Консп.лекций_ПАЙКА

а

S

S1

в

в

S

а

а

S

в

S S

S

R

S1

в

Рис. 19. Типы паяных соединений и конструкционные элементы паяных швов.

а-нахлесточное; б-стыковое; косостыковое; г-втавр; д-угловое; е - сопрягаемое;

S;S1-толщина паяемого металла; в-ширина шва; а-толщина шва; R-радиус кривизны детали; -угол скоса; -угол соединения детали.

Если длина нахлестки меньше оптимальной, соединение может разрушаться по паяному шву, при длине нахлестки больше оптимальной разрушение возможно по паяемому металлу. При некоторой нахлестке lопт, в зависимости от прочности припоя в соединении и технологических факторов, которые определяют наличие и количество дефектов в паяном шве, прочность соединения становится равной прочности паяемого металла, и дальнейшее увеличение нахлестки не рационально.

81

Нахлесточные паяные соединения при правильно выбранном размере нахлестки при сборке и пайке обеспечивают равнопрочность паяного соединения с паяемым металлом.

Косостыковые соединения являются переходными между стыковыми и нахлесточными и используются при необходимости увеличения прочности паяного соединения (из-за большей площади поверхности контакта материалов).

Паяные швы могут быть замкнутыми и незамкнутыми.

Прочность таких соединений в значительной мере зависит от пластичности паяного шва, модуля упругости паяемого металла и формы поверхности шва.

Как в плоских, так и в трубчатых соединениях, при пайке тавровых или угловых соединений прочность увеличивается при увеличении площади контакта при формировании паяных соединений. В этих соединениях зазор между соединяемыми деталями устанавливается практически постоянным.

В сопрягаемых соединениях, которые касаются по линии или в точке, зазор в разных частях изменяется от капиллярного до некапиллярного, при этом зазор заполняется лишь в капиллярной части с образованием галтели паяного шва при переходе в некапиллярную часть. Такие соединения возможны только при конструировании изделий, швы в которых работают на сжатие или при небольших нагрузках.

Сборочный и паяльный зазоры выбираются в зависимости от физикохимических характеристик материалов и требований к паяным соединениям; это относится также к выбору размера нахлестки, угла скоса, созданию шероховатости паяемой поверхности.

Оптимальный размер зазора определяется комплексом факторов – конструкцией соединения, металлургическими особенностями процесса взаимодействия припоя с паяемым материалом, активностью флюса или газовой среды, состоянием поверхности паяемого металла.

Влияние размера зазора на прочность паяных соединений следующее: с уменьшением зазора прочность увеличивается, максимальная прочность достигается при зазорах до 0,1 мм.

При установлении соответствующего сборочного и паяльного зазора следует учитывать следующее:

- при проектировании нахлесточных, стыковых, тавровых, косостыковых соединений капиллярный зазор должен быть равномерным и не перекрываться, а именно не становиться бесконечно малыми или некапиллярными. Это обусловлено тем, что припои, как правило, не затекают в бесконечно малые зазоры, и все припои не затекают в некапиллярные зазоры; - при нагреве сборочный зазор может изменяться вследствие разного

коэффициента термического расширения металла. Поэтому размер сборочного зазора при пайке разнородных металлов надо выбирать с учетом

82

величины их коэффициентов линейного расширения, размеров деталей, жесткости фиксации при сборке и равномерности нагрева при пайке.

-размер зазора при капиллярной пайке различных материалов устанавливается в зависимости от состава припоя и зависит от способа удаления оксидных пленок при пайке: при флюсовой пайке капиллярный зазор следует выбирать немного большим, чем при безфлюсовой пайке, для облегчения удаления остатков флюсования, однако зазор должен быть не меньше 0,05мм.

-при величине зазора меньше 0,05 мм паяные соединения могут быть получены лишь с использованием газовых сред или вакуума;

-при низкой способности паяемого металла к пайке зазор следует увеличивать.

При равномерном нагреве соединяемых деталей из одинаковых металлов при механизированной пайке с предварительно внесенным в зазор припое ширина зазора может быть выбрана соответственно приведенным в

При проектировании паяных соединений следует принимать во внимание следующие рекомендации:

- для предотвращения образования в швах непропаев из-за растекания жидкого припоя преимущественно вдоль контура шва, в местах, где нагрев металла происходит в первую очередь, припой с высокой способностью к растеканию следует предварительно укладывать в зазор, или вводить в зазор после нагрева деталей до температуры смачивания (при локальном нагреве).

