Исследование ремонтной технологии исправления дефектов паяных соединений топливных коллекторов

Топливные коллекторы состоят из 96 паяемых элементов секций с форсунками, выполняемые печной пайкой припоем ВПр4 [1–4]. Соединения форсунок топливного коллектора из стали ЭП410 с секциями коллектора в виде трубок диаметром 6 и 12 мм с толщиной стенки 1 мм из стали 12Х18Н10Т и сплава ВЖ98 выполняются пайкой припоем ВПр4 [5–15]. Пайка производится при печном нагреве в контейнере. Температура пайки составляет 1050+10°С, выдержка при этой температуре 18+3 мин. В процессе одновременной пайки столь большого числа паяемых элементов иногда возникают дефекты паяных соединений.

Печная повторная пайка припоем ВПр4 производится, если количество дефектных мест пять и более. Повторная пайка припоем ВПр4 при печном нагреве проводится по тому же режиму, что и первая пайка. Такая ремонтная пайка не всегда гарантирует исправление дефектов паяных соединений, а иногда и способствует появлению новых дефектов.

Поэтому опробована подпайка газовой горелкой припоем ВПр1. Подпайка припоем ВПр1 устраняет дефекты пайки, но ввиду того, что температура пайки припоем ВПр1 почти на 130–150°С выше, чем у припоя ВПр4, возникает ряд вопросов, решению которых в основном и посвящена данная работа. Прежде всего, необходимо выяснить, каким образом газопламенная подпайка припоем ВПр1 устраняет дефекты паяных соединений топливного коллектора, выполненных пайкой в печи припоем ВПр4.

Для сравнительной оценки структур паяных соединений форсунок топливного коллектора выполнена пайка модельных образцов по следующим технологиям:

– пайка в печи припоем ВПр4;

– пайка в печи припоем ВПр4 + подпайка газовой горелкой припоем ВПр1;

– пайка в печи припоем ВПр4 + подпайка газовой горелкой припоем ВПр1 с перегревом и увеличенной выдержкой при пайке.

Для изготовления шлифов соединений трубок с форсунками выбраны образцы, запаянные в печи припоем ВПр4, после ремонтной пайки припоем ВПр1 с нагревом газовой горелкой, в том числе и с перегревом. Шлифы изготовлялись вдоль по образующим трубок таким образом, чтобы в плоскость шлифа попали одновременно две трубки, а плоскость шлифа проходила через оси трубок.

Анализ структур соединений, выполненных печной пайкой припоем ВПр4, показывает, что в галтелях паяных соединений присутствует усадочная пористость, в середине зазора присутствуют отдельные поры. После печной подпайки с укладкой дополнительного количества припоя также встречаются аналогичные дефекты. Это указывает на низкую эффективность печной подпайки, когда дополнительно уложенный припой не приводит к гарантированному устранению пористости в зазоре и расходуется на пополнение галтелей и облуживание поверхностей соединяемых деталей. Изображение структуры зазора в характеристическом излучении марганца показывает, что марганец распределен равномерно в галтели и по зазору (см. рисунок, а).

Паяный шов в характеристическом излучении марганца соединения, выполненного припоем ВПр4 (а), после подпайки припоем ВПр1 (б) и после подпайки ВПр1 с перегревом и увеличенной выдержкой при пайке (в)

Определение содержания элементов в паяном шве производилось микрорентгеноспектральным анализом. Кристаллизация припоя ВПр4 начинается с образования прослоек твердого раствора на основе меди на соединяемых поверхностях основного материала, которые увеличиваются по мере охлаждения после пайки. В середину зазора оттесняется жидкость с меньшей температурой плавления. В припое ВПр4 – это эвтектика, состоящая из твердого раствора на основе меди и силицидов и боридов марганца и никеля. В припое ВПр1 содержатся те же элементы, что и в припое ВПр4 (см. таблицу), но в припое ВПр4, в отличие от припоя ВПр1, содержатся дополнительно в существенных количествах марганец и кобальт. Поэтому анализ взаимодействия припоев при подпайке оценивался именно по содержанию этих элементов.

Состав и температуры плавления и пайки припоев ВПр1 и ВПр4

Микроструктура в отраженных электронах различных участков соединений, выполненных припоем ВПр4 с подпайкой припоем ВПр1 по используемой на заводе технологии, включает изображение в характеристическом излучении марганца. В структуре паяного соединения, выполненного с подпайкой припоем ВПр1, видно, что пористость в зазоре наблюдается вблизи выходной галтели. У входной галтели в месте подпайки пористость отсутствует. Содержание марганца в галтели приблизительно в 2 раза меньше, чем в галтели соединения, выполненного припоем ВПр4, но уже в зазоре содержание марганца возвращается к значениям, характерным для соединений, выполненных припоем ВПр4. Изображение зазора в характеристическом излучении марганца показывает, что припой ВПр1 проник в зазор не более чем на 1,5 мм (см. рисунок, б).

Для того, чтобы более наглядно представить механизм формирования соединений при подпайке припоем ВПр1, был опробован режим пайки газовой горелкой с перегревом в процессе пайки. В структуре такого соединения видно, что происходит образование пористости в середине шва и вытекание эвтектической составляющей из выходной галтели, приводящее к деградации галтели. По составу припой во входной галтели гораздо ближе к составу припоя ВПр1, чем к ВПр4. Распределение марганца, показанное в характеристическом излучении на рисунке, в, в соединении в месте, где входная галтель находится между двумя трубками, показывает, что галтель и значительные участки в зазоре заполнены припоем по составу, близким к припою ВПр1.

Очевидно, что при подпайке припоем ВПр1 соединений, ранее запаянных припоем ВПр4, устранение пористости в соединениях происходит из-за движения эвтектической составляющей припоя ВПр4 к расплаву припоя ВПр1, находящегося во входной галтели. Такое движение выталкивает пузырьки газа из зазора во входную галтель. При перегреве в процессе подпайки припоем ВПр1 происходит расплавление припоя ВПр4 и продвижение припоя ВПр1 в зазор. Устранение пористости в местах, близких к входной галтели, при подпайке припоем ВПр1 может приводить к деградации выходных галтелей и образованию пористости вблизи выходных галтелей.

Печная подпайка припоем ВПр4 неэффективна для устранения дефектов в ранее запаянных этим припоем соединениях. Подпайка припоем ВПр4 газопламенным нагревом не рекомендуется из-за интенсивного разбрызгивания припоя при таком нагреве.

Таким образом, исследована технология подпайки припоем ВПр1 соединений, первоначально запаянных припоем ВПр4. Определено, что при подпайке припоем ВПр1 эффективно устраняются дефекты в контролируемых участках соединения вблизи входной галтели. Устранение дефектов паяных соединений топливных коллекторов, выполненных припоем ВПр4 пайкой в печи, при подпайке припоем ВПр1 происходит за счет встречного движения эвтектической составляющей припоя ВПр4, выводящего пузырьки газов из зазора. Состав галтелей после подпайки припоем ВПр1 является промежуточным между составами припоев ВПр1 и ВПр4 и определяется соотношением количеств припоев, смешивающихся при подпайке, и переходом эвтектической составляющей припоя ВПр4 из зазора в расплавленную галтель.

Разработаны рекомендации по газопламенной подпайке припоем ВПр1 дефектов паяных соединений топливных коллекторов с форсунками из стали ЭП410 и секциями из сплавов 12Х18Н10Т и ВЖ98, выполненных печной пайкой припоем ВПр4.