкой для отжига. Связывание проволокой. Связывание – это вспомогательный прием фиксации деталей при пайке, требующий часто длительного периода времени, поэтому следует ограничить применение этого метода и заменить его пришпиливанием булавками к углю или закреплением зажимами. Но в некоторых случаях все же нельзя обойтись без связывания 37 обычной стальной отожженной проволокой диаметром от 0,2 до 0,5 мм. В этом случае следует учитывать следующие недостатки: 1. Стальная проволока при нагревании расширяется значительно меньше, чем связанные ею детали из благородных металлов; 2. При пайке железная окалина может восстановиться, что приведет к диффузии железа в металл соединяемых деталей и к прочной припайке проволоки к ним; 3. При местном перегреве стальная проволока подвергается пережогу и может полностью перегореть, тогда действие связки преждевременно прекращается. Отсюда вытекают следующие рекомендации. Соединительные проволоки должны быть тоньше, чем толщина стенок припаиваемой детали, чтобы благодаря этому выравнять тепловое расширение. По той же причине соединительная проволока не должна плотно обвивать деталь, скорее, она должна быть слегка волнистой, чтобы могла поддаваться удлинению. Если это не учитывать, то на основном металле, находящемся под проволокой, могут появиться углубления при ее натяжении. При связывании более крупных деталей давление под местами наложения проволоки на деталь распределяют, подсовывая под нее небольшие стальные полоски. Проволока должна не полностью обматывать деталь, а так, как показано на рис. 17, а, где проволока охватывает шарик только частично, оставляя тем самым некоторую возможность для расширения детали. Чтобы предохранить припаивание проволоки, по возможности, не следует наносить припой вблизи мест соприкосновения ее с изделием. На рис. 17, б показано вспомогательное приспособление для облегчения правильного припаивания шинки кольца к его головке. На стальной пластинке, изогнутой в виде полуцилиндра, в соответствии с внутренней поверхностью кольца, нанесены чертилкой параллельные линии, прерывающиеся отверстиями, высверленными на равных расстояниях. Если головка кольца и шинка соединены, как показано на рисунке, перекрестным переплетением проволоки, то по линиям на полуцилиндре можно судить о правильности взаимного расположения обеих частей. На рис. 17, в изображено, как целесообразно связывать наперсток, чтобы припаять крышку (донышко), не опасаясь, что разойдется стык обечайки. Вследствие того, что проволока не проходит по закруглению полушария (рис. 17, г), исключено его проскальзывание по основанию. Также надежна и обвязка шара (рис. 17, а). На примере (см. рис. 17, д) показано, как следует связать под пайку с основанием две параллельные проволочки квадратного сечения. Между ними проложены кусочки стальных полосок соответствующей ширины. Соединительная проволока охватывает как проволочки, которые нужно спаять, так и находящиеся между ними и рядом кусочки листового металла. И, наконец, на рис. 17, е изображено, как припаивается круглая оправа (царга) к пластинке, служащей основанием, в котором после пайки выпиливают внутреннее отверстие. Для предосторожности нужно вокруг припаянной царги заранее намотать проволоку, которая должна помешать смещению стыка деталей. В особых случаях, когда нет других возможностей фиксации частей изделия, можно просверлить и связать эти части проволоками из того же материала, с которым работают; после спайки изделия эти отверстия запаивают. 38 Рис. 17. Примеры правильной обвязки деталей проволоки перед пайкой. Скрепление зажимами (скобками). Метод фиксации частей зажимами позволяет быстро собрать соединяемые пайкой детали, надежно удерживать их в процессе отжига и пайки, а затем (после пайки) легко снять скрепляющие скобки. При этом отпадают нежелательные последствия, упоминавшиеся при связывании проволокой. В качестве материала для зажимов отходы листов и лент из обычной углеродистой стали не подходят, так как при нагреве они теряют свои пружинящие свойства и после многократного употребления утрачивают способность удерживать детали. Поэтому лучше для этих целей применять хромоникелевую проволоку, которую прокатывают в вальцах на полосы требуемого сечения. Зажимы из такого материала имеют неоценимое преимущество: они при нагреве и пайке сохраняют свою упругость и не покрываются окалиной, которая загрязняет опилки благородного металла, осыпаясь при зачистке швов. На рис. 18 показаны некоторые формы зажимных скобочек и возможные случаи их применения. Пришпиливание к углю. Своеобразие структуры древесного угля, используемого для пайки, позволяет частично вдавливать соединяемые детали и вспомогательные средства во время пайки в уголь или пришпиливать их к нему булавками. Если на какую-либо часть украшения нужно напаять вертикальный штифт, то сначала просверливают в пластинке основания глухое отверстие и сгибают штифт, значительно большей, чем требуется, длины, в виде неравносторонней скобки U-образной формы. 