Лекция16 Технология и оборудование для пайки погружением

Особенность процесса пайки погружением состоит в том, что нагрев изделий происходит в сравнительно короткий промежуток времени за счет непосредственного контакта поверхностей деталей с теплоносителем, который одновременно является защитной среды (при погружении в расплавленный припой), защитной среды и флюсом (при погружении в соли).

Поэтому пайка погружением является высокопроизводительным способом соединения различных материалов, применяемым с наибольшим эффектом при массовом выпуске изделий. Этот способ используется при производстве печатного монтажа, узлов электрооборудования, при изготовлении консервной тары в пищевой промышленности, алюминиевых и стальных теплообменных аппаратов различного назначения, режущего и бурового твердосплавного инструмента.

Пайка погружением в расплавленные припои разделяется на низкотемпературную и высокотемпературную.

Низкотемпературная пайка разделяется на пайку погружением в расплавленный припой и волной припоя.

Наиболее простая ванна с электроподогревом для лужения и пайки изделий погружением представляет собой корпус из коррозионно- стойкой стали, в котором находится расплавленный припой. Между внешним кожухом и корпусом находится теплоизолирующий материал, где нагреватели размещены таким образом, что средняя часть ванны имеет более высокую температуру, обеспечивающую конвекцию расплава. Ванны оснащены терморегулирующей аппаратурой для поддержания температуры припоя в заданном интервале. В ряде случаев с целью стабилизации процессов продолжительность погружения обеспечивается с помощью реле времени и звуковой или световой сигнализации. Это имеет особое значение для лужения и пайки наиболее массовых деталей из меди и ее сплавов оловянно-свинцовыми припоями, потому что при контакте меди с расплавленным оловом или оловянно-свинцовым припоем мгновенно вследствие химической реакции (реактовной диффузии) образуется интерметаллидное соединение Cu₆Sn₅ в виде игловидных кристаллов, вызывающих охрупчивание паяных соединений. Поэтому процесс лужения и пайки с целью повышения производительности и качества изделий следует проводить с максимальной скоростью и на минимальной температуре физико-химического взаимодействия (Т_п =Т_см). В результате при погружении особенно массивных изделий в расплавленный припой скоростные процессы можно обеспечить только с применением предварительного подогрева, так как иначе нужны длительные выдержки или значительное повышение температуры припоя в ванне. Постоянный контакт меди с расплавом оловянно-свинцового припоя приводит к снижению содержания олова в ванне, в результате повышается температура плавления припоя. Поэтому возникает нелегкая задача стабилизации состава ванны, так как дальнейшее повышение температуры ведет к более интенсивному образованию интерметаллидных соединений и их растворению в жидкости. Когда содержание интерметаллидов в припое начнет вызывать понижение его подвижности, ванну следует несколько охладить, выпавшие кристаллы интерметаллидов с поверхности расплава убрать, ванну нагреть до заданной температуры и ввести в нее олово в дозе, необходимой для возмещения его потерь. Кроме того, растворение паяемых материалов в припое оказывает отрицательное влияние не только на сам ход процесса, но и на качество изделий, особенно элементов с малым поперечным сечением. В этих случаях взаимодействие расплава припоев с поверхностью изделий приводит к охрупчиванию материала и утонению в местах пайки.

При лужении и пайке медных и стальных деталей погружением в расплавленный припой необходимо точно выдерживать заданный температурно-временной режим и обеспечение чистой (свободной от окислов и шлака) поверхности зеркала припоя с помощью автоматических устройств.

В промышленности применяют множество конструкций устройств для лужения и пайки погружением в ваннах, в том числе полуавтоматических и автоматических, например, для пайки погружением при вертикальном перемещении ванны. Для удаления шлака с поверхности припоя в таких устройствах применяют специальный очиститель, который укреплен на держателе ниже уровня паяемых изделий. При подъеме ванны очиститель погружается на небольшую глубину в расплав припоя и, поступательно перемещаясь, удаляет с поверхности шлаки. Затем ванна поднимается до соприкосноения зеркала припоя с изделием. После необходимой выдержки ванна возвращается в исходное положение. Далее на транспортном устройстве устанавливается новый держатель и цикл повторяется.

В большинстве случаев, особенно при лужении и пайке крупногабаритных и массивных изделий, установки выполняют со стационарными ваннами, а изделие погружают в расплавленный припой. Перед пайкой детали подвергают обезжириванию и травлению и затем для улучшения качества пайки лужению и сборке узлов.

Процессу низкотемпературной пайки погружением в расплавленный припой предшествуют операции лужения и флюсования паяемых поверхностей. Для этих целей используют различное оборудование, которое может работать автономно или комплектуется с паяльными или другими агрегатами в поточном производстве изделий.

