Лекция 10 Способы капиллярной и некапиллярной пайки

Выбор способа пайки определяется многими факторами, а именно:

- физическими свойствами материала (температурой плавления и кипения, теплопроводностью и др.), его химическим составом и свойствами (в частности химической активностью легирующих элементов), паяемостью, толщиной паяемого материала, длиной и конфигурацией соединений, размещением и доступностью соединений при пайке, точностью сборки под пайку, возможностью транспортировки изделия, программой выпуска изделий, типом производства, материальными затратами, потому что при проектировании технологии пайки конкретного изделия надо принимать во внимание технико-экономические характеристики способов пайки и наиболее рациональные области их использования.

В соответствии с ГОСТ 17349-79, способы пайки классифицируют по следующим характеристикам:

По методу удаления оксидной пленки: абразивная, кавитационно-абразивная, флюсовая, в активной или нейтральной контролируемой атмосфере, вакуумная.

По источникам нагрева: печная, индукционная, погружением (в расплавленный припой, расплавы солей); электросопротивлением, паяльником.

Основным фактором при выборе способа пайки необходимо считать физико-химические свойства паяемого материала, поэтому сначала определяют способ пайки по механизму образования спая.

По механизму образования паяного соединения и условиям заполнения паяльного зазора способы пайки распределяются на капиллярную пайку и некапиллярную пайку. Способы капиллярной пайки следующие: готовым припоем, диффузионная, контактно-реактивная, реактивно-флюсовая.

При капиллярной пайке расплавленный припой заполняет зазор и удерживается в нем под действием капиллярных сил. Размер зазора устанавливается в пределах и определяет структуру, химический состав паяного шва, механические свойства соединения, экономичность процесса пайки, дефектность структуры, протекание ликвационных процессов.

Зазоры распределяются на большие (0,2-0,7 мм), номинальные (0,05-0,2 мм) и малые ( ). 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.

При пайке готовым припоем основным требованием является обеспечение процессов физико-химического взаимодействия на границе контакта твердой и жидкой фаз: смачивания, растекания, процессов растворно-диффузионного взаимодействия.

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.

Контактным плавлением называется переход в жидкое состояние приведенных в контакт разнородных твердых веществ при температуре ниже их точек плавления.

Основные системы компонентов, используемых при диффузионной и контактно-реактивной пайке, следующие:

Al-Zn; Al-Ge; Al-Si; Al-Be; Ag-Si; Ag-Cu; Ag-Ga; Sn-Bi; Pb-Bi; Ti-Bi; Cu-P; Ag-Be; Cu-B; Fe-C; Au-Sb; Zn-Bi.

Явление контактного плавления возможно лишь при нагреве контактирующих веществ выше температуры образования эвтектики или выше температуры плавления наиболее легкоплавкого сплава системы с минимумом на кривой ликвидус.

Процесс контактного плавления включает три стадии:

1) подготовительную стадию, при которой на границе контактирующих металлов возникает слой твердого раствора или химических соединений;

2) стадию образования жидкой фазы; 3) стадию плавления твердых контактирующих фаз.

На первой стадии взаимодействия при контактно – реактивной пайке проходит диффузия компонентов в объем твердых металлов, которая проходит до тех пор, пока концентрация второго компонента в поверхностных слоях взаимодействующих металлов не достигнет равновесного предела растворимости при данной температуре.

По достижении определенной степени насыщения твердого раствора диффундирующим компонентом начинается образование жидкой фазы - вторая стадия контактного плавления. Жидкая фаза образуется по границам зерен и дефектам структуры, это объясняется более высокими значениями коэффициента диффузии по границам зерен, чем в объем зерна. Образование жидкого расплава по границам зерен обычно происходит со стороны того из контактирующих металлов, в котором растворимость другого металла мала, или же в нем достаточно много растворимых примесей. Более всего активно диффузия протекает в сторону компонента, который имеет большую растворимость.

Третья стадия – плавление - наступает тогда, когда пересыщение твердого раствора происходит в определенном объеме контактирующих металлов, большем некоторой критической величины.

Контактно – реактивное плавление начинается обычно от мест неровностей на контактирующих поверхностях, поэтому фронт плавления состоит из отдельных сегментов, а потом выравнивается в общую линию.

При подготовке паяемых металлов перед контактно – реактивной пайкой возможны следующие варианты сборки.

При соединении разнородных металлов А и В, способных к контактно – реактивному плавлению (рис.16):

а) при непосредственном контакте материалов; б) при контакте материалов через прослойку С, не вступающую в контактно – реактивное плавление с А и В, для предотвращения изменения размеров и формы соединяемых деталей при температуре пайки; прокладку покрывают тонким слоем материала В со стороны детали состава А и материала А со стороны детали состава В; такая прокладка гарантирует от недопустимого развития химической эрозии паяемых материалов.

