Пайка изделий

Пайкой называют технологический про­цесс получения неразъемных соединений с помощью более легкоплавких металли­ческих сплавов (припоев). Неразъемное соединение (спайка) получается в резуль­тате взаимодействия расплавленного при­поя с кромками основного металла. В качестве припоя в ювелирном деле применяются, как правило, твёрдые припои различных проб и составов, либо порошковые припои на основе цинка – для массовой пайки изделий.

Ручная пайка производится горелками различных видов: бензиновыми, газовыми (пропан), водородными (электролизными) генераторами. Аппараты бензиновой пайки наиболее древние и до сих пор широко распространены в работе, поскольку многие ювелиры, народ очень консервативный, воспринимают всё новое с недоверием. Хотя бензиновые аппараты, как ручные («февка»), так и электрические имеют: высокую пожароопасность, требуют хранить запасы бензина, неприятный запах горючего, слива обеднённых остатков и др. недостатки эксплуатации. При этом возможности виртуозной пайки весьма ограничены. Менее безопасны газовые горелки, работающие на баллонном пропане-бутане. Они тоже требуют определённых мер безопасности, согласованных с инспекцией пожарного контроля. При утечках газ может вызвать отравление работников, а при неправильном хранении баллоны газа весьма взрывоопасны.

Пайка водородно-кислородной смесью, получаемой в электролизных газогенераторах сегодня массово используется на предприятиях Европы и Турции, но к сожалению имеет пока весьма ограниченное применение в нашей стране. Принципиальная схема аппарата показана на рисунке.

Газогенератор представляет собой закрытую ёмкость (2), с расположенными в ней двумя группами электродов (3) и (4). Ёмкость на 3/4 заполнена щелочным электролитом, при этом свободная четверть выполняет функцию накопителя газа. На генератор подаётся питание постоянного тока от платы (1). В результате электролиза на аноде будет выделен кислород, а на катоде - водород, т.е. мы получаем смесь двух газов - водорода и кислорода. Из формулы воды Н₂О мы знаем, что водорода в ней содержится в 2 раза больше чем кислорода, но часть кислорода в процессе гидролиза будет связана с углеродом электрода. В рабочей смеси лишь незначительная часть O₂. Кислородно-водородным пламенем при пайке драгоценных металлов обычно не пользуются в чистом виде. Для снижения температуры и «смягчения» пламени добавляются органические вещества с температурой кипения 30-80 °С (бензин, ацетон, спирты, гексан, гептан, бензол, и др.). Расход добавки небольшой, так как она является не теплоносителем, а раскислителем, связывающим лишний кислород. Добавки помещаются в колбу обогатителя (7), сквозь которую газовая смесь подаётся к горелке (5). Колба обогатителя выполняет также функцию жидкостного затвора, предохраняющего генератор от обратного удара, а газ, накопленный в нём от воспламенения. При пайке металлов собственно водородно-кислородной смесью, температура горения которой порядка 3000 °С, в обогатитель заливается дистиллированная вода, и обогатитель в этом случае выполняет функцию предохранительного водяного затвора.

Горелка для пайки представляет собой миниатюрное устройство легко помещаемое в руке ювелира (как авторучка). Прямо на ней имеется вентиль (3) для регулировки расхода смеси. Горелки для пайки бензиновые и газовые довольно массивны. На сопло горелки (1) насаживаются сменные наконечники (2), которые являются иглами, разных по объёму медицинских шприцов с обрезкой заточки. Подбирая более тонкие из них вы получаете более тонкую иглу пламени на выходе. Регулируя расход вентилем, вы изменяете длину факела. Методом нагрева и деформации медицинских игл можно получить различную форму концов, которые сделают свободным доступ в самые недоступные места изделий для пайки.

Электролизные аппараты уменьшают себестоимость процесса пайки. Расходуется только дистиллированная вода и электроэнергия. Горелку можно не гасить при перерывах в пайке, а устанавливать на подставку, уменьшив расход. При малом потреблении аппарат достигнет максимального давления в генераторе и автоматически выключится. Потребление электроэнергии мало, так как устройства имеют небольшую мощность.

