Пайка титана в домашних условиях

Особенности пайки титана

На поверхности титана есть альфированный налет, который предполагает наличие атмосферных газов. Перед процессом пайки упомянутый слой следует устранять, применяя для этого пескоструйную обработку, заменить которую можно методом травления в смеси с определенным составом: 20-30 мл H2NO3, 30-40 мл НСl и 1 л воды.
Период травления должен быть ограничен 5-10 мин. тогда как температурный показатель должен быть равен 20° С. После подобной обработки на поверхности материала все же будет присутствовать оксидный налет незначительной толщины, он станет препятствовать смачиванию основания припоем. По этой причине в домашних условиях мастера пытаются паять материал с использованием специальных флюсов, состав которых походит на тот, что имеют флюсы, предназначенные для работы с алюминием. Однако стоит быть готовым к тому, что сопряжения, получаемые посредством подобных флюсов, не обладают значительной прочностью и качеством.

Схема лазерной пайки расклинивающих пластин.

https://www.youtube.com/watch?v=OWpBz-eTpSY

Как правило, титан и его сплавы претерпевают пайку в условиях вакуума или аргона, последний должен быть освобожден от частиц кислорода, водных паров и азота. Исключительно в идеальных условиях оксидный и нитридный налеты на поверхности материала нейтрализуются в металле, что верно, если температурный режим во время работ превышает показатель в 700° С.

Пайку титановых сплавов при значительных температурах осуществляют не столь часто, что особенно касается печной плавки. Это объясняется тем, что при длительном нагреве, когда температура превышает 900° С, проявляется склонность к увеличению зерна и ухудшению пластических характеристик. Так как уровень прочности главного металла при этом почти не изменяется, в некоторых случаях сопряжение титановых сплавов методом пайки осуществляется и при отметке в 1000° С.

Водород, присутствующий в титане и понижающий его пластичность, устраняется в процессе пайки или во время нагрева при отметке в 900° С. Поэтому работа с титаном должна производиться в пространстве, лишенном воздуха, это предпочтительнее по сравнению с работами в условиях нейтральной атмосферы.

Увеличение температуры при сварке и последующее охлаждение способствуют изменениям структуры характеристик чугуна в областях расплавления и шва, что указывает на то, что получить соединения, лишенные дефектов, с требуемым уровнем свойств, очень сложно.

Особенности пайки:

необходимость использования специальных флюсов;
необходимость вакуума;
рекомендуется использовать в качестве основы припоя серебро.

Титан — один из самых интересных и сложных для обработки металлов. Его уникальные свойства нашли широкое применение в разных отраслях промышленности. Механическая обработка титана, в сравнении с обычной сталью, более чем в пять раз сложнее, поэтому для создания из него изделий применяют специальные приемы и оборудование.

Основной проблемой, возникающей при обработке титана, является его склонность к задиранию и налипанию на инструмент. Также одним из усложняющих факторов является его низкая теплопроводность. Большинство металлов сопротивляются плавлению в гораздо меньшей степени, поэтому при контакте с титаном растворяются в нем, образуя сплавы. Это приводит к быстрому износу применяемого инструмента.

Чтобы уменьшить задирание и налипание, а также для отвода выделяемого тепла, применяют следующие способы:

при резке, а также иной обработке титана используют охлаждающие жидкости;
заточку изделий выполняют с применением инструментов, изготовленных из твердых сплавов металлов;
обработку металла резцами выполняют при гораздо меньших скоростях, чтобы избежать излишнего нагрева.

Эффекты налипания и задирания титана обусловлены его высоким коэффициентом трения, который относят к серьёзным недостаткам этого металла.

В своем большинстве изделия из титана быстро поддаются износу, поэтому чистый состав этого металла редко используются для изготовления изделий, которые применяются в условиях трения и скольжения.

При трении титан налипает на трущуюся поверхность, вызывая связывающий эффект и уменьшая скорость движения сообщающихся деталей. Способами, которые устраняют этот негативный эффект, выступают азотирование и оксидирование титана.

