Пайка и лужение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пайка - это процесс получения неразъемного соединения материалов в твердом состоянии при нагреве ниже температуры их автономного плавления при смачивании, растекании и заполнении зазора между ними расплавленным припоем и последующей кристаллизации жидкой фазы с образованием спая.

Пайка и лужение

пайка припой флюс расплавленный

Основные термины и определения: устанавливает применяемые в науке, технике и производстве термины и определения основных понятий в области пайки и лужения металлов и неметалических материалов. Преимущества пайки как технологического процесса и преимущества паяных соединений обусловлены главным образом возможностью формирования паяного шва ниже температуры автономного плавления соединяемых материалов. Такое формирование шва происходит в результате неавтономного, контактного плавления паяемого металла в жидком припое, внесенном извне (пайка готовым припоем), либо восстановленным из солей флюса (реактивно-флюсовая пайка), либо образовавшемся при контактно-реактивном плавлении паяемых металлов, контактирующих прослоек или паяемых металлов с прослойками (контактно-реактивная пайка). В отличие от автономного плавления (одностадийного процесса, протекающего в объеме при температуре, равной или выше температуры солидус соединяемых материалов), контактное плавление того же материала протекает при контактном равновесии по поверхности контакта с твердым, жидким, газообразным телом, иными по со ставу; это многостадийный процесс, протекающий по разным механизмам; жидкая фаза при контактном плавлении твердого тела образуется ниже его температуры солидус.

Именно поэтому становится возможным общий нагрев паяемого узла или изделия до температуры пайки. Пайка обеспечивает получение бездефектных, прочных и работоспособных в условиях длительной эксплуатации, паяных соединений, если учтены следующие факторы: физико-химические, конструктивные, технологические, эксплуатационные.

Возможность образования спая между паяемым металлом и припоем характеризуется паяемостью, т.е. способностью паяемого металла вступать в физико-химическое взаимодействие с расплавленным припоем и образовывать паяное соединение. Но, кроме физико-химических факторов, определяющих природу основного металла, припоя и процессов их взаимодействия, необходимо учитывать технологические факторы, определяющие свойства паяных соединений, такие, как: конструкция паяного соединения, режим пайки, флюсующая среда и др. С точки зрения физико-химических процессов, прочность соединения определяется типом связей, образующихся между твердым и жидким металлами, и зависит от природы основного металла и припоя.

Практически пайкой можно соединить все металлы, металлы с неметаллами и неметаллы между собой. Необходимо только обеспечить такую активацию их поверхности, при которой стало бы возможным установление между атомами соединяемых материалов и припоя прочных химических связей.

С точки зрения технологии пайки паяемость есть отношение соединяемых материалов и припоя к основным процессам, происходящим при пайке (нагрев, плавление, смачивание, капиллярное течение, растворно-дифузионное взаимодействие, кристаллизация, охлаждение нагретого металла, деформация, взаимодействие металлов с газами, флюсами, шлаками и т.д.).

Отсутствие или плохая паяемость с этой точки зрения характеризуется отсутствием или плохой связью в зоне спаев, нежелательными изменениями физико-химических свойств основного металла в зоне паяного соединения, склонностью основного металла к образованию горячих и холодных трещин, но и от способа и режима пайки, от флюсующих сред, условий подготовки поверхности под сборку и пайку.

Для образования спая необходимым и достаточным есть смачивание поверхности основного металла расплавом припоя, что определяется возможностью образования между ними химических связей. Смачивание принципиально возможно в любом сочетании основ ной металл - припой при обеспечении соответствующих температур, высокой чистоты поверхности или достаточной термической или другого вида активации. Смачивание характеризует принципиальную возможность пайки конкретного основного металла конкретным припоем.

Предусматривает метод определения смачивания материалов припоями. При физической возможности образования спая (физической паяемости) уже в какой-то мере гарантирована паяемость с технологической точки зрения при обеспечении соответствующих условий проведения процесса пайки.

