Справочник по пайке

Рис. 6. Виды покрытий и способы их нанесения

Наиболее широко применяют лужение изделий натиранием и погружением. В неко­ торых случаях рекомендуется метод реактив­ ного лужения. Горячее покрытие погружени­ ем изделий в жидкий припой можно произво­ дить через слой расплавленного флюса или окунанием в жидкий флюс, а затем в ванну с расплавленным припоем (рис. 7). Излишки незастывшего припоя удаляют вибрацией, обдувкой сжатым воздухом, центрифугирова­ нием, механической вращающейся щеткой (1400 об/мин), имеющей поступательное дви­ жение (скорость 2 3 м/с), или погружением в ванну с флюсом.

Для получения качественного лужения необходимо обеспечивать удаление окислов с поверхности лудильной ванны, для этого на поверхности ванны создают защитный слой

Рис. 7. Лужение погружением:

1 - тигель; 2 - расплавленный припой; 3 - детали, подвергающиеся лужению

Рис. 8. Схема лужения трубок радиатора:

/ - волна припоя; 2 - трубка радиатора; 3 - насос; 4 - ванна с припоем; 5 - сжатый воздух

флюса или графитового порошка, которые надо периодически возобновлять. Схема лужения трубок радиатора показана на рис. 8. Чтобы припой в процессе лужения не попадал внутрь трубок, последние перед подачей под прием­ ные ролики заглушают.

Для лужения относительно небольших деталей, не имеющих внутренних полостей, пользуются лужением через слой флюса в спе­ циальных ваннах (рис. 9). Скорость погруже­ ния должна быть такой, чтобы деталь, проходя флюс-гпС12, могла нагреваться до температу­ ры, при которой не происходит разбрызгива­ ния олова. Температура в ванне должна быть постоянной, так как ее повышение приводит к увеличению угара припоя и снижению качест­ ва лужения, а понижение затрудняет условия лужения и увеличивает расход припоя за счет наплывов на луженой поверхности.

Толщина покрытия влияет на паяемость луженых изделий. Покрытие толщиной менее 2,5 мкм будет иметь удовлетворительную пая­ емость, если пайка производится немедленно после обработки поверхности. Считается, что примерно такая же толщина покрытия доста­ точна для пайки при небольшом сроке хране­ ния. При продолжительном хранении толщину покрытия берут до 30 мкм.

Гальванические покрытия наносят в ста­ ционарных ваннах, в конвейерных установках или во вращающихся барабанах. Этот метод применим для всех сталей, медных сплавов, никелевых сплавов, для цинковых отливок под давлением и алюминия. Для покрытий приме­ няют не только чистые металлы, но и их спла­ вы: Sn-Cu, Sn-Zn, Sn-Cd, Sn-Ni и др. Лужение с помощью ультразвука можно производить паяльником или погружением в ванну с припо­ ем (рис. 10).

Рис. 9. Конструкция ванны для лужения через слой флюса

улучшения смачивания в дальнейшем поверх­ ность можно никелировать.

Нанесение покрытия может быть произ­ ведено совместной прокаткой паяемого метал­ ла и металла-покрытия (плакировка). Толщина покрытия при этом значительна - около 0,1 мм. Способность плакированной детали к пайке определяется ТКЛР плакирующего материала. Пайка получается качественной при соотноше­ нии ТКЛР паяемого и плакирующего материа­ лов больше 60 %.

Высокое качество покрытий обеспечива­ ется нанесением металлов в вакууме в резуль­ тате их испарения (термовакуумный способ). Этот метод дает возможность получать равно­ мерные покрытия малых толщин (2 ... 100 мкм) в условиях, обеспечивающих отсутствие окисле­ ния паяемого металла и металла покрытия.

