Содержание
2
3
3
3
4
4
4
4
4
5
5
5
5
6
6
6
6
7
7
8
9
Капиллярнаяпайка
Диффузионнаяпайка
Контактно-реактивнаяпайка
Реактивно-флюсоваяпайка
Пайка-сварка
Припой
Паяльныефлюсы
3. Способы пайки
Пайка впечах
Индукционнаяпайка
Пайкасопротивлением
Пайкапогружением
Пайка срадиационным нагревом
Экзофлюсоваяпайка
Газопламенная пайка
Пайкапаяльниками
Используемая литература
1. Физическая сущность процесса пайки.
Пайкой называется технологическийпроцесс соединения металлических за-
готовок без их расплавления посредством введения между нимирасплавленного промежуточного металла-припоя. Припой имеет температуруплавления более низкую, чем температура соединяемых металлов, и заполняет зазор между соединяемыми поверхностями за счетдействия капиллярных сил. При охлаждении припой кристаллизуется и образуетпрочную связь между заготовками. В процессе пайки наряду с нагревом необходимоудаление окисных пленок с поверхности паяемых металлов.
Образование соединения безрасплавления кромок обеспечивает возможность распая, т. е. разъединения паяемыхзаготовок без нарушения исходных размеров и формы элементов конструкции.
Качество паяного шва во многомзависит от прочности связи припоя с металлом основы. В результате смачиваниятвердой металлической поверхности между припоем и основным металлом возникаетмежатомная связь. Эта связь может образоваться при растворении металла основы врасплавленом припое с образованием жидкого раствора, распадающегося припоследующей кристаллизации; за счет диффузии составляющих припой элементов восновной твердый металл с образованием твердого раствора; за счет реактивной диффузиимежду припоем и основным металлом с образованием на границе интерметаллическихсоединений; за счет бездиффузионной связи в результате межатомноговзоимодействия.
Получение паяного соединения состоит из нескольких этапов:
А)Предварительная подготовка паяемых соединений;
Б)Нагрев соединяемых деталей дотемпературы ниже температуры плавления паяемых деталей;
В)Удаление окисной плёнки с поверхностей паяемых металлов с помощью флюса;
Г)Введение в зазор между паяемыми деталями жидкой полоски припоя;
Д)Взаимодействие между паяемыми деталями и припоем;
Е)Кристаллизация жидкой формы припоя,находящейся между спаевыми деталями;
Пайкой можно соединять любые металлы и их сплавы. В качестве припоя используются чистые металлы(они плавятся при строго фиксированной температуре) и их сплавы (они плавятся вопределенном интервале температур).
Разница между температурами начала плавления и полного расплавленияназывается интервалом кристаллизации. При осуществлении процесса пайкинеобходимо выполнение температурного условия:
t1> t2> t3> t4
гдеt1–температура начала плавления материала детали
t2–температура нагрева детали при пайке;
t3–температура плавления припоя;
t4 – рабочаятемпература паянного соединения;
По особенностям процесса и технологиипайку можно разделить на капиллярную, диффузионную, контактно-реактивную, реактивно-флюсовуюи пайку-сварку.Капиллярнаяпайка.Припой заполняет зазор междусоединяемыми поверхностями и удерживается в нем за счет капиллярных сил. Нарис.1 показана схема образования шва. Соединение образуется за счет растворенияосновы в жидком припое и последующей кристаллизации раствора. Капиллярную пайкуиспользуют в тех случаях, когда применяют соединение внахлестку. Однакокапиллярное явление присуще всем видам пайки.
Диффузионная пайка. Соединение образуется за счет взаимной диффузиикомпонентов припоя и паяемых материалов, причем возможно образование в шветвердого раствора или тугоплавких интерметаллов. Для диффузионной пайкинеобходима продолжительная выдержка при температуре образования паяного шва ипосле завершения процесса при температуре ниже солидуса припоя.
Контактно-реактивная пайка. При пайке между соединяемыми металламиили соединяемыми металлами и прослойкой другого металла в результатеконтактного плавления образуется сплав, который заполняет зазор и при кристаллизацииобразует паяное соединение. На рис.2 показана схема контактно-реактивной пайки.
Реактивно-флюсовая пайка. Припой образуется за счет реакциивытеснения между основным металлом и флюсом. Например, при пайке алюминия сфлюсом 3ZnCl2+ 2Al = 2AlCl3+ Zn восстановленныйцинк является припоем.
