Пайка
Пайка - процесс соединения металлов или неметаллических материалов посредством расплавленного присадочного металла, называемого припоем и имеющего температуру плавления ниже температуры плавления основного металла (или неметаллического материала). Процесс пайки применяется либо для получения отдельных деталей, либо для сборки узлов или окончательной сборки приборов. В процессе пайки происходят взаимное растворение и диффузия припоя и основного металла, чем и обеспечиваются прочность, герметичность, электропроводность и теплопроводность паяного соединения. При пайке не происходит расплавления металла спаиваемых деталей, благодаря чему резко снижается степень коробления и окисления металла.
Для получения качественного соединения температура нагрева спаиваемых деталей в зоне шва должна быть на 50-100° С выше температуры плавления припоя. Спаиваемые детали нагревают в печах, в пламени газовой горелки, токами высокой частоты, паяльниками. Прочное соединение припоя (сплавление припоя) с основным металлом можно образовать лишь в том случае, если поверхности спаиваемых деталей свободны от окислов и загрязнений. Для запиты поверхностей спаиваемых деталей от интенсивного окисления в результате нагрева место пайки покрывают флюсом, который образует жидкую и газообразную преграды между поверхностями спаиваемых деталей и окружающим воздухом.
Процесс пайки заключается в следующем: при нагревании припой расплавляется и, соприкасаясь с нагретым, но свободным от окисной пленки основным металлом, смачивает его, и растекается по его поверхности. Способность припоя заполнять швы зависит от степени смачивания припоем основного металла, его капиллярных свойств и шероховатости поверхности спаиваемых деталей.
↑ наверх
Припои для пайки
К припоям предъявляются следующие требования: высокая механическая прочность припоев в условиях нормальных, высоких и низких температур, хорошие электропроводность и теплопроводность, герметичность, стойкость против коррозии, жидкотекучесть при температуре пайки, хорошее смачивание основного металла, определенные для данного припоя температура плавления и величина температурного интервала кристаллизации. В зависимости от температуры плавления и прочности применяемых припоев различают пайку мягкими припоями (мягкую) и пайку твердыми припоями (твердую).
↑ наверх
Пайка мягкими припоями
При пайке мягкими припоями используют припои с температурами плавления ниже 400˚ С, обеспечивающие получение паяных швов с пределами прочности до 10 кГ/мм2.
Применяют следующие мягкие припои: оловянно-свинцовые, малооловянистые, легкоплавкие и специальные.
Припои оловянно-свинцовые (ПОС), имеющие температуру плавления = 183 ÷ 265˚С, представляют собой сплавы олова и свинца с добавкой 1,5-2,5% сурьмы и обозначаются (ГОСТ 1499-54) ПОС-18, ПОС-30, ПОС-40, ПОС-50, ПОС-61, ПОС-90 (цифра показывает процент содержания олова).
Малооловянистые и безоловянистые мягкие припои: свинцовые (tпл = 327° С), свинцово-серебряные (2,5% серебра, tпл = 304° С) и др.
Легкоплавкие припои (tпл = 60,5 ÷ 145° С) - сплавы олова, свинца, висмута и кадмия. Их применяют в случаях, когда требуется понижение температуры пайки из-за опасности перегрева деталей, а также для «ступенчатых» (вторых) паек. Механическая прочность припоев незначительна, причем висмутовые припои обладают большой хрупкостью.
Специальные припои используют для пайки материалов, не поддающихся качественной пайке стандартными припоями, причем чаще всего их используют Для пайки алюминия. Для пайки алюминия и его сплавов применяют специальные припои на оловянной основе, которые содержат цинк, кадмий и иногда алюминий, а также чистое олово (содержание олова 99,92%), причем лучшими являются оловянно-цинковые, оловянно-кадмиевые и кадмиево-цинковые сплавы (tпл = 197 ÷ 310° С), так как цинк и кадмий (особенно цинк) хорошо диффундируют в алюминии. Мягкие припои поставляются в виде чушек, прутков, проволоки, ленты, а также трубок из оловянно-свинцового сплава, заполненных канифолевым флюсом. Применение трубчатых припоев значительно упрощает процесс паяльных работ и способствует его механизации. При пайке мягкими припоями флюсы, как правило, необходимы.
↑ наверх
Пайка твердыми припоями
При пайке твердыми припоями применяют припои с температурами плавления выше 400° С: медные (tпл= 1083° С), медно-цинковые (tпл, = 845 ÷ 900° С), меднофосфористые (tпл = 700 ÷ 830° С), серебряные (tпл = 635 ÷ 870° С) и др.
Твердые припои подразделяются на тугоплавкие с температурой плавления выше 875° С и легкоплавкие с температурой плавления ниже 875° С.