Получение наиболее надежных покрытий обеспечивается при нанесении их в тлеющем разряде в ионизированном состоянии. При этом возможно равномерное покрытие всей поверхности детали. Обработка покрываемой поверхности быстрыми частицами нейтрально­ го газа в той же камере непосредственно перед нанесением покрытий обеспечивает удаление окислов с покрываемой поверхности. Покры­ тие наносится в электрическом поле при разно­ сти потенциалов до 10 кВ, что способствует надежному сцеплению покрытия с паяемым материалом. Эта особенность метода позволяет получать надежные покрытия практически на любом материале (спеченном материале, ситалле, магниевых сплавах и т.п.).

Контроль качества покрытий. Требо­ вания, предъявляемые к качеству покрытий, определяются назначением последних. Разли­ чают следующие виды контроля: визуальный контроль изделий после покрытия (цвет, блеск, шероховатость поверхности); определение по­ ристости и толщины слоя покрытий; испыта­ ние на коррозионную стойкость; определение механических и физических свойств покрытий (пластичности, стойкости к высоким темпера­ турам и др.).

Оценку качества покрытий производят по внешнему виду (осмотр невооруженным гла­ зом) на основании сравнения с эталонами и по результатам лабораторных методов испытания на основании требований к покрытиям, уста­ новленным техническими условиями.

Сцепляемость покрытия с паяемым ме­ таллом испытывается для листового материала загибом на угол 90° или 180° до поломки об­

разца; для проволоки - навивкой образца во­ круг стержня того же или большего диаметра в зависимости от диаметра и назначения прово­ локи. Во всех случаях испытаний на сцепляе­ мость не должно быть трещин и отслаивания покрытия.

Коррозионную стойкость покрытий опре­ деляют методом ускоренных испытаний в ис­ кусственно создаваемых коррозионных средах и по данным поведения покрытий в естествен­ ных условиях их эксплуатации. Средой для искусственных испытаний может быть туман раствора поваренной соли, созданный в специ­ альной камере или атмосфере агрессивного газа, соответствующего условиям эксплуата­ ции изделия, и др.

Предотвращение растекания припоя.

В практике пайки часто требуется ограничить растекание припоя по поверхности паяемого металла.

Для ограничения растекания применяют следующие меры.

• 1. Нанесение покрытий на поверхность паяемого материала. Для этого используют со­ ставы (масс, ч.): 1) глиноземная пудра - 1, окис­ лы металлов (Si, Ti, Ge, Zr, Sn, Ce, Hf, Pb, Th) - 1, разбавитель (растворитель или связка) - 10; 2) паста из мела, глины, графита или известко­

8) хромирование поверхности; 9) кремнийор-

в соотношении с кремнийорганической жидко­

меняются при пайке в инертной атмосфере, в вакууме и газопламенным способом); 11) рас­

фреонов - остальное; 12) композиционные огнеупорные покрытия порошков на основе А120 3, Si02, Zr02, MgO и других высокотемпе­ ратурных окислов, карбидов, нитридов с при­ менением газопламенного, плазменного, стержневого и детонационных способов нане­ сения покрытий; 13) оксидирование поверхно­ сти и т.д.

Применение приспособлений позволяет повысить производительность труда, обеспе­ чить заданную геометрию паяемой детали, локализовать нагрев ее поверхности и т.п. Это особенно выгодно при массовом производстве, так как отпадают операции по зачистке и до­ полнительной механической обработке деталей после пайки.

Правила конструирования приспособле­ ний и требования, предъявляемые к ним, сле­ дующие:

-масса и площадь контакта приспособ­ ления с изделием должны быть минимальными;

-конструкция приспособления не должна препятствовать быстрому и равномер­ ному нагреву изделия и вызывать его деформа­ цию (за исключением экранов и холодильни­ ков); должна обеспечивать свободную цирку­ ляцию газов в полости паяемого узла или их быструю откачку при пайке в вакууме;

-удобное расположение припоя и на­ блюдение за его расплавлением;

-изменения размеров деталей приспо­ собления и изделия при нагреве и охлаждении должны согласовываться. Это достигается или подбором материалов с соответствующими ТКЛР, применением легкодеформируемых де­ талей приспособления, или же обеспечением свободного перемещения изделия внутри при­ способления;

