Пайка металлов. Сварка пластмасс и склеивание

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ АБУ РАЙХАНА БЕРУНИ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплинам «Пайка металлов» и «Сварка пластмасс и склеивание»

для подготовки магистров по специальности

5А 522701 - «Машины и технология сварочного производства»

Абралов М.А.

Дуняшин Н.С.

ТАШКЕНТ - 2002

УДК 621.791.1

Конспект лекций по дисциплинам «Пайка металлов» и «Сварка пластмасс и склеивание» для подготовки магистров по специальности 5А 522701 «Машины и технология сварочного производства»/ ТашГТУ; Абралов М.А., Дуняшин Н.С. Ташкент, 2002. 117с.

Курс «Пайка металлов» по учебному плану читается на 1 семестре магистратуры. В этом конспекте изложены основные вопросы теории и элементов технологии современных процессов пайки в объеме, необходимом для изучения студентами высшего специального заведения по специальности магистратуры 5А 522701 «Машины и технология сварочного производства»

Курс «Сварка пластмасс и склеивание» по учебному плану читается на 3 семестре магистратуры. В данной работе освещены основные вопросы теории и элементов технологии современных процессов сварки пластмасс и склеивания в объеме необходимом для изучения студентами высшего специального заведения по специальности магистратуры 5А 522701 «Машины и технология сварочного производства»

Кафедра «Машины и технология сварочного производства»

Печатается по решению редакционно-издательского совета Ташкентского государственного технического университета

Рецензент: главный сварщик ГАО ТАПОиЧ Сорокин Г.В.

© Ташкентский государственный технический университет, 2002

ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

Введение

Пайка является наиболее древним способом соединения металлов. На основе археологических раскопок установлено, что человек достаточно хорошо владел им еще 3 - 5 тысяч лет назад. Так, при раскопках на территории древнего Египта были найдены паянные медно-серебряным припоем трубы и паяные изделия.

На территории СНГ также было найдено большое количество самых различных паяных изделий, относящихся к глубокой древности. Обычно это оружие, предметы домашнего обихода и украшения - особенно в древней Руси, на Южном Урале и Украине (г. Киев).

В развитие пайки металлов огромный вклад внесли русские ученые. Так, например, М.В. Ломоносов впервые наблюдал и описал явление спаивания металлов в разряде атмосферного электричества. Д.И Менделеев в своем труде «Основы химии» первым дал объяснение процесса флюсования при пайке с применением в качестве флюса хлористого цинка.

В XVIII и XIX вв. в связи с развитием промышленности пайка вышла за рамки ремесла; ее стали применять также в производственных условиях. Первыми оценили преимущества высокотемпературной пайки тульские оружейники, начав широко применять ее для соединения ответственных деталей.

Однако, несмотря на эти примеры, пайка оставалась ремеслом, и применение ее в промышленности было весьма ограничено. Только в 30-х годах 20 века, в связи с потребностями массового производства и появлением таких новых источников нагрева, как электрические печи и высокочастотные установки, пайка начала находить широкое промышленное применение. Именно в этот период разработана пайка в высокопроизводительных конвейерных электропечах и созданы автоматы для индукционной вакуумной пайки. Ученые СНГ внесли большой вклад в развитие пайки металлов и во многом способствовали ее прогрессу. В СНГ разработаны и внедрены в производство высокопрочные и кислотостойкие припои, активные газовые среды, специальные печи для пайки титановых, алюминиевых и магниевых сплавов, а также пайки металлов с полупроводниками, графитом, керамикой и другими материалами. После второй мировой войны начался период бурного развития пайки, вызванный прогрессом в атомной, ракетной, радиоэлектронной и других отраслях промышленности.

Пайка металлов быстро превращается в современный высокопроизводительный технологический процесс.

В настоящее время пайка металлов находит применение во всех отраслях техники: в самолетостроении - пайка панелей с сотовым заполнителем, камер сгорания жидкостных ракетных двигателей. В радиоэлектронной промышленности - пайка печатных радиосхем (плат), в станкостроении - пайка режущего инструмента, в автотракторостроении - радиаторов, паяных блоков и т.д.

Преимущества пайки:

1) возможность соединения за один прием множества заготовок - групповой метод обработки металлов, наиболее соответствующий условиям массового производства;

2) возможность соединения разнородных металлов и металлов с неметаллическими материалами.

Темпы механизации и автоматизации этого процесса в последние годы стали значительно выше, чем сварки. Пайка металлов, как прогрессивный технологический процесс, получает с каждым годом все большее развитие в нашей стране.

Лекция № 1. Пайка металлов

1.1 Теоретические основы пайки металлов

Пайкой называется процесс соединения металлов в твердом состоянии припоями, которые при расплавлении смачивают паяемые поверхности, заполняют капиллярный зазор между ними и образуют паяный шов при кристаллизации.

Из определения следует, что процесс образования паяного соединения связан с нагревом. Для получения спая, наряду с нагревом, необходимо обеспечить еще два основных условия:

1) удалить с поверхности металла в процессе пайки окисную пленку.

2) ввести в соединительный зазор между ними расплавленный связующий металл.

При кристаллизации вступившего во взаимодействие с паяемыми металлами более легкоплавкого связующего металла, образуется паяное соединение.

Процесс пайки имеет много общего со сваркой, и, прежде всего со сваркой плавлением, но, несмотря на внешнее сходство между ними имеется принципиальные различия.

1) Если при сварке плавлением свариваемый и присадочный металл в сварочной ванне находится в расплавленном состоянии, то при пайке паяемый металл не плавится. Образование соединения без кромок паяемых деталей является основной особенностью процесса пайки.

2) При пайке формирование шва происходит путем заполнения припоем капиллярного зазора между соединяемыми деталями, т.е. процесс пайки связан с капиллярным течением присадочного материала, что не имеет места при сварке плавлением.

3) Пайка, в отличие от сварки плавлением, может быть осуществлена при любых температурах лежащих ниже температуры плавления основного металла.

Эти различия имеют своим следствием иную, чем при сварке плавлением природу процессов, протекающих при образовании паяного шва.

