По способности к флюсованию: флюсуемые, самофлюсуемые

Помимо этого, припои делятся по основному компоненту.

В 60-е и последующие годы получили развитие неоднородные, частично расплавляемые припои, состоящие из легкоплавкой части припоя и твердого наполнителя, не плавящегося автономно при температуре пайки. Такие припои в соответствии с современной классификацией металлических материалов называют композиционными.

Наполнитель композиционных припоев чаще всего представляет собой порошок, перемешанный с порошком легкоплавкой части припоя. При пайке таким припоем сцепление частиц наполнителя в шве и шва с паяемым металлом возникает в результате взаимодействия последнего с жидкой частью припоя и ее кристаллизации, а также в результате спекания наполнителя между собой и с паяемым металлом. Ранее композиционный припой такого типа был условно назван металлокерамическим, а пайка металлокерамической, так как при ней имеют место процессы спекания, аналогичные процессам в порошковой металлургии.

В композиционных припоях другого вида наполнитель может состоять из проволоки, сетки, стержней, волокон. При этом легкоплавкая часть припоев может быть скомпонована с наполнителем путем равномерного их перемешивания, прессования, штамповки, спекания или иметь вид порошка из частиц наполнителя, предварительно смоченных легкоплавкой составляющей припоя (армированные припои).

Припои, образующиеся при пайке. К этой группе относятся контактно-реактивные припои, получающиеся при контактно-реактивном плавлении паяемого материала с контактными прокладками или покрытиями или последних между собой; контактные твердогазовые припои, образующиеся в результате плавления паяемого металла, контактных прокладок или покрытий в парах металлов или неметаллов, находящихся в атмосфере печи; реактивно-флюсовые, образующиеся в результате вытеснения металлов из компонентов реактивных флюсов.

Контактно-реактивные припои получают между паяемыми разнородными металлами или между паяемым металлом, прокладками, покрытиями, если они или их основы образуют эвтектики либо непрерывный ряд твердых растворов с минимальной температурой плавления ниже температуры пайки (слоистые припои). Контактно-реактивное плавление металлов происходит через несплошности в их оксидных пленках и развивается только при достаточном содержании в эвтектике или твердом растворе каждого из контактирующих металлов.

Для слоистого контактно-реактивного припоя в виде фольги существенное значение имеет соотношение объемов контактирующих слоев, которое должно быть таким же, как в эвтектике (или в твердом растворе с минимальной температурой плавления), а расположение прослоек должно обеспечивать контакт реагирующих материалов. Если один из контактирующих элементов имеет повышенную упругость испарения, то его лучше помещать между прослойками других металлов, имеющих относительно меньшую упругость испарения в условиях пайки.

Использование хрупких припоев системы Ni-Сr-В в виде пластичной нихрoмовой фольги, насыщенной с поверхности бором, также обеспечивает достаточно высокую пластичность припоя при сборке.

Контактные твердогазовые припои получают в результате плавления соединяемых металлов, металлических прокладок, покрытий, компактных кусков, отличающихся по составу от паяемого материала и взаимодействующих с парами элементов, с которыми они образуют эвтектики или твердые растворы с минимальной температурой плавления (ниже температуры пайки).

Реактивно-флюсовые припои образуются в результате восстановления металлов из компонентов флюсов или диссоциации одного из них. Возможность восстановления металлов из флюсов определяется термодинамическими условиями предпочтительного протекания реакций, в результате которых свободная энергия системы изменяется на возможно большую величину.

Классификация припоев по величине температурного интервала их плавления. Способность припоев к растеканию и затеканию в зазор улучшается с уменьшением их температурного интервала плавления. При пайке припоями с широким температурным интервалом плавления предварительная укладка их у зазора не всегда допустима из-за опасности втягивания легкоплавкой части припоя в зазор. При этом более тугоплавкая часть припоя образует у зазора «королек», не расплавляющийся при пайке. Вследствие этого свойства паяных соединений могут существенно отличаться от ожидаемых, а образование королька у зазора может приводить к ухудшению товарного вида и удорожать обработку после пайки. Припои с узким температурным интервалом плавления плохо удерживаются в сравнительно широких капиллярных зазорах, но лучше затекают в узкие зазоры. При пайке изделий с большой площадью спая или вертикальными зазорами с предварительной укладкой в них припоя лучше использовать припои с широким температурным интервалом плавления, а при некапиллярных зазорах - композиционные.