-шероховатость поверхности у разъем­

-все переходные кромки, ограничи­ вающие точные базы или поверхности разъем­ ных соединений, должны иметь плавные скругления максимально допустимого радиуса;

-сопряжения деталей приспособления

спаяемыми узлами и между собой должны иметь посадки с гарантированными зазорами (ходовые, широкоходовые);

-необходимо обеспечить несмачиваемосгь материала приспособления жидким припоем;

-материалы деталей приспособления должны хорошо обрабатываться и обладать термостойкостью и необходимой механиче­ ской прочностью при температуре пайки;

-при конструировании приспособле­ ний для индукционной пайки необходимо, чтобы в поле индукционной катушки попадало только паяемое соединение, исключая все дру­ гие материалы. Для такой пайки применяют приспособления, выполненные из фарфора, слюды, керамики или асбеста.

Эти требования ограничивают выбор пригодных материалов сравнительно немноги­ ми сплавами, металлами и керамиками. Для элементов оснастки используют следующие материалы: стали марок 12Х18Н10Т, 36Х18Н25С2, сталь 45, 20X13, нихром, молиб­ ден, никель, тантал, ковар, керамику различ­ ных марок, асбест, графиты.

ТКЛР в широком диапазоне температур некоторых материалов даны на рис. 12.

Сталь 12Х18Н10Т при нагреве в атмо­ сфере, содержащей незначительное количест­ во кислорода (не более 0,005 %) или паров воды (точка росы выше - 30 °С), покрывается плотной и стойкой пленкой окислов, которая плохо смачивается жидкими припоями. Эта сталь имеет ТКЛР, близкий к меди, что позво­ ляет делать из нее точные приспособления. Перспективна для изготовления приспособле­ ний сталь 20Х23Н13, у которой при темпера­ туре выше 500 °С ТКЛР больше, чем у меди. Сталь 45 может быть использована для различ­ ных деталей приспособлений. В тех случаях, когда приспособление должно быть предохра­ нено от припаивания, его поверхность хроми­ руют с последующим окислением,

а107,°С

Рис. 12. ТКЛР для наиболее употребительных металлов и сплавов электровакуумного производства

Нихром при нагреве покрывается стойкой пленкой окиси хрома. Его используют в основ­ ном в виде ленты и проволоки. Молибден при­ меняют главным образом благодаря низкому ТКЛР и достаточной прочности при высоких температурах. Для предохранения от припаивания молибден иногда хромируют, при этом его сцепление с покрытием непрочное, поэто­ му оно быстро отслаивается.

Керамика может выдерживать любую ат­ мосферу печи без окисления и раскрошивания, не смачивается припоями, не склонна к спека­ нию. Недостатками керамических материалов являются их склонность к растрескиванию при термоударах и трудность механической об­ работки.

Асбест является очень непрочным мате­ риалом, сильно загрязняет камеру печи, поэто­ му как материал для изготовления приспособ­ лений не пригоден.

Приспособления из графитовых и уголь­ ных пластин не подвергаются короблению; эти материалы легко обрабатываются. Однако при пайке стальных деталей возможно их наугле­ роживание, в результате чего резко падает температура плавления стали и отдельные уча­ стки деталей оплавляются. Процесс науглеро­ живания идет особенно интенсивно при пайке в вакууме. Науглероживание исключается, если на поверхность графита или угля поло­ жить тонкую асбестовую прокладку.

В качестве изолирующего материала ис­ пользуют силицированный графит объемного силицирования, обладающий термостойкостью до 2500 °С. В сыром виде (до силицирования) графиту можно придать любую форму. Так, из графита ПГ-50 обычно изготовляют мелкие детали приспособлений; для крупных деталей может быть применен графит ПРОГ-2400.

Детали приспособлений, изготовленные из графита, подвергают силицированию в вы­ сокотемпературных печах сопротивления или в

атмосфере чистого азота с максимально допус­ тимой примесью кислорода 0,3 0,5 %. Прак­ тика показала, что применение силицированного графита вполне оправдано. Благодаря высо­ кой термостойкости, а также отсутствию газо­ образования при нагревании до 1100 °С сили­ цированный графит можно считать наиболее подходящим материалом для приспособлений.