1.2 Классификация процессов пайки

Пайку можно классифицировать: во-первых, по сущности физико-химических процессов, протекающих при формировании паяных швов, и, во-вторых, по разновидностям технологии пайки, связанным с применяемыми для нагрева источниками тепла или оборудованием.

Рис. 1.1. Классификация методов пайки.

По сущности физико-химических процессов к основным разновидностям или методам пайки относятся:

1) капиллярная пайка;

2) диффузионная пайка;

3) контактно-реакционная;

4) реакционно-флюсовая;

5) пайка-сварка.

1) Капиллярной пайкой называется метод пайки, при котором припой заполняет зазор между соединяемыми поверхностями деталей и удерживается в нем за счет капиллярных сил. Во всех случаях, когда в паяном соединении имеется перекрытие элементов детали (нахлестка) возможна капиллярная пайка. Однако капиллярные явления присущи всем методам пайки, поэтому данный термин является условным, обозначающим процессы пайки, связанные с течением припоев под действием капиллярных сил.

Рис. 1.2. Схема капиллярной пайки:

а) до пайки;

б) после пайки.

2) Диффузионной пайкой называется метод пайки при высоких температурах, отличающийся длительной выдержкой, проводимой с целью упрочнения соединения за счет взаимной диффузии компонентов припоя и паяемых материалов.

При диффузионной пайке в зависимости от сечения основного металла и припоя, во-первых, возможно взаимное растворение припоя и основного металла с образованием в шве твердого раствора, благодаря чему существенно повышается пластинчатость и прочность паяного соединения - атомно-диффузионная пайка; во-вторых, в процессе диффузионной пайки возможно образование в шве весьма тугоплавких, но, как правило, хрупких интерметаллидов, возникающих при протекании реакционной диффузии, которые приводят к повышению температуры плавления металла шва и, следовательно, к повышению жаропрочности паяемых соединений - реакционно-диффузионная пайка.

Так, например, при пайке W припоем системы Pt-B с температурой плавления 8550С, протекает реакция:

3W + Pt B PtW + W2B

с образованием в шве сплава с температурой плавления выше 20000С.

3) Контактно-реакционной пайкой называется метод пайки, при котором между соединяемыми металлами и припоем протекает активная реакция с образованием в контакте между ними нового более легкоплавкого сплава эфтектического состава или твердого раствора с минимумом на кривой Ликвидуса. Образовавшийся легкоплавкий сплав заполняет зазор и при кристаллизации образует паяное соединение. Случай взаимодействия между соединяемыми металлами имеет место, например, при пайке меди с серебром без нанесения припоя.

Рис. 1.3. Схема контактно-реактивной пайки:

а) до пайки;

б) после пайки.

4) Реакционно-флюсовой пайкой называется метод пайки, при котором припой образуется за счет реакции вытеснения между основным металлом и флюсом. Реакционно-флюсовая пайка может осуществляться в двух вариантах: без внедрения припоя и с дополнительным введением припоя.

Реакционно-флюсовую пайку без введения припоя можно продемонстрировать на примере пайки алюминия с флюсом, содержащим большое количество хлористого цинка. При пайке на соединяемые поверхности алюминиевых деталей наносится избыточное количество флюса. При нагреве между хлористым цинком и алюминием протекает реакция:

3Zn Cl2 + 2Al = 2Al Cl3 + 3Zn

Восстановленный из хлорида цинк является в данном случае припоем. Он осаждается на поверхности алюминия, затекает в зазор и соединяет паяемые детали.

5) Пайкой-сваркой называется метод пайки, при котором паяные соединения образуются способами, характерными для сварки плавлением, но с применением припоя в качестве присадочного материала. Пайка-сварка делится на пайку без оплавления кромок соединяемых деталей и с оплавлением кромок одной из соединяемых деталей, изготавливаемой из более легкоплавкого металла.

Рис. 1.4. Схема образования шва при пайке-сварке:

а - без оплавления кромок деталей; б - с оплавлением кромок одной детали.

Лекция №2. Способы пайки

Рассмотренные методы пайки могут быть осуществлены с применением различных способов пайки в зависимости от используемых источников нагрева.

1) Пайка в печах обеспечивает равномерный нагрев соединяемых деталей без заметной деформации даже при их больших габаритах и сложной конфигурации.

Для пайки применяются печи с нагревом электросопротивлением, индукционным нагревом и газопламенные печи. Пайка крупногабаритных деталей производится в камерных печах с неподвижным подом. Для массовой пайки сравнительно мелких деталей применяются печи с сеточным конвейером или роликовым подом. В этих печах для предохранения деталей от окисления и повышения качества пайки создается специальная газовая атмосфера.

Пайка в печах позволяет широко применять механизацию паяльных работ и обеспечить стабильное качество паяных соединений.

Рис 2.1. Классификация способов пайки.

2) Индукционная пайка может производиться с нагревом детали токами высокой, повышенной и промышленной частоты. В этом случае необходимое тепло выделяется за счет тока, индуктируемого непосредственно в подлежащих пайке деталей. Различают две разновидности пайки с индукционным нагревом: стационарную и с относительным перемещением индуктора или детали.

Рис. 2.2. Принципиальная схема индукционной пайки:

1 - индуктор; 2 - паяемые детали; 3 - припой; 4 - подставка

3)Пайка сопротивлением происходит за счет тепла, выделяемого при прохождении электрического тока через паяемые детали и токопроводящие элементы. При этом соединяемые детали являются частью электрической цепи. Нагрев сопротивлением осуществляется или на контактных машинах аналогичных сварочным или в электролитах. При пайке в электролитах тепловой эффект возникает за счет высокого электрического сопротивления водородной оболочки, образующейся вокруг паяемой детали (катода), погруженной в электролит.

Рис. 2.3. Принципиальная схема пайки сопротивлением:

1 - паяемые детали; 2 - электролит; 3 - водородная оболочка; 4 - источник питания; 5 - анод.

4) Пайка погружением осуществляется путем нагрева деталей в ваннах с расплавами солей или припоев. При пайке в соляных ваннах нагрев может быть непосредственным или косвенным.

При пайке в соляных ваннах при непосредственном нагреве деталей, детали погружаются в расплавы солей, выполняющих роль не только источника тепла, но и флюса. Преимуществом этого способа является очень высокая скорость нагрева.