39 Затем длинный конец скобки вставляют в уголь, а короткий – в просверленное отверстие основания. После чего производят пайку и отрезают штифт до нужной длины. Рис. 18. Примеры применения зажимов и скобочек (струбцин) при пайке. Если хотят смонтировать крапановую оправу, то целесообразнее перевернуть оправу и вдавить крапаны в уголь, чтобы они не деформировались от нагрева при пайке. Большую помощь при фиксации деталей на угле могут дать булавки, особенно в тех случаях, когда не имеется возможности крепления другими способами. На рис. 19 изображены некоторые примеры применения булавок. Стержень или трубка не скатятся, если их с обеих сторон удерживает несколько булавок. Кроме того, на рис. 19, а показано, как при помощи воткнутых крестообразно булавок можно создать небольшие опорные стойки. Можно легко удерживать и прижимать друг к другу отдельные части, например две пластинки, пружинящей силой изогнутых булавок (рис. 19, б). Также с помощью двух изогнутых булавок укреплена трубка, изображенная на рис. 19, в. На рис. 19, г концы двух булавок изогнуты в виде петель, чтобы прижимать круглую проволоку к кольцу. Вполне пригодны булавки и при паянии цепочек. Ими можно жестко пришпилить отдельные звенья цепи (рис. 19, д), а тяжелая цепь не упадет с угля во время ремонта, если ее таким способом укрепить двумя булавками. Рис. 19. Примеры пришпиливания булавками спаиваемых деталей при установке их на древесном угле. 40 Пайка на асбесте. Серийное производство требует такого метода пайки, при котором в кратчайшее время можно соединить много отдельных частей. Для этого непригодно монтирование деталей на небольшом куске древесного угля. Если соединяемые части можно просто положить на плоскость одну рядом с другой или укрепить их зажимами и другими вспомогательными средствами, то такие части устанавливают на поворотном асбестовом диске. Сначала ювелир, производящий пайку, укладывает друг за другом соединяемые детали, затем, постепенно поворачивая диск, наносит на каждую деталь флюс. При следующем повороте он выполняет пайку. При таком методе работы за одну операцию можно спаять 20 или более деталей одну за другой, все время поворачивая асбестовый диск. Если ювелир должен составить украшение из различных отдельных деталей, то он крепит их в специальных углублениях в асбесте. Последние получаются путем вдавливания готового образца изделия во влажную кашицу из асбестовой муки и пыли древесного угля. Этой кашицей наполняют отбортованный лист или противень, глубиной около 4 см. В углубления вставляют части изделия; флюс и опилки припоя, смешанные в виде пасты, наносят на стыки. После этого все приспособление ставят на просушку, чтобы удалить влагу из асбестовой муки. По окончании просушки запаивают деталь за деталью пламенем горелки. Подкладка для пайки из асбестовой муки позволяет делать оттиски весьма рельефных деталей в податливой массе, обеспечивать их надежную фиксацию при пайке и выдерживать идентичность изготовляемых украшений. Кроме того, этот метод требует небольшой затраты времени, так как исключает такие процессы, как связывание или крепление зажимами. Пайка в гипсовой форме. При изготовлении украшений, собираемых из нескольких небольших деталей, возникают трудности в сборке для пайки деталей в нужной последовательности. Кроме того, последовательная припайка одной детали за другой требует значительной затраты времени. В таких случаях производят пайку в гипсовой форме, которую подготовляют следующим образом. Все детали украшения предварительно смазывают бурой и нагревают до получения глазированного слоя. На пластилине собирают украшение из всех входящих в него подготовленных деталей, вдавливая их слегка в пластилин, чтобы они не могли сдвинуться. На стеклянную плиту ставят рамку (обод) из листовой стали несколько большей по высоте и диаметру, чем само украшение, а снаружи заделывают его стык с плитой пластилином. Внутри помещают украшение, собранное на пластилине (рис. 20). Рис. 20. Сборка изделий под пайку в гипсовой форме (детали и украшения смонтированы на пластилине внутри опоки перед заливкой гипсовой массы). На стыки деталей кладут маленькие кусочки влажной папиросной бумаги. Таким образом гарантируют, что они не заполнятся гипсом. Вместо этого можно изолировать стыки, посыпав их небольшим количеством порошка из древесного угля. Затем замешивают с водой формовочную массу, применяющуюся при центробежном литье, являющуюся более