- также предварительно (в виде фольги, покрытия, пасты) следует вносить припой при пайке нахлесточных соединений с большой площадью нахлестки, сопрягаемых соединений, и при использовании припоев с широким интервалом кристаллизации, или таких, которые в жидком состоянии имеют большую способность к растеканию по поверхности паяемого металла.

83

- при конструировании деталей с плотной посадкой паяных соединений перед пайкой следует предусмотреть канавки или пазы для обеспечения затекания припоя.

Практически во всех случаях на поверхности паяных изделий имеются остатки флюса и продукты реакций взаимодействия компонентов флюса с паяемыми материалами, которые удаляют промывкой в растворителях.

От тщательности удаления таких остатков зависит эксплуатационная надежность и характеристики изделия. Очистка от остатков флюса происходит эффективнее, пока изделия не успели остыть после пайки. Особенно эффективна очистка поверхностей изделий от флюсовых остатков с применением ультразвука.

Анализ данных по трудоемкости процессов пайки показывает, что время, необходимое на подготовительные операции, составляет до 80% общей трудоемкости всего процесса, при этом весьма трудоемки операции дозированного нанесения припоя. Поэтому для массового выпуска паяных изделий целесообразно применять пастообразные припои, которые легко и достаточно быстро наносятся на места соединений вручную или с помощью различных приспособлений.

Способ сборки деталей перед пайкой предусмотрен в период конструирования узла. Наиболее экономичная сборка будет в том случае, когда взаимное размещение деталей обеспечено их конструкцией, а припой наносят предварительно, независимо от способа пайки. Для закрепления деталей перед пайкой возможно использование огнеупорной массы или вспомогательных устройств.

В практике не всегда осуществима сборка и пайка изделий без приспособлений.

Возможны две основные технологические схемы сборки и пайки изделий: применение приспособления и оснастки для сборки и взаимной фиксации деталей узла с последующей пайкой без приспособления и оснастки, и применение приспособлений и оснастки, в которых происходит последующая пайка.

В первом случае приспособление изготавливают из материалов, к которым не предъявляют высоких требований, паяльная оснастка должна

жаростойких сплавов применяют неметаллические материалы.

Например, при пайке вольфрамовых контактов со стальными кронштейнами для системы зажигания автомобиля ВАЗ с использованием медного припоя применяют многопозиционные приспособления из графита. Сначала при сборке в отверстия графитовой оснастки укладывают вольфрамовые

кронштейны под действием собственного веса плотно прилегают к паяемой поверхности.

84

Благодаря высокой теплопроводности графита, хорошей обрабатываемости резанием, небольшому коэффициенту термического расширения и значительной его стойкости к тепловым ударам, этот материал используют для изготовления паяльной оснастки. В тех случаях, когда контакт графита с паяемыми материалами недопустим, используют графит, покрытый нитридом бора. Такое покрытие характеризуется высокими диэлектрическими свойствами, термической стойкостью, устойчивостью к взаимодействию с расплавленными металлами и стеклами. Применение графитовой оснастки возможно при пайке изделий в нейтральных и восстановительных контролируемых средах при температурах до 25000С. Покрытие графита нитридом бора может быть нанесено на оснастку любой сложной конфигурации, при этом достигается достаточно высокая равномерность покрытия и возможность длительного использования.

Для защиты поверхности оснастки от смачивания припоем ее в большинстве случаев изготавливают из высокохромистых сплавов, либо из высоколегированных коррозионно-стойких сталей с последующим их окислением при нагреве на воздухе. Такие меры эффективны в тех случаях, когда между паяемыми изделиями и поверхностями оснастки установлены достаточно большие зазоры; если же оснастка является одновременно сборочно-фиксирующей и зазоры образуют капилляры, то на места контакта необходимо наносить защитные покрытия: двуокись титана (TiO2), окись алюминия (Al2O3) или окись хрома (Cr2O3).

Качество и работоспособность паяных соединений зависят от выбранного способа пайки.

Особенностью процесса пайки является отсутствие автономного плавления паяемого материала при нагреве до температуры пайки, которая не на много выше температуры плавления припоя, но всегда ниже температуры плавления материала изделия.

При пайке автономно расплавляется припой, температура начала плавления которого должна быть выше рабочей температуры при эксплуатации паяного изделия.

Это условие можно записать так:

Т1 Т2 Т3 Т4

где Т1 - температура начала плавления (температура солидус) паяемого материала; Т2 - температура нагрева детали при пайке (температура пайки); Т3 - температура начала плавления припоя (температура солидус) ; Т4 - рабочая температура эксплуатации паяного соединения.