Наиболее высокий уровень развития техники для механизации и автоматизации этих процессов достигнут в производстве печатных плат и блоков. Для производства печатных плат созданы линии, выполняющие комплекс операций – нанесение флюса, предварительный подогрев, нанесение припоя, удаление его излишков, мойку и сушку.

На автоматических линиях печатные платы укладывают в магазин обрабатываемой поверхностью вниз и прижимают грузом. С помощью подающих роликов по направляющим, подталкивая друг друга, они перемещаются над рабочими узлами линии, в начале над ванной, в которой флюс с 5% раствором соляной кислоты наносится вращающимися щетками. Затем волновым способом с помощью индукционного нагнетателя наносят припой - сплав Розе. В ванне с расплавленным припоем установлен ракель из термостойкой резины для снятия излишков припоя.

При групповой автоматической пайке все выводы радиоэлементов, устанавливаемых на печатные платы, предварительно подвергают лужению припоем ПОССу 61-0,5 или ПОС 40. Обработку выводов (флюсование, формовка, лужение) производят на специальных автоматах. Перед пайкой на установках на поверхности плат наносят флюс одним из способов: погружением, протягиванием, напылением, пеной, волной; затем его подсушивают, поскольку в состав флюса, кроме активных компонентов, входят растворители (спирт, вода), которые при соприкосновением с припоем кипят и испаряются.

Пайку печатных плат в условиях массового производства осуществляют преимущественно в потоке расплавленного припоя, создаваемого различными средствами: механическими насосами, гидростатическим давлением, гравитационными силами, электромагнитными и индукционными нагнетателями. Сущность процесса заключается в автоматической подаче жидкого припоя в жолоб или трубки с образованием волны, струи или нескольких потоков, в результате вследствие активного движения припоя по паяемой поверхности уменьшается продолжительность процесса, при быстром разогреве и ограничении ширины растекания припоя на платах снижается термоудар, коробление диэлектрика и перегрев радиоэлементов.

Главное условие пайки в потоке расплавленного припоя – создание тонкого расплавленного слоя на проводниках платы с формированием паяных соединений «скелетной» формы.

Независимо от применяемого способа пайки печатный монтаж непосредственно после пайки подвергают последующей обработке для предотвращения коррозии, ухудшения электрических параметров. Для очистки и промывки используют различные растворители и составы, способные растворять остатки флюсов и продукты флюсования, в массовом производстве желательно применение моющих средств, способных к регенерации.

Изготовление металлической консервной тары осуществляется на автоматических паяльных станках. Для этого используют белую консервную горячего и электролитического лужения листовую и рулонную жесть толщиной 0,17-0,38 мм из стали 08кп. При горячем лужении ее покрывают с двух сторон оловом толщиной 2,0 мм, а при электролитическом – в 5 раз тоньше. На автоматических линиях производят штамповку, формовку и подгиб двух противоположных кромок, смазку их флюсом (раствором канифоли в спирте). После сцепления кромок и склепывания продольного шва изделие с постоянной скоростью перемещается вдоль паяльной части автоматической линии. Пайка продольного шва осуществляется с помощью вращающегося паяльного вала, погруженного до половины в ванну с расплавленным припоем ПОС10. Особенность процесса состоит в том, что вращающийся вал несет на себе сравнительно тонкий слой расплавленного припоя и, соприкасаясь с поверхностями корпуса, прогревает и пропаивает шов, а избыток припоя удаляется непрерывно вращающимся матерчатым диском и сбрасывается в специальное устройство. Для уменьшения потерь припоя от угара и предотвращения образования шлака и прочих загрязнений зеркало ванны зачищают флюсом на основе хлористого цинка.

Наряду с низкотемпературной пайкой погружением в расплавленный припой производят пайку изделий в средне - и высокоплавких припоях. Изделия, подготовленные к пайке, погружают частично или полностью, в случае частичного погружения изделий припой заполняет зазоры за счет капиллярного давления, при полном погружении заполнение зазоров происходит за счет капиллярных явлений и выдавливания воздуха и флюса жидким припоем под действием гравитационных сил.

Стальные изделия паяют в расплавах латунных припоев, покрытых слоем флюса толщиной от 12 до 25 мм, состоящего из 75% буры и 25% борной кислоты. Подготовленные под пайку изделия собирают с зазорами 0,03-0,1 мм прихватками сваркой. После предварительного подогрева до температуры 150-200⁰С их погружают в ванну, выдерживают 20-40с, в зависимости от массы изделия, при температуре 950⁰С. Предварительный нагрев необходим для полного удаления влаги, остатки которой могут привести к выбросу жидкого припоя из ванны, и для ускорения самого процесса пайки, а также уменьшения потерь припоя и флюса. При погружении изделий в расплавленные латуни происходит изменение состава ванны из-за частичного испарения цинка, поэтому для выравнивания состава в ванну периодически добавляют цинк (либо латунь с более высоким содержанием цинка). В результате неизбежного растворения железа в расплавленной латуни состав ванны периодически контролируют, не допуская содержания железа свыше 1%, так как при более высоком его содержании стабильность процесса нарушается. Для уменьшения тепловых потерь над поверхностью ванны устанавливают тепловые экраны.

