Консп.лекций_ПАЙКА

Вкамерных и элеваторных электропечах выполняют контейнерную пайку изделий из титановых сплавов. Электропечи для контейнерной пайки работают при температурах, которые ограничиваются стойкостью контейнера, изготавляемого из коррозионно-стойких или жаростойких сталей. Для повышения стойкости контейнера процессы пайки

выполняют в печах с защитной средой, препятствующей образованию на поверхности контейнера окалины (Тп=900-10500С). При высокотемпературной пайке в шахтных и камерных электропечах сопротивления важную роль играет стойкость нагревательных элементов.

Элеваторные печи для высокотемпературной пайки в контролируемой среде применяют преимущественно не как универсальные, а для специальных целей. Более широко распространены колпаковые печи с контролируемой средой и экранной изоляцией, выпускаемые с одним или двумя рабочими колпаками. Контролируемой средой в этих печах является водород.

Печь состоит из рабочей камеры, стола-пода и пульта управления. Рабочая камера охлаждается водой, которая циркулирует между двумя стенками. Пространство колпака герметизируют с помощью прокладки из вакуумной резины, помещенной в кольцевой паз основания. Контролируемая среда подается через штуцер в верхней части колпака. Для сокращения тепловых потерь в печи служат экраны, выполненные в виде цилиндров из листовой жаропрочной стали. Повышение производительности достигается

при использовании двухколпаковых печей с программным управлением с контролируемой средой водорода и максимальной температурой 14000С.

Изделия, подготовленные под пайку, с приспособлением на подставке устанавливают на под печи. Опусканием колпака герметизируют рабочее пространство, продувают печь азотом, а затем заполняют объем осушенным водородом. В зависимости от предъявляемых к изделиям требований применяют такие припои: медь, серебро, сплавы на их основе, никелевые припои.

Для пайки, например вакуумных вентилей используют медь марки М0. Перед сборкой детали из стали 20 и 12Х18Н10Т обдувают металлическим песком и обезжиривают в бензине с последующей сушкой горячим воздухом. Припой на место пайки наносят в виде колец из проволоки с закруткой, во

избежание деформаций изделие при пайке нагревают со скоростью 100 - 1200С/мин до температуры 1000-10200С и выдерживают в течение 3 минут для прогрева, затем нагревают до температуры 1100-11200С и выдерживают

1,5 мин. При этой температуре подачу водорода прекращают, продувают колпак азотом и при температуре печи 50-600С поднимают колпак и выгружают изделие.

Всовременной практике, когда не представляется возможным в процессе пайки достаточно полно удалить окисные пленки с поверхности паяемых материалов и припоев за счет активности среды, используют

сочетание контролируемой среды и эффект самофлюсования;

121

например припой ВПр4 системы медь-марганец-никель содержит флюсующие компоненты – B, Na, K, Li, P – 0,1-0,3% каждого. Самофлюсующие припои на железной основе ВЗМИ-87, легированный до 0,5% В и до 1,2% Si, обеспечивают удаление окислов даже на горячекатанной стали Ст.3 без какой-либо обработки поверхности при пайке в нейтральной среде азота при температуре 11500С с выдержкой 1 минута.

Пайка в вакуумных печах – наиболее прогрессивный способ соединения металлов, активно взаимодействующих с газами и трудно паяемых в контролируемых средах. Этот способ обеспечивает специальные требования, предъявляемые к изделиям: вакуумную плотность соединений, минимальное газоотделение в процессе эксплуатации, высокую чистоту рабочих поверхностей.

Вакуумные печи выполняют колпаковые, элеваторные, муфельные, безмуфельные, непрерывного действия. Печи используют для диффузионной пайки изделий из титановых сплавов готовыми припоями и припоями - покрытиями; для пайки титановых сплавов с другими металлами, например медью, используют барьерно-технологические покрытия, а именно: хромовое покрытие толщиной 15-30 мкм, никелевое - толщиной 8- 12 мкм; пайка выполняется в вакууме 10-2 –10-4 мм.рт.ст. припоем марки ПСр68 при температуре 828-8300С с выдержкой 2 мин. Используется вакуумная элеваторная печь ЭВП-1.