Пайка-сварка. Паяное соединение образуется так же, как при сваркеплавлением, но в качестве присадочного металла применяют припой.
Наибольшее применение получила капиллярнаяпайка и пайка-сварка. Диффузионная пайка и контактно-реактивная болеетрудоемки, но обеспечивают высокое качество соединения и применяются, когда впроцессе пайки необходимо обеспечить минимальные зазоры. Качество паяныхсоединений (прочность, герметичность, надежность и т. д.) зависит отправильного выбора основного металла,припоя, флюса, способа нагрева, величины зазоров, типа соединения.2. Материалы для пайки.
Припой. Припоидля пайки, заполняющие зазор в расплавленном состоянии между соединяемымизаготовками, должны отвечать следующим требованиям:
1) температура их плавления должна быть ниже температурыплавления пая-
емых материалов;
2) они должны хорошо смачивать паяемый материал и легкорастекаться по
его поверхности;
3) должны быть достаточно прочными и герметичными;
4) коэффициенты термического расширения припоя и паяемогоматериала не
должны резко различаться;
5) иметь высокую электропроводность при паянии радиоэлектронных и токопроводящих изделий.
Припои классифицируют последующим признакам:
А) Химическому составу;
Б) Температуре плавления;
В) Технологическим свойствам;
По химическому составу припоиделятся на свинцово-оловянные, серебряные, медно-фосфорные, цинковые, титановыеи др.
Все припои по температуреплавления подразделяют на низкотемпературные (tпл500оС), или твердые припои. Припоиизготовляют в виде прутков, проволок, листов, полос, спиралей, колец, дисков,зерен и т. д., укладываемых в место соединения.
К низкотемпературным, или мягким припоям относятся оловянно-свинцовые,на основе висмута, индия, кадмия, цинка, олова, свинца. К высокотемпературным или твердымприпоям относятся медные, медно-свинцовые, медно-никелевые, с благороднымиметаллами (серебром, золотом, платиной).
По техническим свойствам делятсяна самофлюсующиеся (частично удаляют окислы с поверхности металла) икомпозиционные (состоят из тугоплавких и легкоплавких порошков,позволяющих производить пайку с большимизазорами между деталями).
Изделия из алюминия и его сплавовпаяют с припоями на алюминевой основе с кремнием, медью, оловом и другимиметаллами.
Магний и его сплавы паяют сприпоями на основе магния с добавками алюминия, меди, марганца и цинка.
Изделия из коррозионно-стойкихсталей и жаропрочных сплавов, работающих при высоких температурах(>500оС),паяют с припоями на основе железа, марганца, никеля, кобальта, титана, циркония,гафния, ниобия и палладия.
Паяльные флюсы. Эти флюсы применяют для очистки поверхностипаяемого металла, а также для снижения поверхностного натяжения и улучшениярастекания и смачиваемости жидкого припоя.
Флюс (кроме реактивно-флюсовойпайки) не должен химически взаимодействовать с припоем. Температура плавленияфлюса должна быть ниже температуры плавления припоя. Флюс в расплавленном игазообразном состояниях должен способствовать смачиванию поверхности основногометалла расплавленным припоем. Флюсы могут быть твердые, пастообразные, жидкиеи газообразные.
Флюсы классифицируют попризнакам:
— Температурному интервалу пайки на низкотемпературные (t4500C);
— Природе растворителя на водные и неводные;
— Природе активатора на канифольные, галогенидные,фтороборатные, анилиновые, кислотные ит.д.;
— По агрегатному состоянию на твердые, жидкие ипастообразные
Наиболее распространеннымипаяльными флюсами являются бура
(Na2B4O7) и борнаякислота (H3BO3), хлористыйцинк (ZnCl2),фтористый
калий (KF)и другие галоидные соли щелочных металлов.
3. Способы пайки.
Способыпайки классифицируют в зависимости от используемых источников нагрева. Наиболеераспространены в промышленности пайка в печах, индукционная, сопротивлением,погружением, радиационная, горелками, экзофлюсовая, паяльниками,электронагревательными металлами и блоками.
Пайка в печах. Нагревают соединяемыезаготовки в специальных печах: электросопротивления, с индукционным нагревом,газопламенных и газовых. Припой заранее закладывают в шов собранного изделия,на место пайки наносят флюс и затем помещают в печь, где это изделие нагреваютдо температуры пайки. Припой расплавляется и заполняет зазоры междусоединяемыми заготовками. Процесс пайки продолжается несколько часов.
