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 исходная информация об изделии, которую дает конструкторская документация в виде чертежей общего вида деталей изделия, спецификации, технических условий и объяснительной записки. Последовательность этапов проектирования и выполнения технологии не 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;

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

• о физических свойствах, вакуумной плотности, электрической проводимости;

- о химических свойствах – коррозионной стойкости в разных климатических условиях, о температуре распаивания.

На втором этапе проводят определение критериев, по которым обеспечивается технология пайки, а именно:

- выбранный способ пайки должен быть технологически совместимым с конструкционными параметрами соединения и изделия и обеспечивать термический режим пайки соединений;

- выбор термического цикла пайки изделия основывается на анализе конструкционных параметров паяного изделия, теплофизических характеристиках паяемого материала, данных об оптимальных скоростях нагрева и охлаждения паяемого металла и паяного соединения, данных о режиме пайки;

- температурный интервал пайки выбирают ниже температуры солидус 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 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 подготовке поверхности к пайке, в частности от того, какой рельеф создан на паяемой поверхности: гладкий, шероховатый или с рисками, так как 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 наиболее эффективен способ физико-химической обработки, например 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.

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 паяных конструкций и отличаются размещением соединяемых деталей, которые могут продолжать одна другую (нахлесточные, стыковые, косостыковые), пересекаться (тавровые и в угол) или касаться (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.