Физические основы получения неразъемных соединений

     Получение паяного соединения состоит из нескольких этапов: предварительная подготовка паяемых соединений; нагрев соединяемых  деталей до температуры ниже температуры плавления паяемых деталей; удаление окисной плёнки с поверхностей паяемых металлов с помощью флюса;  введение в зазор между паяемыми деталями жидкой полоски припоя; взаимодействие между паяемыми деталями и припоем;  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 в определенном интервале температур).

      Разница между температурами  начала плавления и полного  расплавления

называется  интервалом кристаллизации. При осуществлении  процесса пайки

необходимо  выполнение температурного условия:

                              t1 > t2 > t3 > t4,

где t1 –  температура начала плавления материала  детали;

t2 –  температура нагрева детали при пайке;

t3 –  температура плавления припоя;

t4 –  рабочая температура паянного  соединения; 

    2.2 Виды соединений пайкой

      По особенностям процесса и  технологии пайку можно разделить  на

капиллярную, диффузионную, контактно-реактивную, реактивно-флюсовую и пайку-сварку.

      Капиллярная пайка. Припой заполняет  зазор между соединяемыми

поверхностями и удерживается в нем за счет капиллярных сил. Соединение образуется за счет растворения основы в жидком припое и последующей кристаллизации раствора. Капиллярную пайку используют в тех случаях, когда применяют соединение внахлестку. Однако капиллярное явление присуще всем видам пайки.

      Диффузионная пайка. Соединение  образуется за счет взаимной  диффузии

компонентов припоя и паяемых материалов, причем возможно образование в шве твердого раствора или тугоплавких интерметаллов. Для диффузионной пайки необходима продолжительная выдержка при температуре образования паяного шва и после завершения процесса при температуре ниже солидуса припоя.

      Контактно-реактивная пайка. При пайке между соединяемыми металлами или соединяемыми металлами и прослойкой другого металла в результате

контактного плавления образуется сплав, который  заполняет зазор и при

кристаллизации  образует паяное соединение.

      Реактивно-флюсовая пайка. Припой образуется за счет реакции вытеснения между основным металлом и флюсом. Например, при пайке алюминия с флюсом 3ZnCl2 + 2Al  =  2AlCl3 + 3Zn восстановленный цинк является припоем.

      Пайка-сварка. Паяное соединение  образуется так же, как при сварке плавлением, но в качестве присадочного металла применяют припой.

      Наибольшее применение получила  капиллярная пайка и пайка-сварка. Диффузионная пайка и контактно-реактивная более трудоемки, но обеспечивают высокое качество соединения и применяются, когда в процессе пайки необходимо обеспечить минимальные зазоры. Качество паяных соединений (прочность, герметичность, надежность и т. д.) зависит от правильного выбора  основного металла, припоя, флюса, способа нагрева, величины зазоров, типа соединения. 

   2.3 Виды припоев и флюсов используемых в процессе пайки

      Припой. Припои для пайки, заполняющие зазор в расплавленном состоянии между соединяемыми заготовками, должны отвечать следующим требованиям:

1) температура  их плавления должна быть ниже температуры плавления паяемых материалов;

2) они  должны хорошо смачивать паяемый  материал и легко растекаться  по

его поверхности;

3) должны  быть достаточно прочными и  герметичными;

4) коэффициенты  термического расширения припоя  и паяемого материала не

должны  резко различаться;

5) иметь  высокую электропроводность при  паянии  радиоэлектронных и

токопроводящих  изделий.

      Припои классифицируют по следующим  признакам:

           А) Химическому составу;

           Б) Температуре плавления;

           В) Технологическим свойствам;

      По химическому составу припои  делятся на свинцово-оловянные, серебряные, медно-фосфорные, цинковые, титановые и др.

      Все припои по температуре  плавления подразделяют на низкотемпературные (tпл<500оС), или мягкие припои, и высокотемпературные (tпл>500оС), или твердые припои. Припои изготовляют 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 твердым припоям относятся  медные, медно-свинцовые, медно-никелевые, с благородными металлами (серебром, золотом, платиной).

      По техническим свойствам делятся на самофлюсующиеся (частично удаляют окислы с поверхности металла) и композиционные (состоят из тугоплавких и легкоплавких порошков, позволяющих  производить пайку с большими зазорами между деталями).

      Изделия из алюминия и его  сплавов паяют с припоями на алюминиевой

основе  с кремнием, медью, оловом и другими  металлами.

      Магний и его сплавы паяют  с припоями на основе магния  с добавками

алюминия, меди, марганца и цинка.

