Формально расчетное уравнение при условии совпадения плоскости приложения усилий и расположения шва записывают в виде; aBS = =tcpSa, где Ов. дги — временное сопротивление основного материала; Sn — площадь нахлестки; S — площадь поперечного сечения рабочей части образца.

Условия равиопрочности нахлесточиого паяного соединения записываются - в виде:

1) для плоского паяного соединения 0в6лгк=Тсра, где бмк — толщина основного материала, мм; а — ширина нахлестки; мм; Тср — сопротивление срезу паяного соединения, МПа;

2) для телескопического соединения а=(ов/тср) (1—6|/d|)/|, где бі—толщина стенки внутренней трубы, мм; d, — внешний диаметр внутренней трубы, м;

3) для телескопического соединения, когда стенки внешней трубы тоньше, чем внутренней:

а = (a, hcp ([1 — 82/(^2 — [8]г)] 82 •

где 6г—толщина внешней трубы, мм; d2—внешний диаметр внут­ренней трубы.

В реальных случаях образующиеся при испытании листовых образцов напряжения изгиба, а также сопротивление отрыву дела­ют величину Тср неопределенной [25]. Некоторую неопределенность в расчете прочности на срез нахлесточных образцов вносит также непостоянство среднего значения тСр при испытании образцов с раз­ной площадью нахлестки.

Влияние галтели. В изделиях, паяные швы которых подверга­ются вибрационным нагружениям, существенную роль играют ра­диус Яг и высота hr галтели. Галтель снижает концентрацию на­пряжений и способствует существенному повышению вибрацион­ной - прочности паяных соединений. Радиус галтели и ее высота зависят от объема припоя по отношению к объему капиллярного за­зора. С увеличением объема припоя растут радиус и высота галте­ли [3]. При объеме припоя, равном объему капиллярного зазора, галтель не образуется: после затвердевания шва формируется утя - жипа, направленная внутрь зазора и обусловленная объемной усадкой жидкого металла.

Влияние объема припоя иа размеры галтели из меди Ml, паян­ной в печи припоем ПОС61 с флюсом Прима 3 при 260 °С, иллю­стрируют приведенные пиже данные:

* ^Мп	Rr, мм	К	Примечание
100	—4	-0,3	Утяжина
150	7	0,8	Плавная галтель
200	15	1.6	То же
300	35,3	2,0	»
500	51,7	2,5	Выпуклая галтель

* По отношению к объему капиллярного зазора.

достаточной пластичности металла в них. Если в галтельном участ­ке шва металл хрупкий или в ием развита усадочная пористость (рыхлость), то галтель может способствовать появлению трещии — очагов разрушения. Склонность металла шва к развитию рыхлот тем больше, чем шире его интервал кристаллизации. При малых радиусах галтелей (до 0,5 мм) предел усталости низок из-за кон­центрации напряжений в зоне шва. При радиусе галтели 1,5—2,5 мм предел усталости увеличивается и соединение разрушается по ос­новному материалу.

Сопротивление разрушению стыковых паяных соединений о» пс, как правило, больше, чем нахлесточных (тСр). Отношение Тср/о*.пс зависит от формы испытываемых образцов и процессов, протекаю­щих прн пайке, свойств паяемого металла и припоя и не является постоянной величиной.

На значение механических характеристик паяных соединений су­щественно влияют также размеры образца. Поэтому при опреде­лении механических свойств паяных соединений при статическом разрыве пользуются стандартными образцами (рис. 25, 26), фор­ма, размеры, изготовление и испытание которых регламентирова­ны ГОСТ 23047—78.

При испытаиин паяных образцов иа ударный изгиб существен­ное влияние могут оказывать тип паяного соединения, размеры образцов, величина нахлестки, ширина зазора и расноложение пая­ного шва по отношению к направлению удара. Поэтому для возмож­ности сопоставления получаемых результатов форма, размеры образ­цов, нх подготовка к испытанию н проведению испытаний стандар­
тизованы (ГОСТ 23046—78). Форма и размеры образцов для испы­тания на ударный изгиб приведены на рис. 27.

Испытания образцов в зависимости от температуры эксплуа­тации паяных изделий могут быть проведены как при 1= (20±5)°С, так и в интервале температур от —100 до 1000 СС. Порядок испы­таний на ударный изгиб должен соответствовать разделу в ГОСТ 9454—78, 9455—78. 9456—78.

Влияние величины аазора и шероховатости Мк. К важнейшим конструкционным факторам, влияющим на механические свойства паяного шва, относятся зазор между соединяемыми деталями и ше­роховатость паяемого металла, в нахлесточных соединениях — так­же величина нахлестки, в косостыковых — угол скоса. Влияние этих факторов иа механические свойства паяного шва неоднозначно и зависит от физико-химического взаимодействия паяемого металла н припоя, режимов и способов пайки.

