Пайка несимметричного соединения двух элементов с площадями поперечных сечений F1 и F2, модулями упругости Е1 и Е2, разными температурными коэффициентами линейного расширения (рис. 11).
При остывании свободная деформация элемента 1 и свободная деформация элемента 2 будут неодинаковыми. Разность их обозначим Δ (рис. 11, а, б).
Рис. 11. Процессы образования остаточных напряжений и деформаций при пайке двух элементов.
Примем, что распределение нормальных остаточных деформаций и напряжений по длине соединяемых элементов неравномерно, что остаточные напряжения и деформации имеют максимальное значение посередине длины (рис. 11, в).
Поэтому в соответствии с параболическим законом их распределения по длине можно принять:
При отсутствии изгибающих моментов остаточные напряжения при охлаждении пластин находят по формулам (34) и (35).
Напряжения от момента М в паяном соединении (рис. 11, г) определяют по формуле:
где W - момент сопротивления, равный:
Суммарные остаточные напряжения должны быть найдены сложением напряжений, определенных по формулам (34) и (35), с напряжениями, вычисленными по формуле (40).
При S1 = S2 = S и F1 = F2 собственные напряжения от продольного сужения:
Собственные напряжения от момента:
Эпюра суммарных напряжений приведена на рис. 11, д. Деформация элементов показана на рис. 11, е.
В паяных конструкциях, как и в сварных, возможно образование остаточных деформаций, вызывающих продольные и поперечные усадки - сокращение элементов или деформации изгиба, сопровождаемые искривлением элементов.
В большинстве случаев деформации при пайке меньше по величине, чем при сварке, и лишь при пайке разнородных материалов они могут оказаться значительными.
В паяных деталях с разнородными физико-механическими свойствами металлов устранение собственных напряжений обычными способами, например термическим высоким отпуском, невозможно.
При остывании и неоднородном протекании деформаций в элементах с разными свойствами в них неизбежно накапливание упруго- пластических деформаций, которые сопровождаются образованием собственных напряжений.
Снижение остаточных напряжений в случае соединений, например, пластины из твердого сплава со стальным корпусом, температурные коэффициенты линейного расширения которых различны, достигается или применением припоев со сравнительно низкой температурой плавления, или увеличением толщины шва.
При применении легкоплавких серебряных припоев в результате снижения температуры пайки при охлаждении относительный сдвиг между корпусом инструмента и пластинкой твердого сплава уменьшается.
В результате остаточные напряжения уменьшаются. Однако недостатком этого способа снижения остаточных напряжений являются низкая теплостойкость инструмента и высокая стоимость.
При увеличении толщины слоя припоя в паяном шве собственные напряжения распределяются по большей толщине и, следовательно, имеют меньшее значение.
Однако следует учитывать, что увеличение зазора ведет к снижению прочности паяного соединения. Чтобы этого избежать, толщину слоя припоя увеличивают искусственно, помещая в зазор между соединяемыми пайкой поверхностями деталей компенсационные прокладки из железной, медной и никелевой фольги или сетку толщиной 0,4 мм.
Лучше применять для этой цели железо-никелевый сплав пермаллой, содержащий 45% Ni. Применение компенсационных прокладок в 1,5 раза повысило прочность твердосплавного паяного инструмента, что позволило производить его закалку после пайки, когда нужно повысить механические свойства стального корпуса.
Остаточные напряжения при пайке изучены на образцах из низкоуглеродистой стали. На пластины из стали Ст3 делали напайки вдоль оси и по кромкам.
Для сопоставления на такие же пластины направляли шов дуговой ручной сваркой. Пайку выполняли газовыми горелками припоем Л62. Длина пластин 400 мм, ширина 120 мм, толщина 10 мм.
Результаты испытаний показали, что в зоне пайки и наплавки на кромке пластины образуются собственные напряжения (~ 15 кгс/мм2), величина которых резко уменьшается по мере удаления от шва, меняя свой знак. На противоположной стороне пластины образуются напряжения растяжения.
В зависимости от соотношений между температурными коэффициентами линейного расширения и теплопроводности собственные напряжения, вызванные пайкой, изменяются в широких пределах. В ряде случаев они достигают значений предела текучести металла шва.
Собственные напряжения вызывают в паяных конструкциях, так же как и в сварных, остаточные деформации. Были произведены измерения остаточных деформаций при укладке паяных и сварных швов по осям и кромкам пластин из стали Ст3 с размерами, указанными выше.
При этом в зоне паяных швов образуется укорочение волокон, которое составляет 40-60% от укорочения волокон при наплавках ручной дуговой сваркой.
По-видимому, это объясняется более равномерным распределением температуры при пайке по сечению пластины, в результате чего сокращается зона пластических деформаций и уменьшается величина усадочных усилий, определяющих величины остаточных напряжений.
Величина остаточных деформаций при пайке в большой степени зависит от соотношения между физико-механическими свойствами паяных швов и основного металла.
При укладке паяных швов на многие сорта не только низкоуглеродистых, но и конструкционных низколегированных сталей в зоне паяных швов возникают собственные напряжения растяжения. При этом паяная конструкция деформируется аналогично сварной.
В ней возникают деформации укорочения размеров при симметричных положениях швов и деформации изгиба при несимметричных. В зоне швов, как правило, возникают продольные деформации укорочения.
При пайке в печах, соляных ваннах изделия нагреваются и остывают более равномерно, чем при использовании газовой горелки. Поэтому собственные напряжения в конструкциях при указанных методах пайки и остаточные деформации имеют меньшую величину.
Помимо общих остаточных деформаций в паяных конструкциях, так же как и в сварных, возможно образование местных остаточных деформаций в зоне соединений встык, внахлестку, втавр и т. д.
В большинстве случаев локальные остаточные деформации при пайке незначительны, за исключением тех, которые возникают в изделиях весьма малой толщины, подвергаемых при пайке неравномерному нагреву.
Для уменьшения остаточных деформаций паяных конструкций следует применять присадочный металл, возможно более близкий по своим физическим свойствам к основному; использовать пайку с равномерным нагревом; возможно уменьшить погонную энергию в шве при пайке горелками, применять механическую правку конструкций.