Пайка

Пайка

Содержание

1. Физическая сущность пайки

Капиллярная пайка

Диффузионная пайка

Контактно-реактивная пайка

Реактивно-флюсовая пайка

Пайка-сварка

2. Материалы для пайки

Припой

Паяльные флюсы

3. Способы пайки

Пайка в печах

Индукционная пайка

Пайка сопротивлением

Пайка погружением

Пайка с радиационным нагревом

Экзофлюсовая пайка

Газопламенная пайка

Пайка паяльниками

4. Типы паяных соединений

5. Подготовка деталей к пайке

Используемая литература

1. Физическая сущность процесса пайки.

Пайкой называется технологический процесс соединения металлических за-

готовок без их расплавления посредством введения между ними расплавленного

промежуточного металла-припоя. Припой имеет температуру плавления более

низкую, чем температура соединяемых металлов, и заполняет зазор между

соединяемыми поверхностями за счет действия капиллярных сил. При охлаждении

припой кристаллизуется и образует прочную связь между заготовками. В

процессе пайки наряду с нагревом необходимо удаление окисных пленок с

поверхности паяемых металлов.

Образование соединения без расплавления кромок обеспечивает

возможность распая, т. е. разъединения паяемых заготовок без нарушения

исходных размеров и формы элементов конструкции.

Качество паяного шва во многом зависит от прочности связи припоя с

металлом основы. В результате смачивания твердой металлической поверхности

между припоем и основным металлом возникает межатомная связь. Эта связь

может образоваться при растворении металла основы в расплавленом припое с

образованием жидкого раствора, распадающегося при последующей

кристаллизации; за счет диффузии составляющих припой элементов в основной

твердый металл с образованием твердого раствора; за счет реактивной

диффузии между припоем и основным металлом с образованием на границе

интерметаллических соединений; за счет бездиффузионной связи в результате

межатомного взоимодействия.

Получение паяного соединения состоит из нескольких этапов:

А) Предварительная подготовка паяемых соединений;

Б) Нагрев соединяемых деталей до температуры 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 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;

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. На рис.1

показана схема образования шва. 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.

[pic]

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. На рис.2 показана схема

контактно-реактивной пайки.

[pic]

Реактивно-флюсовая пайка. Припой образуется за счет реакции вытеснения

между основным металлом и флюсом. Например, при пайке алюминия с флюсом

3ZnCl2 + 2Al = 2AlCl3 + Zn 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. Материалы для 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 пая-

емых 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

(tпл500оС), 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 алюминевой

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 (t4500C);

- 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.

3. 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.

Крупные детали паяют в камерных печах с неподвижным подом; большую

партию мелких деталей – в печах с сетчатым конвейером или роликовым подом.

Пайка в печах позволяет механизировать паяльные работы и обеспечивает

стабильное качество изделий и высокую производительность труда.

Индукционная пайка. Паяемый участок нагревают в катушке-индукторе.

Через индуктор пропускают т. в. ч., в результате чего место пайки

нагревается до необходимой температуры. Для предохранения от окисления

изделие нагревают в вакууме или в защитной среде с применением флюсов.

Индуктор выполнен в виде петли или спирали из красной меди. Формы и размеры

индуктора зависят от конструкции паяемого изделия. Различают две

разновидности пайки с индукционным нагревом: стационарную и с относительным

перемещением индуктора или детали.

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 700-800оС. 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 550оС.

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).

Конструкцию, подлежащую пайке, помещают в специальный контейнер, в

котором создают вакуум. После вакуумирования контейнер заполняют аргоном и

помещают в приспособление, с двух его сторон устанавливают для обогрева

кварцевые лампы. После окончания нагрева кварцевые лампы отводят, а

приспособление вместе с деталями охлаждают. При применении лазерного

нагрева сосредоточенная в узком пучке тепловая энергия обеспечивает

испарение и распыление окисной пленки с поверхности основного металла и

припоя, что позволяет получать спаи в атмосфере воздуха без применения

искусственных газовых сред. При радиационном способе пайки лучистая энергия

превращается в тепловую непосредственно в материале припоя и паяемых

деталей. Этот способ пайки непродолжителен.

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 500oC.

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

предварительно наносят флюс в виде жидкой пасты, разведенной водой или

спиртом; конец прутка 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 ремонтных мастерских.

Плазменной горелкой, обеспечивающей более высокую температуру нагрева,

паяют тугоплавкие металлы – вольфрам, тантал, молибден, ниобий и т.п.

Пайка паяльниками. Основной металл нагревают и припой расплавляют за

счет теплоты, аккумулированной в массе металла паяльника, который перед

пайкой или в процессе ее подогревают. Для низкотемпературной пайки

применяют паяльники с периодическим нагревом, с непрерывным нагревом,

ультразвуковые и абразивные. Рабочую часть паяльника выполняют из красной

меди. Паяльник с периодическим нагревом в процессе работы периодически

подогревают от постороннего источника теплоты. Паяльники с постоянным

нагревом делают электрическими. Нагревательный элемент состоит из

нихромовой проволоки, намотанной на слой асбеста, слюды или на керамическую

втулку, устанавливаемую на медный стержень паяльника. Паяльники с

периодическим и непрерывным нагревом чаще используют для флюсовой пайки

черных и цветных металлов мягкими припоями с температурой плавления ниже

300-350оС.

Ультразвуковые паяльники применяют для бесфлюсовой низкотемпературной

пайки на воздухе и для пайки алюминия легкоплавкими припоями. Окисные

пленки разрушаются за счет колебаний ультразвуковой частоты.

Абразивные паяльники. Такими паяльниками можно паять алюминиевые

сплавы без флюса. Окисная пленка удаляется в результате трения паяльника об

обрабатываемую поверхность. Абразивный паяльник в отличие от

электропаяльника имеет рабочий стержень, изготовленный прессованием из

порошка припоя и измельченного асбеста.

4. Типы паяных соединений.

Основными типами паяных соединений являются стыковые и внахлестку.

Остальные разновидности соединений являются комбинациями перечисленных.

Например, плоские элементы могут быть соединены 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.

[pic]

Стыковое соединение применяют в тех случаях, когда изделие работает не

в жестких условиях и от него не требуется герметичности; соединение

внахлестку – во всех остальных случаях, причем чем больше площадь

перекрытия паяемых заготовок, тем выше будет прочность паяного шва.

Криволинейные поверхности соединяют между собой и с плоскими

поверхностями в сотовых конструкциях, в панелях с гофрированными

проставками и т.п. Эти соединения используют в самолетостроении и для

изготовления теплообменников.

К паянным соединениям в зависимости от назначения изделия, кроме общих

требований, могут быть предъявлены и специальные по герметичности,

электропроводности, коррозионной стойкости и т.п. Сборные части изделий

перед пайкой должны быть прочно сое6динены между собой для предотвращения

перекосов и относительных смещений. Способы соединения подбирают

экспериментальным путем в зависимости от конструкции изделия.

5. Подготовка деталей к пайке.

1. Механическая обработка (подгонка деталей друг к другу и

создание шероховатости с помощью шкурки)

2. Обезжиривание поверхностей, подготавливаемых для пайки (едким

натром (5-10 г/л), углекислым натрием (15-30г/л),

тирнатрийфосфатом (30-60 г/л), эмульгатор ОП-7 (0,5 г/л)). Детали

в растворе выдерживают при температуре 50-600С в течение 15-20

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 России www.cqham.ru

-----------------------

2

3

3

3

4

4

4

4

4

5

5

5

5

6

6

6

6

7

7

8

9