7. Флюсы для пайки серебряными припоями

Пайка серебряными припоями с нагревом соединяемых элементов осуществляется в печах и с использованием ТВЧ. На предприятии, вы­пускающем преобразователи ПМС-6 и ПМС-15А-18, принята технология пайки в печи. Спаиваемые элементы устанавливают в специальные прис­пособления - контейнеры и помещают в печь, нагретую до 700°С. Пайка осуществляется в течение 30 мин при температуре 720—730°С в среде аргона. Вынутые из печи контейнеры с преобразователями охлаждают на воздухе. Основным недостатком групповой пайки преобразователей в контейнерах нужно считать отсутствие возможности контроля процес­са непосредственно в процессе пайки.

В условиях единичного производства широкое распространение получает пайка преобразователей с использованием ТВЧ. Преимущест­ва пайки ТВЧ заключаются в возможности непосредственного контро­ля за процессом пайки и минимальный нагрев преобразователя в про­цессе подготовки и самой пайки. Имеющийся опыт пайки с использова­нием ТВЧ говорит о том, что как одинарные, так и спаренные колебатель­ные системы успешно паяют с использованием охватывающих индукто-

66

ров. Разогрев спаиваемых элементов необходимо начинать с прогрева волновода. Разогрев волновода осуществляется при установке индуктора несколько ниже плоскости спаивания. Установка ТВЧ включается периоди­чески (2—3 включения в минуту). Такой циклический нагрев позволяет избежать перегрева и обгорания внешней поверхности волновода. Нагрев массивного волновода для спаренной колебательной системы осуществля­ется постепенно в течение 4—5 мин.

Подготовка поверхностей к пайке обычно сводится к обезжирива­нию поверхности, нанесению на поверхность волновода последователь­но слоя флюса, припоя и опять слоя флюса и, наконец, установке сжато­го накладками преобразователя на волновод.

Улучшение качества пайки можно получить, воздействуя на расплав­ленный припой ультразвуковыми колебаниями. Проведенное исследова­ние показало, что воздействие на жидкую ванну припоя в течении 10—15 с ультразвуковыми колебаниями примерно в 1,5-1,7 раза увеличивает сопротивление на разрыв спаянного соединения. Это увеличение связано с увеличением площади пропаивания.

Одним из основных условий качественной сборки колебательных систем со сменными концентраторами-излучателями является хороший акустический контакт по торцовым поверхностям волновода и кон­центратора-инструмента. Условия контакта определяют условия переда­чи акустической мощности, реакцию колебательной системы на техно­логическую нагрузку.

Испытания колебательных систем. Эффективность работы колебатель­ной системы непосредственно связана со свойствами материала магнитострикционного преобразователя. В свою очередь, эти свойства существен­но зависят от режимов термической обработки и пайки. Существуют совершенно определенные связи между удлинением магнитострикционного материала при наложении постоянного магнитного поля и работой преобразователя в динамическом режиме. Установление таких связей позволяет проводить контроль состояния материала активного элемента на различных стадиях технологического процесса изготовления коле­бательных систем. Такие измерения целесообразно осуществлять вы­борочно для партии преобразователей после операции отжига и пайки. Измерения в этом случае сводятся к построению зависимости величины продольной магнитострикции материала от напряженности постоян­ного магнитного поля. Удлинение можно измерять контактным методом с использованием рычажных приборов с ценой деления 1 мкм. Изме­рения целесообразно производить на пакетах-образцах, набранных из стандартных пластин после их термической обработки. Пакет необходимо выровнять по контактной и опорной поверхностям, забандажировать для придания жесткости и наложить обмотку.

В качестве источника питания постоянного тока можно использовать систему подмагничивания от стандартного ультразвукового генерато­ра. Если при наблюдаемом насыщении относительное удлинение па­кета-образца достигает величины Δ1/1 ≥ (50-60) 10^-6, материал пре­образователя обладает удовлетворительными магнитострикционными свойствами и может обеспечить удовлетворительные характеристики

67

преобразователя в динамическом режиме работы. На рис. 42 показана зависимость величины амплитуды колебаний преобразователя в дина­мическом режиме работы от величины относительного удлинения, опреде­ленной при статическом нагружении,ξ = f (Δ1/1). Аналогичные испытания колебательных систем можно осуществлять после их припаивания к волноводу. Такие измерения позволяют получить информацию о влиянии метода и режимов пайки на свойства материала преобразователя.