Анализ литературных данных по влиянию зазора на механи­ческие свойства стыковых соединений показывает, что для запол­
нения припоем зазора величина последнего должна находиться в определенном интервале (табл. 38), а для обеспечения оптимальной прочности этот интервал должен быть еще более узким.

При исследовании зависимости временного сопротивления сты­ковых паяных соединений цилиндрических образцов от зазора были обнаружены четыре ее варианта (при условии, что временное со­противление паяемого металла выше, чем у литого припоя) (рис. 28). Типы зависимости бив характерны для случая пайки пластичны­ми припоями, слабо взаимодействующими с основным металлом (например, коррозиониостойкая сталь при пайке серебряными при­поями). При уменьшении зазора в этом случае от 0,6 до 0,04 мм временное сопротивление стыковых соединений резко повышается с 294 до 880 МПа (Р. Н. Лич), при дальнейшем уменьшении за­зора происходит снижение Он паяных образцов, что объясняется появлением дефектов в паяных швах — пористости, ненропаев, обус­ловленных недостаточной смачивающей способностью припоя или включениями флюса.

При высокой смачиваемости паяемого металла жидким при­поем при бесфлюсовой пайке (пайка малоуглеродистых сталей медью в активных газовых средах) и флюсовой пайке временное сопротив­ление разрыву паяного соединения увеличивается и при дальнейшем уменьшении зазора. В этих условиях при посадке с натягом теле­скопических образцов предел прочности паяного встык соединения повышается с 206 до 274 МПа, что объясняется контактным упроч­нением пластичного паяного шва.

С увеличением временного сопротивления паяемого материала временное сопротивление паяного соединения в результате контакт­ного упрочнения шва также возрастает, о чем свидетельствуют при­веденные ниже данные:

еь. мк, МПа.... 680—700 >700 1006 1800

о пс МПа.... 490—637 666—686 480—627 343—627

Прнмечани е. Пайка в водородной печи медью МБ. Ширина зазора 0,1 мм, режим пайки: t— ПО0°С, т=*1 мнн. Мк—сталь 45.

Соединения, полученные при пайке пластичными припоями, у которых временное сопротивление разрыву соизмеримо с той же характеристикой паяемого металла, не упрочняются в узких капил­лярных зазорах. Зависимость временного сопротивления разрыву стыковых паяных соединений от ширины зазора имеет вид, пред­ставленный на рис. 28, а. Примером могут служить соединения из углеродистых сталей, паянных серебряными припоями с временным сопротивлением разрыву соответственно: 420 и 410 МПа; у паяных соединений в первом случае <твпс~441 МПа, а во втором овпс = 411 МПа.

Эффект контактного упрочнения не имеет места при испытании на статический разрыв нахлесточиых образцов и при циклических испытаниях на кручение [52, 53].

Оптимальная ширина зазора а, обеспечивающая достаточную прочность соединения, составляет <0,10 мм, а при весьма слабом взаимодействии Мк н Мт а<0,05 мм.

В табл. 39 и 40 приведены данные, иллюстрирующие влияние ширины зазора на прочность паяемых седииеиий.

Направление удара

Рис. 27. Форма и размеры образце» для испытания на ударный изгиб

Рис. 28. Типы зависимости прочности стыковых паяных соединений от ширины зазора О

сл

00

Таблица 38. Величина капиллярных зазоров, обеспечивающих заполнение их жидким припоем и оптималь­ную прочность паяных соединений 53. мм, при пайке материалов М„ медь медные сплавы углеродистые стали коррознонностой - кне стали никелевые сплавы другие сплавы Медь............................. . 0,001—0,050 0,025—0,075 . - Латунь............................. 0,076—0,40 0,075-0,40 0,01—0,025 — 0,075—0,37 — Медно-фосфор истый. . 0,02—0,10 0,025—0,12 — — — — Серебряный...................... 0,05—0,37 0,05—0,37 0,025—0,15 0,075—0,375 0,075-0,37 — Серебряный с кадмием — — 0,25 — — — Алюминиевый.... — 1 *— — — 0,12—0,30*' 0,05-0,25** Магниевый....................... — — — — — 0,12—0,25*® Нихромовый.... — — 0,075—0,125 0,075—0,25 0,075—0,25 — Серебряно-марганцевый — — 0,025—0,125 0,075—0,125 0,075—0Д25 0,05-0,075*2 Серебряно-марганцево­палладиевый.... — — 0,005—0,125 0,013—0,05 Легкоплавкий.... 0,03—0,50 0,030—0,40 0,025—0,2 0,02—0J75 — — !• Алюминиевые. •* Титановые. *3 Магниевые