Чистая электролитическая медь (марки М1 и М2) применяется в основном при пайке сталей в печах с защитной средой.
Медноцинковые припои мало распространены вследствие низких механических свойств. В качестве медноцинковых припоев используются также латуни марок Л62 и Л68.
Меднофосфористые припои применяются как заменители серебряных припоев и мягких припоев. Их можно использовать только для пайки медных и латунных деталей, не работающих на изгиб, вибрацию и удар. Пайка меди меднофосфористыми припоями осуществляется без флюса; при пайке сплавов на основе меди флюс необходим.
Меднофосфористые припои нельзя применять для пайки черных металлов, так как они плохо смачивают эти металлы и в пограничных диффузионных слоях образуются хрупкие фосфиды железа.
Наиболее высокое качество получается при твердой пайке с серебряными припоями, которые можно применять для пайки черных и цветных металлов при условии, если температура плавления припоя ниже температуры плавления паяемого металла. При твердой пайке алюминия и его сплавов применяют припои на основе алюминия (tпл = 525 ÷ 580° С).
↑ наверх
Флюсы применяемые для пайки
-
Флюсы должны удовлетворять следующим основным требованиям:
-
Температура плавления флюса и его удельный вес должны быть ниже температуры плавления и удельного веса припоя.
-
Флюс должен полностью расплавляться и иметь хорошую жидкотекучесть при температуре пайки, но в то же время не должен быть слишком текучим, чтобы не «уходить» от места пайки.
-
Флюс должен своевременно и полностью растворять окислы основного металла, причем флюс должен действовать при температуре на несколько градусов ниже температуры плавления припоя.
-
Флюс не должен образовывать соединений с основным металлом и припоем, а также поглощаться ими.
-
Флюс должен равномерным слоем покрывать поверхность основного металла у места пайки, предохраняя его от окисления в продолжение всего процесса пайки. Однако для того, чтобы припой мог сплошным слоем покрывать поверхность основного металла, необходимо, чтобы адгезия флюса к основному металлу (т. е. силы сцепления между флюсом и основным металлом) была слабее, чем адгезия припоя (т. е. силы сцепления между припоем и основным металлом).
-
Флюс не должен испаряться и выгорать при температуре пайки, а продукты его разложения и окислы должны вытесняться припоем, легко удаляться после пайки и не вызывать коррозии.
Для пайки мягкими припоями применяют кислотные или активные, антикоррозийные, бескислотные, активизированные флюсы. Кислотные или активные флюсы - на основе хлористых соединений - интенсивно растворяют окисные пленки на поверхности основного металла и тем самым обеспечивают хорошую адгезию и, следовательно, высокую механическую прочность соединения.
Остаток флюса после пайки вызывает интенсивную коррозию соединения и основного металла, а потому после пайки место пайки нужно тщательно промывать. Для пайки проводников при монтаже электрорадиоприборов применять кислотные флюсы категорически запрещается.
↑ наверх
Кислотные флюсы
К кислотным флюсам относятся хлористый цинк (обычно в виде 30%-ного водного раствора с добавкой 0,6-0,7% свободной соляной кислоты; составляет около 263˚ С), флюс-паста (хлористый цинк или хлористый аммоний с соответствующим наполнителем: ланолин, вазелин, глицерин и т. п.; tпл = 263° С), флюс «Прима I» (раствор хлористого цинк-аммония в смеси воды и этилового спирта с добавкой глицерина, tпл = 170˚ С).
↑ наверх
Антикоррозийные флюсы
Антикоррозийными флюсами являются флюсы на основе фосфорной кислоты с добавлением различных органических соединений и растворителей, а также флюсы на основе органических кислот. Флюсы этой группы не вызывают коррозии черных металлов и поэтому после пайки не нужно удалять остатки флюса.
↑ наверх
Флюс ВТС
Флюс ВТС (смесь технического вазелина с салициловой кислотой, триэтаноламином и этиловым спиртом) применяется для пайки меди, латуни, бронзы, константана, серебра, платины и сплавов платиновой группы. Этот флюс особенно удобен для пайки электромонтажных соединений, так как он обеспечивает' чистоту и надежность пайки и не вызывает коррозии, даже если остается в местах пайки.
↑ наверх
Бескислотные флюсы
Пайка соединений при монтаже электрорадиоприборов производится, как правило, бескислотными флюсами на основе канифоли.