Втаких печах целесообразно выполнять пайку металлокерамических узлов по активной технологии без металлизационных покрытий. Например, выполняется пайка арматуры из сплава FeNi-42 толщиной 0,3 мм с изолятором из корундовой керамики ТСМ-301 припоем в виде фольги толщиной 0,1мм на основе меди с20% титана.

Впроизводстве электровакуумных приборов используют вакуумноводородные электропечи со шлюзованием паяных изделий, режим пайки программирован.

Используют вакуумированные контейнеры, при контейнерной пайке могут быть применены электропечи различных конструкций: с неподвижной камерой нагрева и перемещающимися контейнерами, и неподвижными контейнерами и перемещающейся камерой нагрева. Контейнерные печи более производительны, так как охлаждение контейнера происходит вне камеры нагрева, которая постоянно нагрета до температуры пайки.

Контейнеры для вакуумной пайки изделий конструктивно отличаются от контейнеров для пайки в контролируемой атмосфере: они должны обладать достаточной жесткостью, чтобы при температурах пайки не произошла деформация контейнера под действием внешнего давления.

При пайке сложных по конструкции узлов и изделий, например охлаждаемых рабочих лопаток турбин и компрессоров, разнотолщинных изделий сложной конфигурации из жаростойких сплавов ХН70ВМТЮ и ХН77ТЮ, когда необходимо равномерное поджатие сопрягаемых поверхностей, используют мягкие вакуумируемые контейнеры из тонколистовых материалов (толщиной 0,5 мм), либо жесткие контейнеры с

122

мембранами. Например при пайке титановых слоистых панелей размером 3050х1200мм припоем 5%Al - 0.5%Mn - остальное – Ag, применяют вакуумированный контейнер из коррозионно-стойкой стали толщиной 1,6мм с мембраной толщиной 0,5мм. Температура пайки 7600С, выдержка не более

50мин.

Взависимости от свойств применяемых материалов и припоев, таких как упругость пара, диссоциация окислов металлов, и требований по эксплуатационным характеристикам изделий необходимо определенное разрежение в каждом конкретном случае пайки, поэтому необходима

количественная оценка остаточных давлений в ходе процесса с использованием манометров и вакуумметров.

При соединении элементов крупногабаритных конструкций используют автовакуумную пайку. Способ основан на растворении и поглощении атмосферных газов в замкнутом объеме помещенными в него сорбентами – порошками Mn, Cr, Ti. Обладая достоинствами вакуумной пайки, этот способ не требует сложного вакуумного оборудования. Например, при пайке внутренних и наружных дисков колес центробежных компрессоров диаметром до 700мм из стали 34ХН3М с лопатками используют припой ПНЖ-203 (система Pd-Ni-Fe), детали собирают с зазором 0,05-0,2мм, прижим обеспечивают за счет разности снаружи и внутри контейнера в процессе автовакуумной пайки. В контейнер помещают сорбент

врасчете 0,04г порошка Mn или Cr на 1см3 объема, затем контейнер герметизируют сваркой. После пайки в электропечи без разгерметизации паяные изделия подвергают термической обработке – нормализации, закалке

вмасле и отпуску; пайка рабочих колес по приведенной технологии

обеспечивает σв = 950-1000Мпа.

Весьма перспективна безфлюсовая пайка алюминиевых сплавов с применением вакуума и паров активных металлов, например магния;

магний обладает большим сродством к кислороду, чем алюминий, в результате при пайке при температуре 550-6000С, вакууме 10-3 –10-5 мм.рт.ст. с использованием припоев на основе алюминия на поверхности паяемых металлов образуется тонкий и рыхлый слой окиси магния, который разрушается, диспергирует и удаляется.

Изделия для пайки помещают в специальное экранирующее устройство, внутри которого размещают равномерно испаряемый металл. Этот способ пайки используют как для соединения небольших по размерам деталей, так и при пайке крупногабаритных изделий, например камер

сгорания реактивных опор линий электропередач.