Пайку твердосплавных буровых коронок и резцов производят погружением в расплавленный припой Л63 на комплексно-механизированных линиях. Коронки диаметром 32-60 мм армируют твердыми сплавами ВК15 и ВК88, а резцы ВК6В. Корпуса колонок изготавливают из сталей 35ХГСА иУ8А. Корпус резца - сталь 45. В состав комплексно-механизированных линий входят роторный стол с подвесками, индуктор для предварительного нагрева инструмента, тигель с расплавленным припоем и флюсом, обогреваемый ТВЧ, механизмы подачи и дозирования припоя и буры в тигель, селитровая ванна с вращающимся барабаном для изотермической закалки инструмента, ванна для промывки в горячей воде, два пластинчатых транспортера, источники питания и пульты управления.

В тигле расплавленная бура покрывает припой толщиной 15-30 мм, уровень флюса поддерживается автоматически подачей прокаленной буры из бункера-дозатора. Припой подается в виде проволоки диаметром 2 мм из бухты специальным механизмом с автоматическим циклом дозирования в зависимости от его уровня. Технологический процесс пайки твердосплавного инструмента выполняется в такой последовательности: навешивают инструмент на подвески роторного стола, производят индукционный предварительный нагрев; паяют путем медленного погружения инструмента через слой расплавленной буры в латунь; извлекают инструмент из ванны и сбрасывают паяные изделия с подвесок на транспортер и подают к закалочной ванне; производят термообработку и промывку в ванне с горячей проточной водой. В массовом производстве более целесообразна операция флюсования в отдельной ванне (для экономии флюса) после предварительного подогрева изделия. По такой схеме часть флюса с изделием поступает в ванну с припоем, обеспечивая постоянную защиту зеркала расплава от окисления.

Погружением в расплавленный припой паяют также изделия из коррозионно-стойких сталей. Например для соединений лопаток из коррозионно- стойкой аустенитной стали с дисками, изготовленными из низко- или среднеуглеродистой стали, узлы погружают в расплав латуни, содержащей 30% цинка. Конструкции с максимальными зазорами 0,8 мм собирают, скрепляя стальной проволокой; предварительно подогретые узлы погружают в ванну с расплавленной бурой и затем перемещают в тигель с припоем. Узлы извлекают с задержкой в слое флюса для обеспечения стекания излишков расплавленного припоя; после охлаждения на воздухе оставшуюся пленку флюса удаляют травлением в растворе кипящей 3% азотной кислоты с добавлением ингибиторов.

Рассмотренные случаи пайки изделий погружением в расплавленный припой хотя и весьма эффективны, но имеют и недостатки, так как характеризуются большим расходом припоев и требуют постоянного контроля и корректировки состава ванн в результате растворно-обменных процессов, протекающих между припоями и материалом изделий.

Пайка погружением в расплавленные соли. Изделия в соляных ваннах нагреваются непосредственно или косвенно. При непосредственном нагреве печи-ванны в зависимости от состава солей паяют с применением припоя и без припоя; в последнем случае роль припоя выполняют продукты реакции самой соли с паяемым металлом.

Печи - ванны по конструктивному оформлению подразделяются на тигельные, электродные однофазные с циркуляцией соли, прямоугольные электродные и электродные трехфазные. Печи - ванны состоят из металлического несущего корпуса, в котором помещена теплоизоляция, огнеупорная кладка с вмонтированными в нее электронагревателями. В нагревательное устройство помещен тигель с крышкой, а для измерения температуры расплава соли служит коленчатая термопара. Испарения, выделяющиеся в процессе работы, удаляются с помощью вытяжной вентиляции через зонты, монтируемые совместно с корпусом ванны.

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

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

Для крупносерийной и массовой пайки изделий из алюминиевых сплавов, а также при большой плотности соединений в труднодоступных местах целесообразно применять пастообразные припои, изготовленные из порошков, замешанных на связке. Нанесение пастообразного припоя сокращает трудозатраты, особенно при механизированном процессе путем раздельной подачи смеси порошкообразного припоя и связующего раствора с помощью специального устройства.

Недостатком применения пайки алюминиевых узлов 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 в волноводах, резонаторах, теплообменных аппаратах. Этот недостаток в ряде случаев ограничивает применение пайки алюминиевых сплавов погружением в соли.

Преимущества пайки погружением в расплавленные припои и соли не всегда могут быть использованы при прямом нагреве в жидких средах, например в случаях пайки активных металлов, когда недопустим контакт со средой.

