Бессвинцовая пайка соединений медных сплавов

Пайка соединений бессвинцовых медных сплавов

На фоне стремлений к повышению качества питьевой воды законодательством ограничивается количество свинца, допускаемого в конструкции, контактирующей с  питьевой водой. В частности, параметр, рассчитанный как средневзвешенное значение общей площади поверхности компонента контактирующего с водой (площадь увлажненной поверхности), ограничен максимум 0,25% наличия свинца. Отсюда выводятся определённые требования к выполнению таких операций, как бессвинцовая пайка медных сплавов, что нередко применяются при построении сетей водоснабжения.

Бессвинцовые паяные соединения высокого качества

Компоненты паяных соединений включают трубы, фитинги для труб, клапаны, прочую сантехническую арматуру. Широко распространены в отрасли сплавы на основе меди, включающие латунь и бронзу.

Между тем резкое снижение допустимого содержания свинца оказывает влияние на химический состав медных сплавов с латунью и бронзой. Этот момент, в свою очередь, некоторые специалисты связывают с качеством пайки.

Утверждается, что различия в параметрах теплопроводности некоторых из таких сплавов (например, содержащих кремний), могут привести к проблемам с пайкой без свинца или к невозможности выполнять бессвинцовую пайку в полевых условиях.

Высококачественные бессвинцовые паяные соединения между медной трубкой и компонентами из новых сплавов вполне реально изготовить, с использованием любого ранее приемлемого метода очистки поверхностей.

Допустимо применять все из обычно используемых паяльных флюсов, не способствующих образованию трещин в результате охлаждения. Допустимо применять наконечники газовых горелок соответствующего размера.

Бессвинцовую пайку новых сплавов характеризовать «проблематичной», конечно же, некорректно. Правда, работа с новыми сплавами может сопровождаться определёнными сложностями. Особенно в случаях, когда действия не соответствуют стандартным рекомендациям.

Дефектный паяный шов
Результат недостаточно нагретого паяного шва — видны следы щётки, которой производилась механическая очистка. Эти недостатки приводят к дефектам внутри капиллярного пространства

Как правило, новые медные сплавы «не прощают» работу старыми методами, которые многие мастера привыкли использовать при работе с традиционными соединениями: медная трубка — медные фитинги.

Критерии теплопроводности и процесса нагрева

Проблемы при создании бессвинцовых паяных соединений на основе медных сплавов кроются в фундаментальном непонимании термических свойств таких сплавов, а также их последующего воздействия на изготовленное бессвинцовое паяное соединение.

Необходимо тщательное тестирование каждого элемента, участвующего в создании бессвинцовых паяных соединений между медной трубкой и сплавами, включая:

  • различные базовые сплавы,
  • методы очистки,
  • используемые флюсы,
  • размер используемых наконечников горелок,
  • порядок нагрева компонентов соединения,
  • методы закалки после бессвинцовой пайки и другие.

Применение этих результатов к базовой теории проектирования и выполнения паяных соединений подтверждает следующий вывод.

Дефекты пайки медных труб
Неправильно нагретый припой и дефект — не полностью заполненное капиллярное пространство из-за недостаточного предварительного нагрева поверхности медной трубы

Значительно меньшая теплопроводность медных сплавов (тем более кремний-содержащих) требует особого внимания по отношению к правильной процедуре нагрева и пайки без свинца. Только так можно обеспечить высококачественные паяные соединения.

Процессы нагрева и бессвинцовой пайки

Чтобы разъяснить этот момент, логично обратиться к стандартам, которые используются в США. Имеется в виду американский стандарт — ASTM B828. Этот стандарт определяет условия изготовления капиллярных соединений путём бессвинцовой пайки труб и фитингов из меди и медных сплавов.

Стандарт ASTM B828 излагает проверенные методы, необходимые для обеспечения изготовления последовательных и повторяемых высококачественных бессвинцовых паяных соединений между трубами из меди и медных сплавов, фитингами и компонентами.

Стандарт указывает на ряд последовательных шагов, выполняемых при создании бессвинцового паяного соединения:

  1. Измерение и резка.
  2. Развертывание (удаление заусенцев, оставшихся после реза).
  3. Очистка (удаление оксида с поверхностей, подлежащих пайке).
  4. Флюс (тонкая ровная пленка специальной пасты, нанесённой на поверхности, подлежащие пайке).
  5. Сборка и поддержка (обеспечение равномерного капиллярного пространства по окружности соединения).
  6. Нагрев (нагрев трубки, фитинга и капиллярного пространства для доводки каждого элемента соединения до температуры пайки).
  7. Применение бессвинцового припоя (для заполнения стыка и соединения деталей)
  8. Охлаждение и очистка (равномерное естественное охлаждение и удаление избыточного флюса после завершения процесса пайки без быстрого охлаждения).

В случае соединения медной трубки и компонентов из сплавов, особое внимание следует уделять шестому шагу — процессу нагрева под изготовление паяного бессвинцового соединения.

Для профессиональных мастеров важно тщательно изучить науку и металлургию, связанную с изготовлением паяных капиллярных соединений без свинца.

