Пайка металлов

11.2. Пайка при нагреве конвекцией

При данном способе тепло, необходимое для нагрева изделия и расплавления припоя, передается за счет активного перемещения газовой или жидкой среды. Разновидностью пайки при нагреве конвекцией является газопламенная пайка, которая выполняется в основном вручную.

Пайка газовыми горелками

В оборудование поста для пайки газовыми горелками входит набор горелок, соединительные трубопроводы, редукторыи источники горючих газов, кислорода или воздуха. По применяемому горючему различают горелки ацетилено-кислородные; горелки, работающие на природном или промышленном газе в смеси с кислородом или воздухом, икеросино-кислородные.

При применении ацетилено-кислородной смеси рекомендуются обычные сварочные горелки. Для пайки с использованием природного и промышленного газов разработаны специальные наконечники, которые отличаются от наконечников горелок для аце- тилено-кислородной пайки только размерами отверстий в мундштуках, инжекторах и смесительных камерах. Высокотемпературную пайку следует производить газовым пламенем нормального состава (небольшой избыток горючего допускается). Удельная мощность пламени должна составить (по ацетилену) для нержавеющей стали 60–70, для углеродистой стали 100–200, меди 150–200, латуни 100–120 л/ч · мм. Здесь следует упомянуть о том, что под удельной мощностью пламени понимается часовой расход ацетилена в литрах, приходящийся на 1 мм толщины свариваемого или подвергаемого пайке металла. После окончания процесса пайки следует отвести пламя горелки в сторону, а соединенные детали оставить для естественного остывания. При этом ни в коем случае нельзя пытаться ускорить процесс охлаждения. В конце работы нужно очистить шов от флюса смоченной в теплой воде ветошью.

101

Керосино-кислородные горелки в отличие от ацетилено-кис- лородных имеют специальный испаритель, в котором керосин подогревается пламенем, образуемым при сгорании горючей смеси, в отдельном подогревающем сопле. Керосино-кислородные горелки применяются для пайки деталей с толщиной стенок 2–10 мм и обеспечивают нагрев до температуры 1000–1100 °С.

Правила эксплуатации газовых горелок, трубопроводов и редукторов аналогичны правилам эксплуатации сварочных горелок.

Применяемые для нагрева при пайке промышленные и природные горючие газы могут подаваться к рабочему месту из генераторов, баллонов или заводской сети. Кислород и воздух поставляются в баллонах или тоже подаются из заводской сети.

Процесс пайки газовыми горелками легко поддается механизации. В промышленности разработаны и широко применяются для газопламенной пайки массовых деталей печи конвейерного и роторного типов.

Печи конвейерного типа имеют цепную передачу, на которой через определенные интервалы закреплены приспособления для установки паяемых деталей. Зона пайки представляет собой трубу, футерованную огнеупорным материалом, в которой рядами установлены горелки.

Установки роторного типа обычно имеют поворотный стол, на котором также через определенные интервалы монтируются приспособления с деталями, и при повороте стола они поочередно перемещаются в зону пайки, где установлены газопламенные горелки.

При газопламенном нагреве пламя горелки является конвективным теплообменным источником нагрева. Для газопламенной пайки, сварки, резки мелких деталей с высокой температурой плавления применяют аппараты с водородной микрогорелкой, в основу работы которых положен принцип электролиза воды электрическим током. Аппарат представляет собой настольный переносной прибор, состоящий из электролизера, смесителей, дополнительного смесителя, панели управления, горелки. Для увеличения проводимости в дистиллированную воду добавляют химически чистый ед-

102

кий калий. В результате прохождения электрического тока из раствора выделяются водород и кислород. В смесителе после прохождения через водный затвор смесь насыщается парами бензина (спирта или ацетона) и поступает в горелку. Управление электролизом воды осуществляется с помощью электронного регулятора мощности. Горелка формирует необходимый факел пламени и снабжается быстросъемными наконечниками. При газопламенном нагреве возможен пережог деталей, окисление припоя вследствие неравномерности температурного поля в зоне нагрева.

