Исследование и разработка технологического процесса изготовления корпуса из алюминиевого сплава АМц с применением операции пайки

Дипломный проект 92 с., 17 рис., 27 табл., 10 формул, 20 источников.
Ключевые слова: ПАЯНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, ТОНКОСТЕННАЯ КОНСТРУКЦИЯ, КОРПУС, АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ АМц, ПАЙКА В ЭЛЕКТРОПЕЧИ, ПРИПОЙ СИЛ-1С, ФЛЮС ФПА–1.
Приведены основные особенности высокотемпературной пайки корпуса из алюминиевого сплава АМц припоем СИЛ-1С. Показано, что применение припоя СИЛ-1С в паре с флюсовой пастой ФПА–1 позволяет получить паяное соединение, удовлетворяющее требованиям к изделию. Разработан директивный технологический процесс сборки и пайки изделия. Проведен выбор оборудования и предложена конструкция технологической оснастки.
В экономической части дипломного проекта приведен анализ технологической себестоимости изделия, изготовленного по базовому и предлагаемому варианту, расчеты капитальных затрат и эконом ...

Оглавление
Введение 6
1 Технологическая часть 8
1.1 Описание изделия и осовные требования к конструкции 8
1.2 Обоснование выбора материала, его основные свойства 9
1.3 Обоснование выбора припоя и флюса 12
1.4 Оценка паяемости материала 14
1.4.1 Взаимодействие сплава АМц с кислородом 15
1.4.2 Адсорбция влаги на поверхности сплава 20
1.4.3 Подготовка сплава АМц перед пайкой 22
1.4.4 Способность припоя к смачиванию, растеканию по алюминию и ее сплавам и затеканию в зазор 23
1.4.5 Взаимодействие припоя с паяемым металлом 26
1.4.7 Выводы из оценки паяемости сплава АМц 27
1.5 Исследовательская часть 28
1.5.1 Механические испытания паяных соединений 28
1.5.2 Фрактографическое исследование паяного соединения 34
1.5.3 Металлографические исследования паяного соединения 36
1.5.4 Выводы по исследовательской части 40
1.6 Выбор способа пайки 41
1.7 Выбор оборудования и разработка технологической оснастки 42
1.7.1 Выбор оборудования для прихватки 42
1.7.2 Выбор оборудования для пайки 45
1.7.3 Разработка оснастки для сборки и прихватки 47
1.7.4 Разработка оснастки для пайки 48
1.8 Методы контроля паяного соединения 49
1.8.1 Дефекты паянных соединений 49
1.8.2 Способы контроля качества паяных изделий 51
1.9 Разработка технологического процесса 55
1.10 Выводы по технологической части дипломного проекта 60
2 Экономическая часть дипломного проекта 61
2.1 Анализ затрат по статьям расхода 62
2.2 Расчет капитальных затрат 72
2.3 Расчет экономического эффекта в сфере производства изделия по предлагаемой технологии или с использованием предлагаемого в дипломном проекте усовершенствования 72
2.4 Определение эффективности дополнительных капиталь- ных затрат 73
2.5 Определение срока окупаемости дополнительных капитальных вложений 73
2.6 Определение минимальной программы выпуска изделий, меньше которой использование предлагаемого усовершенствования экономически нецелесообразно 74
2.7 Выводы по организационно-экономической части дипломного проекта 75
3 Экологическая часть 77
3.1 Введение 77
3.2 Комплексный анализ условий труда 77
3.3 Расчетная часть 81
3.3.1 Расчет бортовых отсосов 82
3.3.2 Расчеты вытяжного зонта 85
3.4 Выводы по экологической части дипломного проекта 88
Общие выводы по дипломному проекту 90
Литература 91

Пайка — процесс соединения материалов в твердом состоянии припоями, которые при расплавлении затекают в зазор, смачивают паяемые поверхности и при кристаллизации образуют паяный шов.
В отличие от сварки плавлением пайка может быть осуществлена при любых температурах, лежащих ниже температуры плавления основного металла. Одним из преимуществ пайки является возможность соединения в единое целое за один прием множества заготовок, составляющих изделие. Поэтому пайка, как ни один другой способ соединения, отвечает условиям массового производства. Она позволяет соединять разнородные металлы, а также металлы со стеклом, керамикой, графитом и другими неметаллическими материалами, что невозможно или весьма трудно осуществить сваркой.