Правильная пайка шва
Результат правильной бессвинцовой пайки рабочего шва. Полное заполнение капиллярного пространства, отсутствие видимых следов открытой меди

Капиллярное паяное бессвинцовое соединение между медной трубкой и медью или фитингом из медного сплава фактически содержит четыре отдельных детали, которые вместе составляют паяный узел:

  1. Трубка
  2. Капиллярная область.
  3. Фитинг, кран, иной вспомогательный элемент.
  4. Металл присадочный (бессвинцовый припой).

Все четыре отмеченных компонента паяного соединения имеют определённые и различные физические характеристики. Например, теплопроводность, которая должна учитываться индивидуально для полной сборки.

Неправильно рассматривать все четыре компонента как единую однородную сборку при изготовлении паяных соединений. Чтобы успешно создать высококачественное бессвинцовое паяное соединение, требуется соблюсти условие корректного прогрева.

Что такое правильная процедура нагрева и пайки?

Все четыре части «сустава» должны быть прогреты на уровне или немного выше температуры, при которой металл (припой), заполняемый капиллярное пространство, расплавится и свяжется с металлом компонента (трубы, фитинга, элемента).

Все рабочие компоненты узла необходимо нагреть до температуры, при которой припой будет расплавляться и течь. При этом все компоненты должны оставаться некоторое время при такой температуре, чтобы предотвратить преждевременное затвердевание припоя.

Требуется добиться полного расплавления и распространения припоя по всему капиллярному пространству. Недостаточно просто нагреть припой с помощью горелки до момента температуры плавления этого вещества.

Базовые металлы (трубка, фитинг, компонент) должны нагреваться до температуры плавления припоя или чуть выше и поддерживаться при такой температуре до момента полного втягивания припоя в капиллярное пространство между компонентами.

Нагрев места соединения компонентов
Правильный нагрев деталей узла во многом определяет качество исполнения бессвинцовой пайки. Здесь важна каждая деталь — от расположения факела горелки до базовых точек нагрева

К сожалению, практика показывает, что этот процесс редко соблюдается в точности или последовательности, как описано выше. Врожденные привычки мастеров, основанные на выполнении соединений медной трубки с кованым медным фитингом, дают о себе знать.

В результате многие мастера разрабатывают и применяют нестандартные методы, которые позволяют всё же выполнить пайку, но, как правило, не уровне качества, неприемлемого для паяных бессвинцовых соединений с медными сплавами.

Неправильный нагрев этих соединений и особенно неправильное регулирование тепла при нанесении бессвинцового припоя — это главная причина появления дефектных паяных соединений.

Изначально такие соединения не проявляют себя, но не являются безупречными в принципе и не соответствуют стандартам ASTM B828.

Оценка неправильного применения нагрева

Если мастер пытается нагреть узел только через фитинг, существуют несколько факторов, нарушающих эффективный поток тепла в области трёх частей соединения (трубка, капиллярное пространство, фитинг, компонент).

Основным дестабилизирующим фактором является теплопроводность — способность передавать тепло через материал.

Компонент на основе медных сплавов
Пример нового компонента на основе медных сплавов, который используется в узлах бессвинцовой пайки. Такие краны часто применяются на водных магистралях

Так, направлением пламени горелки непосредственно на фитинг (компонент), передаваемым теплом нагревается фитинг (компонент) до температуры пайки.

Далее тепло проходит через капиллярное пространство (воздушную область, действующую как изолятор). Наконец, температура нагрева передаётся медной трубке, тело которой нужно нагреть до температуры пайки.

В этом случае, когда мастер фокусирует тепло только на фитинге (компоненте), без предварительного прогрева тела медной трубы, фитинг (компонент) начинает расширяться.

За счёт расширения открывается (увеличивается) капиллярное пространство, одновременно увеличивая изоляционный эффект воздушной подушки.

Этот эффект сам по себе значительно снижает способность факела горелки довести поверхность медной трубки внутри стыка до необходимой температуры бессвинцовой пайки.

Следует учитывать, что некоторые из новых медных сплавов (кремний-содержащие латунь или бронза) имеют коэффициент теплопроводности почти в 10 раз ниже медной трубки.

Влияние на пайку коэффициента теплопроводности

Вследствие разных коэффициентов теплопроводности, на корпус фитинга (компонента) необходимо направлять значительно больше тепла, чтобы достичь рабочей температуры поверхности медной трубы внутри стыка.