Сосновая канифоль представляет собой в основном смесь смоляных кислот. При хранении на воздухе канифоль поглощает кислород, причем поглощение тем больше, чем выше температура. Измельченная канифоль в смеси с воздухом способна взрываться. Температура плавления (размягчения) канифоли колеблется в пределах от 52˚ до 83° С; при 125˚ С канифоль переходит в жидкое состояние. Основное достоинство канифоли состоит в том, что в расплавленном состоянии (при температуре 150° С) она способна растворять окислы, а после затвердевания на паяном соединении остаток флюса не вызывает коррозии. Остаток канифоли не гигроскопичен и является хорошим изолятором, что также относится к числу достоинств канифоли как флюса для пайки монтажных соединений. Являясь поверхностно-активным веществом, канифоль существенно улучшает растекание припоя.
Канифоль относится к флюсам химически мало активным и может применяться при условии, если детали тщательно подготовлены к пайке, т. е. зачищены или залужены.
В качестве флюсов для пайки монтажных соединений применяют натуральную канифоль (ГОСТ 797-64), а также растворы , канифоли в спирте (флюс КЭ и глицерино-канифолевый).
↑ наверх
Активированные флюсы
Активированные флюсы на основе канифоли применяют для пайки металлов и сплавов, плохо поддающихся пайке с канифолевым флюсом; они также ускоряют процесс пайки меди и медных сплавов.
В качестве активизаторов в канифоль вводят в небольших количествах солянокислый анилин, фосфорнокислый анилин, фе-нолевый ангидрид, солянокислый диэтиламин, салициловую кислоту и т. д.
Лучшим для пайки монтажных соединений из флюсов этой группы является флюс с анилином.
Для пайки твердыми припоями применяются в основном кислотные флюсы, остатки которых необходимо удалять после пайки. В зависимости от температуры плавления они подразделяются: на флюсы с температурой плавления выше 750° С, применяющиеся для пайки тугоплавкими припоями, и флюсы с температурой плавления ниже 750˚ С, применяющиеся для пайки сравнительно легкоплавкими серебряными припоями. В качестве тугоплавких флюсов наибольшее- распространение получили бура и борная кислота. Активной группой этих флюсов является борный ангидрид В2О3, который, вступая в реакцию с окислами металлов, образует бораты.
Буру применяют в виде безводной соли Na2В4O7 и в вид( кристаллической соли Na2В4O7 • 10Н2О.
Кристаллическая десятиводная бура начинает плавиться при 75˚ С; по мере повышения температуры нагрева бура теряет воду, сильно при этом вспучиваясь и разбрызгиваясь, и постепенно переходит в безводную соль Na2В4O7 (плавленая или жженая бура); плавящуюся при температуре 783° С. Во избежание кипения бурь при пайке ее обычно применяют в прокаленном виде. Кристаллизационную воду удаляют путем нагрева буры до 400 - 450° С. Активное действие буры начинается с температуры 800° С, при более низких температурах бура плохо растекается. Бура в расплавленном состоянии может быть нагрета до высоких температур без заметного испарения, она весьма жидкотекучая и энергично растворяет окислы многих металлов, в особенности меди.
Борная кислота является менее активным флюсом, чем бура. Температура активного действия борной кислоты выше, чем буры, и составляет 900° С. Одну борную кислоту редко применяют в качестве флюса. Смеси буры и борной кислоты являются основой большинства флюсов.
Для повышения активности смеси буры и борной кислоты при пайке нержавеющих сталей и жаропрочных сплавов в состав флюсов вводят фтористый кальций и другие добавки.
В качестве легкоплавких флюсов для пайки серебряными и медно-фосфористыми припоями в основном применяют смеси голоидных солей щелочных металлов с борнокислыми солями. Галоидные соли флюсуют окислы главным образом физическим растворением, борнокислые соли оказывают химическое действие.
Флюсы применяют в виде пасты, порошка и в жидком виде.
Иногда флюсующее действие производит сам припой с соответствующими добавками раскислителей (например, меднофосфористые припои).
↑ наверх
Подготовка деталей к пайке, лужение
Перед пайкой поверхности деталей очищают от пыли, жира, краски, ржавчины, окалины и окисной пленки. В процессе зачистки получают шероховатую поверхность с целью увеличения смачивания основного металла.
Зачистку производят напильником, наждачной шкуркой, металлическими щетками (крацевание) и др.
Обезжиривание деталей перед пайкой производят в бензине или четыреххлористом углероде или подвергают травлению с последующей промывкой в воде и просушиванием в сушильном шкафу во избежание коррозии. Очищенные детали следует хранить в условиях, исключающих попадание на них жира и грязи и возникновение коррозии.
В большинстве случаев детали перед пайкой лудят, что облегчает последующую пайку.