Значение указанных параметров при разработке технологии пайки различных материалов с учетом требований физико-химических, технологических, конструкционных и эксплуатационных факторов, могут быть найдены по следующим формулам:

Т1 = Т2 + Т1 ; Т2 = Т3 + Т2 + Т3 ;

Т3 = Т4 + Т4

85

где Т1 - превышение температуры начала плавления паяемого материала над температурой пайки, значение которой принимается из условия сохранения формы изделия при нагреве в процессе пайки, 0С; Т2 - технологический фактор, который учитывает необходимость перегрева расплавленного припоя выше температуры ликвидус припоя для улучшения смачивания паяемого металла и затекания припоя в соединительный зазор,

встречающиеся случаи пайки стали 30ХГСА при использовании в качестве припоя меди при температуре Т2 =1150-11800С, а в случае газопламенного нагрева – и выше, приводит к значительному росту зерна и снижению пластических свойств стали. С другой стороны, необходимость термической обработки паяной конструкции (нагрев под закалку на температуру 9000С)

не позволяет применять припои, требующие нагрева изделия до Т2=9009500С (припои Л63, серебряные и другие). Поэтому для данного случая при проектировании технологического процесса необходимо назначать температуру в интервале 1000-10500С. В этом случае можно рекомендовать припои ВПр2 с интервалом кристаллизации 960-9800С, или ВПр4 с интервалом кристаллизации 940-9800С или другие, обеспечивающие

соответствующего припоя определяется из таких условий:

Т1 - Т1 - Т2 - Т3 Т3 Т4 + Т4.

В расчетах, принятых в практике разработки технологии пайки, введены коэффициенты, которые позволяют исключить из расчетов величины, которые невозможно учесть:

К1 = Т2 / Т1 К2= Т4 / Т3

Отношение температур, выраженное коэффициентом К2, называется гомологической температурой сплава и используется в расчетах прочности и упругости сплавов.

Значение К1 выбирают не выше 0,85 – 0,95; значение К2 выбирают в пределах 0,5 – 0,8; меньшие значения К2 отвечают большему значению прочности припоя.

К1 ≤ 0,85-0,95;

К2 ≈ 0,5-0,8

Значение Т2 выбирают в пределах 15-750С, значение Т3 обычно указано в инструкциях и справочниках по пайке, но для эвтектических припоев Т3 = 0.

86

Зная марку конструкционного материала, температуру Т1 и Т2 при выбранных коэффициентах К1 и К2, рассчитывают пределы допустимых температур начала и конца плавления припоев, по которым, пользуясь справочной литературой, выбирают тот или иной припой. Определив состав припоя и зная температуру начала его плавления Т3 и задавшись величиной К2, вычисляют допустимую температуру Т4 по формуле: Т4 = К2•Т3.

структуры металла и снижения его прочности, конкретизируют условия выбора коэффициента К1. Вводится понятие о коэффициенте разупрочнения αр, который характеризует степень перегрева паяемого металла выше температуры Тр:

Т2 Т р

р Т1 Т р

Если считать, что Т2 Тр ,то 0 ≤ αр ≤ 1, поскольку при Т2 = Тр значение αр=0, а при Т2 = Т1 величина αр = 1. Однако возможны случаи, когда Т2 < Тр, следовательно αр < 0. Принимая температуру Тр= 0,4 Тпл, при условии, что Тпл= Т1 определяем границу начала рекристаллизации технически чистых металлов: Тр= 0,4 Т1.

Сучетом этого выражения получаем:

Т2 0, 4Т1

рТ1 0, 4Т1

После подстановки Т2 =К1Т1 и соответствующих преобразований получаем:

К1=0,4+0,6 αр

Для большинства промышленных сплавов Тр= 0,8 Тпл; следовательно Тр= 0,8 Т1 , коэффициент разупрочнения

Следует обратить внимание на технологическую характеристику, которая в значительной мере определяет возможность проведения процесса пайки. Такой характеристикой является температурный интервал активности флюса или газовой среды, который определяется разницей между максимальной температурой Т5 и минимальной температурой Т6 активности флюса или газовой среды:

Т5 - Т6 = Т5

где Т5 - температурный интервал активности флюса или газовой среды. При этом необходимо обеспечить условия :

Т5 Т2 ; Т6 Т3 .

После некоторых расчетов можно определить значение

температурного интервала активности флюсующего компонента:

Т5 Т2 + Т3 .

87

При пайке температура нагрева связана с продолжительностью проведения процесса, и параметры температуры (Т2,Т5, Т6 ), является функцией времени:

Т= (t ).

Впроцессе пайки при соблюдении условий смачивания паяемой поверхности и движения по ней припоя, происходит процесс физикохимического взаимодействия на границе контактирующих фаз.

