Консп.лекций_ПАЙКА

в соединениях могут возникать трещины, которые становятся надрезами при растяжении и изгибе.

Охрупчивание паяного соединения тем больше, чем толще слой эвтектики.

Поэтому в практике пайки стремятся максимально ограничить толщину прослойки второго металла при соединении однородных металлов, нанося еѐ гальваническим или термовакуумным напылением. Контактные покрытия, образующие хрупкие эвтектики, лучше наносить только на паяемые поверхности.

Повышение пластичности паяных швов возможно путем удаления большей части эвтектики из зазора до еѐ кристаллизации; однако для этого необходимы большие давления. Пайка в таких условиях трудно осуществима, особенно для тонкостенных изделий и изделий с замкнутыми швами.

Повышение пластичности швов возможно «разбавлением» эвтектики паяемым металлом при повышении температуры пайки существенно выше эвтектической, или готовым пластичным припоем на той же основе, что и паяемый металл. Для этого припой должен быть предварительно введен в

зазор между паяемыми металлами или нанесен на один из них, а контактный материал нанесен на припой или паяемые поверхности.

Возможно повышение пластичности паяных швов при увеличении скорости диффузии компонентов эвтектики, образующих химические соединения, из шва в паяемый металл (при контактно-реактивной диффузионной пайке), или при коагуляции включений химических соединений в процессе высокотемпературной гомогенизации паяемых соединений, или при модифицировании.

При контактно – реактивной пайке сплавов на основе алюминия между паяемыми деталями укладывают серебряные прокладки или наносят серебряное покрытие толщиной 0,05-0,12 мм, детали сжимают силой 7 – 35 МН/м2 , узел нагревают до 560 С.

При изготовлении медных радиаторов в качестве припоя применяют серебряное покрытие толщиной 0,06-0,13мм, которое наносят на штампованные пластины из медной фольги гальваническим способом или плакированием при прокатке. После штамповки и сборки набор пластин радиатора закрепляют в приспосаблении из жаростойкой стали и паяют при температуре 8000С. В результате контактного плавления образуется медносеребряная эвтектика, после кристаллизации которой образуется достаточно прочное и пластичное соединение. При контактно-реактивной пайке используют колпаковые водородные печи.

Покрытие из серебра используют при пайке сотовых панелей и узлов космических кораблей из алюминиевых сплавов и при пайки меди и еѐ сплавов со сталями: использование скоростного нагрева электроконтактным способом обеспечивает качественную пайку меди на воздухе без флюса и защитных сред по следующей технологии: на латунные детали наносят слой

71

серебра толщиной 1,5 – 6 мкм, пайку выполняют в печи с применением флюса при температуре пайки Тп=700 С.

При пайке титана и его сплавов в основном используют медные и никелевые покрытия. Лучшие результаты получают при сочетании контактно

– реактивной пайки с диффузионной, в процессе которой происходит коагуляция интерметаллидов (Ti2Ni, Cu3Ti, Cu3Ti2) и снижение их содержания в шве, что способствует повышению механических свойств соединения.

Равнопрочные соединения получают за счет увеличения площади контакта поверхностей. Например, конусное соединение труб позволяет соединить жаропрочные и тугоплавкие материалы при относительно низких температурах и получать швы с высокой температурой вторичного расплавления.

Диффузионной называется капиллярная пайка, при которой затвердевание шва происходит выше температуры солидус припоя без охлаждения из жидкого состояния. Этот процесс происходит при продолжительной выдержке для упрочнения соединения за счет диффузии компонентов припоя и паяемых металлов.

Особенностью диффузионной пайки является проведения процесса кристаллизации таким образом, чтобы обеспечить наиболее равновесную структуру паяного соединения, повысить температуру распаивания; этот способ пайки используют для повышения прочности и пластичности паяных соединений, устранения возможных образований малопластичной литой структуры, интерметаллидных прослоек, которые возникают в некоторых случаях при кристаллизации шва, для повышения коррозионной стойкости паяного шва без ухудшения физико – химических характеристик паяемого металла.

Диффузионную пайку необходимо проводить с продолжительной выдержкой как в процессе пайки при температуре образования паяного шва, так и после завершения процесса пайки при температуре ниже температуры солидус припоя.

Основными параметрами диффузионной пайки являются размер шва, температура и время процесса.

Размер шва регулируется исходным зазором и может быть снижен за счет приложения давления.

Скорость процесса может быть также увеличена за счет факторов, ускоряющих диффузию в твердой фазе – термоциклирование, применение скоростного нагрева, создание дефектной структуры поверхностных слоев паяемых материалов.