В настоящее время в промышленности используется печная пайка в воздушной среде с применением различных флюсов. Собранные под пайку изделия после операции флюсования помещают в нагретую до заданной температуры электрическую или с газовым обогревом печь. Технологический процесс низкотемпературной пайки различных изделий, например, остовов автомобильных радиаторов, состоит в следующем:

123

собранные остовы из трубок (материал-томпак Л96) и медных пластин (материал-М3), предварительно облуживают припоем ПОС18, затем автоматически опускают в ванну с хлористым цинком, затем продвигают в камеру пайки, затем перемещают на разгрузочный стол. Пайку выполняют при температуре 3500С при выдержке 50-60с. Недостатком технологии является быстрый износ металлических нагревательных элементов, выходящих из строя под действием паров соляной кислоты, которые образуются при использовании активного флюса ZnCl2.

Печная пайка в воздушной среде целесообразна особенно в тех случаях, когда невозможна пайка изделий в восстановительной среде и вакууме, например при изготовлении крупногабаритных алюминиевых конструкций, при соединении разнородных металлов, например при соединении литой чугунной арматуры (запорных дисков) с уплотнительными кольцами из стали 12Х13; припой в виде полос из латуни размером 2х5 мм фиксируют на диске по внутреннему периметру уплотнительного кольца, затем наносят флюс на основе буры; температура пайки 940-9800С, время пайки15мин.

Печной нагрев в воздушной среде используют для пайки твердосплавного, преимущественно многолезвийного бурового инструмента, используют муфельные, камерные электрические и газопламенные печи.

Индукционная пайка применяется при низкотемпературном и высокотемпературном изготовлении изделий из различных материалов.

В зависимости от предъявляемых к изделиям требований, процесс ведут в воздушной среде с использованием флюсов, в контролируемых средах и в вакууме. Этим способом изготавливают паяные конденсаторы, аккумуляторы. При проектировании технологического процесса

индукционной пайки необходимо учитывать, что наибольшее количество теплоты выделяется на поверхности паяемого металла и зависит от его магнитной проницаемости. При одной и той же частоте немагнитные материалы нагреваются значительно медленней, чем ферромагнитные; в стали, например, удельная поглощаемая мощность в 8 раз больше, чем в меди.

Особенность индукционной пайки – быстрый нагрев паяемых изделий за счет использования больших удельных мощностей при предельной концентрации энергии, что обеспечивает высокую производительность процесса и возможность его автоматизации и механизации. В качестве источников используют ламповые и машинные генераторы, для пайки применяют токи частотой 150-600 кГц.

Рассмотрим технологический процесс индукционной пайки неповоротных стыков трубопроводов (рис.20).

Для пайки неповоротных стыков из стали 10ХСНД применяют припой П- 87 на железомарганцевой основе с температурой плавления 1140°С, флюс № 201, порошок полиэтилена или другое связующее.

Припой П-87 должен иметь следующий химический состав (%):

124

Паяльные материалы применяются в виде прессованных элементов со следующим весовым соотношением компонентов:

порошок припоя П-87 (зернистость до 0,3 мм) – 92%; порошок флюса № 201 – 1%;

порошок полиэтилена (или другое связующее, не оставляющее включений)

– 7%.

Пайка неповоротных стыков труб осуществляется комплексом оборудования, включающим устройства для механической обработки торцов труб под пайку, устройство для сборки и пайки стыков труб и индукционную установку с частотой тока 1-8 кГц.

Подготовка труб под пайку заключается механической обработке торцов труб непосредственно перед пайкой. Угол скоса разделки труб должен составлять 20° или 30°. Шероховатость обработанных поверхностей не лимитируется. С торцевых участков труб удаляются загрязнения, жировые загрязнения с паяемых поверхностей удаляются содовым раствором (концентрация 20%) или керосином.

Сборка стыков под пайку включает: стыковку и центрирование труб, внесение в стык припоя, установку нагревательного устройства.

Устройство для сборки и пайки стыков представляет собой наружный центратор, обеспечивающий возможность стыковки, центрирования, перемещения и прижатия присоединяемой трубы к концу трубопровода.