Имеющийся опыт говорит о том, что статические испытания явля­ются эффективным методом оценки материала собственно преобразова­теля на различных стадиях его изготовления и эксплуатации. Относитель­ное удлинение позволяет судить о свойствах исходного материала, о качестве его термической обработки. Относительное удлинение, опреде­ленное в различные периоды эксплуатации преобразователя, позволяет судить об изменении магнитострикционных свойств в результате опреде­ленного времени эксплуатации. Указанные испытания часто позволяют установить причину отказа в работе преобразователя, которая связана либо с изменением магнитострикционных свойств, либо с нарушением контакта по поверхности пайки.

Кроме статических целесообразно осуществлять динамические испы­тания, в результате которых должны быть определены предельная амп­литуда колебаний, чувствительность колебательной системы (отноше­ние ξ/u_вх), эффективность использования потребляемой мощности, реакция колебательной системы на акустическую нагрузку. Амплитуду

Рис. 42. Зависимость амплитуды колебаний преоб­разователя от относительного удлинения в постоян­ном магнитном поле ξ — f(Δ1/1)

Рис. 43. Электродинамический датчик:

1 - волновод; 2 - крышка; 3 - корпус; 4 - центрирующее кольцо; 5 - постоян­ный магнит; 6 - катушка; 7 - излучатель

68

колебаний измеряют на частоте резонанса колебательной системы. Ме­тод измерения амплитуды зависит от конструкции колебательной сис­темы. Колебательные системы с согласующим элементом в виде пласти­ны обмеривают с помощью безконтактных виброметров УБВ-2 или УБВ-4. Можно измерять амплитуду и с помощью стрелочного индикатора с ценой деления 0,5—1 мкм. В этом случае амплитуда определяется, как разница в показаниях индикатора при включенных и выключенных ко­лебаниях. При этом измерительный наконечник индикатора вводится в контакт с колеблющейся поверхностью излучателя. Ось наконечника должна совпадать с направлением колебательной скорости излучающей поверхности.

Амплитуду колебаний у стержневых колебательных систем можно измерять также с использованием микроскопа с увеличением 300—500 крат и винтового окулярного микрометра. Подробное описание методов измерения изложено в [ 11 ].

Нужно отметить, что для измерения амплитуды у стержневых систем можно рекомендовать электродинамический датчик, он прост в изго­товлении и надежен в эксплуатации. Принцип действия электродинами­ческого датчика основан на возникновении вихревых токов в металли­ческом волноводе, движущемся в магнитном поле постоянного магнита. Электродинамический датчик можно использовать для измерения ампли­туды тангенциальной составляющей колебательной скорости или сме­щения на поверхности металлического волновода стержневой колеба­тельной системы, а также для создания индикатора настройки колебатель­ной системы в резонанс и автоматической обратной связи в системе ультразвуковой генератор — колебательная система.

Схема датчика, установленного на волноводной части стержневой колебательной системы, дана на рис. 43. Измерительная катушка 1 зак­лючена в корпус 2. Сверху на катушку установлены кольцевой магнит 3 и магнитопровод 4, играющий одновременно роль крышки корпуса дат­чика. Центрирование датчика на волноводе целесообразно осуществлять капролоновой втулкой 5. При возбуждении упругих колебаний в волно­воде за счет его перемещения в магнитном поле постоянного магни­та в нем возникают вихревые потоки. Образующееся при этом перемен­ное электромагнитное поле наводит в измерительной катушке ЭДС, ве­личина которой пропорциональна амплитуде колебательной скорости. Наведенная ЭДС регистрируется соответствующим измерительным уст­ройством. В качестве постоянного магнита целесообразно использовать кольцевые магниты из редкоземельных металлов. Однако возможно использование и более слабых постоянных магнитов. ЭДС катушки датчи­ка можно измерить высокочастотным вольтметром B3-13.