При пайке газовыми и бензиновыми горелками необходимо пользоваться флюсами, для защиты поверхности изделий и шва. В процессе пайки пламенем горелки сначала греют более массивную деталь. Разогревая детали надо уловить тот момент, когда можно начать пайку, чтобы не перегреть и не расплавить детали. Нагретые детали защищают флюсом, и когда он расплавится и разбежится по месту пайки, на это же место шпицом вносят припой. Если всё сделано правильно, хорошо прогреты детали, и место пайки покрыто пленкой флюса, припой быстро плавится и моментально разбегается по месту соединения двух деталей.

На этом пайка ещё не заканчивается. Далее необходимо осторожно, чтобы не расплавить детали, продолжать греть место соединения деталей до тех пор, пока весь кадмий не выгорит из припоя, и когда цвет и температура плавления станут такими же, как и у основного металла. Это можно определить по тому, что припой в месте соединения перестал блестеть, стал более тусклым, таким же, как и соединяемые детали. При водородной пайке, применяя специальные катализаторы на основе метанола, пламя не окисляет зону пайки и применение флюса не обязательно. Сам водород является активной восстановительной средой. Кроме того тонкий точечный факел пламени быстро прогревает зону пайки до температуры плавления припоя, при этом не нагревая остальную поверхность изделия. Это важно при ремонте изделий с камнями. Следует помнить, что кислород и водород являются экологически чистыми видами топлива, в отличие от бензина и пропана.

Пайка и отжиг в печах с защитной средой.

Массовый способ пайки - это пайка в печах с защитной средой. Пайка ведётся в специальных печах с электрическим обогревом в атмосфере газов, обладающих восстановительными свойствами по отношению к окислам основного металла. Часто в качестве восста­новительного газа применяется водород, поэтому этот способ назы­вают пайкой в атмосфере водорода, или водородной пайкой. Способ, как правило, не требует применения флюса, что является его важным техническим преимуществом, удешевляющим пайку и снижающим трудоёмкость процесса, так как не требуется операции нанесения флюса на место пайки и удаления остатков флюса по окончании процесса пайки. Собранные детали с припоем, помещённым около шва, проходят через электрическую печь с восстановительной атмосферой, которая защищает металл от окисления, восстанавливает имеющиеся окислы и усиливает смачивание металла припоем. Расплавляющийся при­пой смачивает поверхность металла, расплывается по ней и под дей­ствием капиллярных сил всасывается в шов, сплавляясь с основ­ным металлом. Затем детали поступают в камеру охлаждения с восстановительной атмосферой, где остывают до температуры, при которой деталь, выданная из печи, при соприкосновении с атмо­сферным воздухом не окисляется, цвет металла не изменяется, и паяные детали выходят из печи с чистой, светлой поверхностью.

Процесс пайки весьма экономичен, обеспечивает прочность и плотность соединений, точность размеров, хороший внешний вид и даёт возможность прочно соединить различные толщины, а в извест­ных пределах и разнородные металлы. Процесс проводят в печах различных конструкций: муфельных и туннельных (соло). Печи муфельные используются для пайки, но основное их назначение - это отжиг металлов с целью снятия наклёпа, образовавшегося в результате различных пластических деформаций (прокатка, волочение, штамповка, ковка и т.д.). В массовом производстве применяются печи туннельного типа, часто с конвейерами перемещения деталей, проходящих через печь. Собранные детали с припоем укладываются на конвейер и посту­пают в камеру предварительного подогрева, где они постепенно нагреваются до температуры пайки. Затем детали поступают в ра­бочую камеру, где находятся столько времени, сколько необходимо для осуществления процесса пайки, полного расплавления припоя, восстановления окислов, всасывания припоя в зазор соединения и смачивания припоем всей поверхности пайки. На это требуется в общей сложности несколько минут.

По окончании процесса пайки детали из рабочей камеры поступают в камеру охлаждения, где постепенно их температура снижается, позволяя выдать их из печи без опасности окисления атмосферным воз­духом. Защитный газ подаётся в избытке и создаёт в печи некоторое избыточное давле­ние, устраняющее возможность проникновения внутрь печи наруж­ного атмосферного воздуха и опасность взрыва. Избыток газа выхо­дит через газовые шторки и сгорает, соприкасаясь с наружным воздухом.