жароупорной, чем обычный гипс. Массу мешают до тех пор, пока она не превратится в густую кашу. На стыки наносят отдельные комки гипсовой смеси и затем заливают все детали украшения в опоке гипсовой кашицей. Толщина слоя гипса зависит от изделия, которое нужно спаять. Если этот слой слишком толст, то потребуется много лишнего тепла 41 для его нагрева. Если слой слишком тонок, то при отжиге гипсовая форма может легко сломаться. Потом залитую массу сушат, вынимают из опоки и осторожно освобождают от пластилина. В последний раз подправляют положение соединяемых частей, наносят на стыки немного буры и накладывают кусочки припоя. Предварительно медленно нагревают сильным шумящим пламенем весь гипсовый блок до красного каления. Затем нагревают форму до тех пор, пока весь припой не расплавится и не заполнит стыки. Если все швы спаяны одинаково хорошо, то горячую форму погружают в воду, гипс лопается и его можно легко удалить с изделия. Монтаж на металлических деталях, растворимых в кислотах. В некоторых трудных случаях неизбежно придется обратиться к нижеописанному методу. В качестве примера рассмотрим сборку пустотелого шара. Едва ли возможно надежно собрать и скрепить отдельные его части каким-либо из вышеописанных методов. Можно было бы спаять два полушария порознь в гипсовых формах, а затем собрать их вместе, но при этом велика опасность, что выпадут отдельные части полушарий, когда их будут снимать с гипсовой формы. Если нужно провести сборку полого шара из серебра или из золота 333 пробы, то в качестве материала для вспомогательной конструкции можно взять обычную углеродистую сталь. Для сплавов золота, содержащих свыше 500/000 Аu, применяют медь. В рассматриваемом случае изготавливают тонкостенный шар из листового металла, который спаивается затем из двух половин (рис. 21, а). Теперь довольно просто припаять отдельные части обшивки к шару и одновременно спаять их между собой. Особое внимание надо обратить при этом на взаимное соединение лепестков шара (рис. 21, б). Когда сборка по всей поверхности закончена, вспомогательный шарик просверливается в нескольких местах, а затем он вытравливается из спаянной оболочки. Для вытравливания стали применяют соляную кислоту, а для меди – азотную. Рис. 21. Монтаж спаиваемых деталей на приспособлениях из металлов, растворимых в кислотах: а – вспомогательный шарик, выполненный из тонкой листовой стали; б – частично опаянный лепестками благородного металла стальной шарик; в – параллельные проволочки, подготовленные для пайки с проложенными между ними вспомогательными проволочками. Такими вспомогательными материалами, которые нужно затем вытравливать, можно многого достигнуть и при сборке пайкой с помощью проволоки. Если нужно припаять ряд проволочек на равных расстояниях друг от друга, то между ними укладывают вспомогательные проволочки нужной толщины, связывают все проволочки вместе (рис. 21, в), а затем прочно спаивают их. После вытравливания достигается нужный эффект. Таким же образом можно спаять спираль с равномерным шагом витков, если вместе с ней намотать такую же спираль из вспомогательного металла, потом спаять их вместе, а затем вытравить вспомогательную спираль. Нанесение флюса и припоя. Флюс «флюорон» из белого порошка, растворенного в воде, всегда должен находиться в готовом для использования состоянии. Этот раствор целесообразно хранить в бутыли в защищенном от света месте. На рабочем столе ставится небольшая стеклянная бутылка, наполненная паяльной жидкостью. Жидкий флюс наносят акварельной кисточкой на всю поверхность детали или же последняя окунается во 42 флюорон. Недостаточно покрывать флюсом только место пайки. Так как флюс флюорон выдерживает от 10 до 20 паек, то можно продолжать пайку по покрытой один раз поверхности и в других местах, не очищая и не обмазывая ее заново. Так, например, при изготовлении оправы, сначала после сгибания царги ее всю покрывают флюороном и запаивают. Затем вдвигают на место опорное гнездо для камня, также покрытое флюсом и припаивают его. Если на оправе должны быть припаяны какиелибо детали орнамента, то вновь смазывают флюсом только эти детали. Имеющаяся на оправе глазурь еще пригодна для осуществления дополнительной припайки деталей украшения. Абсолютно неправильно, как это практикуется в некоторых мастерских, после каждой пайки промывать в воде, а затем протравливать изделие. Материал страдает в этом случае не только потому, что снова приходится очищать и обмазывать его, но кроме того приходится на готовом золотом изделии удалять зеленый налет, образовавшийся в результате неправильной обработки, что вызывает значительную потерю дорогостоящего материала и времени. Длинные проволоки и трубки быстро покрывают флюсом, окуная