При пайке в соляных ваннах с косвенным нагревом паяемая деталь, помещенная в контейнер со спец. газовой средой или вакуумом, погружается в соляную ванну. Такой способ пайки обеспечивает несколько меньшую скорость нагрева, но качество поверхности паяемой детали получается более высокой.

При нагреве в расплавленных припоях, подготовленные к пайке детали частично или полностью погружаются в ванну с припоем. Этот способ пайки нашел широкое применение при изготовлении автомобильных и авиационных радиаторов, твердосплавного инструмента, а также в радио- и электропромышленности. Пайка в расплавленных припоях имеет две разновидности: погружением в расплавленный припой и волной припоя.

Пайка волной припоя состоит в том, что подаваемый насосом расплавленный припой образует волну над уровнем расплава. Паяемая деталь перемещается в горизонтальном направлении. В момент касания волны происходит пайка. Этот способ пайки получил большое распространение в радиоэлектронной промышленности при производстве печатного радиомонтажа.

Рис. 2.4. Схема пайки погружением в расплавленный припой:

1 - припой; 2 - паяемые детали.

Рис. 2.4. Принципиальная схема пайки волной припоя:

1 - электронагреватель; 2 - плата; 3 - волна; 4 - сопло; 5 -припой.

5)Радиационный нагрев осуществляется за счет излучения кварцевых ламп, расфокусированного электронного луча или мощного светового потока от квантового генератора (лазера). Радиационный нагрев позволяет значительно сократить продолжительность пайки, использовать точную электронную аппаратуру для регулирования температуры и времени пайки. При радиационном нагреве лучистая энергия превращается в тепловую непосредственно в материале паяемых изделий.

6) При пайке горелками местный нагрев паяемых деталей и расплавление припоя осуществляется за счет тепла, выделяющегося в газовых горелках при сгорании углеводородов, в плазменных горелках за счет тепла плазменной струи и тепла электрической дуги косвенного действия. Эти источники нагрева различны по своей природе, но применение их для пайки идентично, поэтому их можно рассматривать одновременно.

Из перечисленных способов нагрева газовые горелки обладают большей универсальностью. Применяя различные углеводороды в смеси с воздухом или кислородом, можно получить необходимые для пайки металлов температуры нагрева. Питание газовых горелок горючим газом может производиться от баллонов, газовой сети или от газового генератора.

Плазменные горелки дают более высокую температуру нагрева и поэтому могут быть перспективными для пайки таких тугоплавких металлов, как W, Ta, Mo, Nb.

7) Пайка паяльниками ввиду простоты их устройства и общедоступности этого способа нашла чрезвычайно широкое применение в различных областях техники. При этом способе пайки нагрев основного металла и расплавление припоя осуществляются за счет тепла, аккумулированного в массе металла паяльника, который перед пайкой или в процессе пайки нагревается.

Паяльники можно разделить на четыре группы:

1) с периодическим нагревом;

2) с электронагревом;

3) ультразвуковые;

4) абразивные.

Паяльники с периодическим нагревом и электронагревом нашли наибольшее распространение для флюсовой пайки черных и цветных металлов при температурах ниже 300-350 0С.

В ультразвуковых паяльниках колебания ультразвуковой частоты используются для разрушения окисной пленки на поверхности паяемого металла под слоем расплавленного припоя. Паяльники для ультразвуковой пайки могут быть и без подогревателя. В последнем случае для расплавленного припоя используется посторонний источник нагрева. Основное преимущество ультразвуковых паяльников - возможность без флюсовой пайки. Это нашло применение главным образом для пайки алюминия легкоплавкими припоями.

Абразивные паяльники, как и ультразвуковые, применяются для обслуживания алюминия и алюминиевых сплавов без применения флюсов. Окисная пленка при пайке удаляется за счет простого трения паяльником по обслуживаемой поверхности. Основным достоинством этих паяльников по сравнению с ультразвуковыми является возможность лужения и пайки алюминия и алюминиевых сплавов без применения дорогостоящего оборудования.

Лекция № 3. Процессы удаления окисной пленки при пайке

3.1 Классификация способов удаления окисной пленки

При всех рассмотренных способах пайки нагрев основного металла и расплавление припоя должны производиться при удалении с их поверхности окисной пленки и защите от дальнейшего окисления под воздействием кислорода воздуха. С этой целью при пайке применяют флюсы, газовые среды, физико-механические способы разрушения окисной пленки и самофлюсующиеся припои.

1) Флюсами называются вещества, применяемые в процессе пайки для удаления окисной пленки с поверхности металлов и защиты их от окисления.

а) Флюсы на основе соединений бора применяются при пайке всех черных и цветных металлов.

б) Флюсы на основе фтористых соединений применяются при пайке тех металлов и сплавов, для которых боридные флюсы недостаточно активны и вследствие этого не обеспечивают удаление окисной пленки в процессе пайки.

в) Флюсы на основе хлористых соединений бора применяются главным образом при пайке алюминиевых и магниевых сплавов.

г) Флюсы на основе канифоли и др. органических соединений применяются только для низкотемпературной пайки меди и некоторых сплавов на ее основе.



Рис. 3.1. Способы удаления окисной пленки в процессе пайки.

2) Газовые среды, применяемые при пайке, делятся на нейтральные, активные и вакуумные.

Нейтральной средой называется газовая атмосфера, применяемая для защиты паяемого металла и припоя от окисления в процессе пайки (аргон, гелий).

Активной средой называется газовая атмосфера, применяемая для удаления окисной пленки с паяемого металла и припоя и для защиты их от окисления в процессе пайки (водород, угарный газ). Водород применяется при пайке более ответственных конструкций.

Нейтральные и активные среды, состав которых контролируется и поддерживается постоянным в процессе пайки, называются контролируемыми газовыми атмосферами.

Вакуум применяется при пайке для предупреждения окисления паяемого металла и припоя, а также для удаления с поверхности некоторых металлов окисной пленки.

3) Физико-механические способы удаления окисных пленок в процессе пайки имеют две разновидности:

а) разрушение окисных пленок механическим воздействием.

б) разрушение окисных пленок ультразвуком под слоем нанесенного на основной металл расплавленного припоя.