Этот способобеспечивает равномерный нагрев соединяемых деталей без заметной их деформации.
Крупныедетали паяют в камерных печах с неподвижным подом; большую партию мелкихдеталей – в печах с сетчатым конвейером или роликовым подом. Пайка в печахпозволяет механизировать паяльные работы и обеспечивает стабильное качествоизделий и высокую производительность труда.
Индукционная пайка. Паяемый участокнагревают в катушке-индукторе. Через индуктор пропускают т. в. ч., в результатечего место пайки нагревается до необходимой температуры. Для предохранения отокисления изделие нагревают в вакууме или в защитной среде с применениемфлюсов. Индуктор выполнен в виде петли или спирали из красной меди. Формы иразмеры индуктора зависят от конструкции паяемого изделия. Различают дверазновидности пайки с индукционным нагревом: стационарную и с относительнымперемещением индуктора или детали.
Пайка сопротивлением. Соединяемые заготовки нагревают теплотой,выделяющейся при прохождении электрического тока через паяемые детали итокопроводящие элементы. Соединяемые детали являются частью электрической цепи.Нагрев сопротивлением можно осуществлять на контактных сварочных машинах. Снагревом в контактных сварочных машинах паяют при изготовлении тонкостенныхизделий из листового материала или при соединении тонкостенных элементов столстостенными.
Пайка погружением. Эту пайку выполняют в ваннах с расплавленнымисолями или припоями. Соляная смесь обычно состоит из 55% KCl и 45% HCl. Температура ванны 700-800оС.На паяемую поверхность, предварительно очищенную от грязи и жира, наносят флюс,между кромками или около места соединения размещают припой, затем детали скрепляюти погружают в ванну. Соляная ванна предохраняет место пайки от окисления. Передпогружением в ванну с расплавленным припоем, покрытые флюсом детали нагреваютдо 550оС. Поверхности, не подлежащие пайке, предохраняют от контактас припоем специальной обмазкой из графита с добавками небольшого количестваизвести. Пайку погружением в расплавленный припой используют для стальных,медных и алюминиевых твердых сплавов, деталей сложных геометрических форм. Наэтот процесс расходуется большое количество припоев. Разновидностью пайкипогружением является пайка бегущей волной припоя, когда расплавленный припойподается насосом и образует волну над уровнем расплава. Паяемая детальперемещается в горизонтальном направлении. В момент касания ванны проходитпайка. Бегущей волной паяют в радиоэлектронной промышленности при производствепечатного радиомонтажа.
Пайка с радиационным нагревом. Пайку выполняют за слет излучениякварцевых ламп, расфокусированного электронного луча или мощного световогопотока от квантового генератора (лазера).
Конструкцию, подлежащую пайке,помещают в специальный контейнер, в котором создают вакуум. Послевакуумирования контейнер заполняют аргоном и помещают в приспособление, с двухего сторон устанавливают для обогрева кварцевые лампы. После окончания нагревакварцевые лампы отводят, а приспособление вместе с деталями охлаждают. Приприменении лазерного нагрева сосредоточенная в узком пучке тепловая энергияобеспечивает испарение и распыление окисной пленки с поверхности основногометалла и припоя, что позволяет получать спаи в атмосфере воздуха безприменения искусственных газовых сред. При радиационном способе пайки лучистаяэнергия превращается в тепловую непосредственно в материале припоя и паяемыхдеталей. Этот способ пайки непродолжителен.
Экзофлюсовая пайка. В основном этим способом паяюткоррозионно-стойкие стали. На очищенное место соединения наносят тонкийпорошкообразный слой флюса. Соединяемые поверхности совмещают, напротивоположные стороны заготовок укладывают экзотермическую смесь. Смесьсостоит из разных компонентов, которые укладывают в форме пасты или брикетовтолщиной в несколько миллиметров. Собранную конструкцию устанавливают в приспособлениии помещают в специальную печь, в которой происходит зажигание экзотермическойсмеси при 500oC.
В результате экзотермическихреакций смеси температура на поверхности металла повышается и происходитрасплавление припоя. Этим методом паяют соединения внахлестку и готовые блокиконструкций небольших размеров.