их ненадолго в бутылку с длинным горлышком, в которой налит раствор флюса. Жидкий флюс флюорон пригоден для выполнения любых паек на ювелирных украшениях и гораздо удобнее и экономичнее растертой буры, применение которой часто вызывает большие затруднения и ненужные затраты времени, особенно при сборке сложных украшений из мелких деталей. Подобно тому, как и в случае использования мягкого припоя, твердый припой также разрезается на кусочки. Слиток припоя тонко раскатывают, разрезают на узкие параллельные полоски, от которых отрезают кусочки нужного профиля. Кусочки должны иметь форму маленьких брусков прямоугольного сечения. Если нарезать припой кусочками кубической формы, то при расплавлении они образуют шарики и заполняют зазор неравномерно. Припой хранят отдельно по сортам в чашках из толстостенного фарфора или в самодельных серебряных чашечках. При укладке припоя в стыки швов берут поочередно пропитанной флюсом кисточкой кусочки припоя из чашки и переносят их на место пайки (рис. 22, а). При этом кусочки припоя укладывают на стык или около него таким образом, чтобы при плавлении припой обязательно заполнил пустое пространство между кусочками. Если уложить кусочки бессистемно и неравномерно около стыка (рис. 22, б), то при расплавлении припой может пойти собственными путями в нежелательном направлении. При накладывании припоя следует всегда думать о последующей зачистке швов после пайки. Для облегчения зачистки необходимо: 1) каждый накладываемый кусочек припоя соизмерять с величиной спаиваемой поверхности; если кусочек припоя слишком мал, то шов не будет заполнен; если он слишком велик, то выступающий остаток будет с трудом удаляться при очистке; 2) обращать внимание при пайке проволочек на то, чтобы они прилегали плотно и пытаться обойтись при этом с возможно меньшим количеством кусочков припоя; последние нужно положить с учетом облегчения в дальнейшем возможной очистки; 3) укладывать припой таким образом, чтобы остатки его легко можно было бы удалить; 4) располагать припой в тех местах, которые на готовом изделии мало или вообще не видны, т. е. на внутренней или обратной сторонах украшения; 5) накладывать припой только с одной стороны и прогонять его пламенем через стык. Хороший ювелир должен спаивать множество швов небольшим количеством припоя. 43 Рис. 22. Правильная (а) и неправильная (б) укладка кусочков припоя в стыках. Текучесть припоя. Чтобы довести твердый припой до высокой текучести, существует только один метод: весь предмет постепенно нагревается мягким пламенем при равномерном круговом движении горелки (рис. 23). Постепенно пламя делают все острее, чтобы сконцентрировать жар на месте пайки. Затем весь предмет снова подогревают мягким пламенем. Так действуют до тех пор, пока припой не потечет. Припой всегда тянется к месту с максимальной температурой. Используя это, следует так регулировать распределение тепла, чтобы заставить припой потечь в нужном направлении. Например, если хотят припаять небольшое тонкое ушко к толстой пластинке встык, следует учитывать тот факт, что ушко гораздо быстрее достигнет рабочей температуры припоя, чем пластинка, и что припой вместо того, чтобы соединить обе детали, может залить отверстие ушка. При такой пайке пластинку лучше всего положить на универсальной плите для пайки и подогревать ее снизу таким образом, чтобы только пластинка охватывалась пламенем, а ушко получало бы требуемое тепло уже посредством естественной теплопередачи. Рис. 23. Пайка твердым припоем. Предотвращение утечки припоя. Простая, но не во всех случаях достаточная возможность изменения направления движения припоя состоит в том, что изделие там, где оно не должно покрываться припоем, подвергается лишь темному калению, и эти места флюсом не покрываются. Можно также прочертить на металле мягким карандашом ограничивающую черту, которая при мелких пайках будет служить препятствием для растекающегося припоя. В случае припаивания шарниров или при пайке цепочек можно предотвратить протекание припоя в отверстия путем вмазывания в них масла или жирного трепела, однако следует помнить, что на горячем металле жиры легко растекаются и могут помешать спаиванию в стыках звеньев. 