Поскольку при пайке не происходит расплавления кромок паяемых дет алей, то при использовании этого способа соединения проще сохранить в процессе изготовления требуемую форму и размеры изделия. Применяя низкотемпературную пайку, удается сохранить неизменной структуру и свойства металла соединяемых деталей. Важным преимуществом пайки является разъемность паяных соединений, что делает ее незаменимой при монтажных и ремонтных работах в радио- и приборостроении.
Пайка является перспективным технологическим процессом, значение которого будет возрастать с расширением применения легированных сталей, специальных сплавов, неметаллических и композитных материалов в народном хозяйстве. Этот прогресс будет идти как по линии разработки новых видов пайки, припоев, флюсов, газовых сред, способов нагрева, средств механизации и автоматизации, так и по линии раскрытия природы пайки и выявления не известных еще возможностей этого технологического процесса.[1]
В рамках данного дипломного проекта проводится исследование и разработка технологического процесса изготовления корпуса из алюминиевого сплава АМц с применением операции пайки. Данный технологический процесс разрабатывается с целью замены менее производительного и более материалоемкого процесса изготовления изделия механообработкой.

Заготовки для образцов вырезают механическим способом. Допускается применение других способов резки, при этом должен быть предусмотрен припуск, обеспечивающий удаление зоны термического влияния или наклепа.
При пайке заготовок марка паяемого материала, подготовка поверхности, припой, среда или флюс, зазор между паяемыми заготовками, способ и режим пайки должны быть такими, как в разрабатываемом технологическом процессе.
Ширину зазора при пайке рекомендуется обеспечивать с помощью соответствующих приспособлений. Допускается обеспечение зазора с помощью прокладок. Прокладки рекомендуется изготавливать из паяемого материала. Участок паяного шва с прокладками должен быть удален в процессе изготовления образцов.
Детали образца
Образец до пайки
Образец после механической обработки
Рисунок1.8 — Схематичное изображение образцов для механических испытаний.
Выбор паяемого металла и зазора
Материал образцов и зазор в паяном соединении должны соответствовать реальным условиям эксплуатации.
Паяемый металл и зазор в паяном соединении указывают в протоколе испытаний.
Подготовка поверхностей
Поверхности перед пайкой должны быть очищены от пыли, окислов, смазки, масла, краски и т. д. В зависимости от свойств паяемого материала устанавливают методы очистки и отмывки.
В протоколе испытаний приводят метод очистки и очищающее вещество, а также состояние поверхности в месте соединений.
Применение припоев и флюсов при пайке
Составные части образцов собирают в вертикальном положении, а припои и флюсы соответствующей формы (проволока, порошок и т. д.) располагают с одной стороны соединения в достаточном количестве для заполнения соединения после пайки.
При необходимости применяют флюс, соответствующий данному припою и паяемому металлу. Флюс применяют согласно инструкциям изготовителя. Характеристики флюса должны быть приведены в отчете испытаний.
Образцы следует изготовлять способами, максимально приближенными к конкретным технологическим процессам изготовления паяных конструкций. В случае проведения исследовательских испытаний способы изготовления паяных образцов должны быть установлены по согласованию с заказчиком.
Условия нагрева
Для удержания образцов в вертикальном положении, указанном на рис. 1.8 во избежание нагрузки на соединение во время охлаждения используют опорное устройство. Опорное устройство не должно мешать сужению и расширению образца.
Условия нагрева должны соответствовать выбранному способу изготовления образцов.
Весь узел нагревают до температуры пайки при помощи выбранного метода нагрева - в печи.
Количество образцов
В данном исследовании используется по пять образцов для каждого режима пайки.
Обработка образцов и требований к обработке
После пайки образцы для испытаний на растяжение обрабатывают согласно рис. 1.8, не нарушая прочностные свойства паяного соединения.
Правка и рихтовка паяных заготовок не допускается.
Образцы из паяных заготовок далжны изготовляться на металлорежущих станках или с помощью анодно-механической резки. Заусенцы на гранях образцов должны быть удалены легкой запиловкой с радиусом скругления не менее 1 мм.