Классификация припоев по основному компоненту. К числу металлических припоев, содержащих более 50 % одного из компонентов, относятся припои оловянные, кадмиевые, цинковые, магниевые, алюминиевые, медные, кобальтовые, никелевые, марганцевые, золотые, палладиевые, платиновые, титановые, железные, циркониевые, ниобиевые, молибденовые, ванадиевые и др. При близком содержании некоторых компонентов припои называют по этим основным компонентам, например, оловянно-свинцовые, медно-никелево-марганцевые и др. При содержании одного или нескольких легирующих компонентов, являющихся редкими или драгоценными металлами, припой иногда называют по этим компонентам, например, серебряный, золотой и др., хотя содержание их в припое может составлять несколько процентов.

Классификация припоев по способности к самофлюсованию. Существуют припои, которые могут выполнять также функции флюсов. Припои, обладающие свойствами самофлюсования, должны содержать легирующие элементы-раскислители с сильным химическим сродством к кислороду. Эти элементы должны способствовать растекаемости и смачиваемости припоем паяемого металла. Продукты раскисления, образующиеся при взаимодействии такого припоя с паяемым металлом, должны легко удаляться из шва, в частности, для этого температура плавления их должна быть ниже температуры пайки. К элементам-раскислителям относятся литий, калий, натрий, фосфор, цезий, бор и др.

Припои, легированные этими элементами и способные к самофлюсованию в инертной газовой среде или на воздухе, называют самофлюсующими в отличие от остальных припоев, при пайке которыми необходимы флюсы, вакуум или активные газовые среды.

Классификация припоев по способу изготовления и виду полуфабриката. Многообразие паяных конструкций и способов пайки, конструкционных металлов и припоев с различными свойствами и необходимость их совместимости в производстве стимулировали развитие различных способов изготовления полуфабрикатов припоев. Старые традиционные припои в виде чушек (для пайки погружением в расплавленный припой), в виде зерен и литых прутков при многих способах пайки и типах конструкций современных изделий оказались не всегда удобными. Перед пайкой для предварительной укладки у зазора или в зазор необходимы припои в виде листов, лент, фольги, проволоки. Однако вследствие низкой пластичности многих припоев получение их в таком виде способами обработки давлением (прокатки, протяжки) невозможно. Если компоненты таких припоев способны к образованию эвтектики, то из них изготовляют путем прокатки многослойную фольгу, а путем протяжки многослойную проволоку из пластичных составляющих припоя.

Припои в виде многослойных листов нашли применение в электронике и радиотехнике. В процессе изготовления таких листов припоев, хрупких в литом состоянии, целесообразно менее пластичные составляющие помещать между более пластичными составляющими припоя, чтобы при прокатке края наружных листов сваривались, образуя герметичный пакет, предотвращающий выдавливание наружу внутренней хрупкой составляющей; образующийся при прокатке между листами вакуум способствует прочному сращиванию слоев припоя.

Припои могут быть использованы в виде порошков. Применение порошков припоев позволяет снизить трудоемкость и стоимость их изготовления. Для многих порошковых припоев после их изготовления необходима активация поверхности частиц путем нагрева в атмосфере водорода или в вакууме ниже температуры их солидуса. Порошки припоев получают следующими способами: механическим измельчением (в том числе в шаровых мельницах с чугунными шарами); в вибрационных и вихревых мельницах; путем распыления (раздува) жидкого припоя в струе пара, воды или газа и т. п. Порошки припоев, полученные распылением в среде инертного газа, например аргона, имеют сферическую форму, не загрязняются нежелательными примесями и не имеют оксидных пленок на поверхности. Однако для конструкций многих типов применение припоев в виде порошков нетехнологично при сборке.