Таблица 39. Влияние ширины зазора на временное сопротив­ление разрыву соединений из железа и сталей, паянных медными припоями 6„, мм *в. ПС'МПа 6а, мм , МПа в. ПС Пайка медью Ml в водородной Стали 35+45 печи (іфІІ0О°С, т—1 мин). 0,1 362.6*3 Армко-яселезо*' 0,2 323,4*3 0,3 313.6*3 0,03—0,05 313,6—333,2 0,4 245,О*3 0,4—1,0 . 294,0—313,6 0,1 450,8 1,5 225,4—303,8 0,2 421,4 2,0 205,8—284,2 0,3 392,0 0,4 372,4 Пайка в зндогазе*2 СтЗ+СтЗ Ст. 5+ сталь 20 0,1 294,О*3 0,1 294,О*3 0,2 274,4*3 0,2 274,4*» 0,3 264,6*3 0,3 254,8*» 0,4 215.6*3 0,4 215,6** - 0,1 421,4 0.1 411,6 0,2 407,7 0,2 401,8 0,3 392,0 0,3 382,2 0,4 372,4 * При зазоре <0,25 мм разрушение по основному металлу. ** Состав газа, %: Hj58; N„22;COI6; С024. Площадь спая 120 мм*. 0-0,264-0,40. « Припой М3, <„-=1090+1100“С. <росы=аОвС, в ос­тальных случаях при пайке в эндогазе припой ЛОК 62-06-04, <„— -960+980'С. tpoou—-50Х.

Таблица 40. • Влияние ширины' зазора иа временное сопротивле­ние разрыву стыковых соединений из сталей типа 50 н 70, паянных медью с флюсом в пламени газовой горелки [1]. «а, мм а МПа, пря в. ПС, пайке основного сталь 50 сталь 70 0,1 388,1—512,5 461,6—461,6 0# 367,5—497,8 <543,9—543,9 0,3 288,2—393,0 350,8—440,1 0,4 397,9—439,0 . 321,4—382,2 0,5 380,2—380,2 361,6—361,6 0,6 247,9—361,6 - 360,6—360,6 0,9 283,2—327,3 — 1.3 126,4—126,4 — ■

Прн образовании между паяемым металлом и припоем огра­ниченных или неограниченных твердых растворов и развитии лии - вации в шве величина зазоров влияет на структуру н механические свойства паяного шва. Для относительно широких зазоров (до 0,50 мм) характерно развитие дендритной структуры в шве; для за­зоров шириной 0,4—0,30 мм характерна ячеистая структура вдоль межфазной границы, состоящая из равноосных кристаллов в центре шва с развитой зональной ликвацией, для зазоров шириной с <0,10 мм характерна структура «плоского слоя» кристаллов.

Исследование кинетики дрейфа газовых пор методом рентге­новского просвечивания, проведенное Тэдзука Кейдзо и Онитабо Иосини, показало, что из зазоров шириной 0,10—0,30 мм газ не удаляется, а из зазоров шириной 0,50 мм — удаляется полностью в течение 10—15 мин.

Прочность паяных соединений при зазорах 0,05—0,07 мм за­висит от шероховатости паяемой поверхности. Наибольшее времен­ное сопротивление (450 МПа) стыковых паяных соединений из ма­лоуглеродистых сталей, паянных припоем 72Ag—28Gu при зазоре €.05 мм, обеспечивается при относительно высокой шероховатости, получаемой после фрезерования. После электролитического полиро­вания при той же ширине зазора предел прочности снижается на 60—70 МПа, ио при уменьшении ширины зазора до 1,6. мкм ав для стыковых соединений повышается на 36—118, а для нахлесточ - ных — на 21% [54].

Если компоненты припоя и паяемого материала имеют высокое химическое сродство, то с расширением зазора, а следовательно, с увеличением количества припоя в зазоре растет толщина прослойки хрупкого интерметаллида и прочность соединения понижается.

При образовании между паяемым металлом и припоем неогра­ниченных или достаточно широких областей твердых растворов, об­щий характер зависимости прочности стыковых соединений от за­зора выражается в виде кривой с максимумом, который соответст­вует определенным значениям зазора.

Сборочный стыковой зазор при отсутствии ограничителей пере­мещения свободных концов деталей, особенно прн локальном на­греве, может существенно отличаться от паяльного зазора вследст­вие теплового расширения паяемого металла и градиента по изде­лию. В этом случае необходимо ограничение перемещения свободных концов деталей и сборка их с учетом последующего теплового рас­ширения деталей. Такое расширение может быть определено экспери - ■ ментально или рассчитано по формуле, предложенной в работе 155]:

где tB — температура пайки; /0кр — температура окружающей сре­ды (20°С); I — расстояние от стыка до точки, в которой определя­ется температура; m — коэффициент, определяемый выражением ■т= (aoPj'kS)112, в котором ао — коэффициент теплообмена поверх­ности нагреваемого изделия с окружающим воздухом (а0=0,004Х Х104 Вт/(м2-К); Р — периметр образца, м; К — коэффициент тепло­проводности, Вт/(м. К); S—площадь поперечного сечения детали, м2.