Азотирование титана — технологический процесс, который заключается в нагреве изделия из титанового сплава до температуры 8500С — 9500С и его выдержке в течение нескольких суток в среде чистого газообразного азота.

В результате происходящих химических реакций на поверхностях изделия образуется пленка из нитрида титана, имеющая золотистый оттенок и обладающая большей твердостью, а также большим сопротивлением к стиранию.

Изделия, прошедшие такую обработку, обладают повышенной износостойкостью и не уступают по своим характеристикам изделиям, изготовленным из поверхностно упрочнённых специальных сталей.

Оксидирование титана — распространенный метод, заключающийся в нагреве титанового изделия до 8500С и его резком охлаждении в водной среде, что вызывает образование на поверхности обрабатываемой детали плотной пленки, которая хорошо связывается с основным слоем материала. При этом сопротивление стиранию и общая прочность изделия возрастает в 15-100 раз.

Нарезка заготовок является очень сложным технологическим процессом, сопровождающимся использованием специальных инструментов и оборудования. Листы разрезаются гильотинными ножницами, а заготовки из сортового проката — распиливаются механической пилой. Небольшие по диаметру пруты нарезают с помощью токарных станков.

Фрезерование титана остается наиболее сложным способом его обработки. Он налипает на зубьях инструмента (фрезы), что значительно затрудняет работу с заготовкой. Поэтому для такого способа применяют инструменты, изготовленные из твердого сплава металлов, а процесс обработки сопровождают использованием охлаждающих смазок и жидкостей, которые обладают большой вязкостью.

При выполнении операций сверления важно, чтобы стружка, образующаяся в результате сверления, не накапливалась в отводных каналах, в противном случае это может привести к преждевременному износу и поломке инструмента. При сверлении применяют фрезы, изготовленные из быстрорежущей стали.

Если титановое изделие выступает элементом конструкции, то соединить детали, изготовленные из титановых сплавов, позволяет применение таких методов:

сварка;
пайка
механическое соединение с использованием заклепок
соединение с применением болтового крепления.

Основным методом соединения выступает сварка, представляющая обычную промышленную технологию. Чтобы обеспечить прочность сварного шва соединение элементов выполняют в среде инертного газа или специальных бескислородных флюсов.

Также для этого оберегают шов с применением различных защитных элементов.

Взаимодействие расплавленного титана с такими химическими элементами как водород, кислород и азот, содержащимися в воздушной смеси, при нагреве приводит к росту зерна металла, изменению его микроструктуры и хрупкости сварного шва. Сварочные работы выполняют на большой скорости.

Также существует метод сварки в контролируемой среде, который применяется для выполнения работ, требующих большой ответственности. При необходимости соединить небольшие по своим размерам элементы, их помещают в специальные камеры, заполненные инертным газом. В случае соединения элементов большего размера сварочные работы выполняют в специальных герметично изолированных помещениях. Сварка титана — ответственная работа, которая доверяется исключительно подготовленным специалистам, имеющим необходимый практический опыт и навыки.

Пайка титана применяется в случаях, когда проведение сварочных работ невозможно или нецелесообразно. Она также осложнена химическими реакциями. Титан в расплавленном состоянии демонстрирует высокую химическую активность и прочно связан с пленкой окиси, формируемой на поверхностях обрабатываемой детали.

Пайка титана: что нужно знать об этой процедуре?

Если пайка титана нецелесообразна или по какой-либо причине невозможна, можно обратить внимание на соединения данного материала твердыми и мягкими припоями (тинолями). Несмотря на то, что температура плавления твердых тинолей выше 430 ° С, она ниже температуры, при которой плавятся соединяемые материалы.

Относительно мягких тинолей, то они плавятся при температурах ниже 430° С. Мягкие припои применяются, по большей части, для соединения материалов малых толщин (например, проволоки).