Конец стыкуемой трубы заводится трубоукладчиком в устройство, прижимается к опорным призмам зажимным механизмом устройства и подается до совмещения со смежной разделкой конца трубопровода.

Зазор между индуктором и трубой должен быть равномерным по периметру стыка. Видимая кромка стыка должна располагаться между нитками индуктора.

Допускаемая неравномерность зазора по периметру труб не должна превышать 0,3 мм.

В стык вносится закладное кольцо припоя, на собранный стык наносится защитное покрытие, устанавливается индуктор и устройство для принудительного охлаждения стыка, смонтированные на устройстве. На стыке создаете давление сжатия, равное 1 - 2 МПа. Процесс пайки собранного стыка состоит из индукционного нагрева его до температуры пайки Тп =1200°С, выдержки при температуре пайки и охлаждение стыка до температуры Тохл = 400-500°С.

Перед включением электрической системы нагрева производится запуск системы охлаждения и проверяется нормальная циркуляция охлаждающей жидкости в системе.

Контроль за температурой пайки проводится визуально по появлению на поверхности стыка расплава припоя, либо автоматическим способом

125

(дилатометрическим), обеспечивавшим определение момента расплавления припоя в стыке.

Рис. 20 Общий вид паяного соединения

Режим пайки следующий (таблица):

Таблица 3. Режим пайки труб различного диаметра

По достижении температуры пайки производится выдержка в течение 20 с для выравнивания температуры по периметру стыка. На период выдержки мощность нагрева снижается на 1/4 от установленной.

После достижения в стыке при охлаждении температуры, равной 400500°С (когда прекращается свечение металла), производится снятие центрирующего устройства со стыка и перемещение его к очередному стыку.

126

Индукционный нагрев используют при пайке трубопроводов для топливных агрегатов двигателей и других изделий. Индукционная пайка в контролируемых средах и вакууме охватывает большую номенклатуру изделий. Механизацию и автоматизацию процессов обеспечивают преимущественно специальные устройства карусельного типа, которые помещают в камеру. Полуавтомат карусельного типа для индукционной пайки с пневматическим управлением работает по принципу шаговой подачи деталей под индуктор. Гнезда для крепления в карусели соответствуют конфигурации паяемых узлов. Поворот, подъем и выдержка изделия в индукторе – автоматизированы.

Имеются установки карусельного с автономным вакуумированием каждой позиции в отдельности, как это выполняется при индукционной вакуумной пайке электродов к корпусам свечей зажигания двигателей внутреннего сгорания; цикл пайки составляет 3 с. Наиболее эффективно применение индукционного нагрева при высокотемпературной пайке, особенно выше 12000С, например, при соединении тугоплавких материалов: пайка катодного узла из вольфрамовой проволоки диаметром 1мм к молибденовому держателю диаметром 3мм при температуре 16000С в среде водорода палладиевым припоем; время пайки 1 мин.

Индукционная пайка весьма эффективна для соединения обсадных труб, применяемых на нефтепромыслах. Элементы многокилометровых труб диаметром 219мм и толщиной стенки 10мм из стали 45 соединяют друг с другом индукционной пайкой с использованием припоя ВЗМИ-87, уложенного в зазор в виде кольца.

Используется индуктор с частотой тока 8000 Гц, который обеспечивает нагрев до 12000С с выдержкой 60с. Пайка производится над устьем скважины при вертикальном положении трубы. Индукционным способом выполняется пайка крупногабаритных трубчатых конструкций опор линии электропередач при индукционном нагреве в горизонтальном положении.

Использование индукционной пайки трубопроводных систем в различных областях техники для замены сварных соединений, например при производстве трубопроводов из стали 1Х18Н10Т паяные соединения обладают большей усталостной прочностью, чем сварные.

Кроме теплового режима, установки для индукционной пайки при необходимости обеспечивают давление на соединяемые поверхности;

величину давления выбирают таким образом, чтобы обеспечить плотный контакт соединяемых элементов, выдавливание жидкой фазы из зоны шва, получение точных заданных геометрических размеров, минимальные остаточные напряжения в паяных конструкциях.