Тарировку датчика u_д = f (ξ) осуществляют с помощью стрелочного индикатора либо с использованием микроскопа. Практически зависи­мость u_д = f(ξ) имеет линейный характер, что позволяет после его соответствующей тарировки использовать сигнал датчика для оценки амплитуды колебаний излучателя как на вспомогательном ходу, так и непосредственно в рабочем режиме под нагрузкой.

Кроме предельной амплитуды колебаний в общем случае целесооб-

69

разно характеризировать колебательную систему ее чувствительностью по напряжению v _u = ξu^(-1) и чувствительностью по мощности ν_w = ξ(√w)^(-1) Указанные параметры позволяют сопоставить различные конструкции колебательных систем по их реакции на возбуждение, по энергетическим характеристикам [11]. Оценку указанных параметров необходимо осу­ществлять в двух режимах нагружения: на вспомогательном ходу, когда сопротивление нагрузки R_H = 0, и при эталонной нагрузке, например в виде однородного полуволнового стержня. Приведенная система пара­метров позволяет осуществить выбор колебательной системы с учетом конкретного технологического процесса.

4. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКИ

Технологические процессы ультразвуковой очистки прецизионных деталей в машиностроении обычно состоят из нескольких последова­тельных технологических переходов. Выполняемые переходы можно разделить на подготовительные, предшествующие ультразвуковой очист­ке, и заключительные, следующие за ультразвуковой очисткой и призван­ные подготовить очищенные детали к межоперационному либо более длительному хранению.

По характеру и количеству выполняемых технологических пере­ходов процессы ультразвуковой очистки можно разделить на две ос­новные группы: процессы очистки, основанные на применении водных технологических растворов; процессы с использованием аэеотропных органических композиций.

Число переходов в комплексных технологических процессах зависит от характера загрязнений, требований, предъявляемых к очищенным поверхностям, и других факторов и обычно колеблется от четырех до восьми.Ультразвуковое технологическое оборудование для разборки деталей состоит из:

ультразвукового генератора, который является источником питания ультразвуковой колебательной системы, обеспечивающей получение заданного технологического эффекта;

ультразвуковой колебательной системы, преобразующей электри­ческие колебания в механические колебания ультразвуковой частоты;

собственно технологического устройства, обеспечивающего пос­ледовательное выполнение переходов в соответствии с комплексным технологическим процессом

Комплексный технологический процесс определяет производитель­ность, энергоемкость оборудования, его конструктивные особенности.

КОМПЛЕКСНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Отличительной особенностью технологии очистки прецизионных деталей, особенно на заключительной стадии их изготовления, являются

весьма жесткие требования к качеству очистки, а в ряде случаев особые требования к состоянию очищенной поверхности, например к толщине и равномерности пассивирующих пленок, к растворимости пассивирующих пленок в органических растворителях перед сборкой и т.д. Обычно очист­ка прецизионных деталей осуществляется последовательно в несколько этапов. Детали проходят предварительную очистку, которая имеет дво­якую цель:

во-первых, она призвана удалить основную часть загрязнений и уменьшить тем самым загрязненность технологического раствора на позиции финишной очистки, которая идет с применением ультразвука;

во-вторых, воздействуя на загрязнения и поверхностные пленки и изменяя их физическое состояние, предварительная очистка тем самым повышает эффективность ультразвуковой очистки.

Если технологический процесс очистки основан на использовании водных моющих сред, то подготовительные операции обычно осуществля­ются простыми приемами (размочка или предварительная очистка дета­лей). Очистка осуществляется погружением деталей на определенное время в соответствующий технологический раствор, который может растворять определенные компоненты загрязнений либо, нагревая де­тали и увеличивая жидкотекучесть загрязнений, улучшать их смывае-мость. Предварительная очистка позволяет удалить до 70—80% основ­ной массы загрязнений. Для выполнения предварительной очистки мож­но использовать отработанные водные моющие растворы или органи­ческие растворители. Иногда целесообразно размягчить загрязнения легколетучими растворителями (ацетоном, бензином). Однако при наличии в составе загрязнений жирных кислот и парафинов, что харак­терно для доводочных паст, предварительная размочка деталей в бензине не только не облегчает последующую операцию ультразвуковой очистки, но даже может существенно усложнить ее. Это связано с тем, что раст­воряя легкорастворимые жидкие компоненты пасты, органические растворители засушивают и уплотняют загрязнения. Уменьшение в сос­таве загрязнений количества жирных кислот, образующих с тринатрий-фосфатом водорастворимые мыла, затрудняет процесс эмульгирова­ния загрязнений. Этот случай типичен для процесса очистки деталей от доводочных паст [22].