Для предотвращения образования интерметаллидов температуру пайки выбирают выше температуры плавления химических соединений.

Условие осуществления процесса диффузионной пайки – существование при температуре пайки широкой области твердых растворов либо легкоплавкой основы припоя в паяемом металле.

72

По мере выдержки при температуре пайки в соединениях из таких металлов возрастает концентрация паяемого металла и поэтому повышается его температурный интервал затвердевания, поэтому происходит процесс изотермического затвердевания шва.

Диффузионную пайку используют при соединении деталей из алюминия, магния, сталей, активных и тугоплавких металлов.

Для пайки компактного и пористого алюминия разработана технология, исключающая применение флюса и глубокое проникание припоя в поры паяемого металла.

Технология пайки заключается в нанесении на паяемые поверхности смеси порошков Al + 2 %Cu, образующих эвтектику с Тпл = 550 ОС. Пайку производят при Тп = 625 ОС в среде водорода. Эвтектика в процессе пайки в течение 30 мин. растворяется в паяемом металле, граница раздела паяемых металлов исчезает.

Правильно подбирая двойные, тройные, четвертные системы,выполняют пайку деталей из железа и меди, изготовленные методом порошковой металлургии.

Диффузионную пайку титана проводят через покрытие с медью и никелем, которые образуют эвтектику с титаном; причем предел прочности соединений в этом случае в 3 – 4 раза выше, чем при использовании серебряного покрытия. На детали из титана наносят медное покрытие толщиной 0,15мм, температура пайки Тп =1000 0С, время пайки 40 мин, шов состоит из твердого раствора меди в α-Ti и включений Ti2Cu, прочность

σ = 392-588МПа, Трасп=11900С .

При пайке коррозионно – стойкой стали с бронзой Бр.Х08 на сталь наносят никелевое покрытие толщиной 0,06…0,08мм, на бронзу наносят слой серебра толщиной 0,05-0,07мм. Режим пайки: температура пайки Тп =950-980 0С, время пайки 90 мин, усилие поджатия деталей Рп = 2,4 МПа.

При пайке магния и его сплавов (520-5700С) в среде аргона в качестве припоя используется серебро в виде покрытия, наносимого при помощи ионного напыления. При такой технологии происходит удаление оксидной пленки и снижается время пайки за счет дефектности поверхностного слоя.

Термоциклирование (циклический нагрев до Тп с последующим охлаждением на 100 ОС ниже температуры солидус припоя) позволяет также снижать общее время пайки в 1,5 раза, а время выдержки при температуре пайки – в 6 раз.

Увеличение температуры распайки является решающим при выборе диффузионной пайки при создании соединений.

При пайке деталей из вольфрама припоем системы Pt – B, имеющим температуру плавления 860 С, за счет растворения вольфрама в припое при кристаллизации образуются бориды вольфрама и температура расплавления шва возрастает до 2000 С.

Особенно целесообразно сочетание диффузионной пайки с использованием композиционных припоев.

73

Длительность tn диффузионной пайки может быть в первом приближении определена из соотношения:

tn aн2 ,

4 2 D

где ан – толщина прослойки жидкой фазы в шве в момент насыщения его компонентами основного металла, D – коэффициент диффузии металла припоя в основном металле при температуре пайки, - коэффициент, определяемый по номограмме, который зависит от концентрации диффундирующего металла СоТ на границе твердой и жидкой фаз в начальный момент взаимодействия.

Формула получена в предположении, что фронт диффузии и фазовых превращений плоский, коэффициенты диффузии в твердой фазе постоянны и удельные объемы жидкой и образующейся из нее твердой фазы одинаковы.

Длительность диффузионной пайки зависит от свойств паяемого металла и припоя, количества жидкой фазы в шве, температуры пайки, условий нанесения припоя.

Скопление слишком большого количества компонентов припоя в диффузионной зоне соединения рядом со швом может привести к снижению коррозионной стойкости паяемого соединения, увеличить его хрупкость или ухудшить физические свойства. Такая химическая неоднородность должна быть устранена при последующей гомогенизации паяного соединения.

Время диффузионной пайки при прочих равных условиях зависит от толщины паяного шва и относительного содержания в нем легкоплавкой основы припоя, с их возрастанием продолжительность процесса диффузионной пайки увеличивается.

При реактивно – флюсовой пайке припой образуется в результате восстановления металла из флюса или диссоциации компонентов флюса.