Например, пайка узлов электровакуумных приборов под давлением с использованием индукционного нагрева позволяет изготавливать сложные высокоточные изделия без каких-либо деформаций из меди, армкожелеза, ковара. Перед пайкой детали из армко-железа и ковара никелируют (толщина слоя никеля - 8-10мкм) с последующим спеканием покрытия в

127

среде водорода при температуре 9000С с выдержкой 20-25 мин. Затем на соединяемые детали наносят пастообразный припой на основе галлия состава: 60% галлия, 30% меди и 10% индия. Галлий как основной компонент припоя придает ему свойства дисперсионного твердения при переходе из жидкого состояние в твердое. Режим пайки следующий: Тп =5006000С, давление 0,3кгс/мм2, выдержка 60с. Обеспечивается работоспособность изделий в вакууме до 10-7 мм.рт.ст.; температура распая соединений свыше 10000С.

Применение индукционных муфельных установок промышленной частоты позволяет паять изделия из металлических и неметаллических материалов в различных контейнерах в вакууме, контролируемой среде и на воздухе с использованием флюсов.

Лекция16 Технология и оборудование для пайки погружением

Особенность процесса пайки погружением состоит в том, что нагрев изделий происходит в сравнительно короткий промежуток времени за счет непосредственного контакта поверхностей деталей с теплоносителем, который одновременно является защитной среды (при погружении в расплавленный припой), защитной среды и флюсом (при погружении в соли).

Поэтому пайка погружением является высокопроизводительным способом соединения различных материалов, применяемым с наибольшим эффектом при массовом выпуске изделий. Этот способ используется при производстве печатного монтажа, узлов электрооборудования, при изготовлении консервной тары в пищевой промышленности, алюминиевых и стальных теплообменных аппаратов различного назначения, режущего и бурового твердосплавного инструмента.

Пайка погружением в расплавленные припои разделяется на низкотемпературную и высокотемпературную.

Низкотемпературная пайка разделяется на пайку погружением в расплавленный припой и волной припоя.

Наиболее простая ванна с электроподогревом для лужения и пайки

изделий погружением представляет собой корпус из коррозионностойкой стали, в котором находится расплавленный припой. Между внешним кожухом и корпусом находится теплоизолирующий материал, где нагреватели размещены таким образом, что средняя часть ванны имеет более высокую температуру, обеспечивающую конвекцию расплава. Ванны оснащены терморегулирующей аппаратурой для поддержания температуры припоя в заданном интервале. В ряде случаев с целью стабилизации процессов продолжительность погружения обеспечивается с помощью реле времени и звуковой или световой сигнализации. Это имеет особое значение для лужения и пайки наиболее массовых деталей из меди и ее сплавов оловянно-свинцовыми припоями, потому что при контакте меди с

128

расплавленным оловом или оловянно-свинцовым припоем мгновенно вследствие химической реакции (реактовной диффузии) образуется интерметаллидное соединение Cu6Sn5 в виде игловидных кристаллов, вызывающих охрупчивание паяных соединений. Поэтому процесс лужения и пайки с целью повышения производительности и качества изделий следует проводить с максимальной скоростью и на минимальной температуре физико-химического взаимодействия (Тп =Тсм). В результате при погружении особенно массивных изделий в расплавленный припой скоростные процессы можно обеспечить только с применением предварительного подогрева, так как иначе нужны длительные выдержки или значительное повышение температуры припоя в ванне. Постоянный контакт меди с расплавом оловянно-свинцового припоя приводит к снижению содержания олова в ванне, в результате повышается температура плавления припоя. Поэтому возникает нелегкая задача стабилизации состава ванны, так как дальнейшее повышение температуры ведет к более интенсивному образованию интерметаллидных соединений и их растворению в жидкости. Когда содержание интерметаллидов в припое начнет вызывать понижение его подвижности, ванну следует несколько охладить, выпавшие кристаллы интерметаллидов с поверхности расплава убрать, ванну нагреть до заданной температуры и ввести в нее олово в дозе, необходимой для возмещения его потерь. Кроме того, растворение паяемых материалов в припое оказывает отрицательное влияние не только на сам ход процесса, но и на качество изделий, особенно элементов с малым поперечным сечением. В этих случаях взаимодействие расплава припоев с поверхностью изделий приводит к охрупчиванию материала и утонению в местах пайки.

