Лекция 15 Оборудование и технология печной пайки

Пайка в печах наиболее полно воплощает в себе технологические возможности и особенности самого процесса образования неразъемного соединения пайкой, обеспечивает стабильность качества соединений, в максимальной мере позволяет механизировать и автоматизировать изготовление паяных изделий и эффективна за счет групповых способов обработки изделий.

Для производства паяных конструкций из металлических и неметаллических материалов используют электропечи непрерывного действия (конвейерные печи) и полунепрерывного действия (шахтные, камерные, колпаковые, элеваторные).

Наиболее широко используют печи с контролируемыми средами, активными или нейтральными. Активные среды – восстановительные среды и газообразные флюсы; нейтральные – аргон, гелий и азот: их роль сводится лишь к защите паяемых металлов и припоев от окисления в процессе пайки. Удаление окислов с поверхности паяемых металлов происходит за счет диссоциации в средах с низким парциальным давлением кислорода и растворения кислорода в металле. Восстановительными средами являются водород, водородно – азотные смеси и продукты сгорания углеводородов.

Газообразные флюсы применяют самостоятельно и как добавки к нейтральным и восстановительным средам. Газообразные флюсы – это продукты распада хлоридов и фторидов (NH₄Cl, NH₄F, NH₄BF₄ ).

Возможность пайки в той или иной среде определяется стойкостью оксидных пленок на поверхности металлов.

Печи со средой азота оснащены устройствами для транспортировки паяемых изделий и установками для приготовления контролируемой среды. Нагревательные элементы выполнены с терморегулированием. Имеются печи с инфракрасным нагревом ОКБ-1152, ОКБ-1153 мощностью 500 и 300 квт с температурой рабочего пространства 440⁰С и 410⁰С для флюсовой низкотемпературной пайки.

Обе печи аналогичны в конструктивном оформлении: основные узлы – кожух (внутренний и наружный), нагреватели и транспортирующее устройство. В электропечи ОКБ-1152 имеются узлы для подачи азота. Паяемые изделия транспортируются посредством конвейерной ленты, которая состоит из тяговых цепей. Нагревателями в обеих конструкциях служат радиационные трубы из сплава Х25Н20 диаметром 114мм с расположенными внутри нагревательными элементами. Для обеспечения равномерного нагрева и точного поддержания заданной температуры предусмотрено регулирование.

На качество изделий оказывает влияние подготовка поверхности изделий: нанесение покрытия на поверхность деталей, термический, механический, химический или физико-химический способы очистки перед пайкой. Для серийного и массового производства изделий наиболее эффективен способ физико-химической обработки, например ультразвуковое обезжиривание. В комплект 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.

Вследствие равномерного нагрева изделий в рабочем пространстве печи и возможности дозировать припой при сборке под флюсовую пайку по технологическим схемам с покрытием и без покрытия, достигается более полное заполнение припоем паяльных зазоров под действием капиллярного давления, это обеспечивает стабильность качества изделий.

Однако 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. Ультразвуковые колебания передаются через дистиллированную воду на сосуд, в котором находится растворитель с обрабатываемыми узлами, промывку можно выполнять последовательно в нескольких ваннах. Если растворители горячие, то узлы из ванны выходят сухими, в противном случае необходима дополнительная сушка паяных изделий, например при транспортировке через сушильную камеру.

Для высокотемпературной безфлюсовой пайки изделий используют конвейерные электропечи непрерывного действия для массового крупносерийного производства стальных узлов, например головок компрессора холодильных установок.

Такие печи укомплектованы установкой для приготовления газа. Состав газа - 8-20%СО; 38-40%Н₂; 1%СН₄; 0,2%СО₂; остальное-азот. Перед камерой нагрева и за камерой охлаждения расположены форкамеры со шторками и пламенными завесами, уменьшающими расход контролируемого газа и подсос воздуха.

В полупроводниковой и электронной промышленности используют конвейерные водородные электропечи для пайки изделий в температурном интервале 900-1100 ⁰С, в том числе для получения металло-стеклянных спаев. Печи оснащены непрерывным автоматическим регулированием, на входе и выходе печей расположены азотные завесы, исключающие подсос воздуха в рабочее пространство. Собранные под пайку изделия помещают на специальные поддоны, каретки или лодочки, которые вручную устанавливают в камеру загрузки и затем толкателем продвигают в камеру нагрева.

Электропечи полунепрерывного действия целесообразно использовать для серийного производства паяных конструкций небольших размеров. Для пайки изделий в электропечах непрерывного и полунепрерывного действия используют припои с температурой плавления до 1100⁰С из-за сравнительно большой тепловой отдачи оборудования и ограниченной стойкости нагревателей. Однако такие нагревательные установки не позволяют изготавливать массивные и крупногабаритные конструкции.

Для изготовления крупногабаритных конструкций используют камерные, колпаковые и элеваторные электропечи. Регулирование температуры в шахтных печах осуществляется автоматически, печи работают с программным управлением. Пайку крупногабаритных изделий в шахтных и камерных печах с контролируемой атмосферой производят в специальных контейнерах, в которые подается газовая среда. Паяемые узлы, зафиксированные в приспособлении, устанавливают в тонкостенный контейнер, процесс протекает в среде проточного аргона с добавками газообразного флюса, получаемого в результате диссоциации фтористого аммония (NH₄F). Если при пайке активность контролируемой атмосферы недостаточна, на практике изделия предварительно отфлюсовывают.

При пайке изделий из коррозионно-стойких сталей и жаропрочных сплавов с использованием медного припоя (чистой меди) в среде диссоциированного аммиака также используют твердый флюс, предварительно наносимый на места соединений, хотя это является нарушением технологии и недопустимо при пайке этих материалов, поскольку происходит эрозия металлов под действием продуктов реакции солей. Газообразные контролируемые атмосферы следует приготавливать в специальных установках и затем направлять в контейнер.

В камерных 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 (Т_п=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.

В современной 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; самофлюсующие припои изготавливают комплексно-легированными, 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.

В таких 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.

В производстве электровакуумных приборов используют вакуумно-водородные 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 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 50 мин.

В зависимости 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 в расчете 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 в масле и отпуску; пайка рабочих колес по приведенной технологии обеспечивает σ_в = 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 двигателей, теплообменников, 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: 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 ZnCl_2.

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 пайки- 15мин.

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.