4) Самофлюсующимися называются припои, содержащие компоненты, активно реагирующие с окисной пленкой паяемого металла и припоя с образованием легкоплавких шлаков, которые, растекаясь по поверхности основного металла и припоя, предохраняют их от окисления.

3.2 Флюсы и их роль

Процесс взаимодействия твердого паяемого металла с расплавленным припоем активно может протекать только после удаления с поверхности паяемого металла окисной пленки, которая препятствует образованию металлических связей.

Несмотря на то, что при подготовке деталей к пайке окисная пленка с них удаляется, в атмосфере воздуха металл снова окисляется. С повышением температуры процесс окисления усиливается. Окисные пленки надежно изолируют металл, поэтому взаимодействие его с расплавленным припоем возможно лишь при условии удаления пленки окислов непосредственно в процессе пайки, что достигается многими средствами, наиболее распространенными из которых является применение флюсов.

Одновременно с удалением окисной пленки и защитой основного металла и припоя от окисления флюс должен удовлетворять еще нескольким требованиям:

1) иметь при температуре пайки достаточную жидкотекучесть;

2) способствовать формированию шва;

3) легко удаляться после пайки;

4) остатки флюса не должен оказывать коррозионного воздействия на паяемый металл;

5) нагрев флюса не должен вызывать изменения его состава и свойств;

6) флюс должен сохранять свои флюсующие свойства в течение всего процесса пайки.

Нанесенный на соединяемые поверхности паяемых металлов и краев флюс в процессе нагрева плавится, растекается, смачивает их при некоторой температуре, вступает в химическое взаимодействие, результатом которого является удаление окисной пленки. С повышением температуры интенсивность этого взаимодействия усиливается.

3.3 Композиция флюсов

В зависимости от физико-химических свойств паяемых металлов и припоя в качестве компонентов флюсов применяются соли, кислоты, окислы, а также вещества органического происхождения.

Флюсы могут быть как однородными веществами, например тетра-борно-кислый натрий (обезвоженная бура)- Na2В4О7 или хлористый цинк ZnCl2, так и сложными системами, состоящими из двух и более компонентов.

3.4 Механизм флюсования

Согласно существующим представлениям механизм взаимодействия активных компонентов флюсов в процессе пайки обычно сводится к трем основным схемам:

1) химическое взаимодействие между активным флюсующим веществом и окисной пленкой - в результате чего последняя связывается в соединения, растворимые во флюсе, образуя сравнительно легкоплавкий шлак.

2) химическое взаимодействие между активным флюсующим веществом и металлом, в результате чего происходит разрушение и постепенный отрыв окисной пленки.

3) растворение окисной пленки основного металла и припоя во флюсе.

В условиях флюсовой пайки все три схемы действия флюса могут проявляться одновременно, кроме того, на протекание этих процессов определяющее влияние оказывает состав основного металла и припоя, что нельзя не учитывать, особенно при содержании в них таких активных компонентов, как Cr,Al,B,Be. При длительном взаимодействии, например, при печной пайке металлы могут частично растворяться во флюсах, особенно в тех случаях, когда в составе флюса имеются соли основного металла. После расплавления флюса происходит смачивание им окисленной поверхности основного металла. При этом создаются условия для взаимодействия активных компонентов флюсов с поверхностью основного металла и припоя. Наиболее легко смачивают поверхность окисленного металла органические жидкости, что объясняется их низким поверхностным натяжением. Соли, входящие в состав флюсов, имеют в расплавленном состоянии также сравнительное низкое поверхностное натяжение, что способствует хорошей смачиваемости ими поверхности основного металла и припоя. С повышением температуры пайки поверхностное натяжение расплавленных солей снижается, что улучшает условия смачивания.

Лекция № 4. Процессы образования паяного шва

4.1 Состав и свойства припоев

В качестве припоев для пайки металлов, а также металлов с неметаллическими материалами нашли применение, как чистые металлы, так и сплавы. Чтобы удовлетворять условиям процесса пайки и обеспечить получение качественных паяных соединений припой должен отвечать следующим требованиям:

1) температура плавления припоев должна быть не менее чем на 50-100°С ниже температуры плавления паяемых металлов;

2) при температуре пайки припой должен хорошо смачивать основной металл и заполнять соединительные зазоры;

3) с паяемыми металлами припой должен сплавляться с образованием кромок коррозионностойких паяных соединений;

4) коэффициент термического расширения паяемого металла и припоя не должен резко отличаться;

5) припой должен по возможности не содержать дефицитных компонентов;

6) технология изготовления и применения припоев должна быть общедоступной.

В настоящее время в технике применяются десятки металлов в чистом виде и тысячи сплавов на их основе, которые могут подвергаться пайке. Однако наибольшее распространение в металлоконструкциях получили сплавы на основе железа, меди и никеля, для которых и разработано большинство известных припоев.

4.2 Классификация припоев

Большинство известных припоев можно классифицировать:

а) по температуре плавления:

- особолегкоплавкие: Тпл < 1450С - основа Сd-Sn-Pb

- легкоплавкие: 145 0C < Тпл< 450 0С - основа Al-Cu-Mg

- среднеплавкие: 4500C < Тпл< 11000С - основа Mg-Al-Cu и др.

- высокоплавкие: 11000C < Тпл< 18500С - основа Mn-Co-Ni и др.

- тугоплавкие: Тпл< 18500С - основа Ni-Cr-Si-B-Fe и др.

б) по температурному интервалу плавления:

- с узким температурным интервалом плавления;

- с широким интервалом плавления;

в) по способности к флюсованию:

- флюсуемые - элемент раскислитель Li, K, Ma, P, Zn, B

- самофлюсующиеся;

г) по степени расплавления:

- расплавляемые;

- частично расплавляемые;

д) по способу изготовления:

- литые;

- тянутые;

- катаные;

- прессованные;

- измельченные;

- спеченные;

- штампованные;

е) по виду полуфабриката:

- листовые;

- ленточные;

- трубчатые;

- пастообразные;

- проволочные;

- прутковые;

- композитные;

- металлокерамические;

- армированные;

- фасонные;

- порошковые;

- плакированные и др.

