info@svartek.ru
В процессе эксплуатации литых алюминиевых изделий часто возникает необходимость проведения ремонта с целью устранения различных дефектов — трещин, отверстий, сколов и пр. Использование в этих случаях сварки весьма затруднительно. Не всегда положительных результатов достигают и при высокотемпературной флюсовой пайке из-за чрезмерного нагрева (450-600 °С) и остатков флюсов, приводящих к развитию коррозии, а также снижению механической прочности в зоне выполнения ремонта. Поэтому наиболее перспективным процессом в технологии ремонта следует считать бесфлюсовую пайку низкотемпературными припоями, которые по своим механическим и технологическим свойствам удовлетворяют многие требования, предъявляемые к готовым изделиям.
Однако низкая смачивающая способность низкотемпературных припоев не позволяет в широком масштабе реализовать их в технологии бесфлюсовой пайки алюминиевых сплавов. Решение проблемы связывают с применением галлия, который, являясь поверхностно-активным металлом по отношению к алюминию, смачивает его без применения флюсов, а также с использованием альтернативных источников нагрева взамен дефицитных баллонных газов (ацетилен, пропан, кислород). Один из таких источников нагрева — генераторы водородно-кислородной смеси, получаемой за счет электролиза воды.
Для решения поставленной задачи были опробованы низкотемпературные припои системы Sn-Zn-Ga и Zn-Al-Si-Ga.
Припой системы Sn-Zn-Ga был выбран для ремонта исходя из низкой температуры плавления с целью устранения разного рода мелких дефектов типа трещин, пор, раковин, небольших сколов и пр. Сплав на основе цинка, имеющий более высокую температуру плавления и прочность, предполагали использовать в технологии ремонта изделий с дефектами крупных размеров типа сколов, вырывов, где требуется достаточная прочность.
Исследования по отработке технологии ремонта проводили на макетных образцах и изделиях, изготовленных из сплава АЛ-2. В качестве источника теплоты использовали водородно-кислородный газогенератор ГВК-600, обеспечивающий получение водородно-кислородной газовой смеси за счет электролиза воды.
Технические характеристики газогенератора:
Номинальное напряжение сети, В… 220
Потребляемая мощность, Вт… 2200
Производительность водородно-кислородной смеси, л/ч … 600
Расход воды, л/ч… 0,5
Расход углеводородной жидкости, л/ч… 0,4
Давление в газовой системе, Мпа… 0,04
Габаритные размеры, мм…. 420x320x630
Масса, кг… 70
При пайке возникновение физического контакта и возбуждение химической связи между атомами на поверхности достигается на стадии смачивания жидким припоем поверхности паяемого металла.
При оценке паяемости сплава АЛ-2 припоями системы Sn-Zn-Ga и Zn-Ai-Ga установлено следующее. Краевой угол смачивания припоев в зависимости от состава равен 35-45°. Смачиваемость поверхности алюминиевого сплава припоем достигается без применения флюса и ультразвука. Самофлюсуемость припоев обеспечивается тем, что в процессе нагрева поверхности благодаря разнице коэффициентов линейного расширения основного металла и оксидной пленки растягивающих напряжений в последней образуются микротрещины, через которые галлий попадает к границе раздела металл-оксид и смачивает чистый алюминий. Оксидная пленка диспергируется, отслаивается, и это приводит к улучшению растекания жидкого припоя по алюминиевому сплаву. Улучшению смачивания и растекания припоя способствует также наличие в нем цинка. При появлении жидкой фазы первичные кристаллы цинка выполняют роль абразивного материала, создают трещины в поверхности оксидной пленки и частично способствуют ее удалению. Эксперименты показали, что прочность паяных соединений составляет 65-110 МПа, т. е. чуть ниже, чем у припоев. Это, вероятно, объясняется тем, что не обеспечивается 100%-й контакт жидкого припоя с паяемым металлом из-за наличия непропаев. Однако прочность можно повысить, если увеличить время выдержки при пайке. Так, если время выдержки составляет 3 мин, то значение предела прочности соединения, выполненного припоем Sn-Zn-Ga, возрастает до 85 МПа, а припоем Zn-Ai-Si-Ga — до 165 МПа.
Металлографические исследования зоны соединения основной металл-припой показали, что в процессе длительной выдержки состав припоя обогащается компонентами паяемого металла, и это перераспределение способствует повышению механических свойств. Прочность соединения можно также повысить и на этапе предварительного лужения за счет увеличения времени контакта жидкого припоя с основным металлом. Увеличение времени выдержки более 3 мин нецелесообразно, так как наблюдается проникновение припоя в металл по границам зерен, вследствие чего снижаются механические свойства последнего.