Схема процесса лужения показана на рис. 1. Место пайки покрывают флюсом, затем при помощи паяльника наносится расплавленный припой. Температура деталей в зоне пайки поддерживается паяльником и должна быть на 50-100° С выше температуры плавления припоя. Если одна из поверхностей будет нагрета выше температуры плавления припоя, а вторая ниже, происходит нарушение процесса пайки, нагретую поверхность припой смачивает, а на второй он застывает и не затекает в зазоры.
Рис. 1 Схема лужения паяльником
1 - паяльник, 2 - припой, 3 - газообразный флюс, 4 - растворенный окисел, 5 - поверхностный слой окисла, 6 - флюс, 7 - зона сплавления припоя с основным металлом, 8 - основной металл
Рис. 2 Схема лужения вибрационным паяльником
Лужение производят также в ванночке с расплавленным припоем, при этом детали сначала погружают в сосуд с флюсом, а затем в расплавленный припой.
При пайке алюминия с помощью ультразвука лужение поверхностей производится или паяльниками, вибрирующими с ультразвуковой частотой, или в специальных ультразвуковых ванночках с расплавленным припоем.
Схема процесса лужения вибрационным паяльником показана на рис. 2. Для возбуждения продольных колебаний рабочего стержня У паяльника применяют магнитострикционные вибраторы , представляющие собой магнитопровод 9 с обмоткой возбуждения 10, питаемой переменным током от лампового генератора 11 при частоте от 20 до 25 кгц и создающей переменное электромагнитное поле.
Магнитопровод 9, соединенный с рабочим стержнем ультразвукового паяльника У, создает интенсивные колебания, способные вызвать кавитацию (нарушение сплошности) расплавленного припоя в зоне пайки. Нагрев рабочего стержня 1 паяльника осуществляется нагревательной обмоткой 5, питаемой переменным током от понижающего трансформатора 12. Применяются ультразвуковые паяльники и без нагревательного элемента. В этом случае нагрев детали, подлежащей лужению, до 260-300˚ С осуществляется от постороннего источника тепла - газовой горелки или электроплитки.
Лужение основного металла при помощи ультразвукового паяльника происходит в непосредственной близости от колеблющегося конца рабочего стержня 1 паяльника, который излучает знакопеременные волновые давления, вызывающие растяжение и сжатие частиц жидкого припоя 2. В местах наибольшей интенсивности облучения растяжения влекут за собой кавитацию жидкого припоя и между его частицами появляются разрывы, которые мгновенно заполняются воздухом или газом, имеющимися в припое, образуя мельчайшие (размером в несколько микрометров) пузырьки 3. За растяжением наступает сжатие частиц расплавленного припоя, и пузырьки немедленно после образования сжимаются, а затем захлопываются. Сжатие пузырьков вызывает повышение в них давления до сотен атмосфер, а их захлопывание сопровождается весьма большими ударными импульсами на окружающий их жидкий припой, а также на поверхность алюминиевых деталей, вызывая разрушение окисной пленки 4. Раздробленные частицы окисной пленки, обладающие меньшим удельным весом, всплывают на поверхность припоя, который беспрепятственно облуживает очищенную поверхность основного металла.
Таким образом, под действием кавитации происходит эрозия (разрушение) окисной пленки 4 под слоем расплавленного припоя 2, сплавление припоя с обнаженным основным металлом 5 и образование слоя 6 сплава припоя с основным металлом (полуды). На поверхности затвердевшего слоя припоя остается слой 7 шлака, который представляет собой частицы диспергированной (тонко измельченной) окиси алюминия. Постепенно перемещая паяльник, покрывают припоем всю поверхность соединения.
Рабочий стержень 1 паяльника, подвергающийся во время пайки воздействию эрозии, изготовляется из серебряно-никелевого сплава, обладающего высокой кавитационной стойкостью.
Форму или размеры конца рабочего стержня паяльника для выполнения конкретной операции изменяют путем замены рабочей части стержня специальным приспособлением, которое должно иметь строго определенные размеры для соблюдения резонансных характеристик системы.
Ультразвуковой метод лужения обеспечивает высокую производительность, повышает механическую прочность и коррози-ционную стойкость соединений.
↑ наверх
Способы пайки
Пайку мягкими припоями можно применять, почти для всех металлов, в разнообразных сочетаниях, включая такие легкоплавкие металлы, как олово, свинец, цинк и их сплавы.
Нагрев при пайке мягкими припоями производят паяльниками, газовыми горелками, электрическим током, плавлением припоя в ваннах и т, д, В большинстве случаев для пайки мягкими припоями применяют паяльники из красной меди.
Размеры паяльника должны соответствовать размерам детали, чтобы паяльник, не охлаждаясь значительно, мог нагреть кромки детали до необходимой температуры.