в) при контакте через слой припоя M_пр и покрытие А и В; при укладке в зазор между материалами А и В припоя M_пр, и нанесении на него или прилегающий к нему материал (например А) другого контактирующего материала (например В), происходит активирование поверхности паяемых деталей.

Рис.16. Схема сборки под пайку при соединении разнородных металлов А и В, способных к контактно – реактивному плавлению

Контактно-реактивную пайку можно проводить в двух режимах – стационарном и нестационарном. При стационарном режиме под действием давления, прилагаемого к контактирующим элементам, происходит непрерывное удаление избытка образующейся жидкой фазы, и толщина жидкой прослойки поддерживается постоянной. При нестационарном режиме толщина жидкой прослойки с течением времени непрерывно возрастает вследствие растворения контактирующих веществ в жидкой фазе. Обычно процесс контактно-реактивной пайки ведут в стационарном режиме, во избежание расширения капиллярного зазора и вытекания из него жидкой фазы.

При контактно – реактивной пайке деталей из однородного материала А контактирующий материал В можно применять в виде покрытия, прокладки или в виде смеси порошков (волокон), помещаемых в зазор. Схемы расположения деталей при контактно – реактивной пайке одинаковых материалов следующие: а) через прослойку или покрытие контактно плавящегося металла, ; б) через смесь порошков; в) через прослойку припоя и покрытие; г) через прокладку и покрытие.

Рис.17. Схема сборки под пайку при соединении однородных металлов А.

При сборке с использованием смеси порошков время выдержки при температуре пайки не ограничено, поскольку процесс контактно – реактивного плавления автоматически заканчивается после полного использования прослойки из материала В, толщина которой может быть заранее определена.

При малой пластичности образующейся эвтектики А – В она может быть разбавлена припоем M_пр; тогда контактирующий материал В наносят предварительно на паяемые участки материала А или на фольгу припоя. Возможна сборка и контактно – реактивная пайка деталей из материала А при сборке с некапиллярным зазором через прокладку из материала Д, на которую наносять контактирующий металл В; назначение прокладки Д – убрать часть зазора.

При соединении однородных материалов С, не вступающих в контактно – реактивное плавление с материалами А и В, пайка может быть осуществлена с прослойками (или прокладками) или смесью порошков

( или волокон) из материалов, которые могут контактно плавиться (А и В); при сборке с некапиллярным зазором – из контактно плавящихся металлов А и В или смеси порошков из А и В и наполнителя С.

Рис. 18. Схема сборки под пайку при соединении материалов, не способных к контактно – реактивному плавлению

Пайку проводят под небольшим давлением на соединяемые детали, позволяющим фиксировать требуемый зазор. Наносимые контактные покрытия А и В предохраняют поверхности паяемого металла и припоя от окисления при нагреве.

Количество образующейся жидкой фазы можно регулировать изменением времени контакта, толщиной покрытия или прокладок; процесс контактно - реактивного плавления прекращается после расходывания одного из контактирующих материалов.

Паяные швы, образованные эвтектиками, содержащими хрупкие химические соединения, имеют пониженную пластичность и прочность, 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 её 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 её 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 медно-серебряная 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 её 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 серебра толщиной 1,5 – 6 мкм, пайку выполняют в печи с применением флюса при температуре пайки Т_п=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.

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 Т_пл = 550 ^ОС. Пайку производят при Т_п = 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 Т_п =1000 ⁰С, время пайки 40 мин, шов состоит из твердого раствора меди в α-Ti и включений Ti₂Cu, прочность σ = 392-588МПа, Т_расп=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 Т_п =950-980 ⁰С, время пайки 90 мин, усилие поджатия деталей Р_п = 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 Т_п 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.

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

,

где а_н – 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 Со^Т 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 протекает по следующей схеме: ,где - галогенид металла в флюсе, -паяемый металл, , - соединение, которое образуется, обычно летучее; металл, который восстанавливается 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.

Другой реакцией является разложение солей и соединений , которые входят в состав флюса, по реакции: .

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 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 при температуре ниже температуры плавления паяемого материала необходимы активные химические реакции.

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 или специальных нагревательных устройствах.

Качество паяных соединений изделий, изготовленных из алюминиевых сплавов погружением в расплавы солей, в значительной мере зависит от состава ванны.

При крупносерийной и массовой пайке изделий из алюминиевых 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.

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