Для современного производства в связи с механизацией и автоматизацией процессов более удобны припои в виде паст, а также прессованных или формованных заготовок из смеси порошка припоя и связки. Пасты обычно представляют собой тонкие смеси (10--100 мкм) металлических компонентов в виде порошков и связующих нейтральных веществ (связок), испаряющихся при пайке. Для нанесения паст применяют пневматические дозирующие устройства, иногда с электрическими системами управления, в том числе реле времени, встроенным в автомат.

Применение паст облегчает внесение припоя при сборке, позволяет точно дозировать состав и количество припоя, количество флюса, а при хороших адгезионных свойствах пасты обеспечивать фиксацию деталей без сборочных приспособлений. Применение паст обеспечивает также полное улетучивание материала связки, исключает высыхание и изменение химического состава смеси при длительном хранении.

Из порошков изготовляют и прессованные заготовки. Обычно такие заготовки, имеющие внешнюю форму, подогнанную к контуру сопряженных паяемых поверхностей, укладывают предварительно в зазор между деталями. Для обеспечения высокой чистоты поверхности такие заготовки получают горячим прессованием, после чего на них наносят плотный слой пластмассового покрытия и упаковывают в защитные чехлы. Температурный интервал плавления таких припоев (по В. Вуиху) не должен превышать 85 °С во избежание ликвации припоя при медленном нагреве.

4.3 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 ч 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 (t_пл= 327 °С), свинцово-серебряные (2,5% серебра,t_пл= 304 °С) и др.

Легкоплавкие припои (t_пл= 60,5 ч 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 (t_пл= 197 ч 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.

4.4 Пайка твердыми припоями

При пайке твердыми припоями применяют припои с температурами плавления выше 400 °С: медные (t_пл= 1083 °С), медно-цинковые (t_пл, = 845 ч 900° С), меднофосфористые (t_пл= 700 ч 830 °С), серебряные (t_пл= 635 ч 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 (t_пл= 525 ч 580° С).[1]

4.5 Флюсы

К вспомогательным материалам при пайке относятся флюсы, газовые среды для нанесения стоп-материалов покрытий.

Согласно ГОСТ 19250-73 «Флюсы паяльные. Классификация», паяльные флюсы подразделяются по следующим признакам:

· по температурному интервалу активности:

· низкотемпературные (до 450 °C);

· высокотемпературные (свыше 450 °C);

· по природе растворителя:

· водные;

· неводные;

· по природе активатора определяющего действия:

· низкотемпературные:

· канифольные;

· кислотные;

· галогенидные;

· гидразиновые;

· фторборатные;

· анилиновые;

· стеариновые;

· высокотемпературные:

· галогенидные;

· боридно-углекислые;

· по механизму действия:

· защитные;

· химического действия;

· электрохимического действия;

· реактивные;

· поагрегатному состоянию:

· твёрдые;

· жидкие;

· пастообразные.

Флюсом называют неметаллическое вещество, предназначенное для удаления адсорбированного кислорода или оксидной пленки с поверхности паяемого металла и припоя и для предотвращения ее образования при пайке на воздухе, для изменения поверхностного натяжения жидкого припоя. Реактивные флюсы служат также источниками компонентов легкоплавкого припоя или покрытия при пайке.

Активность флюса, т.е. его способность флюсовать, зависит от его состава и температуры пайки. Поэтому важнейшей характеристикой паяльного флюса является его температурный интервал активности.

По мере нагрева состав флюса может изменяться, так как в нем могут развиваться процессы испарения, разложения и окисления его компонентов, химического взаимодействия их между собой.

На границе с паяемым металлом возможно взаимодействие флюса с оксидной пленкой и паяемым металлом или компонентами паяемого сплава, процессы восстановления тяжелых металлов из компонентов флюса. Интенсивность и полнота протекания таких процессов зависят от температуры и времени.

Активность жидкого флюса и его защитная функция реализуются только при покрытии им поверхности паяемого металла, так как смачивание жидким припоем, растекание и затекание его в капиллярный зазор при пайке происходит только по офлюсованной поверхности. Поэтому равномерное смачивание паяемого металла жидким флюсом является одним из важнейших условий обеспечения высокого качества паяного соединения.

4.6 Классификация флюсов

Флюсы классифицируют по следующим признакам: 1) температурному интервалу активности; 2) механизму действия на оксидную пленку; 3) агрегатному состоянию при поставке.