Если очистке подвергаются детали с высохшими и уплотненными поверхностными загрязнениями, что обычно связано со значительным сроком межоперационного хранения, положительный результат дает размочка в керосине. Удаляя определенную часть загрязнений, керосин одновременно хорошо удерживается на поверхности и размягчает оставшиеся загрязнения.

При ■ использовании на позиции ультразвуковой очистки водных технологических сред нужно заботиться о том, чтобы они не загрязня­лись керосином. Во избежание переноса значительного количества ке­росина вместе с деталями в основной моющий раствор можно рекомендо­вать выдержку деталей на воздухе или продувку их сжатым воздухом. Продувка обычно является необходимой при очистке деталей, имеющих полости и глухие отверстия. Длительность предварительной размочки

71

деталей в керосине существенного значения не имеет. Диффузия раство­рителя в загрязнение активно происходит и во время вьщержки деталей на воздухе после их окунания в керосин.

Применение керосина в производственных условиях хотя и менее опасно, чем использование ацетона или бензина, все же нежелательно. При очистке деталей со слабо связанными загрязнениями хорошие ре­зультаты дает предварительная размочка деталей не в керосине, а в вод­ном моющем растворе. При этом можно достаточно эффективно исполь­зовать отработанный на позиции ультразвуковой очистки и уже доста­точно сильно загрязненный моющий раствор.

Для интенсификации процесса предварительной очистки целесооб­разно создавать затопленные потоки, применять барботирование возду­хом и другие приемы, включая механическое воздействие. После фи­нишной очистки, которая проходит с применением ультразвука, с по­верхности деталей необходимо удалить остатки моющего раствора и подготовить поверхность к межоперационному или складскому хране­нию. Комплексное решение процессов очистки деталей, особенно в усло­виях массового производства, требует включения этих операций в еди­ный технологический комплекс.

Требования к состоянию поверхностного слоя, которые, в свою очередь, определяются местом конкретной операции очистки, в общей технологической цепочке изготовления деталей регламентируют коли­чество и характер заключительных переходов в комплексном техно­логическом процессе. Как правило, заключительные переходы вклю­чают удаление с очищенной поверхности остатков моющего раствора, пассивацию и сушку деталей.

Очень часто требования к точности контроля размеров прецизион­ных деталей, а также требования к условиям собираемости узлов не поз­воляют осуществлять пассивацию и сушку сразу после ультразвуковой очистки, если ее проводят в щелочных моющих растворах. Соли, содер­жащиеся в моющем растворе, могут при высыхании создавать пленку и искажать результаты измерений, затруднять сборку. Остатки моющего раствора можно удалить ополаскиванием деталей в водном пассивирую­щем составе, а в отдельный случаях ополаскиванием в проточной воде.

При содержании в воде большого количества растворенных солей рекомендуется обработка воды препаратами, переводящими соли в осадок, с последующим ее отстоем и фильтрацией. Нагрев воды до тем­пературы 60-80.° С несколько сокращает продолжительность ополаски­вания, однако увеличивает энергоемкость процесса. Иногда нагрев де­тали при обработке ее горячей водой сказывается отрицательно на процес­се пассивации, увеличивая толщину пассивирующей пленки и нарушая ее равномерность за счет создания натеков при быстром высыхании. Если за процессом очистки следуют контрольно-сборочные операции, необходи­мо обеспечить, чтобы пассивирующие пленки практически не изменяли контролируемые размеры и одновременно надежно предохраняли по­верхности от коррозии в период межоперационного хранения.

Детали из черных металлов обычно пассивируют в водорастворимых ингибиторах коррозии (NaNO₃, Na₂ СО₃ и т.д.) при температуре 60—70°С.

72

Указанные ингибиторы при высыхании оставляют на очищенной поверх­ности солевой налет и поэтому не всегда могут быть рекомендованы при пассивации прецизионных деталей. Например, в производстве деталей топливной аппаратуры дизелей, контроль размеров которых осуществля­ется с точностью до 2-10^-4 мм, указанные ингибиторы не применяют. В этом случае положительные результаты получены при использовании 1%-ного водного раствора олеинового мыла или 0,3%-ного водного раст­вора триэтаноламина.

Для получения равномерной и тонкой пассивирующей пленки на очищаемой поверхности пассивацию необходимо проводить в холод­ном растворе (15-20°С). После пассивации обычно детали сушат. Воз­дух, поступающий в сушильные камеры, должен быть тщательно очищен от влаги, масла и пыли. В отдельных случаях для получения равномерной пассивирующей пленки сушку осуществляют в два этапа: первоначально детали обдувают холодным воздухом, этим достигается удаление лиш­ней влаги, и только потом сушат горячим воздухом.

Типовой комплексный технологический процесс ультразвуковой очистки для стальных деталей показан в табл. 8. Рекомендации по вы­бору технологических сред даны в работах [2,12].

Технологические процессы очистки с использованием в качестве тех­нологических сред азеотропных смесей или органических растворителей также состоят из ряда последовательных операций. Количество и пос­ледовательность операций в этом случае определяются видом загрязне­ний, степенью загрязненности деталей и требованиями к качеству очистки. Применение органических растворителей в процессах очистки имеет некоторые особенности. Обладая высокой растворяющей и низкой эро­зионной способностью по сравнению с водными моющими средами, органические растворители могут быть эффективны в условиях, ког­да загрязнения хорошо в них растворяются и не требуют значительно­го механического воздействия для их отделения. Другая особенность заключается в том, что высокая испаряющая способность органических растворителей не позволяет получить деталь более чистую, чем применяе­мая технологическая среда, в которой по мере очистки накапливаются смытые загрязнения. В связи с этим технологические процессы строятся путем последовательной обработки, каждый раз повышая степень чисто­ты применяемого растворителя и тем самым последовательно добиваясь требуемой чистоты поверхности.

Технологический процесс очистки в этом случае обычно состоит из последовательных переходов:

1. очистка погружением в кипящем растворителе;

2. очистка погружением с использованием ультразвуковых колеба­- ний;

3. ополаскивание или смывание оставшихся на поверхности загрязне­- ний за счет обработки в парах растворителя.

Технологический процесс очистки с применением органических растворителей обычно не требует применения пассивации для предохра­нения деталей от коррозии в период межоперационного хранения [5].

74

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

Источниками питания ультразвуковых технологических установок являются ультразвуковые генераторы. Генераторы предназначены для преобразования тока промышленной частоты в ток ультразвуковой частоты и питания соответствующих преобразователей, являющихся источниками ультразвуковых колебаний, используемых в технологичес­ких целях. Основные сведения по расчету и устройству генераторов изложены в литературе [7, 13, 14].

Генераторы можно по виду преобразовательного устройства раз­делить на машинные, ламповые и полупроводниковые. Машинные ге­нераторы, рассчитанные на частотный диапазон примерно до 8 кГц, не находят широкого применения в технологических установках для очист­ки. Наибольшее распространение получили генераторы на полупровод­никовых приборах.

Генераторы можно характеризовать электрическими, эксплуатацион­ными и технико-экономическими параметрами. К электрическим парамет­рам относятся частота, потребляемая и выходная электрическая мощ­ность, КПД, стабильность и точность установки частоты.

Рабочий диапазон частот генераторов для ультразвуковых электро­технических установок составляет 18 ±1,35; 22 ±1,65; 44 ±4,4 и 66 ±'6,6 кГц. Выходная мощность генераторов, применяемых при очист­ке, как правило, не превышает 10 кВт. Под выходной мощностью гене­ратора понимают электрическую мощность, подводимую к преобразова­телю, а КПД есть отношение выходной мощности Р ко всей потребляе­мой Р_э: η = Р/Рэ Обычно КПД генератора η = 40 ÷± 65%.