Олово и цинк в недостаточной степени смачивают металл. Вместо обыкновенных флюсов, которые не способны защитить метал от окисления, появилась необходимость создания специальных флюсов, обеспечивающих образование защитной металлической пленки на поверхности металла (электрохимическим путем).

Интерметаллиды

При выборе тиноля, способа и режима соединения титана, необходимо помнить, что данный материал может образовывать в шве хрупкие интерметаллиды со всеми элементами, входящими в состав тинолей. В качестве основы применяется серебро. Серебро с рассматриваемым материалом образует интерметаллиды, которые имеют наименьшую хрупкость.

Пайка посредством применения оловянно-свинцовых, а также других низкотемпературных тинолей применяется достаточно редко. В конкретном случае, прежде чем приступить к процедуре, металл покрывается никелем при помощи химического или гальванического способа.

Для того чтобы увеличить сцепление титана с никелем, детали нагревают до температуры 250 °С на протяжении одного часа. После этой процедуры материал паяют подобными припоями и флюсами, как и для чистого никеля. Паять материал, а также его сплавы при помощи низкотемпературных припоев можно по окончании покрытия серебром, оловом и медью.

Чтобы покрыть изделие оловом, необходимо опустить его в нагретое до 700 °С олово на время (10-20 минут). Посредством флюса, в состав которого входит хлористое олово, можно покрыть металл оловом.

Методы пайки титана

Существует несколько основных метолов пайки титана:

Газовая пайка;
Пайка в печи;
Пайка методом сопротивления;
Воздействие мягким припоем.

Газовая пайка

Среди многочисленных методик газовой сварки в рассматриваемой обработке деталей из титана наиболее результативным оказалось кислородно-ацетиленовое пламя, поскольку данный метод не делает сплавляемый металл хрупким. Таким образом, применяя чистое серебро и любой другой флюс, пайка титана показывает достаточно прочный и пластичный результат соединения.

Оптимальная прочность достигается путем применения газовой горелки с двумя наконечниками, минимальной температуры, а также минимальной продолжительности процедуры плавления.

Чистый алюминий в соединении титана показывает соединения материала низкого качества, но в то же время достаточно пластичные. Во время газового соединения алюминия к рассматриваемому металлу деталь полностью погружается в алюминий, после чего агитированная деталь присоединяется к алюминию простыми методами.

Пайка в печи

Во время соединения титана в печи с защитной атмосферой трудоемкая процедура газовой процедуры значительно упрощается. Таким образом, достойной альтернативой специальных флюсов оказывается простая смесь хлоридов марганца и калия, хлоридов серебра и калия. Вполне возможна многократная обработка титана с равномерным подводом тепла к металлической поверхности деталей небольших габаритов, ограниченных размерами печи.

Пайка посредством печи подразумевает более длительные временные затраты по причине отсутствия местного нагрева. Вследствие этого можно наблюдать утолщение расплавляемых слоев, что приводит к определенному снижению прочности и пластичности материала, особенно при соединении алюминием.

Сварка и пайка могут выполняться методом сопротивления. Отличие полагается в том, что во втором случае между поверхностями помещается низкоплавкий металл. Медные электроды, охлаждаемые водой, оказались лучше графитовых электродов, а также других материалов, которые обладают высоким электрическим сопротивлением, но вместе с тем содержащих загрязняющие примеси.

По своей природе рассматриваемы материал обладает достаточным сопротивлением, которое необходимо для нагрева металлических поверхностей. Непродолжительная пайка серебром при большом электрическом токе и низком давлении позволяет достигнуть более прочного соединения, чем газовая пайка. Применение давления дает возможность отказаться от флюсов.

На сегодняшний день установлено, что титан позволяется паять мягким припоем. Применение мягких тинолей в процессе обработки титана имеет никоторые преимущества, отображаемые в стоимости и быстроте, перед иными методиками соединения. Пайка титана мягкими припоями используется в большинстве случаев в тех случаях, когда не требуется высокопрочное соединение, в домашних условиях.