По температурному интервалу активности различают флюсы для низко- и высокотемпературной пайки. Температурный интервал активности у флюсов для низкотемпературной пайки находится не выше 450 °С, а для высокотемпературной пайки -- выше 450 °С.

По характеру воздействия на оксиды различают флюсы электрохимического, химического, растворно-химического и защитного действия. Флюсы защитного действия предохраняют паяемый металл или припой, очищенные перед пайкой, от оксидов, от повторного окисления в процессе хранения.

К флюсам электрохимического действия относятся гигроскопичные хлоридные флюсы для низкотемпературной пайки и хлоридно-фторидные флюсы для высокотемпературной пайки алюминия и его сплавов.

Как показали исследования, боридно-хлоридные флюсы, применяемые для пайки сталей и медных сплавов, относятся к флюсам растворно-химического действия. Вероятно, к этому же классу принадлежат: боратно-хлоридные и боратно-фторидные флюсы, используемые для пайки сталей и никелевых сплавов.

К флюсам для низкотемпературной пайки с выраженным электрохимическим действием относятся неорганические флюсы хлоридного типа, состоящие из слабодиссоциирующего растворителя и активатора. В качестве растворителя для них используют воду, спирты, а в качестве активатора -- соляную кислоту и хлориды тяжелых металлов. Другие кислоты, такие, как HNO3, H₂S0₄и др., не пригодны для этой цели.

Флюсы, восстанавливающие металл из оксидов по химической реакции, относятся к флюсам химического действия.

К флюсам преимущественно химического действия относятся органические флюсы для низкотемпературной пайки. Однако органические флюсы, активированные хлоридами, также приобретают электрохимическое действие.

Неорганические флюсы могут быть как низкотемпературными, так и высокотемпературными. Важнейшими характеристиками флюсов являются температурно-временная область их активности и временной интервал сохранения активности при температуре пайки материала конструкции.

Защита паяемого материала и жидкого припоя в месте пайки от непосредственного контакта их с кислородом воздуха, а также восстановление металлов из оксидов возможны также с помощью инертных газовых сред, активных газовых сред и вакуума.

Важнейшей характеристикой инертных газовых сред и вакуума при пайке металла с выбранным припоем является температурный интервал восстановимости в них оксидов, а активных газовых сред -- температурный интервал активности.

К вспомогательным материалам для пайки относятся также вещества -- стоп-материалы, используемые при подготовке поверхности конструкционного материала и наносимые на паяемый материал в местах, где нежелательно смачивание паяемого металла жидким припоем. Такие вещества подразделяют на стоп-пасты и покрытия, наносимые, например, гальваническим методом, путем распыления или пульверизацией.

Флюсы должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1. Температура плавления флюса и его удельный вес должны быть ниже температуры плавления и удельного веса припоя.

2. 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.

3. Флюс должен своевременно и полностью растворять окислы основного металла, причем флюс должен действовать при температуре на несколько градусов ниже температуры плавления припоя.

4. Флюс не должен образовывать соединений с основным металлом и припоем, а также поглощаться ими.

5. 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).

6. 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.[1]

Виды пайки:

· капиллярная (смачивание деталей и затекание припоя в зазор между ними происходит за счёт капиллярных сил):

· горизонтальная;

· вертикальная;

· диффузионная (пайка происходит при температуре выше точки плавления припоя за счёт взаимной диффузии припоя и основного металла):

· атомно-диффузионная;

· реакционно-диффузионная;

· контактно-реакционная или контактно-реактивная:

· с образованием эвтектики;

· с образованием твёрдого раствора;

· реакционно-флюсовая или реактивно-флюсовая (во время нагрева припой образуется за счёт реакции металла и флюса):

· без припоя;

· с припоем;

· пайка-сварка:

· без оплавления;

· с оплавлением.