      Изделия из коррозионно-стойких  сталей 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 поверхности паяемого металла, а также для снижения поверхностного натяжения и улучшения растекания и смачиваемости жидкого припоя.

      Флюс (кроме реактивно-флюсовой пайки)  не должен химически

взаимодействовать с припоем. Температура плавления  флюса должна быть ниже температуры плавления припоя. Флюс в расплавленном и газообразном

состояниях  должен способствовать смачиванию поверхности основного металла расплавленным припоем. Флюсы могут быть твердые, пастообразные, жидкие и газообразные.

      Флюсы классифицируют по признакам:

- температурному интервалу пайки на низкотемпературные (t<4500C) и

высокотемпературные (t>4500C);

- природе растворителя на водные и неводные;

- природе активатора на канифольные, галогенидные, фтороборатные,

анилиновые,    кислотные и т.д.;

- по агрегатному состоянию на твердые, жидкие и пастообразные.

      Наиболее распространенными паяльными флюсами являются бура

(Na2B4O7) и  борная кислота (H3BO3), хлористый  цинк (ZnCl2), фтористый

калий (KF) и другие галоидные соли щелочных металлов. 

    2.4 Способы пайки

      Способы пайки классифицируют  в зависимости от используемых источников нагрева. Наиболее распространены в промышленности пайка в печах, индукционная, сопротивлением, погружением, радиационная, горелками, экзофлюсовая, паяльниками, электронагревательными металлами и блоками.

      Пайка в печах. Нагревают соединяемые заготовки 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 нагревают до температуры пайки. Припой расплавляется и заполняет зазоры между соединяемыми заготовками. Процесс пайки продолжается несколько часов.

      Этот способ обеспечивает равномерный  нагрев соединяемых деталей без

заметной  их деформации.

      Пайка сопротивлением. Соединяемые  заготовки нагревают теплотой,

выделяющейся  при прохождении электрического тока через паяемые детали и токопроводящие элементы. Соединяемые детали являются частью электрической цепи. Нагрев сопротивлением можно осуществлять на контактных сварочных машинах. С нагревом в контактных сварочных машинах паяют при изготовлении тонкостенных изделий из листового материала или при соединении тонкостенных элементов с толстостенными.

      Пайка погружением. Эту пайку выполняют в ваннах с расплавленными

солями  или припоями. Соляная смесь обычно состоит из 55% KCl и 45% HCl.

Температура ванны 700-800°С. На паяемую поверхность, предварительно

очищенную от грязи и жира, наносят флюс, между кромками или около места

соединения  размещают припой, затем детали скрепляют  и погружают в ванну. Соляная ванна предохраняет место пайки от окисления. Перед погружением в ванну с расплавленным припоем, покрытые флюсом детали нагревают до 550°С. Поверхности, не подлежащие пайке, предохраняют от контакта с припоем специальной обмазкой из графита с добавками небольшого количества извести. Пайку погружением в расплавленный припой используют для стальных, медных и алюминиевых твердых сплавов, деталей сложных геометрических форм. На этот процесс расходуется большое количество припоев. Разновидностью пайки погружением является пайка бегущей волной припоя, когда расплавленный припой подается насосом и образует волну над уровнем расплава. Паяемая деталь перемещается в горизонтальном направлении. В момент касания ванны проходит пайка. Бегущей волной паяют в радиоэлектронной промышленности при производстве печатного радиомонтажа.

      Пайка с радиационным нагревом. Пайку выполняют за слет излучения

кварцевых ламп, расфокусированного электронного луча или мощного светового потока от квантового генератора (лазера).

      Экзофлюсовая пайка. В основном  этим способом паяют коррозионно-стойкие стали. На очищенное место соединения наносят тонкий порошкообразный слой флюса. Соединяемые поверхности совмещают, на противоположные стороны заготовок укладывают экзотермическую смесь. Смесь состоит из разных компонентов, которые укладывают в форме пасты или брикетов толщиной в несколько миллиметров. Собранную конструкцию устанавливают в приспособлении и помещают в специальную печь, в которой происходит зажигание экзотермической смеси при 500°C.

      В результате экзотермических  реакций смеси температура на  поверхности металла повышается и происходит расплавление припоя. Этим методом паяют соединения внахлестку и готовые блоки конструкций небольших размеров.

      Газопламенная пайка. Паяемые  заготовки нагревают и расплавляют  припой газосварочными и плазменными горелками. Газовые горелки обладают наибольшей универсальностью. В качестве горючих газов используют ацетилен, природные газы, водород, пары керосина и т.п.

      При использовании газового пламени  припой можно заранее помещать  у

места пайки или вводить в процессе пайки вручную. На место пайки