44 Действенным, но несколько неприятным по запаху средством, является метод вдавливания в резиновую пластинку горячего предмета теми местами, которые следует защитить от проникновения припоя. При последующей пайке оставшиеся продукты сгорания резины действуют как средство, препятствующее пайке. Наконец, можно обмазывать кашицей из глины или отмученного мела большие поверхности у крупных, соединяемых пайкой деталей. В заключение необходимо отметить, что опытный ювелир управляет движением расплавленного припоя пламенем горелки, а не с помощью средств, препятствующих пайке. РАЗДЕЛ № 6 ГРАНУЛЯЦИЯ Сущность грануляции Грануляция – процесс нанесения рисунка на металлическую основу мелкими металлическими шариками, прикрепляемыми к ней. Технологическая трудность в выполнении процесса грануляции заключается в том, что из-за микроскопичности шариков исключается возможность применения всех рассмотренных видов пайки. Грануляция в течение долгого времени была забыта и только в этом столетии стала снова возрождаться, Рецепты старинной технологии грануляции были потеряны. В наше время отдельные мастера своего дела в продолжительной, длящейся неделями неустанной работе, пытались решить эту проблему; и хотя многие пробовали приваривать отдельные шарики к пластине основания, но очень немногие достигли в этом подлинного мастерства. Лишь в редких случаях удалось специалистам частично проникнуть в секреты древних ювелиров. Отсутствие публикаций в литературе по вопросам грануляции можно объяснить тем, что результаты длительных исследований нужны самим экспериментаторам и из-за конкуренции в капиталистических странах они держатся в тайне. С другой стороны, один известный ювелир, специалист по грануляции, сказал примерно следующее: «Когда гранулирование станет таким простым делом, что каждый, подмастерье будет получать без труда рисунки шариками на плите, то техника этого дела превратится в нетребующую ума игру». Главная проблема грануляции затронута здесь для того, чтобы подчеркнуть, что эта технология является лишь средством, которое ювелир имеет под руками для реализации своих художественных замыслов. Только тот, кто имеет достаточно развитое художественное чутье, чтобы оживить эту технологию, может отважиться рисовать золотыми шариками на золотом грунте. Различные методы грануляции Рассмотрим и сопоставим основные методы грануляции, которые приводятся в литературе. Это критическое рассмотрение должно помочь учащимся найти свои приемы работы, так как кроме знакомства с публикациями в этой области, им не избежать многочисленных опытов, при помощи которых они должны перенести существующие рецепты в свою производственную практику; в конечном итоге все зависит от мастерства ювелира. Розенберг описывает метод грануляции, примененный Штангером [1]. Из сплава высокой чистоты нарезают маленькие кубические кусочки, подобные кусочкам припоя. В небольшом тигле они перемешиваются с пылью древесного угля. Тигель нагревается до тех пор, пока кусочки не оплавятся и превратятся в шарики. После этого еще некоторое время проводится прокаливание шариков в порошке древесного угля, 45 причем температура должна быть только на несколько градусов ниже точки солидуса данного сплава. Благодаря этому поверхность шарика обогащается углеродом. Образуется карбид золота, и в результате этого температура плавления поверхности шарика должна уменьшиться приблизительно до 900° С. Шарики смачивают слюной и приклеивают к основной плите без использования флюса. По Литтлдейлу шарики изготавливают подобным же образом [2]. Для нанесения их на основу применяют раствор гидроокиси меди, служащий в качестве «химического припоя». Раствор какой-либо соли меди соединяют с едким натром. При этом образуется светло-синий осадок гидроокиси меди – Сu(ОН), который отфильтровывается и, пока он находится еще во влажном состоянии, смешивается с гуммиарабиком, трагантом или синдетиконом в отношении 1 : 1 и немного разбавляется водой. Этим раствором шарики укрепляют на пластине основания, причем необходимо проследить, чтобы раствор не скапливался на пластине около шарика или вокруг него, а был бы только непосредственно подним. Для этого шарики, помещенные на основание, покрывают тушью. При температуре каления клей превращается в уголь, гидроокись меди переходит в окись меди, которая при 850° С восстанавливается в металлическую, и медь сплавляется с золотом; образовавшийся таким образом легкоплавкий сплав золото – медь должен обеспечить прочное соединение химическим припоем шариков и основного металла. Несколько другой метод предлагает Фрей [3]. По этому методу шарики и основной металл сплавляются с небольшим количеством меди. Шарики изготавливают в древесном угле, затем прокаливают пластинку основы и шарики, чтобы получить плотную окисную пленку. На пластине шарики укрепляют с помощью флюорона, который при нагреве восстанавливает окись меди до меди. Таким образом, как и по методу Литтлдейла, получают легкоплавкий сплав золото– медь, который и обеспечивает соединение в месте соприкосновения шариков с основой. Образование прочных соединений шариков с основой при использовании всех этих методов объясняют изменением температуры плавления сплава. В одной публикации даже утверждается, что интервал плавления