Соединения паяные. Основные типы и параметры: устанавливает основные типы паяных соединений, конструктивные элементы паяных швов, их обозначение и параметры.

Паяемость того или иного материала нельзя рассматривать как способность его подвергаться пайке различными припоями. Можно рассматривать только конкретную пару, и в конкретных условиях пайки. Важным моментом в оценке паяемости, как физической, так и технической, является правильный выбор температуры пайки, которая нередко является решающим фактором как в обеспечении смачивания припоем поверхности металла, но и дополнительным важным резервом повышения свойств паяных соединений. При оценке паяемости нужно учитывать температурный интервал активности флюсов. Паяльный флюс это активное химическое вещество, предназначенное для очистки и защиты поверхности паяемого металла и припоя. Флюсы не удаляют посторонние вещества органического и не органического происхождения (лак, краску).

Механизм флюсования флюсами, самофлюсующими припоями, контролируемыми газовыми средами, в вакууме, физико-механическими средствами может выражаться:

1. В химическом взаимодействии между основными компонентами флюса и окисной пленкой, образующиеся при этом соединения растворяются во флюсе, либо выделяются в газообразном состоянии;

2. В химическом взаимодействии между активными компонентами флюса и основным металлом, в результате про исходит постепенный отрыв окисной пленки от поверхности металла и переход ее во флюс;

3. В растворении окисной пленки во флюсе;

4. В растворении основного металла и припоя в расплаве флюса;

5. В диспрегировании окисной пленки в результате адсорбционного понижения ее прочности под влиянием расплава флюса;

6. В разрушении окисной пленки продуктами флюсования.

Окисные флюсы взаимодействуют преимущественно с окисной пленкой, основой флюсования галоидными флюсами является реакция с основным металлом.

ГОСТ 19248 - "Припой. Классификация и обозначения»

ГОСТ 19250 - "Флюсы паяльные. Классификация."

Для повышения активности оксидных флюсов вводят фториды и фторборы, в результате одновременно с химическим взаимодействием между окислами происходит растворение окисной пленки во фторидах. К активным газовым средам относятся газообразные флюсы, которые работают самостоятельно или как добавка в нейтральные или восстановительные газовые среды для повышения их активности. Газообразные флюсы получают, например, из фтористого аммония, хлористого аммония, фторбората аммония, фторбората калия.

При пайке металлов в активных газовых средах удаление окисной пленки с поверхности основного металла и припоя происходит в результате восстановления окислов активны ми компонентами сред или химического взаимодействия с газообразными флюсами, продуктами которого является летучие вещества или легкоплавкие шлаки, к восстановительным средам относятся водород и газообразные смеси, содержащие водород и окись углерода в качестве восстановителей окислов металлов.

В качестве нейтральных газовых сред используют азот, гелий и аргон, роль газовой среды сводится к защите металлов от окисления.

Как газовая среда вакуум защищает металлы от окисления и способствует удалению с их поверхности окисной пленки. При пайке в вакууме, в результате разряжения, парциальное давление кислорода становится ничтожно малым и, следовательно, уменьшается возможность окисления металлов. При высокотемпературной пайке в вакууме создаются условия для диссоциации окислов некоторых металлов.

По условиям заполнения зазора способы пайки разделяются на капиллярные и некапиллярные. Капиллярная пайка по методу образования спая разделяется на пайку готовым припоем, контактно-реактивную, реактивно-флюсовую и диффузионную. При капиллярной пайке расплавленный припой заполняет зазор между паяемыми деталями и удерживается в нем под действием капиллярных сил. Размер зазора 0,5-0,7мм, он определяет структуру, химический состав, механические свойства соединения, экономичность процесса пайки, дефектность структуры: газовую пористость, ликвационные процессы. Оптимальный размер зазора между деталями при пайке определяется комплексом факторов - конструкцией со единения, металлургическими особенностями процесса взаимодействия припоя с паяемым металлом, активностью флюса или газовой среды, состоянием поверхности основного металла.