Газопламенная пайка. Паяемые заготовки нагревают и расплавляютприпой газосварочными и плазменными горелками. Газовые горелки обладаютнаибольшей универсальностью. В качестве горючих газов используют ацетилен,природные газы, водород, пары керосина и т.п.
При использовании газового пламениприпой можно заранее помещать у места пайки или вводить в процессе пайкивручную. На место пайки предварительно наносят флюс в виде жидкой пасты,разведенной водой или спиртом; конецпрутка или припоя также покрывают флюсом.
Нагревают также паяльными лампами,которые по существу являются газовыми горелками, работающими на жидком топливе.Паяльные лампы используют для работы в полевых условиях или в ремонтныхмастерских.
Плазменной горелкой,обеспечивающей более высокую температуру нагрева, паяют тугоплавкие металлы –вольфрам, тантал, молибден, ниобий и т.п.
Пайка паяльниками. Основной металл нагревают и припой расплавляютза счет теплоты, аккумулированной в массе металла паяльника, который передпайкой или в процессе ее подогревают. Для низкотемпературной пайки применяютпаяльники с периодическим нагревом, с непрерывным нагревом, ультразвуковые иабразивные. Рабочую часть паяльника выполняют из красной меди. Паяльник спериодическим нагревом в процессе работы периодически подогревают отпостороннего источника теплоты. Паяльники с постоянным нагревом делаютэлектрическими. Нагревательный элемент состоит из нихромовой проволоки,намотанной на слой асбеста, слюды или на керамическую втулку, устанавливаемуюна медный стержень паяльника. Паяльники с периодическим и непрерывным нагревомчаще используют для флюсовой пайки черных и цветных металлов мягкими припоями стемпературой плавления ниже 300-350оС.
Ультразвуковые паяльники применяют для бесфлюсовойнизкотемпературной пайки на воздухе и для пайки алюминия легкоплавкимиприпоями. Окисные пленки разрушаются за счет колебаний ультразвуковой частоты.
Абразивные паяльники. Такими паяльниками можно паятьалюминиевые сплавы без флюса. Окисная пленка удаляется в результате тренияпаяльника об обрабатываемую поверхность. Абразивный паяльник в отличие отэлектропаяльника имеет рабочий стержень, изготовленный прессованием из порошкаприпоя и измельченного асбеста.
4. Типы паяных соединений.
Основными типами паяныхсоединений являются стыковые и внахлестку. Остальные разновидности соединенийявляются комбинациями перечисленных. Например, плоские элементы могут бытьсоединены внахлестку (рис. 3, а), ступенчатым (рис. 3, б), гребенчатым (рис.3, в), косостыковым (рис 3, г), стыковым (рис.3, д) и тавровым (рис. 3, е)соединениями.
Стыковое соединение применяют втех случаях, когда изделие работает не в жестких условиях и от него нетребуется герметичности; соединение внахлестку – во всех остальных случаях,причем чем больше площадь перекрытия паяемых заготовок, тем выше будет прочностьпаяного шва.
Криволинейные поверхностисоединяют между собой и с плоскими поверхностями в сотовых конструкциях, впанелях с гофрированными проставками и т.п. Эти соединения используют всамолетостроении и для изготовления теплообменников.
К паянным соединениям взависимости от назначения изделия, кроме общих требований, могут бытьпредъявлены и специальные по герметичности, электропроводности, коррозионнойстойкости и т.п. Сборные части изделий перед пайкой должны быть прочносое6динены между собой для предотвращения перекосов и относительных смещений.Способы соединения подбирают экспериментальным путем в зависимости отконструкции изделия.
5. Подготовка деталей к пайке.
1. Механическаяобработка (подгонка деталей друг к другу и создание шероховатости с помощьюшкурки)
2. Обезжириваниеповерхностей, подготавливаемых для пайки (едким натром (5-10 г/л), углекислымнатрием (15-30г/л), тирнатрийфосфатом (30-60 г/л), эмульгатор ОП-7 (0,5 г/л)).Детали в растворе выдерживают при температуре 50-600С в течение15-20 минут. После обработки щелочью детали последовательно промывают горячей и холодной водой, а затем сушат.
Используемая литература.
1. Дальский А. М.,Арутюнова И. А., Барсукова Т. М. Технология конструкционных материалов.Учебник для технических вузов. М., «Машиностроение», 1977.
2. Технический портал радиолюбителей Россииwww.cqham.ru