грануляционных сплавов должен составлять по меньшей мере 30° С, а возможно даже от 60 до 80° С. Таким утверждениям противоречит то, что первые успешные грануляционные работы были проведены с чистым золотом, которое не может иметь никакого интервала плавления, в то время как золото 333 пробы с его большим интервалом плавления непригодно для этой цели. Литтлдейл и Фрей хотят снизить температуру плавления поверхности шарика, оставляя неизменной точку плавления его сердцевины, и для этого прибегают к получению плавящегося при пониженных температурах сплава золото–медь. Однако, если действительно требуется только обогатить медью поверхность, то можно было бы гораздо проще омеднить шарики и связывающий металл. Наконец, подвергая сомнению теорию Штангера, можно сказать, что золото почти не растворяет углерод ни в твердом, ни в жидком состоянии, и поэтому небольшие частички поглощенного углерода снова выделяются при охлаждении. Карбид золота Аu2С2 можно получить с трудом и совершенно невероятно, что он может образоваться путем простого нагревания в пыли древесного угля. Как полагают все вышеперечисленные авторы, гранулы потому привариваются неповрежденными к основе, что на шариках образуется легкоплавкий поверхностный слой, который плавится быстрее, чем ядро, а твердое ядро предотвращает растекание шарика. На самом деле при гранулировании соединение происходит не столько за счет изменения термических свойств, сколько, скорее всего, из-за увеличения поверхностного натяжения жидкого металла и уменьшения смачиваемости. От припоя, который должен хорошо растекаться по основному металлу, требуется наличие противоположных свойств: небольшого поверхностного натяжения и хорошей смачиваемости. Однако каждый ювелир по собственному опыту знает, что даже припой, 46 который характеризуется большой смачиваемостью, сохраняется на месте спайки в виде спекающихся шариков, если не предотвращено окисление поверхности. В этом и заключается объяснение методов Литтлдейла и Фрея: окисленный медный слой фактически только увеличивает естественное поверхностное натяжение. Углеродистое покрытие Штангера, таким образом, выполняет роль корки, которая удерживает расплавленный металл шарика и препятствует его растеканию. Даже если предположить, что внешняя оболочка шариков имеет температуру плавления приблизительно на 50 °С ниже, чем ядро, то в случае если температура достигнет точки плавления ядра, необходимо, во-первых, добиться такого режима нагрева, чтобы ядро по возможности дольше оставалось твердым и, во-вторых, если ядро расплавилось, то надо удерживать эту расплавленную каплю в виде шарика. Последнее достигается особой обработкой поверхности шариков и основы. Наиболее целесообразным является метод, разработанный проф. Унгерером [4]. Гранулы и основа имеют одинаковую пробу (золото 750 пробы или выше). Для изготовления шариков лист прокатывается как можно тоньше. Его, так же как и припой, разрезают на маленькие кусочки. Для получения заготовок шариков одинакового размера их можно также вырубать специальным штампом. Кусочки увлажняются и смешиваются миниатюрной мешалкой в тигле с порошком древесного угля. Благодаря этому каждый кусочек покрывается угольным порошком и уже не сможет сплавиться с другими кусочками. Оплавление шариков и последующее прокаливание их в пыли древесного угля производится так же, как это было описано при рассмотрении метода Штангера. Содержимое тигля затем высыпают в фарфоровую чашку, чтобы смыть пыль древесного угля. Шарики просушиваются, но остаются зачерненными. На сите гранулы сортируют по величине [5]. (Сито изготавливают, как правило, сами ювелиры, размещая несколько вкладных сит одно над другим, причем отверстия их уменьшаются от одного сита к другому.) С помощью разбавленного флюорона шарики прикрепляются к пластине основания, толщина которой должна приблизительно соответствовать диаметру шариков (рис. 24, а). Подготовленную пластину укладывают на универсальную плиту для пайки и равномерным нагревом пламени, охватывающим нижнюю сторону пластины, доводят ее до требуемой температуры, при которой расплавляющиеся частицы металла в точке соприкосновения шариков и основания могут свариться. Рис. 24. Закрепление гранулированных шариков на основании: а – правильно, б, в – неправильно. Секрет грануляции заключается в том, чтобы правильно почувствовать момент соединения шариков и пластины. Это достигается длительной тренировкой и опытом. Если нагревать слишком долго, шарики оплавляются, чрезмерно сближаются или слишком глубоко опускаются в основной металл; если нагревание проводилось недостаточно долго, связь их получается непрочной и шарики выпадают из основы. С полным правом проф. Унгерер в конце своей работы говорит: «Овладение этой прекрасной техникой должно быть достигнуто трудом, никому оно не свалится с неба без всяких усилий». На рис. 25 показано ожерелье, гранулированный золотой орнамент которого контрастирует с зачерненным серебряным фоном. 