Существенным вопросом является выбор защитного газа для печей. Первоначально для этой цели применялся технически чистый водород. Этот газ даёт отличные результаты, но не всегда имеется на месте, часто довольно дорогой и весьма взрывоопасен, образуя с воздухом смесь большой взрывчатой силы. В настоящее время обычно пользуются более дешёвыми и менее взрывоопасными сме­сями, как, например, диссоциированным аммиаком, дающим при разложении смесь из 25% азо­та и 75% водорода. Эта смесь менее взрывоопасна, чем чи­стый водород и во многих случаях стоит дешевле водорода.

Припой для пайки в водороде может иметь форму проволоки, фольги, порошка или пасты. Чаще всего применяются проволока и фольга, а при пайке цепей - порошковые припои. Нормальная температура рабочей камеры печи превышает тем­пературу плавления припоя на 50-80 °С. В зоне пайки происходит взаимная диффузия припоя в основ­ной металл и основного металла в припой.

Диссоциатор аммиака встроен в печь. Устройство его показано на рисунке ниже.

Он представляет собой муфельную печь с нагревательным элементом (1) и теплоизоляцией. Внутри печи находится корпус реактора (2) с камерой предварительного нагрева аммиака (3). Температура разложения контролируется термопарой (4). Аммиак поступает из баллона через аммиачный редуктор и подогревается в камере (3), окончательно распадаясь в колбе (2), после чего поступает в камеру печи отжига или пайки, образуя смесь азота и водорода.

Отжиг металлов.

В процессе производства ювелирных изделий на этапах вальцевания, волочения, штамповки, мы сталкиваемся с необходимостью проведения отжига деформируемых заготовок.

Отжиг - процесс снятия внутренних напряжений металла, образовавшихся в процессе деформации, путём нагрева заготовок до соответствующих температур.

В небольших производствах отжиг производится газовыми либо бензиновыми горелками, при этом поверхность металла защищается различными флюсами от окисления. Горелками нагрев происходит не равномерно, структура металла при этом получается неоднородной. Также процесс предполагает последующее отбеливание заготовок с целью удаления остатков флюса. Зачастую не удаётся однородно покрыть флюсом заготовку, поэтому непокрытые места окисляются и металл теряет первоначальный цвет. Неудалённые остатки флюса и отбелов на поверхности заготовок портят рабочие поверхности прокатных валков, штампов и другого инструмента.

Для серийного производства ювелирных изделий компания «ВТК» производит печи для отжига металлов с защитной средой: ПОВ-1, ПОВ-2, ПОВ-1200-Пл, ПОВ-1200-ПлА, а также печи для пайки ППТ-50-1 и ППТ-50-2.

Данные печи представляют собой муфели с камерой, выполненной из жаропрочной нержавеющей стали. В качестве защитной атмосферы используется смесь водорода и азота, получаемая в результате разложения (диссоциации) аммиака. Аммиак из баллона подаётся на диссоциатор, встроенный в печь и под действием температуры разлагается на водородно-азотную газообразную смесь, которая подаётся в камеру отжига.

Загрузка заготовок в печах серии ПОВ производится в передней части печи с помощью лопаты (идёт в комплекте с печью) сквозь горящие газовые шторки, которые предотвращают попадание кислорода из воздуха в камеру печи. Выгрузка заготовок производится путём проталкивания их в зону охлаждения, которая расположена в задней части печи (ванна с водой).

Печи оснащены электронными контроллерами температуры и таймерами. Расход газа контролируется встроенным расходомером (ротаметром). Температура устанавливается в зоне отжига и зоне диссоциации. На таймере устанавливается время выдержки заготовки в печи. По длительности процесс отжига занимает 10-20 минут в зависимости от объёма загрузки. При этом заготовка равномерно прогревается до заданной температуры и происходит быстрое охлаждение в водяной ванне. Металл полностью восстанавливает свои пластические свойства, сохраняет первоначальный блеск и цвет, и готов к дальнейшим процессам деформации. В данных печах также возможна пайка деталей ювелирных изделий, загружаемых на подставках различной конструкции.

С уважением, директор компании «ВТК», Бутузов Ю. Э.