4.3 Процессы смачивания и капиллярного течения припоев

Капиллярные явления играют в пайке исключительно большую роль. Оттого на сколько хорошо расплавленный припой смачивает поверхность основного металла, зависит прочность и коррозионная стойкость паяных соединений.

Смачиваемостью называется первая ступень физико-химического взаимодействия жидкости с поверхностью твердого тела, результатом которой является растекание ее тонким слоем. Наименьшая температура, при которой расплавленный припой смачивает основной металл, называется нижним пределом температурного интервала смачивания и лимитируется свойствами припоев сохранять стабильность при нагреве выше температуры ликвидуса и возможностями предупредить окисление их в процессе пайки.

Из теории капиллярности известно уравнение капиллярности (формула Лапласа):

,

где р1- давление с вогнутой стороны;

р2- давление с выпуклой стороны;

1,2 - поверхностное натяжение жидкости на границе с газовой средой;

R1 и R2 - радиусы вогнутой и выпуклой стороны.

Разность давления р1-р2 будет уравновешиваться столбом жидкости высотой h:

,

где - краевой угол или угол смачивания;

- плотность жидкости;

g - ускорение свободного падения;

d - диаметр капилляра.

Из уравнения (1) видно, что высота поднятия жидкости в капилляре прямо пропорциональна ее поверхностному натяжению и смачиваемой способности и обратно пропорциональна диаметру капилляра и плотности жидкости.

Рис.4.1. Схема поднятия Рис.4.2.Схема поднятия жидкости по капилляру между параллельными пластинами.

Из уравнения (2) видно, что высота капиллярного поднятия жидкости в зазоре между двумя параллельными пластинами в 2 раза меньше, чем в капилляре круглого сечения.

При растекании капли жидкости на плоской поверхности твердого тела условия ее равновесия могут быть выражены в виде равновесия векторов сил поверхностного натяжения в точке на границе 3-х фаз. Этой границей является периметр смачивания:

(3)

Рис. 4.3. Схема равновесия векторов сил поверхностного натяжения капли на поверхности твердого тела:

1 - газ; 2-капля припоя (жидкость); 3 - основной металл твердого тела;

1,3 - поверхностное натяжение между твердым телом и газовой средой, действующей на каплю по периметру ее основания;

2,3 - поверхностное натяжение жидкости на границе с твердым телом;

1,2 - поверхностное натяжение на границе с газовой средой.

Из уравнения (3) выразим (4)

Это выражение является вторым уравнением капиллярности.

соs - коэффициент смачивания, характеризует смачивающую способность жидкости.

При соs < 0 или соs > 900 жидкость практически не смачивает поверхность твердого тела.

При соs = 1 или = 0 имеет место полное смачивание поверхности твердого тела.

Согласно статической теории жидкости смачивание поверхности основного металла расплавленным припоем и затекание расплавленного припоя в капиллярный зазор зависит от поверхностного натяжения в расплавленном состоянии.

Согласно первому уравнению капиллярности, чем выше значение поверхностного натяжения жидкости, тем выше поднимается она в капиллярном зазоре:

Процесс смачивания расплавленным припоем основного металла в значительной мере зависит от соотношения их физико-химических свойств и, в частности запаса свободной поверхностной энергии основного металла. Эта энергия твердого металла определяет величину возникающих при пайке сил взаимодействия с припоем и является косвенным показателем активности протекающих между ними процессов.

Поэтому при анализе явления смачивания и капиллярного течения при пайке рассматривают всю совокупность физико-химических свойств припоя и основного металла, а также условия пайки.

В зависимости от смачивающей способности припоев находят способность их растекания по поверхности паяемого металла. Эта характеристика припоев оценивается коэффициентом растекания равным разности работ адгезии припоя к паяемому материалу и когезии частиц припоя:

к = Аа-Ак;

Аа =1,3+1,2-2,3;

Ак =21,2;

к =1,3+1,2-2,3-1,2=1,3-1,2 -2,3=2,3+1,2.соs-1,2-2,3=1,2.соs-1,2= =1,2.(соs-1) (5)

где к - коэффициент растекания;

Аа - работа адгезии;

Ак - работа когезии.

Из последнего выражения следует, что коэффициент растекания находится в непосредственной зависимости от краевого угла смачивания. И полное растекание будет иметь место при полном смачивании, т.е. при соs = 1.

Кроме этого на процесс смачивания и затекания припоя в соединительный зазор существенно влияет способ удаления окисной пленки в процессе пайки.

Так, в случае флюсовой пайки, наряду с удалением окисной пленки с паяемого металла и припоя, флюсы действуют как поверхностно активные вещества, снижая поверхностное натяжение расплавленных припоев, что способствует улучшению смачивания паяемой поверхности.

При применении активных или нейтральных газовых сред, наряду с удалением окисной пленки, может происходить взаимодействие примесей, содержащихся в газовой среде с основным металлом и припоем.

На процесс смачивания и капиллярного течения припоя в зазоре значительно влияют такие технологические факторы, как вид механической обработки основного металла, способ очистки перед пайкой, режим пайки и другие. Например, шлифованные поверхности хорошо смачиваются расплавленным припоем; полированные с применением паст поверхности плохо смачиваются расплавленным припоем из-за остатков пасты; детали, обдутые песком, смачиваются припоями удовлетворительно.

Лекция № 5. Физико-химические процессы образования паяного шва

5.1 Процессы диффузии и растворения при пайке

Диффузией называется процесс перемещения частиц в направлении убывания их концентрации. В результате диффузии происходит выравнивание состава вещества и равномерное заполнение всего объема. Диффузия в твердых веществах протекает очень медленно. Однако с повышением температуры процессы диффузии заметно усиливаются.

При высокотемпературной пайке расплавленный припой находится в контакте с основным металлом от нескольких секунд до десятков минут. За это время протекает диффузия компонентов припоя в сторону основного металла и компонентов основного металла в сторону припоя.

Существование диффузии в металлах показывает, что при определенных условиях атомы или ионы смещаются из своих положений в узлах кристаллической решетки и могут перемещаться по всему объему.

В твердых металлах диффузия может происходить по поверхности (поверхностная диффузия), по границам зерен (граничная диффузия) и в объеме отдельных зерен (объемная диффузия).