Печи для пайки конвекционным нагревом

Применение печного нагрева наиболее соответствует технологическим особенностям процесса пайки, обеспечивает высокое качество паяных соединений и при использовании средств механизации дает наиболее высокую производительность труда. Защита основного металла и припоя от окисления и удаление с их поверхности окисной пленки при пайке в печи производится с помощью флюсов, контролируемых атмосфер и вакуума. Пайка в печи при применении контролируемых атмосфер и средств механизации является наиболее совершенным процессом получения паяных изделий.

Вкомплект оборудования, применяемого при печной пайке, входят печи с устройствами для транспортировки паяемых деталей, установки для производства контролируемых атмосфер или создания вакуума и приспособления для сборки и пайки. Применяемые печи по конструктивным особенностям и условиям нагрева паяемых деталей делятся на следующие группы: печи с ручной подачей; печи с роликовым подом; печи с ленточным конвейером; шахтные, колпаковые и элеваторные печи; вакуумные печи.

Вэлектропечах с воздушной атмосферой нагреватели изготавливаются, как правило, из сплавов на никелехромовой и железохромоалюминиевой основах. Нагреватели на никелехромовой основе, например из сплавов ЭИ-435 и ЭИ-626, обеспечивают максимальный нагрев изделия до температуры 1200 °С. Иногда вместо металлических нагревателей, которые на воздухе довольно быстро

103

окисляются и выходят из строя, применяют керамические нагреватели в виде силитовых или карборундовых стержней, работающих длительный срок при температуре до 1300 °С. В последнее время все большее применение находят стержни из дисилицида молибдена, которые в воздушной атмосфере обеспечивают нагрев до 1700 °С. Для повышения температуры в печах нагреватели делают из таких тугоплавких материалов, как молибден, тантал, вольфрам и графит. Однако ввиду быстрой окисляемости они могут быть использованы только в печах с защитной или восстановительной атмосферой, а также в вакууме.

Печи с ручной подачей представляют собой камерные электрические печи, рабочее пространство которых в процессе нагрева и охлаждения заполнено контролируемыми газовыми средами, находящимися под небольшим избыточным давлением. Печь обычно состоит из двух камер, заключенных в общий металлический кожух. Подготовленные к пайке детали подаются в печь вручную, в противнях, на поддонах, решетках и т.п. Через входную дверцу детали продвигаются в камеру, обогреваемую нагревательными элементами. Температуру в камере замеряют термопарой. Камера нагрева отделена от камеры охлаждения керамическими дверцами, которые открываются на короткое время для перемещения спаянной детали в камеру охлаждения. Детали из камеры охлаждения выгружаются через заднюю дверцу на разгрузочный столик. В момент открытия входной или задней дверцы газовая атмосфера печи выходит и загорается, что предохраняет от попадания в камеру нагрева или охлаждения атмосферного воздуха. Преимуществом печей с ручной подачей является возможность последовательно проводить пайку любых по размерам и конфигурации деталей, так как время выдержки можно назначать в широких пределах.

Печи с роликовым подом наиболее выгодны для пайки деталей больших размеров и веса. Под в таких печах выполнен в виде роликового конвейера. Ролики, на которые устанавливаются паяемые детали, с одинаковой скоростью приводятся во вращение бесконечной цепью. Печи с роликовым подом обычно конструируются

104

из трех камер: камеры подогрева, камеры нагрева и камеры охлаждения. При загрузке деталей в камеру подогрева подается большое количество контролируемой атмосферы, которая при выходе из камеры сгорает и предупреждает попадание в нее воздуха. Перед открытием дверцы камеры нагрева отсек нагрева продувается контролируемой атмосферой. При открытой дверце отсека нагрева скорость вращения роликов увеличивается, и детали перемещаются из камеры подогрева в камеру нагрева. Как только дверца закрывается, скорость вращения роликов, а следовательно, и скорость движения деталей стабилизируются. Камеры нагрева и охлаждения отделены керамической дверцей, которая автоматически открывается при перемещении деталей в конец камеры нагрева. В момент открывания дверцы скорость вращения роликов вновь увеличивается. В камере охлаждения детали перемещаются с нормальной скоростью. Охлажденные детали поступают к внутренней дверце выходного отсека. Дверцы открываются, и детали поступают в выходной отсек, а затем на разгрузочный столик. Входной

ивыходной отсеки роликовых печей предупреждают проникновение в камеры нагрева и охлаждения атмосферного воздуха при загрузке и выгрузке деталей, а также излишний расход контролируемой атмосферы. Роликовые печи предназначены чаще всего для пайки стальных деталей медью, а также другими припоями с более низкой температурой плавления.