В состав флюсов для реактивно – флюсовой пайки входят легко восстанавливаемые соединения. Реакция восстановления металла из флюса

из флюса:

2Al + 3ZnCl2 = 2AlCl3 + 3Zn

Металлы, которые образуются в результате реакции, в расплавленном состоянии служат элементами припоя, а их летучие компоненты создают защитную среду и могут также способствовать отделению оксидной пленки от поверхности.

При пайке титана, алюминия, магния используют хлориды серебра, меди, никеля, олова, цинка. Изделия в соляных ваннах нагреваются непосредственно или косвенно. При непосредственном нагреве печи-ванны в зависимости от состава солей можно выполнять пайку с применением припоя

74

и без припоя; в последнем случае роль припоя выполняют продукты реакции самой соли с паяемым металлом.

Сравнивнительная активность различных металлов может быть представлена рядом напряжений, в котором каждый предыдущий металл вытесняет последующие элементы:

Li, K, Pb, Ca, Na, Mg, Be, Al, Zn, Mn, Nb, Zr, Ti, Cr, Ga, Fe, Cd, Co, Ni, Mo, H, Cu, Hg, Ag, Pt, Au

Пайка погружением в расплавы солей (реактивно-флюсовая) наиболее используется при изготовлении конструкций из алюминия и сплавов с применением готовых припоев или плакирующего слоя. Иногда используют реактивно - флюсовую пайку с образованием припоя в результате взаимодействия активных компонентов солей с паяемыми материалами.

Главная особенность и сложность пайки алюминиевых сплавов – высокая химическая и термодинамическая стойкость оксидов алюминия и магния ( при пайке сплавов, содержащих магний).

Для восстановления этих окислов практически отсутствуют газовые среды, а их диссоциация в вакууме требует разрежение свыше 10-27 мм. рт.ст. Поскольку температура плавления окислов выше 20000С, то для их удаления

Поэтому используют специальные составы расплавленных солей, в которых активную роль играют фтористые соли, в частности эвтектическое соединение 3KF•AlF3+ALF6 , состоящее из 54%AlF3 и 46%KF, при этом оптимальное содержание эвтектики не должно быть более 8-12%. Пайку алюминиевых конструкций погружением выполняют преимущественно с применением припоя эвтектического состава - силумина (Al-11,7%Si), наносимого на паяемые поверхности плакировкой или закрепляемого в процессе сборки изделий в местах пайки в виде прутков, колец, накладок.

Так как температура плавления припоя и паяемого металла близки, важную роль играет точность нагрева и регулирования температуры процесса. При пайке изделий из разнотолщинных и массивных элементов (волноводы, теплообменники) во избежание их деформации и образования слоя застывшей соли на поверхности при погружении в ванну целесообразно применять предварительный подогрев до температуры 5000С в электропечах

сплавов, а также при большом количестве соединений и в труднодоступных местах соединений, целесообразно применять пастообразные припои, изготовленные из порошков, замешанных на связке. Нанесение пастообразного припоя сокращает трудозатраты, особенно при механизированном процессе.

75

Недостатком применения пайки алюминиевых изделий погружением в расплавы солей является сложность удаления остатков флюсов, которые весьма гигроскопичны и коррозионно-активны, особенно при эксплуатации изделий в электропроводящих средах, поэтому после пайки изделие необходимо подвергать тщательной обработке. Значительно затруднено проведение этой операции при изготовлении изделий сложной формы с глубокими и глухими каналами и карманами, например волноводов, резонаторов, теплообменных аппаратов. Этот недостаток в ряде случаев ограничивает применение пайки алюминиевых сплавов погружением в соли.

В состав реактивных флюсов при пайке железа вводят окислы меди, марганца, серебра, никеля, которые при восстановлении образуют припой. В качестве восстановителей применяют гидриды. Окислы и гидриды Mn, Zn, Li, Ba, Al, Mg, Na подбирают таким образом, что уже при сравнительно низкой температуре вступают в реакцию восстановления. В результате экзотермической реакции образуются чистые металлы, свободный водород и окисел металла.

Во флюс вводят ингибиторы коррозии, катализаторы химических реакций и вещества - растворители для удаления продуктов реакции.

При производстве свертных стальных труб применяют пайку погружением в расплав хлористых солей (100%BaCl2 или 80%BaCl2 + 20%NaCl ) в печи-ванне мощностью 430 кВт. Печь-ванна имеет горизонтальное положение электродов, что обеспечивает интенсивную циркуляцию расплавленной соли под действием электромагнитных полей, благодаря чему температура равномерна по всему объему. Средняя зона, защищенная от электрического тока, предназначена для прохождения труб в процессе пайки.