Капиллярная пайка, при которой используется готовый припой и затвердевание шва происходит при охлаждении, называется пайкой готовым припоем. Контактно-реактивной называется капиллярная пайка, при которой припой образуется в результате контактно-реактивного плавления соединяемых материалов, промежуточных покрытий или прокладок с образованием эвтектики или твердого раствора. При контактно-реактивной пайке нет необходимости в предварительном изготовлении припоя. Количество жидкой фазы можно регулировать изменением времени контакта, толщиной покрытия или прослойки, т.к. процесс контактного плавления прекращается после расходования одного из контактирующих мате риалов.

Диффузионной называется капиллярная пайка, при которой затвердевание шва происходит выше температуры солидус припоя без охлаждения из жидкого состояния. Припой, применяемый при диффузионной пайке, может быть полностью или частично расплав ленным, может образовываться при контактно-реактивном плавлении соединяемых метал лов с одной или несколькими прослойками других металлов, нанесенных гальваническими способами, напылением или уложенных в зазор между соединяемыми деталями, или в результате контактного твердо-газового плавления. Цель диффузионной пайки - проведение процесса кристаллизации таким образом, чтобы обеспечить наиболее равновесную структуру соединения, повысить температуру распайки соединений.

При реактивно-флюсовой пайке припой образуется в результате восстановления металла из флюса или диссоциации одного из его компонентов. В состав флюсов при реактивно-флюсовой пайке входят легковосстанавливаемые соединения. Образующиеся в результате реакции восстановления металлы в расплавленном состоянии служат элементами при поев, а летучие компоненты реакции создаю защитную среду и способствуют отделению у окисной пленки от поверхности металла.

Пайка композиционным припоем используется тогда, когда соединяемые детали собраны с некапиллярным (< 0,7 мм) зазором и необходимо обеспечить высокие механические (или другие специальные) свойства соединений. Композиционный припой имеет гетерофазную структуру псевдосплава. Наносимый композиционный припой в виде порошка, сетки, волокон, образует разветвленный капилляр, который удерживает расплавленный припой (матрицу), смачивает поверхности паяемых металлов. Он обеспечивает основные физико-механические свойства соединений, матрица должна обеспечивать качественное смачивание накопителя и паяемого металла. Накопителями могут быть стальные волокна, порошки меди, никеля, кобальта, окиси алюминия, матрицей служат припои системы свинец-олово, медь-никель-марганец, никель-хром кремний.

Некапиллярная пайка разделяется на пайку-сварку и сварку-пайку.

Пайко-сварка относится к процессам исправления дефектов в чугунных, алюминиевых и др. деталях, выравнивания поверхности, устранения вмятин, т.е. заливку расплавленным припоем с использованием технических возможностей низко- и высокотемпературной пайки. Обычно используется для изделий из чугуна и выполняется припоями из латуни с добавлением кремния, марганца, аммония.

Сварко-пайка применяется при соединении разнородных металлов за счет расплавления более легкоплавкого металла и смачивания им поверхности более тугоплавкого металла. Необходимая температура подогрева поверхности тугоплавко го металла достигается за счет регулирования величины смещения электрода от оси шва к более тугоплавкому металлу.

При подготовке изделий к пайке, при необходимости, на паяемую поверхность наносят металлические покрытия. Технологические покрытия (медь, никель, серебро) наносят на поверхность труднопаяемых металлов, либо металлов, поверхность которых при пайке интенсивно растворяется в припое, что вызывает ухудшение смачивания и капиллярного течения припоя в зазоре, хрупкость в соединениях, по месту нанесения припоя появляется эрозия, подрезы основного металла.

Назначение покрытия - предотвращение нежелательного растворения основного металла в припое и улучшение смачивания; в процессе пайки покрытие должно полностью растворяться в расплавленном припое.

При капиллярной пайке используются нахлесточные, стыковые, косостыковые, тавро вые, угловые, соприкасающиеся соединения.