При монтаже электрорадиоприборов, как правило, применяют электрические паяльники непрерывного действия.
Высокопроизводительным способом пайки мягкими припоями является последовательное погружение деталей в раствор флюса, а затем в ванну с большим количеством расплавленного припоя, который применяется в данном случае не только как заполнитель зазоров, но и как источник тепла, быстро и одновременно нагревающий все соединяемые детали. Таким способом за одно погружение деталей в течение 1-2 мин можно спаять между собой сотни, а иногда и тысячи деталей. Прочность мягких припоев незначительна, поэтому рабочие соединения, подвергающейся большой нагрузке, рекомендуется до пайки прочно скреплять точечной сваркой, заклепками, развальцовкой, шпильками и т. д., используя припой как средство уплотнения шва для герметичности.
В зависимости от характера нагрева изделия при пайке твердыми припоями различают газовую пайку, пайку погружением в металлические ванны, пайку с погружением в соляные ванны, дуговую пайку, индукционную пайку и контактную пайку.
↑ наверх
Газовая пайка
При газовой пайке нагрев осуществляется пламенем газовой горелки. В качестве горючего газа используют смеси различных газообразных или жидких углеводородов (ацетилен, метан, пары керосина и т. д.) и водород, которые при сгорании в смеси с кислородом дают высокотемпературное пламя. При пайке крупных деталей горючие газы и жидкости применяют в в смеси с кислородом, при пайке мелких деталей в смеси с воздухом.
Пайку можно выполнять как горелками специального типа, дающими широкий факел, так и нормальными, сварочными.
При газовой пайке применяют как газообразные флюсы на основе метилбората, так и твердые флюсы - различные соли и их смеси, которые обычно используют в виде водных растворов.
↑ наверх
Пайка погружением в металлические ванны
Расплавленный припой в ванне покрывают слоем флюса. Подготовленная к пайке деталь погружается в расплавленный припой (металлическую ванну), который также является источником тепла. Для металлических ванн обычно используют медно-цинковые и серебряные припои.
↑ наверх
Пайка погружением в соляные ванны
Состав ванны выбирают в зависимости от температуры пайки, которая должна соответствовать рекомендуемой температуре ванны при работе на смеси определенного состава. Ванна состоит их хлористых солей натрия, калия, бария и др.
Этот метод не требует применения флюсов и защитной атмосферы, так как состав ванны подбирают таким, что он вполне обеспечивает растворение окислов, очищает паяемые поверхности и защищает их от окисления при нагреве, т. е. является флюсом.
Детали подготавливают к пайке, на шов в нужных местах укладывают припой, после чего опускают в ванну с расплавленными солями, являющимися флюсом и источником тепла, где припой расплавляется и заполняет шов.
Для обеспечения хорошего заполнения припоем швов между соединяемыми деталями в соляные ванны добавляют 4-5% буры, а также производят раскисление ванны ферросилицием или ферромарганцем, которые вводят в ванну в количестве 1 % от веса соли. Для соляных ванн используют медные, медноцинковые, серебряные и другие припои, а для деталей из алюминия - припои из силумина.
↑ наверх
Дуговая пайка
При дуговой пайке нагрев осуществляется дугой прямого действия, горящей между деталями и электродом или дугой косвенного действия, горящей между двумя угольными электродами.
При использовании дуги прямого действия обычно применяют угольный электрод (угольная дуга), реже - металлический электрод (металлическая дуга), которым служит сам стержень припоя. Угольную дугу направляют на конец стержня припоя, касающегося основного металла так, чтобы не расплавлять кромок детали. Металлическую дугу применяют при токах, достаточных для расплавления припоя и очень незначительно оплавляющих кромки основного металла. Для пайки дугой прямого действия пригодны тугоплавкие припои, не содержащие цинка. При помощи угольной дуги косвенного действия можно выполнять процесс пайки твердыми припоями всех типов. Для нагрева этим способом применяют специальную угольную горелку. Ток к электродам подается от машины для дуговой сварки. Дуговые горелки менее удобны для пайки, чем газовые, поэтому их применяют обычно при небольшом объеме работ по пайке.
↑ наверх
Индукционная пайка (пайка токами высокой частоты)
При индукционной пайке детали нагреваются индуктируемыми в них вихревыми токами. Индукторы (рис. 3) изготовляются из медных трубок, преимущественно прямоугольного или квадратного сечения в зависимости от конфигурации деталей, подлежащих пайке.
Рис. 3. Петлевые индукторы для нагрева наружной (а) и внутренней (б) поверхности
При индукционной пайке быстрый нагрев детали до температуры пайки обеспечивается использованием энергии высокой концентрации. Для предохранения индуктора от перегрева и расплавления применяют водяное охлаждение.