Технологический процесс изготовления свертных паяных стальных труб обеспечивается поточной линией со скоростью 10м/мин следующим образом: рулоны холоднокатаной стальной ленты толщиной 0,5-0,8мм, предварительно омедненной гальваническим способом, поступают на трубоформовочный стан. Сформованные трубы разрезают на 12-ти метровые отрезки, которые проходят через расплав соли при температуре 12000С. Продолжительность пайки 7-20с в зависимости от диаметра трубы (6-12мм). В результате термообработки паяных труб в проточной воде с одновременной отмывкой солей достигается структурная однородность стали с мелкозернистой структурой и высокая чистота поверхности.

Особое значение имеет удаление остатков флюса после извлечения конструкции из ванны, иначе возникает коррозия; для предотвращения коррозии изделия обрабатывают в ультразвуковой ванне с последующим травлением в 10%-ном растворе едкого натра, промывают в холодной воде, осветляют в азотной кислоте, затем повторно промывают в холодной воде и проводят химическое токопроводное фосфотирование. Дальнейшее упрочнение конструкций достигается путем их нагрева при температуре 5600С в течение 35 мин, закалки в воде и искусственного старения. При паяльных зазорах менее 0,1 мм прочность соединений на срез составляет

76

180МПа. Равнопрочность соединений достигается при величине нахлестки равной 1,5 толщины соединяемых элементов.

Лекция 11 Основные этапы проектирования технологии пайки

Выбор оптимальной технологии пайки изделия определяется в зависимости от физико-химических, технологических, конструкционных и эксплуатационных факторов.

Технология (искусство, мастерство), это совокупность методов

изготовления и обработки материалов или изделий.

Последовательность проведения операций и переходов при выполнении технологии называется технологическим процессом.

Технологический процесс пайки изделия состоит из операций

подготовки поверхности паяемого металла и припоя, сборки под пайку, собственно процесса пайки, обработки паяного изделия после пайки и контроля качества.

Для осуществления технологии пайки необходима соответствующая

может быть случайной, так как результаты решений на каждом из этапов технологии становятся исходными данными к выполнению следующих этапов.

Первый этап – конструкторско-технологический анализ изделия,

который дает основную исходную информацию об изделии и условиях производства.

Определяется назначение изделия, его масса, марка паяемого металла и его состав, состояние и форма полуфабриката; конструкционные параметры изделия: габаритные размеры, форма, толщина стенки и коэффициент разностенности, размещение в пространстве и геометрическая форма паяных швов, их количество, общая длина и площадь; параметры паяных соединений: тип паяного соединения, форма паяемой поверхности и ее замкнутость, экономические требования, тип производства: для обеспечения эффективности производства паяных изделий при выборе припоев и вспомогательных материалов надо учитывать их стоимость, дефицитность и токсичность. Это важно в условиях массового и серийного производства, при этом надо использовать заменители дорогих и токсичных припоев и вспомогательных материалов.

К важной исходной информации относятся эксплуатационные характеристики изделия и соединения:

-информация об условиях эксплуатации изделия и ресурс его работы;

77

-о свойствах прочности паяного соединения – кратковременной и длительной прочности, ударной и вибропрочности, жаро- и холодостойкости;

-о физических свойствах, вакуумной плотности, электрической

На втором этапе проводят определение критериев, по которым

паяемого материала и вне критических температурных интервалов пайки, скоростей нагрева и охлаждения, в которых происходит недопустимое ухудшение структуры и свойств паяного соединения, или возможно распаивание швов, выполненных раньше; - выбор основы припоя проводят с учетом эксплуатационных характеристик

паяных соединений: для пайки пригодные лишь те припои, которые совместимы с паяемым металлом, то есть обеспечивают изготовление бездефектных паяных соединений; - способ активации поверхности паяемого металла выбирают с учетом

необходимости обеспечения физико-химического взаимодействия при контакте паяемого металла и припоя;

-необходимо учитывать степень химического сродства металла конструкции и припоя и интенсивность диффузных процессов на межфазной границе; при этом температура пайки должна находиться вне температурных интервалов недопустимой химической эрозии, роста химических прослоек, развития диффузионной пористости и хрупкости паяемого металла в контакте с жидким припоем;

-при значительном различии коэффициентов линейного расширения

паяемых материалов необходимо избегать несогласованных спаев, используя композиционные или высоко пластичные припои или широкие зазоры; при пайке детали из материала с большим коэффициентом линейного расширения целесообразно размещать за замкнутыми спаями и извне.