Перед испытаниями измеряют поперечное сечение цилиндрических образцов в месте расположения паяного шва с погрешностью не более 0,1 мм:
По полученным результатам вычисляют площадь паяного шва, округляя значения до 0.5 мм2.
Каждый образец необходимо маркировать.
Образцы, имеющие на паяном шве или рабочей части коробление, механические повреждения, подрезы, выходящие на поверхность инородные включения, пары, непропай и неспай, расслоения, раковины, трещины, к исследовательский испытаниям не допускаются.
При контрольных испытаниях вид и число дефектов образцов не должны превышать допустимых значений, установленных для паяных изделий.[9]
Проведение испытаний на временную прочность
Испытания проводят в приспособлениях, специально обработанных для уменьшения изгибающих напряжений в образцах и используют универсальную испытательную машины WDW-300E, которая предназначена для определения параметров прочности материалов и изделий при статическом сжатии, растяжении и изгибе путём прямого измерения силы. Изображение машины представлено на рисунке. 1.9.
Машины серии WDW применяются в металлургии, машиностроении, в производстве неметаллических материалов и изделий из них, в строительстве и стройиндустрии, а также других отраслях промышленности. Разрывные машины серии WDW обеспечивают испытание на растяжение при нормальной температуре цилиндрических и плоских образцов в соответствии с ISO 6892-84, ASTM E8, DIN 50125, EN 10002, цилиндрических образцов тип VI, VII по ГОСТ 1497-84, пропорциональных плоских образцов тип I, II по ГОСТ 1497-84, испытаний на сжатие по ГОСТ 25.503, технологических испытаний образцов на изгиб по ISO 7438-85, ГОСТ 14019.[9]
Рисунок 1.9 - Внешний вид разрывной машины WDW-300E.
Технические характеристики разрывной машины WDW-300E представлены в таблице 1.9.
Таблица 1.9 - Технические характеристики разрывной машины WDW-300E [10]
Максимальная нагрузка, кН
300
Жесткость силовой рамы, кН/мм
600
Точность измерения нагрузки, %
0,5
Диапазон измерения нагрузки, %
0,4-100
Диапазон измерения деформации, %
2-100
Точность измерения деформации, %
0,5
Разрешение перемещения, мм
0,001
Точность измерения перемещения, %
1
Диапазон скоростей нагружения, мм/мин
0,005-500
Максимальное перемещение траверсы при растяжении, мм
600
Максимальное перемещение траверсы при сжатии, мм
600
Ширина рабочего пространства для испытаний, мм
600
Захваты
Клиновидные для плоских и круглых образцов
Продолжение таблицы 1.9.
Размеры силовой рамы, мм
1110х785х2525
Вес силовой рамы, кг
2000
Мощность, кВт
5.0
Параметры электропитания
380В 10%, 50 Гц, 3 фазы
Система привода
Система настройки скорости и электродвигатель от Panasonic Co. Ltd (Япония), цифровая система измерений и управления
Прочность паяного соединения, выраженную в мегапаскалях, определяют путем деления усилия разрушения, выраженного в ньютонах на площадь поверхности паяного шва, выраженную в квадратных миллиметрах. Результаты исследования разрушений должны быть указаны в отчете испытаний.
Поверхности излома разрушенных образцов исследуют на наличие дефектов, а результаты исследований записывают в журнале испытаний.
Результаты испытаний представлены в таблице 1.10.
Таблица 1.10 – Результаты механических испытаний паяных образцов.
Режим
Предел прочности, МПа
Предел текучести, МПа
Пайка припоем СИЛ-1С, время выдержки 10 мин, 610 оС, флюс ФПА – 1
80
47
Пайка припоем СИЛ-1С, время выдержки 20 мин, 610 оС, флюс ФПА – 1
68
42
По результатам исследования можно сделать выводы о том, что:
1) С повышением времени выдержки в печи предел прочности паяного соединения уменьшается.
2) С повышением времени выдержки в печи предел текучести также снижается.
Следовательно, увеличение времени пайки приводит к снижению механических свойств соединения, поэтому необходимо ограничить время пайки пределом 10-15 минут для получения паянного соединения, соответствующего прочностным требованиям, предъявленным к корпусу из сплава АМц.