Рис. 5.1. Схема диффузии припоя в основной металл:

1 - припой; 2 -основной металл.

Диффузия по границам зерен в некоторых случаях протекает очень интенсивно, приобретая характер растворения основного металла в расплавленном припое, в результате чего целые зерна отрываются и переходят в расплав припоя. Такую картину можно наблюдать, например, при пайке меди припоями ПСр-72 с добавкой никеля.

Существуют термины атомная и реактивная диффузия.

Атомная диффузия наиболее просто протекает в процессе диффузии и растворения, когда взаимодействующие металлы (припой и основной металл) не образуют между собой интерметаллических соединений. В этом случае процесс переноса атомов твердого основного металла в жидкий припой протекает активно и определяется скоростью диффузии.

Реактивная диффузия. Если паяемый металл и расплавленный припой образуют между собой химическое соединение, то в процессе пайки на границе раздела основной металл - припой в результате реакции на твердой поверхности может возникнуть слой интерметаллических соединений. Если основной металл и расплавленный припой могут образовывать между собой несколько интерметаллических фаз, то на границе с твердым металлом возникает несколько слоев. Последовательность их возникновения будет зависеть от условия равновесия между образующимися фазами и расплавом припоя. Физико-химическая природа и строение реактивных фаз, образующихся на границе основной металл - припой зависит от внешних условий процесса и в первую очередь от температуры.

Количественная оценка диффузии может быть произведена на основе законов диффузии.

Согласно первому закону диффузии: dm=-DSc/x dt,

где dm - количество диффундирующего вещества;

D - коэффициент диффузии, численно измеряемый количеством вещества в молях или граммах, продиффундировавшего за единицу времени через единицу площади (см2) при градиенте концентрации равном единице;

S - площадь в перпендикулярном диффузии направлении;

c/x - градиент концентрации С в направлении диффузии;

dt - время диффузии;

знак "-" в формуле указывает на то, что диффузия протекает в сторону уменьшающейся концентрации вещества.

5.2 Процесс кристаллизации при пайке

Кристаллизация при пайке является сложным процессом и имеет ряд особенностей:

1) Кристаллизация протекает в узком соединительном зазоре при незначительной толщине прослойки жидкого металла.

2) При кристаллизации происходит взаимодействие между расплавленным припоем и твердым основным металлом, поверхности которых освобождены от окисных пленок.

3) При кристаллизации в капиллярном зазоре диффузия приводит к сильно выраженной зональной ликвации сплавов в шве.

4) Кристаллизация образующегося в шве сплава происходит или непосредственно на кристаллитах основного металла или на слое интерметаллического соединения, возникающего в отдельных случаях на границе основной металл - припой.

При температуре пайки в результате взаимодействия основного металла и расплавленного припоя в шве образуется сплав, отличающийся по составу и свойствам от основного металла и от припоя. Обычно он кристаллизуется в виде отдельных зон. При этом ближе к основному металлу образуются зоны, обогащенные компонентами основного металла, к центру шва компонентами основного припоя. Это объясняется тем, что более тугоплавкая часть расплава в шве кристаллизуется в первую очередь на поверхности основного металла, оттесняя более легкоплавкую часть к центру шва.

На структуру и свойства паяных швов большое влияние оказывает также скорость охлаждения в процессе кристаллизации. Медленное охлаждение приводит к образованию более равновесной и грубозернистой структуры. С увеличением скорости охлаждения структура становится более мелкозернистой.

Таким образом, изменяя режим и условия пайки можно существенно влиять на структуру и свойства паяных швов, а следовательно, и на качество паяных изделий.

5.3 Обработка деталей после пайки

После пайки паяные детали подвергаются дальнейшей обработки, связанной с удалением остатков флюса, зачисткой наплывов припоя и термической обработкой.

Для удаления остатков флюсов деталь промывают в холодной или горячей воде в специальных растворах или зачищают металлической щеткой, обдувают песком и т.п.

Остатки флюсов, содержащих хлористые соли щелочных металлов и щелочно-земельных металлов, необходимо удалять особенно тщательно, т.к. они оказывают активное коррозионное воздействие на металл.

Удаление остатков хлоридных флюсов с алюминиевых сплавов производится промывкой в горячей и холодной воде, после чего изделие погружается на 5-10 мин в 5% - раствор хромового ангидрита для пассивирования поверхности.

Медные и латунные детали после пайки с применением флюсов обрабатывают в спец. пассивирующем растворе при температуре 40-500С в течение 10-15 минут, затем следует промывка в горячей воде и осушка нагретым воздухом.

Остатки боридных флюсов сложного состава после пайки в большинстве случаев образуют прочную стекловидную пленку, которая не растворима в воде и может быть удалена только опескоструиванием или другими механическими средствами.

Остатки тетраборнокислого натрия с деталей паянных медно-цинковыми и серебряными припоями можно удалить в 10 % растворе серной кислоты. Детали погружаются на 10-15 минут в этот раствор, подогретый до температуры 20-400С. После этого промываются горячей и холодной проточной водой и обдуваются горячим воздухом.

Лекция № 6. Конструирование и расчет паяных соединений

6.1 Конструирование паяных соединений

Паяным соединением называется элемент паяного изделия, включающий паяный шов и прилегающие к нему участки соединяемых металлов. Паяным швом называется прослойка металла между соединяемыми деталями, состоящая из зоны сплавления и диффузионных зон, величина которых зависит от состава припоя и паяемых металлов, а также от режимов пайки. В зависимости от вида конструкции и ее назначения пайка может применяться при соединении плоских элементов деталей, стержневых и трубчатых элементов деталей, криволинейных поверхностей элементов деталей между собой и с плоскими элементами.

Рис. 6.1. Виды соединений плоских элементов при пайке:

а - нахлесточное;

б - ступенчатое и гребенчатое;

в - тавровое.



Рис. 6.2. Соединения стержневых и трубчатых элементов деталей при пайке между собой.

Рис 6.3. Соединение стержневых и трубчатых элементов при пайке с плоскими элементами.