Поэтому процессы пайки изделий из таких металлов осуществляют с косвенным погружением в расплавы солей; для этой цели герметичный контейнер с изделием, в который подается контролируемая среда, погружают в ванну с расплавленной солью, нагретой до заданной температуры. При таком способе можно осуществлять пайку не только в газовой среде, но и в вакууме. Важное преимущество пайки погружением - малая металлоемкость контейнера благодаря наличию на его поверхности пленки соли, защищающей от окисления. Это позволяет изготавливать контейнеры из тонколистовых (толщиной 0,3-1 мм) низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Постоянная защита контейнера от окисления коркой соли повышает срок его эксплуатации по сравнению с контейнерами, которые в процессе пайки контактируют с воздушной средой.

Возможность скоростного и равномерного нагрева контейнера в солях хорошо реализуется при пайке изделий из титана и его сплавов. Например, лопатки направляющего аппарата из сплава ВТ3-1 припоем ПСр72ЛМН паяют в проточном техническом аргоне с небольшим избыточным давлением в стальном контейнере погружением в ванну с расплавом хлористого бария (BaCl₂) при температуре 880⁰С в течение 2 мин. Ограничение продолжительности процесса позволяет не только предотвратить охрупчивание соединения, но и избежать роста зерен паяемого материала; это чрезвычайно важно в тех случаях, когда нет возможности применить контактно-реактивную диффузионную пайку по покрытиям из-за сложной конфигурации соединяемых элементов и трудности обеспечения необходимых минимальных зазоров даже за счет поджатия. Этим обусловлено применение серебряного припоя, температура ликвидус которого ниже температуры рекристаллизации сплава ВТ3-1, а температура солидус – выше температуры, обеспечивающей его смачивание и формирование соединения. При кратковременном контактировании припоя с паяемым металлом образуется барьер из тонкого слоя интерметаллидов, ограничивающий их дальнейшее взаимодействие и расширение хрупкой диффузионной зоны.

Литература

1. Петрунин И.Е., Маркова И.Ю., Екатова А.С. Металловедение пайки. М. Металургия 1976. – 264с.

2. Петрунин И.Е. Физико-химические процессы при пайке. М. «Высшая школа» 1972. –280с.

3. Петрунин И.Е., Лоцманов С.Н., Николаев Г.А. Пайка металлов. М. Металургия. 1973. –280с.

4. Лашко Н.Ф., Лашко С.В. Пайка металлов. М. Машиностроение, 1977. –328с.

5. Лашко Н.Ф., Лашко С.В. Пайка металлов. М. Машиностроение, 1988. –376с.

6. Лашко Н.Ф., Лашко С.В. Контактные металлургические процессы при пайке и напайке металлов. М. Металлургия, 1977. –245с.

7. Хансен М, Андерко К. Структура двойных сплавов. М. Металлургиздат, 1962. –1488с.

8. Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание. М. Химия 1974. –414с.

9. Никитин В.И. Физико-химическое явление при воздействии жидких металлов на твердые. М: Атомиздат 1967. –213с.

10. Вол А.Е. Строение и свойства двойных металлических систем – М. Физматиздат 1962. –735с.

11. Корнилов И.И. и др. Металлохимические свойства элементов периодической системы. Монография – справочник. –М. Наука. 1966. –356с.

12. Справочник по пайке. Под ред. Петрунина И.Е. М: Машиностроение. 1984.-398с.

13. Френкель Я.И. Введение в теорию металлов. Под ред. С.В. Вонсовского. Изд. 4-е –Л.: Наука. 1972. –427с.

14. Гржимальский П.П. Ильевский И.И. Технология и оборудование пайки. –М: Машиностроение. 1979. –240с.

15. Флемингс М. Процессы затвердевания пер. с англ. –М, Мир. 1977. –424с.

16. Морачевский А.Г. Физико-химические свойства жидких металлов и сплавов . –Л: изд. ЛПИ, 1986. –80с.

18. Лариков Л.Н., Исайчев В.И. Диффузия в металлах и сплавах. Справочник АН УССР Институт металлофизики – Киев. Наукова думка 1987. –509с.

19. ГОСТ 17349-79.Пайка. Классификация припоев.

20. ГОСТ 19248-73. Припои. Классификация.

21. ГОСТ 19250-73. Флюсы паяльные. Классификация.

22.ГОСТ 20485-75. Пайка. Контроль определения заполнения зазора припоем.

23.ГОСТ 19249-73. Соединения паяные. Основные типы и параметры.

24.ГОСТ 24715-81. Соединения паяные. Методы контроля качества.

25.ГОСТ 23178-78. Флюсы паяльные высокотемпературные фторборатно- и боридно - галагенидные. Технические условия.

26.ГОСТ 17325-79. Пайка и лужение. Основные термины и определения.

Приложение