Соединяемые детали покрываются в процессе тонким слоем серебра, олова или меди, что достигается посредством нагрева титана, покрытого слоем хлорида одного из перечисленных ранее металлов, в печи атмосферой гелия.

Образовавшаяся металлическая пленка должна быть «смочена» припоем (60% Sn 40% Pb или 50 % Sn 50 % Pb) не без участия промышленным флюсов. Так как металлические пленки могут растворяться в припое, тем самым обнажая поверхность титана, сцепление производится достаточно быстро, причем при минимальной температуре.

Марки мягких припоев для пайки паяльником

Мягкие припои применяются совместно с электрическим паяльником и флюсом. Входящее в состав олово является экологически чистым продуктом, может применяться к соединению элементов пищевой промышленности. Наиболее распространенным является изделие пайки третник, получивший свое название из-за содержания трети свинца составом. Мягкие припои подразделяются на разновидности в соответствии с назначением, температурой плавки.

Низкоплавкие припои используются для пайки чувствительных к перегреву деталей, таких как предохранители, транзисторы. В состав входят свинец, олово, висмут и кадмий, последний материал токсичен, применяется не во всех сферах деятельности. Плавление изделий Вуда начинается с самой низшей температуры – 69 °C.

Отечественные марки продуктов имеют маркировку ПОС, с добавлением некоторых веществ наименование изменяется. К примеру, ПОСВ – 33 имеет равные части свинца, олова и меди, применяется к латунным, медным деталям, требующим герметичного шва.

Основные технические характеристики мягких припоев для пайки электрическим паяльником

Технические характеристики материалов, применяемых к пайке, разделяются на некоторые параметры:

проводимость или удельное электрическое сопротивление составляет 0,1 ом на метр. Припой оловянно – свинцового типа проводит электрический ток на порядок хуже, чем алюминий или медь;
прочность при растяжении измеряется кг/мм, низкотемпературные припои не включают в себя данный параметр, т.к. не рассчитаны на нагрузку. Параметр зависит от количества олова, чем его больше, тем выше число. К примеру, припой марки ПОС – 61 имеет прочность 4,3 кг на мм, а ПОС – 90 4,9 кг/мм.
температура плавления зависит от назначения, составных частей.

Общее разделение

Припои разделяются на две группы. Это мягкие и твердые.

Мягкие имеют температуру плавления до 300 °C. Такими припоями паяют радиодетали, и к ним можно отнести оловянно свинцовые и бессвинцовые материалы. Основной рабочий инструмент с такими материалами это паяльники до 50 Вт и паяльные фены.

Твердые плавятся свыше 300 °C. Это прочные материалы с высоким пределом прочности по сравнению с мягкими.

К ним относятся медно-цинковые и серебряные. С такими припоями можно работать только с мощными паяльниками, паяльными лампами или горелками.

В данной статье будут подробно описаны мягкие припои, которые используются для радиодеталей и ремонта техники.

Технология сварки титана — описание и пошаговая инструкция с видео

Данный металл не относится к категории редких. В земной коре его значительно больше, чем, к примеру, свинца, цинка или меди. В титане удачно сочетаются небольшая плотность и прочность сплавов на его основе, а если учесть стойкость перед коррозией даже в агрессивной среде, то интерес к нему во многих отраслях промышленности вполне понятен.

Высокая цена на Ti (22-й элемент таблицы Менделеева) объясняется тем, что его обработка – процесс довольно сложный и затратный. Эта статья познакомит читателя с технологиями сварки титана.

Общая информация

Не зная свойств и особенностей металла и его сплавов, понять все нюансы сварки достаточно сложно.

Плотность титана (г/см³) – 4,51.
Прочность (МПа): металла – в пределах 267 – 337, сплавов – до 1 230.
Температура плавления (ºС): 1668.