К паяным соединениям в зависимости от назначения изделия могут предъявляться, наряду с общими, и специальные требования:

1) по герметичности;

2) электропроводимости;

3) коррозионностойкости,

которые должны учитываться при выборе основного металла, припоя, способа пайки и при конструировании изделия. Кроме этого, одно из основных условий конструирования паяных изделий - обеспечение в соединении капиллярного зазора и создание условий для течения в нем припоя. Оптимальные значения зазоров, применяемых при пайке некоторых сплавов, приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1

Основной металл	Припой	Величина зазора, мм
Углеродистые стали	Медь Латунь Серебро	0,02-0,15 0,05-0,30 0,05-0,15
Нержавеющие стали	Медь Латунь Серебро Никельхромовые Припои	0,02-0,15 0,05-0,30 0,05-0,15 0,05-0,20
Медь и медные сплавы	Медноцинковый Меднофосфорный Серебро	0,10-0,30 0,02-0,15 0,03-0,15
Титан	Серебро Серебряномарганцевый	0,05-0,10 0,05-0,10
Алюминий	На алюминиевой основе	0,10-0,30

При конструировании паяного изделия необходимо предусматривать условия закрепления элементов изделия в процессе пайки. Это особенно важно при групповой пайке изделий сложной конфигурации. Отдельные части паяного изделия перед пайкой могут закрепляться путем связывания нихромовой проволокой при помощи зажимов, подставок, соединяемых элементов, конструкций.

Припой применяется в виде проволоки, прутков, полос, фольги, зерен, порошка, паст и т.п., что необходимо также учитывать при конструировании деталей.

Рис. 6.4. Способы размещения припоя в соединениях деталей.

Особенности конструирования паяных изделий неразрывно связаны с технологией пайки. Как при общем, так и при местном нагреве зона шва должна равномерно нагреваться до температуры пайки. Это обеспечивает сохранение заданного зазора по всему шву, что, в свою очередь, способствует равномерному течению флюса и припоя.

6.2 Расчет паяных соединений на прочность

При расчете паяных соединений на прочность необходимо исходить из того, что прочность паяного изделия определяется прочностью ее наиболее слабого элемента. Таким элементом, как правило, является паяный шов, т.к. прочность припоя в литом состоянии обычно ниже прочности основного металла. Поэтому при конструировании необходимо выбирать такой тип соединения и так его располагать, чтобы обеспечить равнопрочность всего изделия. Это можно достигнуть только при правильном сочетании материалов, технологии пайки и соответствующем конструировании. Прочность паяного соединения при одном и том же основном металле и припое модно регулировать величиной перекрытия соединяемых элементов, т.е. изменением площади шва.

Расчет прочности паяных соединений производится на основе тех же предпосылок, что и сварных. Если элемент паяной конструкции работает на продольную растягивающую силу, то расчетным усилием паяного соединения является:

Р=[]р . F,

где []р - допустимое напряжение для основного металла изделия при растяжении;

F - площадь поперечного сечения наиболее слабого из соединяемых пайкой элементов конструкции.

При работе элемента паяной конструкции на сжатие расчетным усилием паяного соединения является:

Р=[]cж . F,

где []cж - допустимое напряжение для основного металла.

При работе элемента паяной конструкции на изгиб расчетный момент определяется из соотношения

М=[]р . W,

где W - момент сопротивления сечения наиболее слабого из соединяемых элементов.

Для нахлесточных соединений напряжение в паяном шве на срез,

Р=[`]ср . b.l,

где [`]ср - допускаемое напряжение в паяном шве на срез,

[`]ср=0,7 []р, Н/м2;

b - ширина шва, м;

l - величина нахлестки, м.

Величина нахлестки может быть определена из условия равнопрочного соединения.

Допустимое напряжение для основного металла изделия составляет:

Р=[]р . F.

Эта нагрузка должна восприниматься паяным швом без разрушения, тогда приведенное выражение можно приравнять:

[]р . F=[`]ср . b.l,

откуда величина нахлестки:

.

При применении ступенчатого паяного соединения расчет производится при одновременном учете срезывающих и растягивающих напряжений:

Р=[`]ср . b. l+[`]р . b(а+c), Н

где [`]р - допустимое напряжение в паяном шве на растяжение;

а и c - толщина ступеней соединения.

Если стыковое паяное соединение работает на растяжение, то допускаемые усилия в нем определяются из соотношения:

Р=[`]р . b., Н - при растяжении;

Р=[`]cж . b., Н - при сжатии.

Лекция № 7. Технология пайки различных материалов

7.1 Технология пайки конструкционных сталей

Металлы и сплавы, применяемые в промышленности, существенно отличаются друг от друга по составу и физико-химическим свойствам, поэтому они требуют различного подхода при решении задач, связанных с подготовкой их к пайке, удалением окисной пленки в процессе пайки, выбором припоя и режимов пайки.

а) углеродистые и низколегированные стали.

Процесс пайки низкоуглеродистых и низколегированных сталей не вызывает особых затруднений и может быть осуществлен всеми известными способами. Высокотемпературная пайка углеродистой и низколегированной сталей производится медью, медно-цинковыми и другими припоями на медной основе.

Пайка углеродистых и низколегированных сталей при низких температурах производится главным образом оловянно-свинцовыми и свинцовыми припоями. В качестве флюса наибольшее распространение получили водные растворы хлористого цинка.

Подготовка поверхности, сборка, нанесение припоев и флюсов, процесс пайки и обработка после пайки углеродистых и низколегированных сталей осуществляются по обычной технологии.

б) высоколегированные конструкционные стали

Эти стали также можно паять всеми способами с применением рекомендованных выше припоев и флюсов.

Затруднения в процессе пайки встречаются только в тех случаях, когда легирующие элементы, например, хром, образуют на поверхности стали химически устойчивые окислы. В этом случае применяют более активные флюсы, а в качестве газовой среды используют трехфтористый бор в смеси с азотом или аргоном. Возможен и другой вариант высокотемпературной пайки высоколегированной стали без снижения прочности основного материала - это совмещение процесса пайки с закалкой и последующим отпуском. Такая термическая обработка паяных изделий дает возможность не только сохранить прочность основного металла, но и существенно повысить прочность паяных соединений.