Анализируя сущность физико-химических процессов, протекающих на границе основной металл -- расплав припоя (при формировании соединения в существующих видах пайки), можно видеть, что различия между капиллярной пайкой, диффузионной пайкой и пайкой-сваркой не носят принципиального характера. Капиллярность является общим признаком пайки. Отличительным признаком диффузионной пайки является длительная выдержка при температуре пайки и изотермическая кристаллизация металла шва в процессе пайки. Других характерных признаков этот метод не имеет, основное назначение его -- повысить температуру распая шва и прочность паяного соединения. Диффузионная пайка может быть развитием любого вида пайки, в том числе капиллярной, реакционно-флюсовой или контактно-реакционной. В последнем случае диффузионная пайка возможна, если второй металл взаимодействующей пары вводится в виде прослойки между соединяемыми металлами. При реакционно-флюсовой пайке происходит совмещение процессов вытеснения из флюса металла, служащего припоем, и его взаимодействия с основным металлом. Наконец, пайка-сварка отличается от других методов пайки количеством вводимого припоя и характером формирования шва, делающим этот метод пайки похожим на сварку плавлением. При соединении разнородных металлов при пайке-сварке возможно оплавление кромки одной из деталей, изготовленной из более легкоплавкого металла.[2]

Классификация способов пайки по формированию паяного шва:

· Пайка готовым припоем

· Контактно-реактивная пайка

· Реактивно-флюсовая пайка

· Композиционная пайка

· Диффузионная пайка

· Пайка под давлением

· Классификация видов пайки по способу нагрева:

· Пайка паяльником

· Пайка нагревательными штампами

· Пайка погружением

· Пайка с нагревом газовым теплоносителем

· Экзотермическая пайка

· Электролитная пайка

· Пайка электросопротивлением

· Конденсационная пайка

· Пайка световым лучом

· Пайка инфракрасными лучами

· Пайка электронным лучом

· Пайка лазером

· Газопламенная пайка

· Пайка в печах

· Индукционная пайка

· Дуговая пайка

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.

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 смеси с кислородом, при пайке мелких деталей в смеси с воздухом.

Пайку можно выполнять как горелками специального типа, дающими широкий факел, так и 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.

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.

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.

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.

Индукционная пайка (пайка токами высокой частоты)

При индукционной пайке детали нагреваются индуктируемыми в них вихревыми токами. Индукторы (рис. 1) 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.

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).

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 СО₂и 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.

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.

Пайка соединений металлов с неметаллическими материалами

Пайкой можно получить соединения металлов со стеклом, кварцем, фарфором, керамикой, графитом, полупроводниками и другими неметаллическими материалами.

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. 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.

На поверхность деталей из керамики, специальных сортов стекла, слюды и кварца, применяемых в электрорадиоприборах, обычно наносят металлический (серебряный) слой способом 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).[1]

Особенности технологии пайки

В настоящее время пайка наряду со сваркой является одним из наиболее распространенных способов получения неразъемных соединений в современном производстве. Важнейшее достоинство пайки -- формирование паяного шва при температуре ниже температуры автономного плавления соединяемых металлов. Это обстоятельство дает возможность вести процесс в условиях общего нагрева и позволяет:

· осуществлять групповую пайку и широкую ее механизацию и автоматизацию, что обеспечивает высокую производительность процесса в крупносерийном и массовом производстве;

· получать соединения в скрытых и малодоступных местах изделий, изготовлять тонкостенные изделия с большой плотностью паяных соединений и их объемным расположением за один нагрев, повышать коэффициент использования материала и снижать металлоемкость изделий;

· соединять детали не только последовательно по контуру шва, как при сварке плавлением, но и одновременно, в том числе по поверхности, что обусловливает возможность варьирования прочности паяных соединений и конструкции изделий;

· ограничиваться при пайке давлениями на порядок меньшими, чем при сварке давлением;

· соединять разнородные металлические и неметаллические материалы и с большей разностенностью деталей, чем при сварке плавлением;

· выбирать температуру процесса в зависимости от необходимости сохранения механических свойств материалов изделия после пайки, возможности совмещения нагрева под пайку с термообработкой и выполнения ступенчатой пайки;

· обеспечивать плавность галтельных участков шва, а следовательно, высокую прочность и надежность их в условиях вибрационных и знакопеременных нагружений;

· разъединять детали и сборочные единицы путем распайки при температуре ниже температуры автономного плавления паяемого материала и ремонтировать изделия в полевых условиях.