Печи с ленточным конвейером применяются в серийном

имассовом производстве паяных деталей. Принципиальное отличие этих печей от роликовых в том, что детали в них устанавливаются на подвесную ленту конвейера. Детали также последовательно проходят камеру подогрева, пайки и охлаждения. Лента конвейера сплетена из хромоникелевой проволоки состава 80 % Ni

и20 % Сr. Устанавливаемые на конвейер детали подогреваются в камере предварительного нагрева. В камере нагрева температура деталей повышается до температуры пайки. После небольшой выдержки при этой температуре, достаточной для расплавления припоя и затекания его в соединительные зазоры, температура печи

105

начинает снижаться. Детали перемещаются в охлаждаемый водой канал, где происходит постепенное снижение их температуры. Увеличение скорости конвейера зависит от условий нагрева деталей и скорости охлаждения после пайки.

Производительность конвейерных печей 50–300 кг/ч и зависит от нагрузки, выдерживаемой лентой конвейера, для наиболее массивных лент она достигает 30 кг на 1 м длины ленты. Защита деталей от окисления производится так же, как и в печах с роликовым подом. Конвейерные печи с горизонтальным расположением пода применяются для пайки деталей из углеродистых сталей. Для пайки деталей из нержавеющих сталей применяются печи с наклонным входом и выходом из печи. Наклонный вход и выход по сравнению с горизонтальным позволяет уменьшить расход контролируемой атмосферы и исключить возможность загрязнения атмосферы в камерах нагрева и охлаждения.

Шахтные, колпаковые и элеваторные печи применяются для пайки деталей больших размеров в контролируемой атмосфере. Производительность шахтных печей низкая. Они применяются для индивидуальной или мелкогрупповой пайки стальных деталей. В колпаковых печах, предназначенных для индивидуальной пайки массивных деталей, стенки со сводом печи представляют собой съемный колпак. Паяемая деталь собирается и устанавливается непосредственно на поду печи при снятом колпаке. После сборки паяемой детали колпак печи устанавливается и уплотняется. Печь заполняется контролируемой атмосферой под небольшим избыточным давлением и нагревается. После пайки и охлаждения колпак печи убирают и паяемые детали снимают с пода печи. Такие печи позволяют хорошо герметизировать печное пространство и поэтому наиболее пригодны для пайки деталей, требующих сухой контролируемой атмосферы. Их применяют для пайки деталей сложной формы из легированных сталей.

В элеваторных печах в отличие от колпаковых верхняя часть подвешена неподвижно, а под печи может подниматься и опускаться вручную или механическими средствами. Иногда под печи делают

106

ввиде тележки. В элеваторных печах также производится индивидуальная пайка крупногабаритных деталей. После установки детали под печи поднимается, печь герметизируется, продувается контролируемой атмосферой и нагревается. После соответствующей выдержки питание током отключается и производится охлаждение детали вместе спечью. Для элеваторных печей требуется меньшая, чем для колпаковых, высота цеха. Элеваторные печи нашли применение главным образом для пайки деталей из нержавеющих сталей. Недостатком их является большая продолжительность цикла пайки в случае, когда после пайкитребуетсявысокаячистота поверхностидеталей.

При пайке в вакуумных печах паяемые детали помещаются

вконтейнеры, где создается необходимый вакуум или вакуумируется непосредственно пространство печи, в которой производится пайка. В течение всего цикла пайки пространство контейнера или печи необходимо вакуумировать. Применение контейнеров позволяет вести быстрое охлаждение деталей после пайки. Однако контейнеры после вакуумирования подвергаются сжатию давлением атмосферы воздуха, поэтому применение их ограничивается температурой нагрева, которая обычно не превышает 900 °С.