47 Рис. 25. Серебряное ожерелье, гранулированное золотыми шариками. РАЗДЕЛ № 7 СБОРКА НА ШТИФТАХ, ЗАКЛЕПКАХ И РЕЗЬБЕ Технология выполнения штифтовых и заклепочных соединений Основные понятия. Части подвижного шарнира соединяют с помощью штифта. Такое соединение называют штифтовым, а процесс его выполнения – штифтованием. Если же просверливают две или более детали, а затем их подвижно скрепляют вместе посредством заклепки, то соединение, которое при этом получают, называют подвижным заклепочным (рис. 26, а), а процесс его выполнения – подвижной или свободной клепкой. Так, например, крышка с корпусом портсигара штифтуется, а рукоятки плоскогубцев и ножниц – склепываются свободно. Рис. 26. Различные виды заклепочных соединений: а – свободное; б – глухое; в – потайное. Посредством глухой клепки монтируемые части соединяют неподвижно, например таким образом укрепляют розетку на украшении (рис. 26, б). По форме различают заклепки с полукруглой головкой, выступающей над поверхностью соединяемых листов, и заклепки с потайной головкой, которые входят конусным расширением в соединяемый материал и расклепываются с внешней стороны заподлицо с поверхностью листа (рис. 26, в). На рис. 27 показан основной тип заклепочного соединения, выполненный заклепкой с полукруглой головкой. Подготовка к штифтованию и клепке. Перед штифтованием собирают обе готовые части подвижного шарнирного соединения и проходят отверстия в них разверткой с небольшой конусностью. Затем части шарнирного соединения разъединяют и снова обрабатывают разверткой отверстия трубок только подвижной части для того, чтобы они без усилия могли вращаться вокруг штифта. Для штифта подготавливают кусок круглой проволоки, диаметр которой почти соответствует внутреннему диаметру трубок шарнира. В соответствии с формой отверстия шарнира штифт опиливают слегка на конус. Он должен точно соответствовать форме отверстия и ни в коем случае не быть слишком заостренным. Штифт хорошо смазывают и полируют на стальном вращающемся диске 48 Правильно изготовленный шарнирный штифт должен плотно входить в отверстия трубок неподвижной части, в соответствии с их конусностью, и заклиниваться в них так прочно, чтобы расклепка концов была бы ненужной, в то же время вращающаяся часть шарнира должна поворачиваться без затруднений (рис. 28). Концы штифта после сборки соединения слегка расклепываются одним из описанных ниже способов. Перед клепкой заготовки вначале просверливают. Если заклепкой должны быть соединены три детали, то сначала просверливают отверстия во внешних деталях, а внутреннюю вводят между ними и размечают на ней место для сверления. Рис. 27. Основные части Далее эту внутреннюю деталь вынимают и просверливают в заклепки: ней отверстие. Благодаря такой обработке уменьшается 1 – осадочная головка; 2 – возможность взаимного смещения деталей при клепке. При стержень; обработке отверстий нужно следить за тем, чтобы сверло 3 – замыкающая головка. направлялось перпендикулярно к поверхности детали. Для слегка конусных стержней заклепок отверстие обрабатывается описанным выше способом так же, как и для шарнира. Рис. 28. Схема подвижного шарнира со штифтом: а – введение конического штифта в шарнир; б – окончательно установленный штифт. При изготовлении обычной цилиндрической заклепки берут проволоку, диаметр которой соответствует диаметру отверстия. Один конец проволоки нагревают до расплавления, образуя шарик (рис. 29). Другой конец проволоки вставляют в отверстие гвоздильни (представляющей собой толстую стальную полосу с рядом отверстий разных диаметров) и проталкивают его до соприкосновения шарика с поверхностью гвоздильни, затем легкими ударами молотка придают головке полукруглую форму. Для получения потайных головок заклепок отверстия в собираемых деталях зенкуют с обеих Рис. 29. Ковка головки внешних сторон зенковкой или конической фрезой. заклепки Расклепка концов штифтов и заклепок. Вначале оба на гвоздильне. конца у штифта конической формы, а у заклепки ее свободный конец, подрезаются так, чтобы стержень выступал достаточно далеко для получения прочной и декоративной головки. Затем заклепка или штифт собранного соединения устанавливается вертикально на металлическую подкладную 49 плиту, причем конический штифт устанавливается на толстый конец. Другой конец расклепывают молотком. Оба конца штифта обрабатывают попеременно со всех сторон до тех пор, пока они не приобретут формы полусферической головки. У подготовленной заклепки