Особо важное значение имеют вопросы обеспечения равнопрочности паяных соединений. Как известно, препятствиями для достижения равнопрочности паяных соединений в ряде случаев являются более низкая прочность и пластичность большинства припоев по сравнению с паяемым металлом, литая структура в шве, высокое химическое сходство компонентов припоев с основой или компонентами паяемого материала, приводящее к росту прослоек химических соединений, развитие в паяном соединении диффузионной пористости, слабая активность газовых сред и флюсов при температуре пайки, нетехнологичность конструкции паяемых соединений и изделий, развитие остаточных паяльных напряжений в элементах и паяных соединениях и др. Однако потенциальные возможности повышения прочности паяных швов достаточно велики в связи с малым объемом литого металла в паяном соединении, развитием новых способов пайки и в первую очередь диффузионной пайки, достижениями в области интерметаллидного упрочнения сплавов в литом состоянии.

Появившиеся в последние годы возможности в области повышения пластичности и прочности припоев до значений, близких к теоретическим [при отсутствии в них ликвации и зерен в результате быстрого охлаждения (10⁶°С/с)], указывают на принципиальную возможность повышения прочности шва также путем регулирования скорости охлаждения.

4.7 Дефекты и их влияние на свойства паяных соединений

Способность паяных изделий сопротивляться воздействию внешнего силового и температурного полей, коррозионной среды и другим условиям эксплуатации определяется, в конечном счете, сопротивляемостью их наиболее «слабого звена». Таким слабым звеном паяных соединений чаще всего являются места расположения дефектов.

В соответствии с особенностями формирования паяного соединения различают следующие его зоны:

1) паяный шов -- зона, закристаллизовавшаяся при пайке и последующем охлаждении, состоящая из капиллярного и галтельных участков:

2) диффузионная зона основного материала рядом со швом, имеющая измененный химический состав и возникающая в результате взаимной диффузии ее со швом, газовыми средами:

3) зона сплавления (спая) -- поверхность между паяемым металлом и швом.

В шве паяного соединения могут образовываться дефекты в виде несплошностей. К ним относятся газовые и усадочные поры, раковины, трещины, эрозионные повреждения. Газовые поры возникают вследствие локальной несмачиваемости паяемого материала флюсом и (или) припоем, или кратковременности термического цикла пайки в условиях выделения растворенных в жидком припое газов или паров компонентов припоя, паяемого материала и связующих паст с высокой упругостью испарения компонентов.

Образованию газовых пор способствуют узкие зазоры и горизонтальность их расположения, препятствующие дрейфу пор вдоль зазора к галтельным участкам шва. Газовые поры существенно снижают радиотехнические свойства, электрическую проводимость и теплопроводность паяных соединений. Характерной особенностью таких пор является их округлость и изолированность.

Усадочные поры возникают вследствие объемной усадки при кристаллизация сплавов с широким интервалом твердожидкого состояния. Усадочные поры особенно резко развиваются в галтельных паяных швах или на стыках кристаллов твердого раствора в капиллярном участке швов. Они снижают механические свойства, герметичность, вакуумную плотность и электрическую проводимость паяных соединений. Характерной особенностью таких пор является их остроугольная форма.

Раковины -- крупные газовые включения, образующиеся при пайке вследствие локального несмачивания паяемого материала жидким припоем, особенно при значительном его перегреве, или при использовании паяемого металла или припоя с высокой упругостью испарения их компонентов, а также при неравномерном зазоре.

Корольки припоя, предварительно уложенного у зазора, возникают вследствие избирательного испарения депрессантов при пайке или затекания в зазор легкоплавкой части широкоинтервального припоя.

Флюсовые включения -- застревающий в металле шва флюс, имеющий близкую или более высокую плотность, чем припой, образуются в условиях быстрого охлаждения соединения, широкой нахлестки, горизонтальности паяльного зазора, повышенной вязкости жидкого припоя. Флюсовые включения могут снижать коррозионную стойкость паяных соединений после механической обработки шва и вскрытия пор, заполненных флюсом, или при расположении таких включений в открытых непропаях -- свищах.