Стабильность установки и поддержания частоты зависит от конструк­ции генератора и определяет тип применяемых преобразователей. Раз­личают генераторы с самовозбуждением и с независимым возбуждением. Генераторы с самовозбуждением не обеспечивают высокую стабиль­ность поддержания частоты. Под стабильностью частоты понимают отно­шение изменения частоты Δf к ее номинальному значению f₀, определяе­мому резонансной частотой преобразователя. Для генераторов с самовоз­буждением Δff₀^-1= 5 • 10^-3.

Этот тип генераторов используют для питания преобразователей с низкой добротностью, к которым, в частности, относится широко рас­пространенный преобразователь ПМС-6-22. От этого типа генераторов возможно питание и высокодобротных колебательных систем. В этом случае генераторы должны быть оборудованы системами автоматической подстройки частоты (АПЧ), а преобразователи, в свою очередь, должны иметь датчики акустической обратной связи (АОС).

При высокоамплитудной ультразвуковой очистке эффективность процесса в основном определяется величиной и стабильностью амплиту­ды колебаний излучателя. Для получения высоких амплитуд применяют колебательные системы высокой добротности, имеющие резонансную амплитудно-частотную характеристику. Так как в процессе очистки в установившемся режиме нагрузочные характеристики колебательной системы не меняются и частота системы зависит только от температур

75

охлаждающей воды и технологической среды, основными требованиями к генератору являются стабильность частоты генератора во времени и возможность согласования его с нагрузкой.

Наиболее полно поставленным требованиям отвечают генераторы с независимым возбуждением и стабилизированным источником электри­ческих колебаний. Стабильность частоты в этом случае должна состав­лять примерноΔffo¹ = 5± 10^-4. Основные характеристики генераторов приведены в табл. 9 и 10.

Генератор УЗГ2-4М комплектуется двумя преобразователями ПМС-6-22. Генератор УЗГЗ-10 комплектуется четырьмя преобразовате­лями ПМС-2,5-18, которые снабжены датчиками акустической обратной связи.

Выпускаемые ультразвуковые генераторы должны удовлетворять "Правилам технической эксплуатации электроустановок потребителей" и "Правилам техники безопасности и эксплуатации электроустановок потребителей". Помещения, в которых могут работать ультразвуковые генераторы, относятся к помещениям четвертой категории (закрытые помещения и хорошо отапливаемые).

По своему назначению, конструктивным особенностям ультразвуко­вое технологическое оборудование можно разделить на однопозицион-ные ультразвуковые установки универсального назначения или ультразву­ковые ванны (УЗВ) и многопозиционные установки для реализации комплексных технологических процессов очистки.

Простейшим технологическим оборудованием для процессов ультраз­вуковой очистки являются однопозиционные ультразвуковые ванны. Ультразвуковые ванны представляют собой технологические емкости со встроенными преобразователями и системой подогрева тех­нологических жидкостей. В качестве источников колебаний используют как магнитострикционные, так и пьезокерамические преобразователи. Серийно выпускаемые ультразвуковые ванны не оборудованы транс­портными устройствами, системами подачи и очистки технологических сред и фактически рассчитаны на выполнение лишь одной операции — очистки с использованием ультразвука. Процесс очистки заключается в том, что детали, загруженные в соответствующие технологические кас­сеты либо другие устройства, вручную загружают в ванну и после очистки также вручную вынимают из нее.

Малогабаритные ультразвуковые ванны настольного типа имеют мощность от 0,1 до 0,4 кВт и вместимость рабочей камеры от 1 до 5 л. В качестве источников колебаний используют преобразователи из пьезо-керамики. Этот тип установок применяют непосредственно на рабочем месте при выполнении различных технологических операций изготовле­ния малогабаритных деталей часового производства, деталей прецизион­ных подшипников и т.д.

Кроме малогабаритных широкое распространение получили установ­ки с рабочим объемом до 150 л (табл. 11). Эти установки, а к ним отно­сятся ультразвуковые ванны типа , предназначены для очистки широ­кой номенклатуры деталей машиностроительного профиля в основном от технологических загрязнений. Очистка в этих ваннах осуществляется

76