в) нержавеющие и жаропрочные стали

В связи с высоким содержанием хрома поверхность этих сталей покрыта химически устойчивой окисной пленкой, состоящей в значительной части из труднорастворимых в обычных флюсах окислов хрома, поэтому пайка данных сталей представляет некое затруднение. Так, например, окисная пленка на нержавеющих жаропрочных сталях в газовых восстановительных средах восстанавливается при температуре пайки 1200°С, в то время как на обычных конструкционных сталях окисная пленка восстанавливается при 9000С. Поэтому при пайке нержавеющих и жаропрочных сталей в качестве восстановительной атмосферы часто используют трехфтористый бор в смеси с инертными газами, который более активен и восстанавливает окислы при более низких температурах.

Длительный нагрев нержавеющих аустенитных сталей при температуре 500-7000С делает их склонными к интеркристаллитной коррозии, поэтому нагрев под пайку и охлаждение после пайки нужно производить быстро.

7.2 Технология пайки чугуна

Основная трудность при пайке чугуна - наличие в его структуре графита, затрудняющее смачивание поверхности основного металла расплавленным припоем.

Для удаления графита обычно применяют пескоструйную обработку с последующим выжиганием графита окислительным пламенем газовой горелки или удаления его путем электрохимической обработки в соляной ванне при температуре 450 - 5100С.

Для удаления окисной пленки и защиты чугуна от окисления более целесообразно применять также активные флюсы № 209 и № 284 (таблица 7.1.), которые растворяют графит на поверхности чугуна в процессе пайки и благодаря этому обеспечивают надежное смачивание припоем соединяемых поверхностей.

Таблица 7.1.

Марка	Химический состав, %	Температура плавления 0С
	Фтористый калий (обезвоженный)	Фтороборат калия	Борный ангидрит
№ 209	40 - 44	21 - 25	33 - 37	600 - 850
№ 284	33 - 37	40 - 44	23 - 25	500 - 850

При пайке чугунов в качестве припоев применяют обычно сплавы на медной основе, например, латуни.

Перегрев чугуна связан со структурным превращением, что при охлаждении влечет за собой выделение хрупкого цементита.

7.3 Технология пайки инструментальных сталей и твердых сплавов

В качестве инструментальных иногда применяются высокоуглеродистые стали с содержанием 0,6-1,2% углерода. Такие стали можно паять всеми способами с учетом технологических рекомендаций по пайке конструкционных сталей и чугуна. Из-за недостаточной теплостойкости указанных сталей их легируют вольфрамом (до 18%), хромом (до 5%), ванадием (до 4%) и другими элементами, увеличивающими жаропрочность и позволяющими благодаря этому значительно повышать скорость резания. Такие инструментальные стали, называемые быстрорежущими, подвергают закалке с температурой 1200-1300°С и последующим отпуском при температуре 560-580°С или обработкой холодом. Поэтому быстрорежущие стали припаивают к корпусу инструмента из конструкционной стали в указанном интервале температур, применяя при этом высокотемпературные никелевые припои или ферросплавы, например, ферромарганец, содержащий 70-80 % марганца. Пайку инструмента из быстрорежущих сталей производят в газопламенных печах погружением в соляную ванну, а также индукционным способом с использованием флюсов № 200 и № 201 (состав которых приведен в таблице 7.2).

Таблица 7.2

Марка флюса	Химический состав,%	Температура плавления, 0С
	Борная кислота	Тетраборно-кислый натрий	Фтористый кальций	Легатура
№ 200	68-72	10-21	8-10	-	850-1150
№ 201	79-81	13-15	4-8	0,4-0,6	850-1100

Состав легатуры: 48 % H, 48 % Cu, 4 % Mn.

Сразу после затвердевания припоя производится закалка инструмента.

В настоящее время во всех областях техники большое распространение получил твердосплавный инструмент. Поверхность твердых сплавов трудно смачивается расплавленными припоями, поэтому при пайке следует использовать более активные боридно-фторидные флюсы № 200 и 201 и др.

Наилучший результат, т.е. наибольшая долговечность инструмента достигается при пайке серебряными припоями, легированными для теплостойкости никелем или марганцем. Однако ввиду дефицитности серебряные припои для пайки твердосплавного инструмента применяются редко. Наибольшее распространение получили медно-цинковые припои, типа латуни Л-62, легированной для повышения теплостойкости небольшими добавками никеля, марганца или алюминия.

Твердосплавные инструменты можно паять различными способами, но наиболее перспективными является пайка методом погружения и индукционная, которая дает возможность механизировать и даже автоматизировать этот процесс.

7.4 Технология пайки титана и его сплавов

Титан и его сплавы обладают высокой химической активностью по отношению к газам. При взаимодействии с воздухом титан не только окисляется, но и образует нитриды. В результате взаимодействия с водородом на поверхности титана и титановых сплавов образуются также хрупкие гидриды. Поэтому газовые атмосферы, содержащие азот и водород для пайки титана и титановых сплавов не пригодны. На поверхности титана всегда имеется альфированный слой, насыщенный атмосферными газами. Перед пайкой этот слой необходимо удалить пескоструйной обработкой или травлением в растворе следующего состава: 20-30 мл HF, 30-40 мл HCl на литр воды. Время травления 5-10 мин при комнатной температуре. При такой обработке на поверхности титана все же остается тонкая пленка, препятствующая смачиванию титана припоем.

Обычно пайку титана и его сплавов ведут в среднем вакууме или чистом аргоне при температуре 800-900°С, что способствует быстрой очистке поверхности титана и хорошему смачиванию его припоями. В качестве основы припоя часто выбирают серебро, которое образует с титаном интерметалиды, или алюминий, который образует с титаном ограниченную область твердых растворов, что позволяет рассчитывать на получение менее хрупких паяных соединений.

Для получения более пластичных и прочных соединений можно применить диффузионную пайку титана, сущность которой заключается в том, что изделие при нанесении минимально необходимого количества припоя, например, никеля, железа и других металлов, выдерживают при температуре пайки до тех пор, пока в паяном соединении в результате изотермической кристаллизации и диффузии в твердом состоянии не образуется твердый раствор. Прочность соединений, полученных таким способом, близка к прочности основного металла.

...