Детали из фарфора при температуре на­ грева до 1100 °С выдерживают всего лишь дветри пайки, затем их поверхность остекляется, нарушая геометрию и размеры.

О

Рис. 13. Приспособление для пайки в виде штыря

Конструкция приспособлений для пайки определяется формой паяемых деталей. При пайке мелких деталей при мелкосерийном про­ изводстве можно рекомендовать приспособле­ ние в виде штыря (рис. 13).

Одним из элементов приспособлений для пайки являются подставки. На рис. 14 изобра­ жена многоместная подставка для печей, имеющих большую высоту рабочей зоны. Для предотвращения коробления полок подставки снабжены опорными дисками. Подставка для пайки неустойчивых изделий показана на рис. 15. В увеличенном масштабе показаны возможные виды сопряжения изделий и стойки подставки. На рис. 15, а показан случай, когда остаются замкнутыми объемы А и />, что может приводить к окислению деталей. На рис. 15, б и в показан случай, когда эти объемы легко проду­ ваются через отверстия или шлиц.

А-А

Рис. 14. Универсальная подставка для колпаковой водородной печи:

Б - отверстия для циркуляции газов; В - отверстия-

гнезда для установки ножек приспособлений

Рис. 15. Подставка для пайки неустойчивых изделий:

/- изделие; 2 - стойка; 3 - д иск; 4 - штырь для установки

вгнезда подставки; .П\ и П2- места пайки

Рис. 16. Многоместная подставка для пайки простых узлов:

1 - изделие: 2 - опорная стойка; 3 - фланец; 4 - ручка для удобства установки и вынимания подставки; П\ и П2 - места пайки

Многоместная подставка для пайки про­ стых узлов изображена на рис. 16. Такая под­ ставка позволяет расположить на ней детали в процессе сборки, транспортировать в универ­ сальной таре, быстро устанавливать изделия в печь и извлекать из нее.

При пайке в соляных ваннах применяют приспособления, позволяющие производить од­

новременную пайку нескольких деталей (рис. 17).

?

Рис. 17. Приспособление для пайки в соляных ваннах одновременно нескольких деталей

Графитовая оправка для припаивания сильфона из бериллиевой бронзы к арматуре (рис. 18) позволяет нагревать арматуру до тем­ пературы пайки, в то время как сильфон, кроме непосредственно примыкающего к арматуре гофра, нагревается до гораздо меньшей темпе­ ратуры.

Закрепляющие или сжимающие приспо­ собления (или грузы) широко используют для взаимной фиксации деталей при сборке и в процессе пайки. Примеры применения про­ стейших приспособлений, сжимающих детали по торцам, показаны на рис. 19.

Рис. 18. Оправка для пайки деталей ТВЧ:

/ - графитовая оправка; 2 - сильфон; 3 - припой

Рис. 19. Приспособление для точного центрирования диаметров паяемых деталей:

7 и 2 - детали; 3 - центрирующий груз; 4 - стержень; 5 - втулка, обеспечивающая положение деталей

вболее равномерной температурной зоне;

А- буртик для удобства поднятия узла; Б - буртик

для уменьшения теплового контакта с грузом;

В- отверстия для циркуляции газов

Рис. 20. Центрирующая оправка:

1 - оправка; 2 - полюсный наконечник;

3- керамическая втулка

Рис. 21. Оправка с винтовым поджимом

Часто оправка должна обеспечивать не только сжатие паяемых деталей, но и большую точность их взаимного расположения. В каче­ стве примера на рис. 20 показана оправка для впаивания керамической втулки в полюсный наконечник на определенной высоте. Оправка для пайки двух цилиндрических полых дета­ лей, достаточно жестких в направлении давле­ ния сжатия, показана на рис. 21. В этом случае сжатие деталей создается обычной резьбой. Материал таких оправок должен иметь ТКЛР, равный или близкий к ТКЛР материала паяе­ мых деталей.