Нахлесточные соединения наиболее распространены, т.к. изменяя длину нахлестки, можно изменять характеристики прочности изделия. Нахлесточные паяные соединения обладают некоторыми преимуществами перед нахлесточными сварными, передача усилий в которых происходит по периметру элемента. В сварных конструкциях любые швы являются источником концентрации напряжений в переходной зоне от основного металла к шву, и при неблагоприятных очертаниях шва концентрация достигает значительных величин.

Сопоставление механических свойств паяных и сварных соединений позволяет сделать следующие выводы:

1. Применение пайки наиболее эффективно в тонкостенных конструкциях, толщиной не более 10мм;

2. Производительность технологического процесса пайки оказывается часто более высокой;

3. Паяные соединения вызывают, как правило, меньшие оста точные деформации;

4. Паяные конструкции в большинстве случаев имеют меньшую концентрацию напряжений по сравнению со сварными.

Прочность паяных соединений определяется также влиянием дефектов, которые могут образовываться при несоблюдении оптимальных условий и режима пайки.

ГОСТ 24715 - "Соединения паяные. Методы контроля качества."

Типичные дефекты, которые снижают прочность паяных соединений - поры, раковины, трещины, флюсовые и шлаковые включения, непропаи. Все дефекты сплошности в паяных соединениях разделяются на дефекты, связанные с заполнением жидким припоем капиллярных зазоров, и дефекты, возникающие при охлаждении и затвердевании паяных швов.

Возникновение первой группы дефектов определяется особенностями движения расплавов припоев в капиллярном зазоре (поры, непропаи).

Другая группа дефектов появляется из-за уменьшения растворимости газов в металле при переходе из жидкого состояния в твердое (газо-усадочная пористость). К этой группе относится также пористость кристаллизационного и диффузионного происхождения. К дефектам сплошности относятся трещины, возникающие в металле шва, в зоне спаев и в основном металле. Причиной образования непропаев, которые берут начало у границы раздела с основным металлом, может явиться неправильное конструирование паяного соединения (наличие «глухих», не имеющих выхода полостей в капиллярном зазоре), блокирование жидким припоем газа в шве при неравномерном нагреве или неравномерном зазоре, местное отсутствие смачивания жидким припоем поверхности основного металла. В процессе охлаждения соединения из-за уменьшения растворимости газов происходит их выделение и образование рассеянной газовой пористости. Рассеянная газовая пористость может появляться из-за возникновения усадочной пористости - в случае затвердевания зон сплавления с широким интервалом кристаллизации.

Пористость в зоне паяного шва возникает в результате некомпенсированной диффузии атомов припоя и основного металла. Такого рода пористость возникает в системах припой - основной металл, которые имеют заметные различия в коэффициентах диффузии и располагаются в диффузионной зоне.

Трещины в паяных швах могут возникнуть под действием напряжений и деформаций металла изделий или шва в процессе охлаждения. Холодные трещины возникают в зоне спаев при образовании прослоек хрупких интерметалидов. Горячие трещины образуются в процессе кристаллизации; если в процессе кристаллизации скорость охлаждения высока и возникающие при этом напряжения велики, а деформационная способность металла шва мала, то возникают кристаллизационные трещины. Полигонизационные трещины в металле шва возникают уже при температурах ниже температуры солидус после затвердевания сплава по так называемым полигонизационным границам, которые образуются при выстраивании дислокации в металле в ряды и образовании сетки дислокации под действием внутренних напряжений. Неметаллические включения типа флюсовых или шлаковых могут возникать в результате недостаточно тщательной подготовки поверхности изделия к пайке или при нарушении режима пайки. При слишком длительном нагреве под пайку флюс реагирует с основным металлом с образованием твердых остатков, которые плохо вытесняются из зазора припоем. Поэтому необходимым условием обеспечения эффективности изготовления паяных изделий высокого качества является единство (взаимосвязь) и совместимость конструкции изделия, материала, технологии и эксплуатационных характеристик.

Размещено на Allbest.ru