Для защиты поверхности деталей от окисления и окалины применяют твердые флюсы. Для этой же цели индукционную пайку проводят в вакууме или в восстановительной, или нейтральной средах.
Индукционную пайку можно производить твердыми припоями почти всех типов, но медь и медноцинковые припои для пайки деталей из меди и ее сплавов не рекомендуются. Для флюсования применяют буру, ее смесь с борным ангидридом и т. д.
В качестве источников питания при высокочастотной пайке применяют ламповые генераторы, а также установки с машинными генераторами повышенной частоты.
↑ наверх
Контактная пайка (пайка сопротивлением)
При этом способе пайки электрический ток низкого напряжения (от 4 до 12 В), но сравнительно большой силы (2000-3000 А) пропускают через электроды и за короткое время нагревают их до высокой температуры; детали нагреваются как за счет теплопроводности от нагретых электродов, так и за счет тепла, выделяемого током при его прохождении в самих деталях. Схемы установок для пайки с электроконтактным нагревом показаны на рис. 4.
Рис. 4. Схемы установок для пайки с электроконтактным нагревом
При косвенном нагреве (рис. 4, а) электрический ток течет по электроду 1 и нагревает его, а детали 2 и 3 нагреваются от электрода за счет теплопроводности.
При прямом нагреве (рис. 4, б) детали 2 и 3 непосредственно включены в электрическую цепь и по ним протекает ток. Они нагреваются за счет тепла, выделяемого проходящим по ним электрическим током, и за счет теплопроводности от электрода 1. Расход электроэнергии при прямом нагреве, примерно, в два раза меньше, чем при косвенном нагреве.
При прохождении электрического тока паяемое соединение нагревается до температуры плавления припоя, и расплавленный припой заполняет шов.
Контактную пайку производят или на специальных установках, обеспечивающих питание током большой силы и малого напряжения, или на обычных машинах для контактной сварки.
Во всех установках ток подводится к паяемым деталям через электроды, которые изготовляют из меди, графита (например, электрографита марки ЭГ2) и сплавов (ЭИ437; ХЗО; Х18Н25С; Х12М). При контактной пайке применяют твердые припои: медь, латуни, серебряные припои и т. д. В ряде случаев необходимо применять флюс (в основном буру или ее водный раствор).
↑ наверх
Пайка в печах
Для пайки используются электрические печи и реже - пламенные печи. Нагрев деталей под пайку производят в обычной, восстановительной или обладающей защитными свойствами средах. Пайку твердыми припоями в печах с обычной средой (атмосферой) производят с применением флюсов. При пайке в печах с контролируемой средой подлежащие пайке детали (из чугуна, меди или медных сплавов) соединяют с возможно малым зазором, затем на шов накладывают твердый припой в виде проволоки, кусочков или специально штампованных фасонных колец. Собранные таким образом паяемые узлы помещают в печь, разогретую до температуры, несколько превышающей температуру плавления припоя; в камеру печи из специальной установки подают защитную (контролируемую) атмосферу (восстановительную или обладающую защитными свойствами).
Пайку в печах иногда заменяют пайкой в специальных герметических контейнерах, продуваемых восстановительным газом и устанавливаемых в печь после загрузки в них деталей. Пайка в восстановительной среде обеспечивает соединения высокой прочности, предохраняет соединяемые детали от окисления и обезуглероживания и обеспечивает высокую производительность, так как допускает групповую обработку деталей. При пайке в восстановительной среде деталей из конструкционных сталей применять флюсы не следует, что значительно упрощает технологию. В качестве восстановительной среды применяют диссоциированный аммиак-азото-водородную смесь (2NН3↔N2 + 3Н2).
Для предохранения деталей от обезуглероживания иногда применяют среду на основе окиси углерода. В качестве восстановительных и слабовосстановительных сред применяют еще генераторный древесный угольный газ и продукты сгорания природного газа после удаления СО2 и Н2О. К защитным средам относятся нейтральные газы (аргон, гелий). Газовую восстановительную и защитную среды применяют для пайки сталей, чугуна, меди и ее сплавов с оловом и никелем, а также для пайки никеля и его сплавов.
В качестве припоев при пайке в печах служат электролитическая медь М1, М2, латунь Л62 (пайка черных металлов), легкоплавкие серебряные и медные припои (пайка меди и ее сплавов, нержавеющей стали, чугуна), специальные алюминиевые припои (пайка алюминия и его сплавов) и др.