Кристаллизационные трещины возникают вследствие широкого интервала твердожидкого состояния сплава шва в условиях его затрудненной усадки или при смещении деталей в процессе кристаллизации, а также при большом различии коэффициентов линейного расширения паяемых материалов в разнородных соединениях с замкнутыми, например телескопическими, соединениями. Кристаллизационные трещины существенно снижают прочность, пластичность, герметичность, вакуумную плотность, физические и химические свойства паяных соединений.

В паяных соединениях во всех его зонах могут возникать такие несплошности, как диффузионная пористость, являющаяся результатом нескомпенсированной диффузии компонентов паяемого металла и припоя через границу паяного соединения. Развитию диффузионной пористости особенно интенсивно способствуют прослойки химических соединений вблизи спая. Такая пористость резко снижает прочность, вакуумную плотность и другие свойства паяных соединений.

Термические трещины возникают в шве или паяемом материале из-за высокой скорости нарастания растягивающих напряжений в паяном соединении, достигающих временного сопротивления разрыву материала в одной из зон паяного соединения. Такие трещины резко снижают свойства паяных соединений.

Причиной ослабления паяных соединений может быть дефектная структура -- прослойки химических соединений по границе шва и основного материала, участки слаболегированного твердого раствора в области совместной кристаллизации (эпитаксии) паяного шва с паяемым материалом, участки паяного соединения, обедненные легкоиспаряющимися компонентами. В зоне термического влияния пайки могут развиваться структурные изменения, приводящие к снижению механических, физических и химических свойств паяных соединений, например, их пластичности или коррозионной стойкости. В основном материале рядом со швом могут развиваться дефекты структуры, обусловленные появлением общей или локальной химической эрозии, межзеренной и межблочной химической эрозии.

Общая химическая эрозия возникает в результате фронтального плавления и растворения паяемого металла в жидком припое. Она приводит к утонению паяемого материала.

Локальная химическая эрозия образуется в результате повышенной растворимости паяемого металла в жидком припое в местах скопления жидкого припоя при пайке или в местах пластической деформации материала конструкции. Такая эрозия локально уменьшает рабочее сечение паяемого материала и поэтому искажает форму деталей и снижает механические свойства паяных соединений.

Межзеренная и межблочная химическая эрозия образуется в результате плавления паяемого материала в контакте с жидким припоем по границам зерен и блоков вследствие повышенной растворимости паяемого металла в припое и незначительной растворимости припоя в паяемом металле. Такая химическая эрозия снижает механические свойства паяемого материала вследствие ослабления границ зерен и блоков после проникания по ним припоя.

Вопрос о допустимости дефектов, выявленных при испытаниях паяных соединений или визуальном осмотре, может быть решен с помощью эталонов на такие дефекты, но с обязательным учетом мест их расположения в паяном соединении, особенностей конструкции изделия и условий его эксплуатации. Расположение дефектов существенно влияет на вибрационную прочность сопротивления усталости соединений и их коррозионную стойкость. При вибрационных нагрузках поверхностные дефекты более опасны, чем дефекты, расположенные внутри паяного соединения. Сопротивление усталости зависит больше от плотности паяного шва, чем от прочности основного материала. При этом особенно опасны такие дефекты, как открытые непропаи, неспаи, свищи, трещины и подрезы.

Допустимость дефектов зависит от места их расположения и от условий работы изделия. В изделиях, работающих при повышенных температурах, решающее значение могут иметь максимальные размеры дефектов, а не их средние размеры. Например, по данным А. В. Орлова, дефекты, занимающие площадь более 10 % площади паяемого шва, при телескопическом соединении труб с фланцами из стали 08Х18Н10Т приводят к недопустимому снижению прочности паяных соединений.

На границе шва и паяемого материала могут образовываться такие дефекты, как непропаи, неспаи, релаксационные трещины.