Но подаваемое чрезмерное тепло только на поверхность фитинга (детали) может привести к одному из четырёх результатов:

  1. Поверхность фитинга (компонента) достигает температуры пайки, но тело трубы внутри стыка не достигает нужного значения температуры. По этой причине припой плавится и прилипает к поверхности стыка (из-за некоторого нагрева на поверхности трубы вне сустава), но не затекает в область капиллярного пространства.
  2. Рабочий компонент (поверхность) достигает температуры пайки, но поверхность трубы внутри стыка немного не достигает температуры пайки. Припой начинает плавиться и по существу в какой-то степени охлаждает поверхности стыка. Поэтому тело медной трубки охлаждается дополнительно и утрачивает температуру пайки. Припой затвердевает, не успевая заполнить капиллярное пространство.
  3. Поверхность фитинга (компонента) достигла температуры пайки. Поверхность трубки в пределах поверхности соединения достигла температуры пайки, но некоторое время, требуемое для удержания температуры тела трубы, не выдержано. Эффективный поток припоя по всей области капиллярного пространства нарушен.
  4. Как поверхность фитинга (компонента), так и поверхность медной трубы в зоне соединения достигают температуры пайки. Припой растекается по всей области капиллярного пространства. Однако чрезмерное тепло поверхности фитинга (детали) и низкая теплопроводность материала приводят к перегреву, что препятствует быстрому соединению. Нарушается принцип затвердевания припоя в капиллярном пространстве соединения (расплавленный металл припоя вытекает из капиллярного пространства).

Рекомендуемая процедура бессвинцового соединения

Как только все подготовительные шаги завершены, медная трубка очищается, флюсуется и вставляется в очищенный и обработанный флюсом фитинг. Далее начинается процесс пайки.

Шаг первый: разогрев медной трубки

Чтобы преодолеть трудности при попытке довести поверхность трубы до температуры пайки, необходимо, прежде всего, сконцентрироваться на надлежащем предварительном прогреве тела трубки до температуры пайки.

Прогрев тела медной трубы
Первым делом предварительно следует прогреть тело медной трубы до температуры плавления бессвинцового припоя

Этим действием достигаются две важные вещи. Очевидно, что медная трубка обладает высокой теплопроводностью. Поэтому нагревание трубной поверхности непосредственно снаружи сустава позволяет легко проводить теплоту вдоль поверхности трубы внутрь сустава. Так повышается температура медной трубки от фронта до основания фитинга.

Предварительный прогрев тела трубы приводит к радиальному расширению внутри фитинга. За счёт расширения капиллярное пространство (зазор) между трубой и фитингом сокращается до минимальной величины. Устанавливается предел допуска, необходимого для создания капиллярного потока расплавленного припоя.

Исследования показали: в случае применения новых сплавных фитингов (компонентов) полезно предварительно разогревать трубу больше, чем это практикуется обычно для меди.

Предварительный нагрев медной трубки следует проводить с помощью наконечника горелки соответствующего размера. Направление пламени газовой горелки — перпендикулярно трубе.

Расстояние от кромки наконечника горелки до тела медной трубы примерно равно длине конечной части трубки, вставленной в чашу фитинга (компонента).

Стандартом не предусмотрены нормы времени на предварительный нагрев.  На практике медная трубка предварительно прогревается до того момента, когда флюс на поверхности стыка начинает растекаться, а сама поверхность приобретает золотисто-серебристый оттенок.

Шаг второй: предварительный нагрев фитинга (компонента)

Завершив предварительный нагрев медной трубы, пламя горелки переносится на поверхность фитинга (компонента) в область основания чаши.

Поддержка температуры для бессвинцовой пайки на компоненте
За предварительным прогревом медной трубы пламя горелки переносится на соединительный концевик компоненты, где последняя также «догревается» до кондиции и производится пайка

Предварительный нагрев фитинга более эффективен, когда пламя направляется от задней области чаши к области закладки припоя.

Поскольку внутренняя область медной трубки уже предварительно прогрета, требуемое время предварительного нагрева фитинга (компонента) обычно меньше, чем для трубки.

Необходимо следить за активностью флюса на поверхности стыка и периодически проверять припой на момент начала плавления.

Если припой расплавляется, пришло время переключиться с предварительного нагрева на фактический процесс пайки. В противном случае, предварительный нагрев следует продолжить.

Шаг третий: применение тепла и припоя

Как только соответствующий предварительный нагрев достигнут, следует выбрать место на стыке, чтобы начать пайку. На вертикально ориентированных суставах выбор исходной точки пайки не столь критичен, как в случае с более сложным — горизонтальным суставом.

Применение бессвинцового припоя
На достаточно разогретых (но не перегретых) поверхностях бессвинцовый припой легко расходится по всей площади капиллярной поверхности

На горизонтальных суставах пламя газовой горелки рекомендуется сместить немного в сторону от центра донной области сустава. Затем приложить пруток бессвинцового припоя к нижней точке шва и неспешно поднимать к верхней области шва сустава.

Поскольку припой начинает расплавляться от тепла тела медной трубки, эффект капиллярной тяги толкает бессвинцовый припой в область соединения.

Пруток припоя необходимо удерживать в контакте с поверхностью до момента, пока капиллярное пространство не будет заполнено. После заливки первой половины шва, те же самые действия проделать на второй половине.

Шаг четвертый: охлаждение и очистка

Завершенный бессвинцовый паяный шов следует охлаждать медленно и естественным образом. Новые медные сплавы не поддерживают быстрый отвод тепла по причине  низкой степени теплопроводности. Пока ещё шов остаётся нагретым, необходимо удалить остатки флюса, а также излишки припоя.


На основе материалов источников: Astm, Copper, Aws, Asminternational


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *