Технология

Пайка

Содержание

1. Физическая сущность пайки
      Капиллярная пайка
      Диффузионная пайка
      Контактно-реактивная пайка
      Реактивно-флюсовая пайка
      Пайка-сварка
2. Материалы для пайки
      Припой
      Паяльные флюсы
3. Способы пайки
      Пайка в печах
      Индукционная пайка
      Пайка сопротивлением
      Пайка погружением
      Пайка с радиационным нагревом
      Экзофлюсовая пайка
      Газопламенная пайка
      Пайка паяльниками
4. Типы паяных соединений
5. Подготовка деталей к пайке
Используемая литература
1. Физическая сущность процесса пайки.
      Пайкой называется технологический процесс соединения металлических за-
готовок без их расплавления посредством введения между ними расплавленного
промежуточного металла-припоя. Припой имеет температуру плавления более
низкую, чем температура соединяемых металлов, и заполняет зазор  между
соединяемыми поверхностями за счет действия капиллярных сил. При охлаждении
припой кристаллизуется и образует прочную связь между заготовками. В
процессе пайки наряду с нагревом необходимо удаление окисных пленок с
поверхности паяемых металлов.
      Образование соединения без расплавления кромок обеспечивает
возможность распая, т. е. разъединения паяемых заготовок без нарушения
исходных размеров и формы элементов конструкции.
      Качество паяного шва во многом зависит от прочности связи припоя с
металлом основы. В результате смачивания твердой металлической поверхности
между припоем и основным металлом возникает межатомная связь. Эта связь
может образоваться при растворении металла основы в расплавленом припое с
образованием жидкого раствора, распадающегося при последующей
кристаллизации; за счет диффузии составляющих припой элементов в основной
твердый металл с образованием твердого раствора; за счет реактивной
диффузии между припоем и основным металлом с образованием на границе
интерметаллических соединений; за счет бездиффузионной связи в результате
межатомного взоимодействия.

      Получение паяного соединения состоит из нескольких этапов:

А) Предварительная подготовка паяемых соединений;
Б) Нагрев соединяемых  деталей до температуры ниже температуры плавления
паяемых деталей;
В) Удаление окисной плёнки с поверхностей паяемых металлов с помощью флюса;
Г) Введение в зазор между паяемыми деталями жидкой полоски припоя;
Д) Взаимодействие между паяемыми деталями и припоем;
Е) Кристаллизация  жидкой формы припоя, находящейся между спаевыми
деталями;

      Пайкой можно соединять любые металлы и их сплавы.  В качестве припоя
используются чистые металлы (они плавятся при строго фиксированной
температуре) и их сплавы (они плавятся в определенном интервале
температур).
      Разница между температурами начала плавления и полного расплавления
называется интервалом кристаллизации. При осуществлении процесса пайки
необходимо выполнение температурного условия:
                              t1 > t2 > t3 > t4
где t1 – температура начала плавления материала детали
t2 – температура нагрева детали при пайке;
t3 – температура плавления припоя;
t4 – рабочая температура паянного соединения;

      По особенностям процесса и технологии пайку можно разделить на
капиллярную, диффузионную, контактно-реактивную, реактивно-флюсовую и пайку-
сварку.

      Капиллярная пайка. Припой заполняет зазор между соединяемыми
поверхностями и удерживается в нем за счет капиллярных сил. На рис.1
показана схема образования шва. Соединение образуется за счет растворения
основы в жидком припое и последующей кристаллизации раствора. Капиллярную
пайку используют в тех случаях, когда применяют соединение внахлестку.
Однако капиллярное явление присуще всем видам пайки.

[pic]
      Диффузионная пайка. Соединение образуется за счет взаимной диффузии
компонентов припоя и паяемых материалов, причем возможно образование в шве
твердого раствора или тугоплавких интерметаллов. Для диффузионной пайки
необходима продолжительная выдержка при температуре образования паяного шва
и после завершения процесса при температуре ниже солидуса припоя.
      Контактно-реактивная пайка. При пайке между соединяемыми металлами или
соединяемыми металлами и прослойкой другого металла в результате
контактного плавления образуется сплав, который заполняет зазор и при
кристаллизации образует паяное соединение. На рис.2 показана схема
контактно-реактивной пайки.
[pic]
      Реактивно-флюсовая пайка. Припой образуется за счет реакции вытеснения
между основным металлом и флюсом. Например, при пайке алюминия с флюсом
3ZnCl2 + 2Al  =  2AlCl3 + Zn восстановленный цинк является припоем.
      Пайка-сварка. Паяное соединение образуется так же, как при сварке
плавлением, но в качестве присадочного металла применяют припой.
      Наибольшее применение получила капиллярная пайка и пайка-сварка.
Диффузионная пайка и контактно-реактивная более трудоемки, но обеспечивают
высокое качество соединения и применяются, когда в процессе пайки
необходимо обеспечить минимальные зазоры. Качество паяных соединений
(прочность, герметичность, надежность и т. д.) зависит от правильного
выбора  основного металла, припоя, флюса, способа нагрева, величины
зазоров, типа соединения.

2. Материалы для пайки.

Припой. Припои для пайки, заполняющие зазор в расплавленном состоянии между
соединяемыми заготовками, должны отвечать следующим требованиям:
1) температура их плавления должна быть ниже температуры плавления пая-
емых материалов;
2) они должны хорошо смачивать паяемый материал и легко растекаться по
его поверхности;
3) должны быть достаточно прочными и герметичными;
4) коэффициенты термического расширения припоя и паяемого материала не
должны резко различаться;
5) иметь высокую электропроводность при паянии  радиоэлектронных и
токопроводящих изделий.
      Припои классифицируют по следующим признакам:
           А) Химическому составу;
           Б) Температуре плавления;
           В) Технологическим свойствам;
      По химическому составу припои делятся на свинцово-оловянные,
серебряные, медно-фосфорные, цинковые, титановые и др.

      Все припои по температуре плавления подразделяют на низкотемпературные
(tпл<500оС), или мягкие припои, и высокотемпературные (tпл>500оС), или
твердые припои. Припои изготовляют в виде прутков, проволок, листов, полос,
спиралей, колец, дисков, зерен и т. д., укладываемых в место соединения.
      К низкотемпературным, или мягким припоям относятся оловянно-свинцовые,
на основе висмута, индия, кадмия, цинка, олова, свинца. К
высокотемпературным или твердым припоям относятся медные, медно-свинцовые,
медно-никелевые, с благородными металлами (серебром, золотом, платиной).
      По техническим свойствам делятся на самофлюсующиеся (частично удаляют
окислы с поверхности металла) и композиционные (состоят из тугоплавких и
легкоплавких порошков, позволяющих  производить пайку с большими зазорами
между деталями).
      Изделия из алюминия и его сплавов паяют с припоями на алюминевой
основе с кремнием, медью, оловом и другими металлами.
      Магний и его сплавы паяют с припоями на основе магния с добавками
алюминия, меди, марганца и цинка.
      Изделия из коррозионно-стойких сталей и жаропрочных сплавов,
работающих при высоких температурах(>500оС), паяют с припоями на основе
железа, марганца, никеля, кобальта, титана, циркония, гафния, ниобия и
палладия.
      Паяльные флюсы. Эти флюсы применяют для очистки поверхности паяемого
металла, а также для снижения поверхностного натяжения и улучшения
растекания и смачиваемости жидкого припоя.
      Флюс (кроме реактивно-флюсовой пайки) не должен химически
взаимодействовать с припоем. Температура плавления флюса должна быть ниже
температуры плавления припоя. Флюс в расплавленном и газообразном
состояниях должен способствовать смачиванию поверхности основного металла
расплавленным припоем. Флюсы могут быть твердые, пастообразные, жидкие и
газообразные.


      Флюсы классифицируют по признакам:
- Температурному интервалу пайки на низкотемпературные (t<4500C) и
высокотемпературные (t>4500C);
- Природе растворителя на водные и неводные;
- Природе активатора на канифольные, галогенидные, фтороборатные,
анилиновые,    кислотные и т.д.;
- По агрегатному состоянию на твердые, жидкие и пастообразные

      Наиболее распространенными паяльными флюсами являются бура
(Na2B4O7) и борная кислота (H3BO3), хлористый цинк (ZnCl2), фтористый
калий (KF) и другие галоидные соли щелочных металлов.


3. Способы пайки.
      Способы пайки классифицируют в зависимости от используемых источников
нагрева. Наиболее распространены в промышленности пайка в печах,
индукционная, сопротивлением, погружением, радиационная, горелками,
экзофлюсовая, паяльниками, электронагревательными металлами и блоками.
      Пайка в печах. Нагревают соединяемые заготовки в специальных печах:
электросопротивления, с индукционным нагревом, газопламенных и газовых.
Припой заранее закладывают в шов собранного изделия, на место пайки наносят
флюс и затем помещают в печь, где это изделие нагревают до температуры
пайки. Припой расплавляется и заполняет зазоры между соединяемыми
заготовками. Процесс пайки продолжается несколько часов.
      Этот способ обеспечивает равномерный нагрев соединяемых деталей без
заметной их деформации.
      Крупные детали паяют в камерных печах с неподвижным подом; большую
партию мелких деталей – в печах с сетчатым конвейером или роликовым подом.
Пайка в печах позволяет механизировать паяльные работы и обеспечивает
стабильное качество изделий и высокую производительность труда.
      Индукционная пайка. Паяемый участок нагревают в катушке-индукторе.
Через индуктор пропускают т. в. ч., в результате чего место пайки
нагревается до необходимой температуры. Для предохранения от окисления
изделие нагревают в вакууме или в защитной среде с применением флюсов.
Индуктор выполнен в виде петли или спирали из красной меди. Формы и размеры
индуктора зависят от конструкции паяемого изделия. Различают две
разновидности пайки с индукционным нагревом: стационарную и с относительным
перемещением индуктора или детали.
      Пайка сопротивлением. Соединяемые заготовки нагревают теплотой,
выделяющейся при прохождении электрического тока через паяемые детали и
токопроводящие элементы. Соединяемые детали являются частью электрической
цепи. Нагрев сопротивлением можно осуществлять на контактных сварочных
машинах. С нагревом в контактных сварочных машинах паяют при изготовлении
тонкостенных изделий из листового материала или при соединении тонкостенных
элементов с толстостенными.
      Пайка погружением. Эту пайку выполняют в ваннах с расплавленными
солями или припоями. Соляная смесь обычно состоит из 55% KCl и 45% HCl.
Температура ванны 700-800оС. На паяемую поверхность, предварительно
очищенную от грязи и жира, наносят флюс, между кромками или около места
соединения размещают припой, затем детали скрепляют и погружают в ванну.
Соляная ванна предохраняет место пайки от окисления. Перед погружением в
ванну с расплавленным припоем, покрытые флюсом детали нагревают до 550оС.
Поверхности, не подлежащие пайке, предохраняют от контакта с припоем
специальной обмазкой из графита с добавками небольшого количества извести.
Пайку погружением в расплавленный припой используют для стальных, медных и
алюминиевых твердых сплавов, деталей сложных геометрических форм. На этот
процесс расходуется большое количество припоев. Разновидностью пайки
погружением является пайка бегущей волной припоя, когда расплавленный
припой подается насосом и образует волну над уровнем расплава. Паяемая
деталь перемещается в горизонтальном направлении. В момент касания ванны
проходит пайка. Бегущей волной паяют в радиоэлектронной промышленности при
производстве печатного радиомонтажа.
      Пайка с радиационным нагревом. Пайку выполняют за слет излучения
кварцевых ламп, расфокусированного электронного луча или мощного светового
потока от квантового генератора (лазера).
      Конструкцию, подлежащую пайке, помещают в специальный контейнер, в
котором создают вакуум. После вакуумирования контейнер заполняют аргоном и
помещают в приспособление, с двух его сторон устанавливают для обогрева
кварцевые лампы. После окончания нагрева кварцевые лампы отводят, а
приспособление вместе с деталями охлаждают. При применении лазерного
нагрева сосредоточенная в узком пучке тепловая энергия обеспечивает
испарение и распыление окисной пленки с поверхности основного металла и
припоя, что позволяет получать спаи в атмосфере воздуха без применения
искусственных газовых сред. При радиационном способе пайки лучистая энергия
превращается в тепловую непосредственно в материале припоя и паяемых
деталей. Этот способ пайки непродолжителен.
      Экзофлюсовая пайка. В основном этим способом паяют коррозионно-стойкие
стали. На очищенное место соединения наносят тонкий порошкообразный слой
флюса. Соединяемые поверхности совмещают, на противоположные стороны
заготовок укладывают экзотермическую смесь. Смесь состоит из разных
компонентов, которые укладывают в форме пасты или брикетов толщиной в
несколько миллиметров. Собранную конструкцию устанавливают в приспособлении
и помещают в специальную печь, в которой происходит зажигание
экзотермической смеси при 500oC.
      В результате экзотермических реакций смеси температура на поверхности
металла повышается и происходит расплавление припоя. Этим методом паяют
соединения внахлестку и готовые блоки конструкций небольших размеров.
      Газопламенная пайка. Паяемые заготовки нагревают и расплавляют припой
газосварочными и плазменными горелками. Газовые горелки обладают наибольшей
универсальностью. В качестве горючих газов используют ацетилен, природные
газы, водород, пары керосина и т.п.
      При использовании газового пламени припой можно заранее помещать у
места пайки или вводить в процессе пайки вручную. На место пайки
предварительно наносят флюс в виде жидкой пасты, разведенной водой или
спиртом;  конец прутка или припоя также покрывают флюсом.
      Нагревают также паяльными лампами, которые по существу являются
газовыми горелками, работающими на жидком топливе. Паяльные лампы
используют для работы в полевых условиях или в ремонтных мастерских.
      Плазменной горелкой, обеспечивающей более высокую температуру нагрева,
паяют тугоплавкие металлы – вольфрам, тантал, молибден, ниобий и т.п.
      Пайка паяльниками. Основной металл нагревают и припой расплавляют за
счет теплоты, аккумулированной в массе металла паяльника, который перед
пайкой или в процессе ее подогревают. Для низкотемпературной пайки
применяют паяльники с периодическим нагревом, с непрерывным нагревом,
ультразвуковые и абразивные. Рабочую часть паяльника выполняют из красной
меди. Паяльник с периодическим нагревом в процессе работы периодически
подогревают от постороннего источника теплоты. Паяльники с постоянным
нагревом делают электрическими. Нагревательный элемент состоит из
нихромовой проволоки, намотанной на слой асбеста, слюды или на керамическую
втулку, устанавливаемую на медный стержень паяльника. Паяльники с
периодическим и непрерывным нагревом чаще используют для флюсовой пайки
черных и цветных металлов мягкими припоями с температурой плавления ниже
300-350оС.
      Ультразвуковые паяльники применяют для бесфлюсовой низкотемпературной
пайки на воздухе и для пайки алюминия легкоплавкими припоями. Окисные
пленки разрушаются за счет колебаний ультразвуковой частоты.
      Абразивные паяльники. Такими паяльниками можно паять алюминиевые
сплавы без флюса. Окисная пленка удаляется в результате трения паяльника об
обрабатываемую поверхность. Абразивный паяльник в отличие от
электропаяльника имеет рабочий стержень, изготовленный прессованием из
порошка припоя и измельченного асбеста.