1.5.2 Фрактографическое исследование паяного соединения
После проведения механического испытания образцов из сплава АМц проводят фрактографический анализ разрушенных образцов (изломов) с целью выявления внутренних дефектов и получения представления о виде разрушения паяного соединения.
Изломом называют поверхность полностью разрушенного образца или детали при различных способах механического нагружения: растяжении, сжатии, изгибе, кручении, а также при различных комбинациях нагрузок.
Изломы классифицируют обычно по двум признакам: характеру нагружения, вызвавшему данный излом (статический, усталостный и т. п.), и по особенностям строения излома (хрупкий — пластичный или кристаллический — волокнистый и т. п.).[11]
В данном дипломном проекте исследуют излом, образовавшийся в результате статического нагружения. Изображение излома представлено на рисунке 1.10.
Рисунок 1.10 - Излом паяного соединения (×500)
Анализ поверхности излома проводился с помощью микроскопа Olimpus GX-41 (рис. 1.11). Микроскоп имеет увеличение от 50 до 1000 крат и позволяет сохранять наблюдаемое изображение посредством установки как видеокамеры так и цифровой CCD камера или цифрового фотоаппарата. [12]
Рисунок 1.11 - Микроскоп Olimpus GX-41
Исследуемый образец помещается на металлографический столик, который позволяет осуществлять горизонтальное перемещение, чтобы получить «отблеск» от благоприятно ориентированной фасетки, случайно попавшей в поле зрения, а так же регулировать наклон образца, чтобы получить необходимое отражение от выбранной фасетки с благоприятными характеристиками ориентации.
В результате анализа поверхности излома можно сделать следующие выводы:
1. Характер излома вязкий, что свидетельствует о пластичности металла паяного шва.
2. В шве имеется единичная пора.
3. Излом достаточно однородный по рельефу разрушения. Это может указывать на равнопрочность паянного соединения вследствие равномерного растворения основного металла в расплаве припоя.
1.5.3 Металлографические исследования паяного соединения
Для исследования структуры металлов, металлических сплавов и структуры различных зон паяных соединений широко используют метод световой микроскопии или метод металлографии. Используя этот метод, изучают размеры, форму, расположение кристаллов, крупные включения в них, дефекты паяных соединений в виде пор, трещин, включений. Исследования проводят на специально изготавливаемых шлифах. Для этого в плоскости металла, интересующей исследователя, делают разрез. Полученную плоскость шлифуют и полируют до зеркального состояния и подвергают химическому или электрохимическому травлению. Поверхность шлифа подвергают травлению для создания рельефа или окраски в разные цвета структурных составляющих.
В металлографических исследованиях различают методы макроанализа при помощи макрошлифов и микроанализа с использованием микрошлифов.
Строение металла, изучаемое при помощи макроанализа называют макроструктурой. Это, как правило, более грубые детали структуры — конгломераты отдельных зерен, химическая и структурная неоднородность, дефекты в виде больших пор, трещин, непропаев, нарушения геометрии паяного шва в паяных соединениях и т.д. Макрошлиф изучают невооруженным глазом или при небольших увеличениях. Визуальный осмотр паяных швов дает информацию о наплывах, газовых порах, непропаях и трещинах.
Дендритное строение паяного шва, а так же трещины, непропаи более четко выявляются после травления исследуемых поверхностей паяного шва различными травителями.
Для травления сплава АМц применяют 5-20% раствор гидроксида натрия NaOH в воде. При травлении на холоде шлиф обрабатывается до 2 мин., в горячем растворе — несколько секунд. Темный налет удаляется погружением в азотную кислоту или насыщенный раствор хромовой кислоты.
Глубокое травление или травление в реактиве на общую химическую неоднородность позволяет выявить зону термического влияния
Структуру металла, изучаемую при микроанализе, называют микроструктурой.
Микроанализ дает возможность определять тонкую структуру металлов и сплавов после деформации, термической обработки и других технологических операций, а так же форму и размер структурных составляющих.
Методика изготовления микрошлифа схожа с методикой, используемой в макроанализе, однако имеет свои особенности и более сложна.