↑ наверх
Ступенчатая пайка
Ступенчатой пайкой называют процесс, применяемый для соединения нескольких деталей в один узел припоями с различной температурой плавления. При этом способе сначала паяют часть узла припоя с более высокой температурой плавления, а затем производят пайку припоем с более низкой температурой плавления. Можно применять также ступенчатую пайку с тремя последовательными процессами.
↑ наверх
Пайка соединений металлов с неметаллическими материалами
Пайкой можно получить соединения металлов со стеклом, кварцем, фарфором, керамикой, графитом, полупроводниками и другими неметаллическими материалами.
Ввиду различия в физико-химических свойствах металлов и неметаллических материалов природа связи в паяных швах будет иной, чем в соединениях между металлами. При пайке металлов основным условием образования прочного паяного соединения является удаление с поверхности соединяемых металлов и припоя слоя окислов. При пайке же металлов с неметаллическими материалами, такими, как стекло, кварц и др., состоящими из окислов, образование паяного соединения будет происходить между металлом и окислами элементов. При пайке металлов с графитом и полупроводниками соединение создается между еще более различными по природе материалами. Ввиду резкого различия коэффициентов термического расширения и других свойств металлов и неметаллических материалов технологические процессы пайки последних разработаны в меньшей степени, чем для металлов.
Соединение металлов с неметаллами с применением металлических связок производят серебряными припоями, содержащими значительное количество титана и циркония (25-50%), которые обладают способностью одновременно смачивать поверхность металлов и неметаллических материалов. Основные трудности при пайке кварца с металлами вызываются большим различием коэффициентов линейного расширения соединяемых пар. Соединение металлов с неметаллическими материалами в результате совместного смачивания их расплавленным припоем образуется также при пайке металлов с графитом. И в этом случае применяют припои, содержащие титан и цирконий, которые являются сильными карбидообразователямй и хорошо смачивают графит. Однако эти припои имеют низкую коррозийную стойкость в расплавах солей, в которых могут работать паяные соединения металла с графитом. Перспективным является припой, состоящий из 35% Аu, 35% Ni и 30% Мо, который пригоден для пайки молибдена с графитом и графита с графитом и дает соединения, устойчивые в среде расплавленных солей.
Соединение металлов с неметаллами осуществляется также путем применения переходных слоев из стекла, глазури и эмали. В спаях металла со стеклом, получаемых с применением легкоплавких промежуточных стекол, опасность образования трещин уменьшается, так как напряжения в контакте металл-стекло оказываются значительно ниже, чем в спаях без переходного стекла. Этот способ позволяет производить предварительное покрытие металла стеклом при строго определенных режимах, а последующее соединение элементов изделия сводится к простому сплавлению стекла со стеклом. Применение предварительного покрытия металла более легкоплавким стеклом рекомендуется также в тех случаях, когда соединяемый металл не смачивается стеклом, с которым он должен быть соединен.
Третья группа технологических процессов соединения металлов с неметаллами, когда на неметаллический материал перед пайкой наносится пленка металла, характерна для пайки металлов со стеклом и керамикой и наиболее распространена в приборостроении. В этом случае перед пайкой на поверхность стекла или керамики путем вжигания (серебра или платины) металлизацией, восстановлением окислов или другими способами наносят слой металла. После этого пайка принципиально ничем не отличается от обычной, применяемой при соединении металлов.
На поверхность деталей из керамики, специальных сортов стекла, слюды и кварца, применяемых в электрорадиоприборах, обычно наносят металлический (серебряный) слой способом, вжигания.
↑ наверх
Способ вжигания
Способ вжигания основан на проникновении металлического серебра в поверхностные слои керамики, стекла, слюды и кварца. К такому слою серебра можно припаивать металл.
Сущность вжигания состоит в том, что серебро, содержащееся Б виде химических соединений (А'зСОд или Ag20) в составе пасты, при нагревании до определенной температуры восстанавливается в металлическое серебро и прочно сцепляется с поверхностными слоями керамики, стекла, слюды и кварца, чему способствует плавень (обычно В120з и РЬБЭ), добавляемый в пасту. Для придания пасте способности прилипания к поверхности различных материалов в нее добавляют связку (СНо).
↑ наверх
Обработка деталей после пайки
После окончания пайки и охлаждения паяного шва остатки флюсов необходимо удалять.
Если при пайке мягкими припоями используются бескислотные канифолевые флюсы, то остатки их не опасны в отношении коррозии и в доступных местах их удаляют механическим путем, обычно протиркой соединений хлопчатобумажным лоскутом, смоченным спиртом или другим растворителем.
Для удаления остатков флюсов, вызывающих коррозию паяного соединения, применяют промывку в горячей (обычно 50-80"" С) или холодной воде (в проточной или в ваннах), в 5%-ном растворе кальцинированной соды, бензине и в 1-3%-ном растворе натриевого (или калиевого) хромпика, а также протирку мягкой тряпкой или бязью, смоченной спиртом, ацетоном и другими растворителями, и пескоструйную обработку.