При лужении и пайке медных и стальных деталей погружением в расплавленный припой необходимо точно выдерживать заданный температурно-временной режим и обеспечение чистой (свободной от окислов и шлака) поверхности зеркала припоя с помощью автоматических устройств.

В промышленности применяют множество конструкций устройств для лужения и пайки погружением в ваннах, в том числе полуавтоматических и автоматических, например, для пайки погружением при вертикальном перемещении ванны. Для удаления шлака с поверхности припоя в таких устройствах применяют специальный очиститель, который укреплен на держателе ниже уровня паяемых изделий. При подъеме ванны очиститель погружается на небольшую глубину в расплав припоя и, поступательно перемещаясь, удаляет с поверхности шлаки. Затем ванна поднимается до соприкосноения зеркала припоя с изделием. После необходимой выдержки ванна возвращается в исходное положение. Далее на транспортном устройстве устанавливается новый держатель и цикл повторяется.

В большинстве случаев, особенно при лужении и пайке крупногабаритных и массивных изделий, установки выполняют со стационарными ваннами, а изделие погружают в расплавленный припой.

129

Перед пайкой детали подвергают обезжириванию и травлению и затем для улучшения качества пайки лужению и сборке узлов.

Процессу низкотемпературной пайки погружением в расплавленный припой предшествуют операции лужения и флюсования паяемых поверхностей. Для этих целей используют различное оборудование, которое может работать автономно или комплектуется с паяльными или другими агрегатами в поточном производстве изделий.

Наиболее высокий уровень развития техники для механизации и автоматизации этих процессов достигнут в производстве печатных плат и блоков. Для производства печатных плат созданы линии, выполняющие комплекс операций – нанесение флюса, предварительный подогрев, нанесение припоя, удаление его излишков, мойку и сушку.

На автоматических линиях печатные платы укладывают в магазин обрабатываемой поверхностью вниз и прижимают грузом. С помощью подающих роликов по направляющим, подталкивая друг друга, они перемещаются над рабочими узлами линии, в начале над ванной, в которой флюс с 5% раствором соляной кислоты наносится вращающимися щетками. Затем волновым способом с помощью индукционного нагнетателя наносят припой - сплав Розе. В ванне с расплавленным припоем установлен ракель из термостойкой резины для снятия излишков припоя.

При групповой автоматической пайке все выводы радиоэлементов,

устанавливаемых на печатные платы, предварительно подвергают лужению припоем ПОССу 61-0,5 или ПОС 40. Обработку выводов (флюсование, формовка, лужение) производят на специальных автоматах. Перед пайкой на установках на поверхности плат наносят флюс одним из способов: погружением, протягиванием, напылением, пеной, волной; затем его подсушивают, поскольку в состав флюса, кроме активных компонентов, входят растворители (спирт, вода), которые при соприкосновением с припоем кипят и испаряются.

Пайку печатных плат в условиях массового производства осуществляют преимущественно в потоке расплавленного припоя, создаваемого различными средствами: механическими насосами, гидростатическим давлением, гравитационными силами, электромагнитными и индукционными нагнетателями. Сущность процесса заключается в автоматической подаче жидкого припоя в жолоб или трубки с образованием волны, струи или нескольких потоков, в результате вследствие активного движения припоя по паяемой поверхности уменьшается продолжительность процесса, при быстром разогреве и ограничении ширины растекания припоя на платах снижается термоудар, коробление диэлектрика и перегрев радиоэлементов.

Главное условие пайки в потоке расплавленного припоя – создание тонкого расплавленного слоя на проводниках платы с формированием паяных соединений «скелетной» формы.

Независимо от применяемого способа пайки печатный монтаж непосредственно после пайки подвергают последующей обработке для

130