Существует различные способы приготовления микрошлифов. Сущность их сводится к обработке поверхности шлифа аброзивными частицами различной зернистости, нанесенными на бумажную или матерчатую основы, либо входящими в состав специальных паст. В настоящее время большое распространение получил способ приготовления шлифов на корундовых водоупорных бумагах с различной зернистостью.
Шлифование следует осуществлять последовательным переходом от более крупнозернистой бумаги к бумаге с меньшей зернистостью. При переходе от одного номера бумаги к другому необходимо изменять положение образца относительно диска на 90° и шлифовать до тех пор, пока не исчезнут следы обработки от предшествующего номера бумаги. Чтобы избежать попадания частиц более грубого абразива на бумагу следующего номера, образец необходимо каждый раз промывать водой. Не следует делать резкого перехода с грубой шлифовки на мелкую, так как в результате этого часто создается кажущееся представление о хорошей подготовки поверхности. На самом деле происходит лишь сглаживание верхних гребней, образовавшихся после грубой шлифовки, и заполнение впадин между ними аброзивом и смятым металлом. Это обнаруживается после травления образца, на котором четко проявляются царапины. Не рекомендуется сильно прижимать образец к шлифовальной бумаге, так как это может привести к перегреву его поверхности и существенному изменению структуры поверхностного слоя. Чтобы образец не перегревался , его периодически охлаждают в воде.
Шлифовка образцов производится либо вручную, когда шлифовальная бумага кладется на ровные плоские плиты (стекло, мрамор), либо на специальных станках с закреплением шлифовальной бумаги на вращающихся дисках или лентах.
Если исследуемые образцы имеют небольшие размеры, то для приготовления шлифа их зажимают в струбцины или заливают в легкоплавкие материалы (сплав Вуда, бакелит и т.д.), а так же в эпоксидной смоле.
Заключительная операция подготовки поверхности микрошлифа — полирование на сукне или фетре, который периодически смачивают водным раствором оксида хрома или алюминия. Эта операция не должна занимать более 3-4 мин. Соблюдение этого правила особенно важно при работе с материалами, содержащими в структуре большие количества твердых и хрупких фаз (карбидов, интерметаллидов и т.п.). При сильном прижиме образца в процессе шлифования эти частицы разрушаются и выкрашиваются. Аброзивный материал забивается в образовавшиеся лунки, и на шлифе при просмотре под микроскопом на месте включений наблюдаются «запятые» или «точки». Это создает искаженное представление о структуре металла, количестве и размерах неметаллических включений. В случае такого некачественного приготовления шлифа его целесообразно переделать шлифованием на бумагах последних номеров.[13]
Результаты анализа можно в необходимых случаях зафиксировать, получив фотографический снимок структуры исследуемого места поверхности шлифа.
Макроструктура паяного соединения приведена на рисунке 1.12.
По результатам исследования макроструктуры образца можно сделать следующие выводы о качестве паянного соединения:
1. Структура металла шва с применением припоя СИЛ-1С характеризуется однородностью вследствие равномерного растворения основного металла в жидком припое.
Рисунок 1.12 - Макроструктура паяного соединения (×50)
2. Характер кривизны галтельного участка паяного соединения указывает на хорошую смачиваемость припоем основного металла (угол Ө < 90о).
3. Величина катетов галтели в продольном и поперечном направлении одинакова, что свидетельствует о действии на жидкий припой не только сил тяжести, но и капилярных сил, позволяющих припою заполнять зазор и подниматься на достаточную высоту.
4. Так же по величине галтели можно судить об удовлетворительной растекаемости припоя по поверхности паяемых деталей.
1.5.4 Выводы по исследовательской части
1. В исследовательской части дипломного проекта были проведены механические испытания паяных соединений на сплаве АМц, в результате которых были получены данные о прочностных характеристиках паяного шва. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что механические свойства паяного шва удовлетворяют требованиям, предъявленным к изделию.
2. Анализ излома позволил выявить наличие одиночной поры в паяном шве. Однако несмотря на её наличие можно судить о хорошей пластичности и однородности паяного соединения.