4. Типы паяных соединений.
      Основными типами паяных соединений являются стыковые и внахлестку.
Остальные разновидности соединений являются комбинациями перечисленных.
Например, плоские элементы могут быть соединены внахлестку (рис. 3,а),
ступенчатым (рис. 3,б), гребенчатым (рис. 3,в), косостыковым (рис 3,г),
стыковым (рис.3,д) и тавровым (рис. 3,е) соединениями.
[pic]
      Стыковое соединение применяют в тех случаях, когда изделие работает не
в жестких условиях и от него не требуется герметичности; соединение
внахлестку – во всех остальных случаях, причем чем больше площадь
перекрытия паяемых заготовок, тем выше будет прочность паяного шва.
      Криволинейные поверхности соединяют между собой и с плоскими
поверхностями в сотовых конструкциях, в панелях с гофрированными
проставками и т.п. Эти соединения используют в самолетостроении и для
изготовления теплообменников.
      К паянным соединениям в зависимости от назначения изделия, кроме общих
требований, могут быть предъявлены и специальные по герметичности,
электропроводности, коррозионной стойкости и т.п. Сборные части изделий
перед пайкой должны быть прочно сое6динены между собой для предотвращения
перекосов и относительных смещений. Способы соединения подбирают
экспериментальным путем в зависимости от конструкции изделия.


5. Подготовка деталей к пайке.
       1.    Механическая обработка (подгонка деталей друг к другу и
          создание шероховатости с помощью шкурки)
       2.    Обезжиривание поверхностей, подготавливаемых для пайки (едким
          натром (5-10 г/л), углекислым натрием (15-30г/л),
          тирнатрийфосфатом (30-60 г/л), эмульгатор ОП-7 (0,5 г/л)). Детали
          в растворе выдерживают при температуре 50-600С в течение 15-20
          минут. После обработки щелочью детали последовательно промывают
          горячей и холодной водой, а затем сушат.



Используемая литература.

1. Дальский А. М., Арутюнова И. А., Барсукова Т. М. Технология
конструкционных материалов. Учебник для технических вузов. М.,
«Машиностроение», 1977.

2. Технический портал радиолюбителей России www.cqham.ru
-----------------------
2
3
3
3
4
4
4
4
4
5
5
5
5
6
6
6
6
7
7
8
9




смотреть на рефераты похожие на "Пайка "