Непропаи возникают в результате полного и частичного незаполнения паяльного зазора жидким припоем вследствие плохой смачиваемости паяемого материала флюсом или его низкой активности, плохой смачиваемости паяемого металла жидким припоем, увеличения или неравномерности паяльного зазора, недостаточного количества жидкого припоя, вытекания его из слишком широких зазоров или перетекания в расположенные ниже участки зазора, застревания воздуха в зазорах («воздушные мешки»), неправильной укладки припоя при сборке, ухудшения жидкотекучести припоя при растворении в нем паяемого материала. Непропаи могут возникать также в результате большей скорости формирования галтельных участков швов, чем капиллярных участков («своеобразное обегание» припоя по периметру нахлестки до заполнения зазора припоем). Другими причинами непропаев могут быть неблагоприятный температурный градиент (припой обычно течет в сторону повышения температуры), характер физико-химического взаимодействия паяемого материала с жидким припоем (например, образование прослоек химических соединений), способ введения припоя в зазор (припой с широким интервалом кристаллизации лучше помещать в зазор, а с узким -- у зазора).

Неспаи образуются в местах отсутствия межатомной связи основного материала с припоем вследствие слишком широких зазоров или плохой смачиваемости припоем паяемого материала. Непропаи и неспаи снижают все свойства паяных соединений.

Релаксационные трещины в паяемом материале возникают при контакте его с жидким припоем при наличии внутренних и внешних растягивающих напряжений, вследствие снижения поверхностного натяжения на границе паяемого металла и припоя или развития межзеренной, межблочной химической эрозии паяемого металла. Такие трещины понижают прочность и пластичность паяных соединений.

По данным радиографического контроля, дефекты по возрастанию влияния на вакуумную плотность паяных соединений можно расположить в следующий ряд: мелкие газовые поры, непропаи, сообщающаяся газовая и усадочная пористость, трещины. В таком же порядке указанные дефекты ухудшают и герметичность паяных соединений.

Дефекты, ухудшающие прочность паяных соединений, можно, в свою очередь, расположить в следующем, по возрастанию влияния, порядке: мелкая газовая пористость, крупные газовые поры, непропаи, неспаи, прослойки химических соединений, подрезы, трещины. Существенное значение имеет также форма дефектов. Дефекты округлой формы (поры), по данным О.А. Бакши, снижают прочность соединений с мягкой прослойкой на 10%, а остроугольные дефекты (непропаи, неспаи) на 25%.

Список использованной литературы

1. Козлов Ю.С. Материаловедение - СПб.: Агар, 1999

2. Гелин Ф.Д. Металлические материалы: Сплав.- Мн.: Выс. шк., 1987. - 368 с.

3. Журавлев В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали: Справочник.- 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1992.- 480 с.: ил.

4. Осинцев О.Е., Федоров В.Н. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки: Справочник. М.: Машиностроение, 2004.- 336 с., ил.

5. Ковалевская Ж.Г., Безбородов В.П. Основы материаловедения. Конструкционные материалы: учебное пособие / Ж.Г. Ковалевская, В.П. Безбородов. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. - 110 с.

6. masar.ru Сайт ООО «МастерЛитСаранск»

7. Uas.ru Ассоциация литейщиков Украины

8. roscm.ru Сайт компании РосцветМет

9. История открытия элементов таблицы Менделеева. Часть 5 (№26-- 30)

10. Галмей//Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). -- СПб., 1890--1907.

11. Woodcroft B.Subject-matter index (made from titles only) of patents of invention, from March 2, 1617 (14 James I.), to October 1, 1852 (16 Victoriae). -- London, 1857. -- P.444.

12. IV. Specification of Mr. Emerson's Patent for making Brass with Copper and Spelter //The Repertory of Arts, Manufactures, and Agriculture. -- London, 1796.-- Vol.V.-- P.24-25.

13. Автоматная латунь -- статья изБольшой советской энциклопедии (3-е издание)

14. Латунь//Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). -- СПб., 1890--1907.

15. Фетисов Г.П. «Материаловедение и технология материалов»

16. Виноградов Ю.М. «Износостойкие материалы в химическом машиностроении Справочник»

17. Технология материалов в приборостроении. М 1969 г. А.Н. Малов, И.А. Арутюнова, А.К. Белопухов и др.

18. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов / А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, Л.Н. Бухаркин и др.; Под ред. А.М. Дальского.-- 5-е изд., исправленное. -- М.: Машиностроение, 2004. -- С.283.-- 512с.