обрабатывается, естественно, только свободный конец. Если концы штифта или заклепки расклепываются с трудом, то в этом случае используют в качестве опоры плоский пуансон с глухим полусферическим углублением по форме головки заклепки на торце (поддержку), закрепляемый в тисках, и молоток с клиновидным бойком. В заключение края головки заклепки (штифта) плотно придавливают к основному металлу изделия давильником (полировником). При качественно выполненной подвижной клепке вращающиеся части должны двигаться свободно, без заеданий, а сама заклепка при этом должна оставаться неподвижной. Разборка заклепочного соединения. Если штифт или заклепка вставлены правильно, то разборка соединения не представляет трудностей. Полукруглую головку заклепки спиливают с левой стороны, если головка заклепки потайная, то ее выфрезеровывают, а затем цилиндрическим стальным штифтом, который несколько тоньше, чем заклепка, выдавливают последнюю на правую сторону. Если конический стержень заклепки или штифта таким способом не вынимается, то надо выяснить, не вставлен ли он в другом направлении. Для этого спиливают другую головку и пытаются выдавить стержень в противоположную сторону налево. Если и эта попытка оказывается безуспешной, то берут полировник и массируют им трубки шарнира снаружи, чтобы слегка их деформировать (вытянуть) и тем самым освободить штифт. В том случае, когда все эти приемы оказываются несостоятельными, следует высверлить штифт или заклепку. Резьбовые соединения Сущность резьбового соединения. Винты или стержни с резьбой и гайки имеют одинаковую резьбу. Они соединяются посредством вращения друг относительно друга. Это надежное и прочное соединение имеет еще и то преимущество, что в противоположность паяным и клепаным оно может легко разъединяться. В ювелирных изделиях используются обычно очень мелкие детали с тончайшей резьбой, и в связи с этим диаметр резьбы 2 мм является уже очень большим. Метчики и плашки. На винтах и стержнях наружную резьбу нарезают стальной резьбонарезной доской, в которой имеются отверстия с резьбой постепенно возрастающих диаметров, или плашками. Для каждого размера резьбы в верхнем ряду доски расположены резьбонарезные отверстия для предварительного (чернового), а в нижнем ряду – для окончательного (чистового) нарезания. Вместо простой резьбонарезной доски лучше применять резьбонарезной клупп, в котором зажимаются сменные резьбовые вкладыши-плашки. При нарезании резьбы клуппом можно регулировать усилие резания и глубину получаемой нарезки большим или меньшим зажимом упругих плашек в головке клуппа, при этом предварительное нарезание выполняют слегка сжатыми плашками, а окончательное – при плотном сжатии плашек. Резьба в гайках нарезается метчиками. Метчик похож на заостренный винт с продольными боковыми канавками, которые служат для удаления стружки. При нарезании резьбы в отверстиях снимается фаска для лучшего захода метчика; если нарезают резьбу на стержне, то его предварительно слегка заостряют или опиливают на торце фаску. Внутренняя резьба также вначале нарезается предварительным метчиком, а затем – окончательным. Все резьбонарезные инструменты изготавливают из инструментальной углеродистой или легированной стали и подвергают закалке с отпуском. Инструменты для нарезания наружной и внутренней резьбы изображены на рис. 30. 50 Рис. 30. Резьбонарезная доска, резьбонарезной клупп со вставками (плашками) и метчик. 51 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Розенберг М. История ювелирного искусства. Грануляция. Т. 2. – Ф.-на-М.: Келлер, 1918. 2. Патент № 415181/1934, Англия. 3. Тресков. История, искусство и техника грануляции. Ежегодник ювелира. Штутгард: Дибенер, 1959. 4. Унгерер. Техника грануляции // Журнал ювелира, 1943, № 1, с. 2. 5. Андрющенко А. Руководство золотых и серебряных дел мастерства.- Н. Новгород, 1904. 6. Курс лекций по «Технологии соединения материалов». Спец. 12.12.00 «Технология художественной обработки материалов» / СКГМИ (ГТУ) – Владикавказ, 2007.-46с. 52 ОГЛАВЛЕНИЕ Раздел №1 Классификация способов электрической сварки. Общее понятие о свариваемости. Свариваемость стали в зависимости от ее химического состава. 3 Влияние углерода, легирующих элементов и примесей на свариваемость сталей. Взаимодействие металла сварочной ванны с газами и шлаком. Строение сварного соединения. Сварочная проволока для электродов. Металлические электроды для сварки и наплавки. Физические процессы в электрической дуге. 12 Раздел №3 Пайка. Основные понятия. Припои. 25 Раздел №4 Флюсы. Пайка мягкими припоями. 29 Раздел №5 Пайка твердыми припоями. 35 Раздел №6 Грануляция. 45 Раздел №7 Сборка на штифтах, заклепках и резьбе. Резьбовые соединения. 48 Раздел №2 Список литературы 52 53