Как показала практика, величина зазора зависит от способа нагрева при пайке. Практически большинство металлов паяют с за­
зорами 0,05—0,25 мм. .При пайке вручную зазоры не превышают 0,50 мм. Флюсовую пайку выполняют с зазорами не более 0,05 мм. При пайке в вакууме, в инертных или газовых средах величину зазора несколько увеличивают.

Для паяных соединений из тонких листов из стали и латуни величина нахлестки должна быть в 3—6 раз больше наименьшей толщины соединяемых деталей; при пайке труб разных диаметров при зазоре<0,5 мм нахлестка должна в 3—6 раз превышать тол­щину наиболее тонкой из соединяемых труб.:

Экспериментальные данные по влиянию величины зазора на временное сопротивление стыковых соединений из железа и стали, паянных медью с использованием газопламенной горелки, приведе­ны в табл. 40.

Влияние величины нахлестки. Сопротивление срезу тСр, опре­деляемое при испытании пахлесточного паяного образца, сущест­венно зависит от величины нахлестки. Максимальное напряжение Стах, отнесенное к сечению основного материала, растет почти пря­молинейно при увеличении площади нахлестки в случае разрушения по паяному шву и становится равным временному сопротивлению основного материала [25].

Сопротивление срезу Тср при увеличении площади нахлестки непрерывно уменьшается и может быть приближенно записано в виде степенной функции тСр=я5ь (где S — площадь нахлестки, а и Ь — константы) независимо от места разрушения паяного соеди­нения. Наиболее точные результаты получаются при испытании об­разцов с двойной нахлесткой, когда устраняются деформации изги­ба. При затекании припоя в зазор вследствие образования дефектов в паяном шве при большой величине нахлестки иногда невозможно достичь рапнопрочностн. Не случайно в практике пайки отношение нахлестки к толщине основного материала обычно составляет 3—5. При применении фольги припоя и предварительной правильной укладке его в зазор качество паяйого шва можно улучшить при условии равномерно приложенного достаточного давления на соеди­няемые детали. Поэтому прочность паяного соединения лишь в известной степени можно регулировать величиной площади спая. Вуих предложил эмпирическую формулу расчета длины нахлестки I в зависимости от толщины детали 6, числа соединяемых дета - , " ” и паяемого металла ов-мк н припоя ов. мп: 1=

Влияние угла скоса. Для увеличения прочности соединений иногда вместо стыкового соединения применяют косостыковое. При­менение такого соединения эффективно только при угле скоса <р>55°С (табл. 41). Перед пайкой труб соединяемые кромки обра­батывали механически, а припой располагали в виде колец внутри трубы. Нагрев осуществляли кислородно-ацетиленовым пламенем.

Характер изменения прочности косостыкового соединения от угла скоса объясняется тем, что вследствие различия модулей упру­гости паяного шва и паяемого металла, начиная с некоторого зна­чення угла скоса, в шве появляются срезывающие напряжения, ко­торые с увеличением этого угла растут быстрее, чем площадь спая.

Для малоиагруженных соединений применение косостыкового соединения нерационально, так как требует дополнительных затрат.

Условия, обеспечивающие равнопрочность ■паяных соединений. Паяные соединения, равнопрочные основным материалам, можно получить в следующих случаях:

фв	Число образцов	"в. ПС • Мпа	о СР в. ПС ' МПа	к«. %
0	8	338,1—442,0	380,2	63,5
15	9	316,'5—425,3	362,6	60,6
30	9	303,8—402,8	354,8	59,4
45	11	303,8—407,7	365,5	61,2
55	11	337,1—429.2	386,1	66,5
65	11	398,9—524,4	465,5	78,0
75	11	398,9—563,5	482,2	80,5

*' Флюс типа 209, зазор 0,1 мм *s Разрушение по основному мате­риалу. ** Коэффициент прочности паяного соединения, % от прочности основного материала.

1) если припой и паяный шов имеют большую прочность, чем основной материал, и по границе шва и основного материала ие образуется прослойки хрупких химических соединений;

2) если припой и паяемый материал имеют одинаковую метал­лическую основу, а депрессант припоя при диффузионной пайке может быть удален из паяного шва;

3) если при пайке сплавов, более прочных, чем однофазный пластичный припой, слабо взаимодействующий с ними, в паяном шве образуется трехосное напряженное состояние при очень тон­ком, приближающемся к нулю зазоре;

4) при достаточно большой нахлестке при условии обспечеиия качественного заполнения зазора жидким припоем и отсутствии прослоек химических соединений по границе шва и основного ма­териала.