Качество паяных соединений зависит от физико – химических свойств паяемого металла и припоя, правильного выбора флюсующих сред, полноты удаления оксидной пленки в процессе флюсования и изменяется в

78

зависимости от чистоты паяемой поверхности, точности сборки соединений, температуры и продолжительности пайки.

На повышение смачивания и растекания припоя и качество паяных соединений существенно влияют шероховатость поверхности паяемого металла, правильное закрепление припоя при сборке деталей, способ нанесения флюсующего компонента, ограничение слишком интенсивного растекания припоя с помощью специальных паст.

С увеличением температуры пайки выше оптимальной увеличивается растворимость паяемого металла в расплаве припоя, может возникнуть эрозия в паяном соединении, но при увеличении температуры и продолжительности выдержки при пайке в определенной степени повышается прочность паяных соединений за счет увеличения количества компонентов паяемого металла в шве.

Для обеспечения при пайке взаимодействия паяемого металла и припоя необходима операция подготовки поверхностного слоя:

предварительное удаление с паяемого металла и припоя жиров, окалины и толстых неметаллических, в том числе оксидных пленок или пленок, которые образованы в процессе химико-термической обработки и которые не могут быть удалены при пайке с помощью флюсов или активных газовых сред. Чем более тщательно проведена подготовка перед пайкой, тем более высоким будет качество паяных соединений. Характеристики прочности паяных соединений изменяются в зависимости от механической обработки при

шероховатость поверхности и нанесение насечек способствуют повышению механических свойств паяных соединений.

Подготовка поверхностного слоя паяемого металла и припоя к пайке состоит из обезжиривания и очистки поверхности от неметаллических пленок. Удалять неметаллические пленки можно механической обработкой или химической обработкой (обработкой деталей перед пайкой в специальных растворах). Для химического удаления неметаллических пленок характерны несколько переходов: травление, промывка, нейтрализация остатков травления, осушение.

Для серийного и массового производства изделий

эффективен способ физико-химической обработки, ультразвуковое обезжиривание.

Например, при печной пайке в комплект установки (печи) входит двухпозиционное моющее устройство, состоящее из двух ванн: в одну ванну встроен универсальный пьезоэлектрический преобразователь, служащий источником ультразвуковых колебаний в моющей среде (водном растворе мыла, щелочи, едкого натра); интенсификация процесса обезжиривания деталей достигается введением поверхностно-активных веществ. Во второй ванне происходит окончательная отмывка деталей под пайку. Для подготовки под пайку ответственных деталей при ультразвуковой обработке применяют трихлорэтилен и фреон.

79

Операция нанесения покрытия также относится к подготовке поверхности паяемого металла перед пайкой, эту операция возможно выполнять разными способами: термовакуумним напылением, гальваническим способом, ионным, плакированием.

Технологические покрытия наносят для улучшения процесса пайки трудно паяемых металлов и при пайке неметаллических материалов (графита, керамики и др.). Назначение технологического покрытия (медного, никелевого, серебряного) состоит в улучшении смачивания и предотвращении нежелательного растворения паяемого металла в припое; в процессе пайки покрытие полностью растворяется в расплавленном припое.

Барьерные покрытия наносят на поверхность для ограничения взаимодействия припоя и паяемого металла.

Величина зазора при сборке и пайке соединений является важным конструкционным признаком, по которому классифицируют способы пайки по механизму образования паяного соединения.

По этому признаку способы пайки распределяют на капиллярную и некапиллярную пайку. Затекание припоя в капиллярные зазоры происходит под действием капиллярного давления при смачивании паяемого металла, при некапиллярной пайке заполнения зазора возможное лишь под действием внешних сил: тяжести, электромагнитных сил, сниженного давления в зазоре.

При капиллярной пайке используют лишь некоторые типы соединений, (ГОСТ 19249-73), которые являются основными элементами реальных

(сопрягаемые). Поверхность спая может быть плоской или криволинейной

(рис.19).

Нахлесточные паяные соединения наиболее распространены при проектировании паяных конструкций, поскольку изменяя величину перекрытия соединяемых элементов, возможно влиять на характеристики прочности соединений.

Расчет размера нахлестки проводят с учетом характеристик прочности паяемого металла и припоя и конструкционных характеристик изделия по следующим формулам :

где F - площадь поперечного сечения паяемого элемента; зр - предел прочности на срез паяных нахлесточных соединений; b - ширина соединяемых элементов; R - радиус трубы в телескопических трубчатых конструкциях, l- длина нахлестки.

80