↑ наверх
Некоторые особенности конструирования узлов с паяными соединениями
Типовые паяные соединения показаны на рис. 5. Паяные швы отличаются от сварных швов по. конструктивной форме и образованию. В отличие от сварного шва (рис. 5, а) у лаяного соединения (рис. 5,6) на участке 2-3 гальтель припоя имеет вогнутую форму с очень плавными переходами от припоя к поверхности основного металла.
Рис. 5. Типовые паяные соединения
Зазор по всей ширине нахлестки на участке 1-2 полностью заполнен припоем. Основной металл не оплавляется, геометрические формы кромок и поверхностей соединяемых деталей сохраняются. прочность паяного соединения почти не зависит от размеров галтелей припоя, но сильно изменяется при изменении размера участка 1-2, определяющего величину нахлестки, которая обеспечит прочность паяного шва, равную или превосходящую предел прочности основного металла. Кроме того, сварка идет при последовательном наложении сначала верхнего шва 2 - 5, а затем нижнего, а в процессе пайки образование обеих галтелей и заполнение припоем зазора по ширине нахлестки на участке 1 - 2 происходят почти мгновенно.
Рис. 6. Форма и элементы сварного (а) и паяного (б) швов при соединении внахлестку
Тип паяного соединения выбирают с учетом эксплуатационных требований, предъявляемых к узлу, и технологичности узла в отношении пайки. Наиболее распространенным видом соединения является пайка внахлестку. В узлах, работающих при значительных нагрузках, где, кроме прочности шва, необходима герметичность, детали следует соединять только внахлестку. Швы внахлестку обеспечивают прочное соединение, удобны при выполнении и не требуют проведения подгоночных операций, как это имеет место при пайке встык или в ус.
Стыковые соединения обычно применяют для деталей, которые нерационально изготовлять из целого куска металла, а также в тех случаях, когда нежелательно удваивать толщину металла. Их можно применять для малонагруженных узлов, где не требуется герметичность. Механическая прочность припоя (особенно мягкого) обычно бывает ниже прочности соединяемого металла; для того чтобы обеспечить равнопрочность паяного изделия, прибегают к увеличению площади спая путем косого среза (в ус) или ступенчатого шва; часто с этой целью применяют комбинацию стыкового соединения с нахлесткой.
Качество и прочность пайки в значительной степени зависит от применяемого припоя. При выборе припоя необходимо учитывать следующие факторы: материал соединяемых деталей, необходимую чистоту и прочность шва, последующую после пайки обработку (например, термообработку) и условия эксплуатации.
Наличие и величина зазоров между поверхностями деталей, соединяемых пайкой, имеют решающее значение. При больших зазорах или при отсутствии их пайка невозможна. При проектировании паяных соединений величину зазоров необходимо выбирать с учетом материала деталей и типа припоя.
Величина зазоров меньше всего зависит от способа нагрева, так как решающими при пайке являются жидкотекучесть используемых припоев, явление капиллярности, коэффициент линейного расширения материала деталей, соединяемых пайкой, а также направление распространения нагрева во время пайки.
При пайке стальных деталей твердыми припоями зазоры в соединениях обычно выбирают в пределах 0,04-0,05 мм, но допускаются зазоры и больших размеров (иногда до 0,25 мм). При пайке меди и ее сплавов твердыми припоями зазоры задают в пределах 0,076-0,38 мм. Для серебряных припоев рекомендуется зазор 0,05-0,08 мм, для пайки медью в среде защитного газа - не более 0,012 мм. Зазоры между деталями при сборке под пайку мягкими припоями задают в пределах 0,05-0,2 мм. В этих же пределах нужно выдерживать зазоры при пайке твердыми и мягкими припоями магниевых (иногда до 0,3 мм) и алюминиевых сплавов. Увеличение размера зазора между соединяемыми поверхностями обычно приводят к ухудшению всасывания жидкого припоя под действием капиллярных сил, к понижению прочности соединения и к излишнему расходу припоя.
Высокие требования в отношении величины зазора заставляют производить достаточно чистую механическую обработку соединяемых поверхностей, что необходимо также для более плотного их прилегания друг к другу. Эти поверхности обрабатывают до 4-6-го класса чистоты; более высокий класс чистоты ухудшает смачиваемость припоем соединяемых поверхностей.
↑ наверх
Автор: Технология материалов в приборостроении. М 1969 г. А. Н. Малов, И. А. Арутюнова, А. К. Белопухов и др.
|
Технологии сварки