3. Так же в исследовательской части диплома приведен анализ макрошлифа паяного шва, который показал хорошую смачиваемость и удовлетворительную растекаемость припоя по основному металлу, определяющие образование равномерного галтельного участка. Этот участок с плавным скруглением позволяет судить о хорошей виброустойчивости паяной конструкции, что является одним из требований, предъявленным к корпусу.
1.6 Выбор способа пайки
Для пайки корпуса целесообразно использовать печной нагрев, что позволяет получить все паяные швы корпуса одновременно, а так же производить пайку сразу нескольких изделий одновременно, что обеспечивает высокую производительность процесса по сравнению с газопламенной пайкой и пайкой в вакуумных печах.
Высокая производительность процесса пайки в печи по сравнению с газопламенной пайкой достигается за счет более быстрого общего нагрева изделия до температуры пайки, а также за счет процесса одновременной пайки всех входящих узлов и деталей. По сравнению с пайкой в вакуумной печи высокая производительность процесса достигается за счет того, что, как правило, печи с воздушной атмосферой работают без охлаждения в непрерывном круглосуточном режиме нагрева. Время пайки изделий в таких печах 15—30 мин (в зависимости от массы изделий).
При пайке в печах возникают значительно меньшие деформации паяемого изделия, чем при ручной пайке с применением местного нагрева, повышается качество и однородность паяных соединений, уменьшается разброс механических свойств.
Большое преимущество пайки в печах — возможность механизации процесса загрузки и выгрузки деталей, а также автоматизации процесса нагрева, выдержки, охлаждения, включения и отключения нагревателей, открывания и закрывания заслонок печи и других технологических операций процесса пайки. Процесс нагрева при пайке в печах легко поддается контролю и регулировке. Последнее особенно важно, так как алюминий и его сплавы в отличие от других металлов паяют в печах при температуре, близкой к температуре плавления алюминия.
По сравнению с пайкой во флюсовых ваннах пайка алюминия и его сплавов в печах с воздушной атмосферой требует примерно в 5 раз меньшего расхода флюса на единицу поверхности изделии. Основной недостаток пайки алюминиевых деталей в воздушных печах — необходимость удаления остатков флюса после пайки.[5]
1.7 Выбор оборудования и разработка технологической оснастки
1.7.1 Выбор оборудования для прихватки
В качестве оборудования для прихватки паяемых деталей и припоя выступает универсальная лазерная установка LRS-150 (рис. 1.13), которая предназначена для выполнения технологических операций лазерной сварки, прихватки, наплавки, поверхностного термоупрочнения. Отличительной особенностью лазерной обработки является высокая скорость нагрева металла в сочетании с локальностью воздействия лазерного луча. Благодаря этому сварка происходит с нагревом деталей только в зоне воздействия лазера, исключая таким образом возможность термических искажений геометрии свариваемых изделий, что является важнам критерием для сборки деталей под пайку, вследствии необходимости соблюдения размеров зазоров.
Рисунок 1.13 - Внешний вид установки LRS-150: 1 – блок питания и охлаждения; 2 – лазерный излучатель с оптической контрольно-фокусирующей системой; 3 – пульт управления; 4 – ручной двухкоординатный стол; 5 – оптическая контрольно-фокусирующая система.
Лазерная установка имеет рабочее место с ручным координатным столом(4). Лазерный излучатель (2) вместе с пультом управления (3) имеет возможность перемещения по вертикали, что позволяет расширить технологические возможности установки. Кроме того, конструкцией изделия предусмотрена возможность плавного перемещения ручного координатного стола в вертикальной плоскости.
Внутри блока питания и охлаждения (1), в правой части, на вертикальных панелях расположен источник электропитания лазерной установки. В левой части размещена система охлаждения излучателя – насосы, теплообменник, фильтры, контрольные устройства и пр. На задней панели корпуса размещены коммутационные элементы.
Наличие в составе установки оптической контрольно-фокусирующей системы (5) с бинокулярной насадкой позволяет производить точное позиционирование места сварки в зоне обработки и контролировать выполнение технологических операций.
Система наблюдения оснащена двухступенчатой защитой глаз оператора от воздействия лазерного излучения: с помощью оптического светофильтра и жидкокристаллического затвора, работающего синхронно с излучателем лазера.