В ряде случаев требуется выполнить ремонт с целью устранения течи, поэтому были проведены стендовые испытания макетных образцов и натурных изделий на герметичность. Эксперименты проводили в ванне с подогретой водой (40 °С) и подачей внутрь емкости сжатого воздуха. Полученные результаты дают основание сделать вывод о том, что пайка позволяет устранить любые течи, а соединение при этом выдерживает давление до 1 МПа. Теплообменники, испарители и другие изделия работают в условиях сложного температурного режима, что требует от соединения стойкости к циклическим воздействиям. Установлено, что бесфлюсовая пайка алюминиевых изделий исследуемыми припоями обеспечивает возможность их эксплуатации в режиме температур от минус 20 °С до плюс 60 °С без потерь герметичности и механических свойств в течение двух лет и более.
К соединениям предъявляется множество требований, и важное место среди них занимает показатель коррозионной стойкости. При изучении влияния длительности воздействия влажной атмосферы (98%-я влажность, Т=40 °С) на механическую прочность соединений обнаружено, что в течение 30 сут. предел прочности соединения, выполненного припоем Sn-Zn-Ga, снижается с 85 до 83,5 МПа, при пайке припоем Zn-Al-Si-Ga — с 165 до 164 МПа, что не превышает 1-1,5% и свидетельствует об удовлетворительной коррозионной стойкости таких соединений. При использовании защитного покрытия (нитролак) потерь механической прочности соединений не выявлено. Нарушения герметичности в зоне соединения в процессе длительного воздействия влажной атмосферы также не установлено. На основании проведенных исследований установлено, что метод бесфлюсовой газопламенной пайки с применением низкотемпературных припоев, легированных галлием, позволяет провести ремонт и восстановление алюминиевых изделий без применения специальных покрытий и флюсов. В зависимости от вида дефекта и требований, предъявляемых к изделию, для этих целей используют припои на основе олова и цинка, а нагрев выполняют водородно-кислородным пламенем, получаемом в газогенераторе.
Ремонт с применением самофлюсующих припоев включает следующие последовательно выполняемые операции:
1. Подготовку поверхности перед пайкой. Качественное соединение может быть получено только при условии, что место пайки предварительно подготовлено. ри устранении пор, раковин, трещин и других подобных дефектов необходимо провести разделку поверхности с целью увеличения площади пайки и обеспечения контакта жидкого припоя с чистым металлом. Далее с поверхности следует удалить жировые загрязнения и оксидную пленку, препятствующие хорошему смачиванию поверхности алюминия жидким припоем. Для обезжиривания используют 5%-й раствор NaOH. Химическое травление производят в 10-20%-м растворе NaOH при температуре 40-60 °С в течение 1-2 мин.
2. Промывку. Для удаления остатков растворов, используемых при обезжиривании и травлении, изделие необходимо промыть в проточной горячей, затем холодной воде и просушить при температуре 60-70 °С.
3. Лужение. Лужение поверхности алюминия в зоне дефекта производят при температуре 260-280 °С для припоя Sn-Zn-Ga и 380-400 °С для припоя Zn-Ai-Si-Ga. С целью обеспечения равномерного нагрева горелку периодически передвигают вокруг зоны расположения дефекта, не допуская перегрева. В процессе нагрева прутком припоя периодически касаются поверхности изделия и при появлении жидкой фазы за счет вращательно-поступательных движений наносят его на поверхность алюминия. Эту операцию можно также выполнить с помощью металлического шпателя, предварительно расплавив в зоне дефекта небольшое количество припоя. После нанесения на поверхность основного металла тонкого слоя припоя с поверхности расплава с помощью шпателя удаляют продукты окисления.
4. Пайку. После лужения трещины, поры и раковины заполняют припоем, сколы на литых изделиях восстанавливают с применением простой оснастки, а отломленные участки изделия припаивают. Температура пайки такая же, как и при лужении, а время выдержки составляет 2-3 мин.
5. Охлаждение. Охлаждение протекает до тех пор, пока не произойдет полная кристаллизация припоя. Не рекомендуется увеличивать скорость охлаждения, используя для этой цели воду или другую жидкость, поскольку это может привести к появлению микротрещин.
6. Обработку изделий после пайки. После пайки в зоне дефекта выполняют механическую обработку с целью придания поверхности требуемой геометрии и размеров. Для повышения коррозионной стойкости и увеличения срока службы изделия после ремонта рекомендуется нанести на поверхность лакокрасочное покрытие.
7. Контроль качества. Качество пайки оценивают вначале визуально на наличие или отсутствие дефектов. Затем может быть проведена проверка на герметичность, если это емкость или сосуд, а другие изделия могут быть подвергнуты испытаниям на термоциклирование и вибростойкость.