7. Расчет режима пайки расчет режима пайки классификация пайки

1. Образование соединений при пайке

В отличие от сварки плавлением образование соеди­нений при пайке достигается в результате смачивания твердых соединяемых поверхностей более легкоплавким расплавленным (жидким) металлом — припоем. Обра­зования общей сварочной ванны, как при сварке плавле­нием, в этом случае не требуется.

В процессе смачивания происходит установление меж­атомных связей между поверхностными атомами соеди­няемых деталей и атомами расплавленного припоя. Конечная стадия образования соединений характеризуется диффузионными процессами, протекающими между при­поем и соединяемыми металлами.

Протекание диффузионных процессов приводит к из­менению состава припоя и паяемого металла на границе припой — металл и определяется особенностями их взаи­модействия.

Общим для сварки плавлением и пайки является об­разование соединения через жидкий расплавленный ме­талл.

Несмотря на отмеченное сходство в механизме обра­зования связей при сварке плавлением и пайке, в технологическом отношении эти процессы значительно отли­чаются. При сварке плавлением жидкий металл образу­ется за счет расплавления кромок соединяемых деталей и образование общей сварочной ванны становится обязательным. В этом случае неизбежно введение значи­тельной тепловой энергии с целью достижения высокой температуры, необходимой для местного расплавления металла.

При пайке жидкий металл образуется за счет расплавления более легкоплавкого припоя, поэтому темпе­ратура процесса при пайке определяется температурой плавления припоя и температурой, при которой обеспечивается смачивание.

Таким образом, смачивание поверхностей соединяе­мых деталей жидким припоем является основным этапом образования соединений при пайке, и для его обеспече­ния должны быть приняты особые меры.

2. Физические процессы, протекающие при пайке

При образовании паяного соединения последовательно протекают физические процессы смачивания, связанное с ним явление капиллярности и процессы диффузии.

Процесс смачивания характеризуется величиной сил адгезии, действующих между паяемой поверхностью и жидким припоем. Адгезия понятие широкое, определя­ющее возникновение связи между двумя приведенными в контакт разнородными телами (фазами) твердыми или жидкими. Причиной возникновения связи являются силы взаимодействия (ионные, Ван-дер-Ваальса, метал­лические). Термин «адгезия» может быть применим к процессам нанесения красок, клеев, а также к пайке или лужению.

Физическую сущность процесса смачивания можно рассмотреть на примере капли жидкости, лежащей на поверхности твердого тела. На каплю жидкости, ле­жащую на поверхности твердого тела, действуют силы поверхностного натяжения на межфазных границах твер­дого тела, жидкости и газообразной окружающей среды (рис. 1, а).

Условие равновесия сил, действующих в этой систе­ме, можно выразить уравнением:

σ_т-г = σ_ж-т + σ_ж-г cosθ,

Рис. 1. Схема действия сил поверхностного натяжения (а) и раз­личные случаи смачивания жидкостью твердого тела (б)

где σ_ж-г — поверхностное натяжение на границе жид­кость— окружающая среда (воздух, газовая среда, ва­куум);

σ_т-г — поверхностное натяжение на границе твер­дое тело — окружающая среда;

σ_ж-т — поверхностное натяжение на границе жидкость — твердое тело.

Сила тяжести капли жидкости не учитывается. Сте­пень смачивания определяется величиной угла θ или его косинуса. Угол θ называется краевым углом смачивания.

На рис. 1, б приведены различные случаи смачива­ния жидкостью твердого тела.

Полное несмачивание, при котором капля жидкости превращается в сферу (шар). θ =180°, COS θ = - 1; σ_т-г = σ_ж-т - σ_ж-г .

Ограниченное смачивание θ = 90°; cos θ — 0; σ_т-г = σ_ж-т

Полное смачивание θ = 0°, cos θ=1; σ_т-г = σ_ж-т+ σ_ж-г .

Растекание жидкости по поверхности обеспечивается после достижения полного смачивания и выполнения ус­ловия: σ_т-г > σ_ж-т + σ_ж-г .

На смачивание и растекаемость оказывают влияние следующие факторы: состояние поверхности паяемого металла; среда, в которой проводится нагрев; химический состав паяемого металла и припоя; температура процесса и др.

Смачивание существенно улучшается при примене­нии специальных сред и флюсов, способных очищать поверхность, от окислов и загрязнений.

Сущность явления капиллярности состоит в подъеме жидкости по капилляру (или зазору) на оп­еделенную высоту.

Высота подъема жидкости (см) в вертикальном капилляре определяется выражением

h= .

Эта зависимость получена из условия равенства ка­пиллярного давления (Рк) металлостатическому (Рм), определяемому высотой столба жидкости в вертикальном капилляре: Pм=hγg. Величина капиллярного давления для цилиндрического капилляра радиусом r определяется выражением:

Рк = ,

для плоского капил­ляра при зазоре D

Рк= .

В этих уравнениях:

σ_ж-г — поверхностное натяжение на межфазной границе жидкость — газ;

θ — краевой угол смачивания;

D — расстояние между пластинками, равное зазору;

r — радиус цилиндрического капилляра;

g — ускорение силы тяже­сти;

γ — плотность жидко­сти.

Чем меньше зазор между деталями, тем больше капиллярное давление Рк, тем на большую высоту будет подниматься припой в вертикальном капилляре.

Образование связей между припоем и паяемым металлом в процессе смачивания приводит к возможности взаимодействия припоя и паяемого металла, в основе которого лежат диффузионные процессы, протекающие при нагреве и выдержке при пайке.

Схематично структуру паяного соединения можно представить состоящей из трех зон: припой, паяемый металл, зоны взаимодействия припоя и паяемого металла (диффузионные зоны) (рис.2).

В зонах взаимодействия наблюдается проникновение элементов припоя в паяемый металл и проникновение элементов паяемого металла в припой. В зависимости от свойств припоя и металла и особенности их взаимодействия в этих зонах могут образовываться твердые растворы переменной концентрации или прослойки химических соединений.

Рис. 2. Схема структуры паяного соединения:

1 — паяемый металл, 2 — при­пой, 3 — зоны диффузии