Иногда необходимое при пайке сжатие паяемых деталей обеспечивается за счет разно­ сти в ТКЛР материалов оправки и паяемого узла. Так, если паяют детали из коррозионностойкой стали, то центральный стержень оп­ равки может быть изготовлен из молибдена. Когда детали паяют по торцовым поверхно­ стям, то для этих целей обычно используют грузы или пневматические приспособления.

Рис. 22. Скрепляющее приспособление

склиновым зажимом:

1- груз; 2 - скользящий клиновой груз; 3 - неподвижная опора со скосами

Рис. 23. Применение молибденовых пружин для поджатая деталей

На рис. 22 показано более сложное при­ способление, в котором легкий фланец волно­ вода прижимается обычным грузом, а закреп­ ление деталей по торцам в горизонтальном направлении осуществляется за счет скольже­ ния подвижного груза по скосу относительно неподвижной опоры.

Для создания необходимого сжатия паяе­ мых деталей могут быть использованы молиб­ деновые пружины. Примером такого рода оп­ равки является приспособление для припаивания узла вывода энергии к анодному блоку (рис. 23). Давление сжатия подбирают так, чтобы не деформировать паяемые узлы. Ос­ тальные детали обычно выполняют из высоко­ хромистых сталей, чаще всего марок 12Х18Н9Т, 20X13.

При пайке деталей из материалов с раз­ личными ТКЛР применяют специальные вкла­ дыши, ограничивающие коробление. На рис. 24 показан пример использования вкладыша при пайке прямоугольного медного волновода со стальным фланцем.

Рис. 24. Вкладыш, препятствующий короблению стенок медного волновода при пайке

со стальными фланцами:

/ - стальные фланцы; 2 - медный волновод; 3 - вкладыш; 4 - форма волновода после пайки

при отсутствии вкладыша; Я - место пайки

Рис. 25. Фиксатор, препятствующий возникновению деформации в стакане из никель-кобальтового сплава при пайке:

1 - фиксатор; 2 - стакан; 3 и 5 - нихромовая

проволока, препятствующая растеканию припоя; 4 - стальное кольцо; б - никелевое кольцо;

7 - фланец; П\ и Пг - места пайки

Кроме того, деформации паяемых дета­ лей могут возникать вследствие снятия их соб­ ственных напряжений (особенно в тонкостен­ ных деталях), а также в результате неравно­ мерного нагрева отдельных деталей паяемого узла. В таких случаях наряду с принятием мер, препятствующих неравномерному нагреву (применение экранов и т.п.), используют фик­ саторы, которые позволяют сохранять форму деталей. На рис. 25 приведен пример примене­ ния фиксатора, препятствующего возникнове­ нию деформаций стакана из никель-кобальто­ вого сплава вследствие снятия собственных напряжений.

Пайка тонких деталей представляет большую трудность ввиду того, что они быстро остывают, а сосредоточенный их нагрев при­ водит к прожогам. Чтобы устранить указанные трудности, рекомендуется применять пустоте­ лые оправки 1 и металлический компенсатор 3 (рис. 26).

Рис. 26. Приспособление для пайки тонкостенных деталей:

/- пустотелая оправка; 2 - деталь; 3 - металлический компенсатор

При пайке нагревают изнутри оправку У до расплавления ранее нанесенного на деталь 2 флюса, после чего второй горелкой при непре­ рывном передвижении пламени производят пайку. Если на оправку под шов подкладывают асбестовую прокладку, то в этом случае пайку производят одной горелкой.

Иногда создание температурного перепа­ да решается с помощью водоохлаждаемых радиаторов. На рис. 27 показан радиатор, пре­ дохраняющий сильфон и стеклянную трубку от перегрева при пайке его с корпусом прибора. Материал радиаторов и нагревательных опра­ вок должен обладать высокой теплопроводно­ стью, поэтому радиаторы чаще всего делают из меди, а оправки - из графита.

Рис. 27. Оправка с водоохлаждаемыми радиаторами:

/ - узел, подлежащий пайке; 2 — сильфон; 3 - стеклянная трубка; 4 - электроды для пайки