Печи с вакуумированным рабочим пространством имеют специальную конструкцию. В вакуумно-плотный корпус печи с нагревателями устанавливается вакуумно-плотный контейнер, в котором создается высокий вакуум. В пространстве печи, где установлены нагревательные элементы для предупреждения сдавливания контейнера, иногда создается низкий вакуум. При создании вакуума

втаких печах наибольшие затруднения вызывает вакуумирование пространства печи, так как футеровка выделяет содержащиеся в ней газы. Вакуумная печь с нагревателями в корпусе печи работает периодически, поэтому цикл пайки очень длительный, обычно несколько часов. Преимуществом высоковакуумных печей является отсутствие окисления даже наиболее активных к кислороду компонентов основного металла и припоя. Паяные швы, полученные при

пайке в высоком вакууме, отличаются плотностью, прочностью и коррозионной стойкостью. Недостатком пайки в вакууме является

107

сложность, высокая стоимость оборудования и низкая производительность процесса.

11.3. Пайка при нагреве излучением

Под излучением понимается суммарный эффект испускания, передачи и поглощения энергии. Пайка связана главным образом с излучением тепла. На практике в некоторых видах оборудования, применяемого при пайке, совмещаются различные способы нагрева: конвекцией, проводимостью и излучением. Так, например, в высокотемпературных печах значительная часть тепла передается излучением, а часть тепла – за счет конвективного перемещения нагретого газа. В соответствии с преобладающим видом теплопередачи оборудование относится к тому или иному типу.

Наиболее распространенным источником тепла для нагрева излучением являются световые волны. В качестве источников излучения могут применяться обычные электролампы, кварцевые лампы и лазерный луч. Нагрев может производиться несфокусированным излучением (общий нагрев в камере за счет использования тепла от излучения нескольких ламп) и фокусированным.

При пайке миниатюрных узлов энергию, излучаемую источником, можно сфокусировать и направить на желательный участок, создавая на нем интенсивный нагрев и не затрагивая окружающие детали. Концентрированный световой пучок можно направить на труднодоступные участки паяного узла или пропустить через стеклянную стенку. Одной из разновидностей такой пайки является пайка с использованием энергии лазерного луча.

Нагрев деталей, находящихся под стеклянным кожухом или в герметичных контейнерах с защитной атмосферой, с использованием фокусированного или нефокусированного излучения имеет ряд преимуществ: не загрязняет детали, отсутствуют загрязнения, вводимые рабочим инструментом; нагреваются только верхние слои деталей, что устраняет возможность повреждения узлов вследствие термических деформаций.

108

11.4. Пайка при специальных способах нагрева

Если в рассматриваемых выше способах пайки мы классифицировали источники тепла в соответствии с используемыми в них методами теплопередачи, то такой принцип неприменим, например, к пайке индукционным нагревом, нагревом электронным лучом, дуговым разрядом полого катода, ультразвуком и другими специфическими способами.

При индукционном нагреве паяемая деталь либо контейнер,

вкотором размещается паяемая деталь, служат вторичной обмоткой трансформатора, преобразующего электрическую энергию

втепловую. В комплект оборудования для индукционной пайки входят источник питания, индуктор и вспомогательные приспособления, необходимые для установки или закрепления паяемых деталей. В качестве источника питания применяются машинные, ламповые и тиристорные преобразователи (генераторы). При высокочастотном нагреве применяют повышенные частоты (500–10000 Гц)

ивысокие (выше 50000 Гц). Частоты 10000–50000 Гц в практике используются редко.

Ламповые генераторы преобразуют электрический ток стандартной частоты (50 Гц) в ток высокой частоты. Для пайки применяют токи частотой 150–600 кГц.

Машинные генераторы дают ток частотой 2–15 кГц и представляют собой установку из электродвигателя трехфазного тока

исоединенного с ним генератора, дающего ток повышенной частоты. Однако при высокоскоростном вращении интенсивно изнашиваются подшипники генератора, что требует частого ремонта. Кроме того, при работе генератора возникает шум, и поэтому они должны устанавливаться в специальном звукоизолированном помещении. В последнее время в промышленности разработаны

ивсе более широко применяются тиристорные преобразователи частоты, которые представляют собой электронную схему, преобразующую ток промышленной частоты в ток повышенной час-

тоты 2500–8000 Гц.

109