Способность титана к самовозгоранию в кислородной среде.
Низкая теплопроводность.
Превышение значения температуры более 400 ºС инициирует активность металла.
Титан интенсивно поглощает водород и бурно реагирует на контакт с азотом.
Под воздействием углекислого газа, паров воды быстро окисляется.

Кроме этого, необходимо учитывать и то, что металл может находиться в одной из двух стабильных фаз, которые обозначают латинскими буквами α и β. Чем они характеризуются?

Фаза α – в таком состоянии титан находится при температуре окружающей среды. Структура – мелкозернистая, и металл полностью инертен к скорости охлаждения.
Фаза β – в такое состояние титан переходит при температуре от 880 ºС. Зерно становится крупнее, и появляется чувствительность к охлаждению (скорости процесса).

Указанные фазы можно стабилизировать, введя в металл определенные добавки и легирующие элементы – O, N, Al (для α) или V, Cr, Mn (для β). Поэтому титановые сплавы, в зависимости от вида присадок, делятся на группы:

ВТ1 – ВТ5.1 Их называют α – сплавы. Обладают пластичностью, хорошо свариваются, однако термообработка не повышает их прочность.
ВТ 15 – 22. Группа β – сплавов свариваются намного хуже, причем возможно появление холодных трещин. Размеры зерен структуры при этом увеличиваются, а это отражается на качестве соединения сегментов в худшую сторону. Плюс в том, что термообработка частично повышает прочность сплава.
ВТ4 – 8, ОТ4. Группа α β, по сути, промежуточное звено. Свойства таких сплавов во многом определяются видом и процентным содержанием введенных добавок.

Не все распространенные технологии применимы к этому металлу и его сплавам. причина – химическая активность титана. Попадание в рабочую зону инородных соединений (нитридов, оксидов, карбидов) резко снижают качество шва.

Дуговым флюсом.
Холодная.
Электронным лучом (плазменно-дуговая).
В среде аргона. Наиболее популярный вариант, хотя есть и некоторые другие.

Высокая скорость технологической операции. Это связано с тем, что длительное термическое воздействие на отдельном участке приводит к изменению структуры материала из-за увеличения размера зерен. Как следствие – металл становится ломким (хрупким).
Полная изоляция от атмосферы. Причем не только рабочей зоны (сварочной ванны), но и тех участков, которые разогреваются до 625 (и более) ºС.

Преимущества:

Высокое качество сварного соединения.
Работа на малых токах. Следовательно, можно сваривать детали небольшой толщины (тонкостенные), так как вероятность прожога практически исключена.
Возможность наращивания объема детали на дефектных участках (например, в местах образования раковин).
Получение шва с любыми параметрами, что позволяет обрабатывать (соединять) как крупногабаритные образцы, так и сравнительно мелкие.

Механическая обработка и обезжиривание, при необходимости – травление кислотой. Задача – полное удаление пленки оксидов примерно на 20 мм от подлежащих соединению кромок. Специфика в том, что вся работа должна проводиться в защитных перчатках (рукавицах). Касание деталей руками недопустимо из-за возможного загрязнения сплава.

Если механической очистки недостаточно, то прибегают к газокислородной (с помощью горелки).

Наждачная бумага.
Шаберы.
Щетки металлические с проволокой из «нержавейки» сечением 0,25 (±5) мм или иные подходящие приспособления (абразивные материалы).
Раствор фтора, кислота соляная (подогретые до 60 – 65 ºС).

Отсутствие на образце заусениц, трещин, вкраплений и так далее.
Ровный серебристый оттенок титанового сплава.

Проволока

Она выбирается в соответствии с группой сплава, подлежащего сварке (см. выше). На бирке (или упаковке) обязательно есть необходимая информация, так как вся продукция маркируется.

Перед применением проволока зачищается (если необходимо, шкуркой не выше № 12) и обезжиривается. Ее можно готовить и заранее, но в этом случае она герметизируется (например, заворачивается в п/э) и помещается в плотно закрывающийся пенал (тубу). Но хранение в таких условиях – не более 5 суток.