Характер и степень этого взаимодействия зависит от того, насколько легкоплавок или тугоплавок выбраный припой. Для оценки ожидаемого

взаимодействия припоя с паяемым металлом установлен критерий легкоплавкости припоя К3, значение которого определяется при сопоставлении температуры начала плавления припоя и паяемого металла: К3 =Т3 /Т1. Значение К3 может изменяться от 0 до 1, причем к легкоплавким припоям относят такие, для которых выдерживается условие 0 К3 0,4, а тугоплавкими являются те припои, для которых 0,4 К3 1,0 .

Следовательно, тот же припой может быть и легкоплавким, и тугоплавким, в зависимости от того, для пайки какого материала он используется. Паяные соединения, выполненные легкоплавкими припоями, можно подвергать многоразовой перепайке при ремонте изделия. Введение критерия К3 определяет введение мягкого или жесткого режима нагрева при пайке, который характеризуеться скоростью нагрева: Vнагр = dТ / dt.

Значение этого критерия может быть подобрано экспериментально или вычислено по соответствующим формулам.

Если 0,4 К3 1,0, то необходимо назначать жесткий режим нагрева, если же 0 К3 0,4, то допустим как жесткий, так и мягкий режимы.

Существует также связь между режимами нагрева и интервалом

жесткий режим нагрева во избежание получения некачественного паяного

соединения. Условная граница между этими режимами принята при Vнагр =100С/мин.

Вкаждом конкретном случае следует учитывать особенности теплообмена, характерные для выбранного способа нагрева. Незначительные изменения в теплообмене существенно отражаются на протекании процесса пайки и на качестве паяных соединений, особенно при низкотемпературной пайке.

Впроцессе конструирования паяного соединения необходимо учитывать неизбежные изменения величины паяльного зазора при

температуре пайки из-за термического расширения. Особенно это проявляется при производстве крупногабаритных изделий и конструкций из разнородных материалов.

Если соединяемые детали выполнены из однородных материалов, то изменение зазора при пайке составляет не более 2%.

88

При большем коэффициенте термического расширения, например охватывающей детали, паяльный зазор в процессе нагрева может увеличиться настолько, что припой будет вытекать из зазора и не поднимется по капилляру. Если же деталь с большим коэффициентом термического расширения является охватываемой, то зазор при температуре пайки может уменьшиться настолько, что возникнет натяг и припой не заполнит зазора либо возникнут опасные внутренние напряжения.

Качество паяных соединений – это совокупность их свойств, которые обуславливают успешное изготовление, эксплуатацию и ремонт изделий соответственно их назначению и заданному ресурсу. Качество изделия определяется технологичностью, от которой зависит трудоемкость изготовления, эффективность эксплуатации, надежность, безотказность, долговечность паяных изделий.

Технологичность конструкции, соответственно ГОСТ 18881-73, – это совокупность свойств конструкции изделия, которые обеспечиваются оптимальными условиями его изготовления, эксплуатации и ремонта.

Способы контроля качества паяных соединений определяются характером работы соединения и его служебными характеристиками. Лучшим методом контроля паяных соединений есть испытания их в эксплуатационных условиях.

Неразрушающие методы контроля основаны на выявлении дефектов паяных соединений и оценке степени их опасности в условиях эксплуатации. Важным является визуальный контроль паяных соединений, который разрешает обнаружить дефекты и определить причины их возникновения.

Дефекты паяных изделий делятся на дефекты заготовок и такие, которые возникают при сборке под пайку, и дефекты паяных соединений.

К дефектам паяных соединений относятся поры, шлаковые и флюсовые включения, раковины, трещины. Эти дефекты классифицируют по двум группам: дефекты, связанные с заполнением расплавом припоя зазора между соединенными деталями, и такие, которые возникают в процессе охлаждения изделия от температуры пайки и обусловлены уменьшением растворимости газов в металлах при переходе из жидкого состояния в твердый и усадочными явлениями, которые приводят к образованию газовой пористости (усадочной, диффузного и кристаллизационного происхождения). Кроме пор, к дефектам плотности относят трещины, которые возникают в металле шва, в зоне спаев ли в паяемом металле. Большую группу дефектов составляют шлаковые и флюсовые включения. Причиной возникновения неприпаев, которые начинаются в зоне спая, является неправильная конструкция паяного соединения. В таблице 2 приведена информация о причинах возникновения дефектов и рекомендации по способам их устранения. Подробно о дефектах паяных соединений и контроль качества пайки можно узнать в монографиях и справочной литературе.

89

Таблица 2. Характеристика дефектов паяных соединений

90