Kvasnickij_Pajka_mat

Дослідження впливу величини зазору при паянні на висоту підняття

в’язкості припою тощо. Крім того, формули не дозволяють визначити час підняття припою, а вказують лише на максимальну висоту можливого підняття.

Рівняння рівноваги краплі, яка лежить на шорсткій поверхні, відрізняється від рівняння (2.1а) рівноваги краплі на ідеальній поверхні значенням коефіцієнта шорсткості n:

cos θ = n(σТ, Г −σТ,Р ),

σР, Г

де n ≥ 1.

Теоретично врахувати вплив перелічених факторів на висоту підняття припою важко. Тому на практиці користуються технологічними пробами, які встановлюють взаємозв’язок між висотою підняття припою і величиною зазору для даних конкретних умов: температури паяння, стану поверхні, складу припою, флюсу, тривалості паяння тощо.

Для встановлення цих залежностей використовують зразки, наведені на рис. 3.2 та 3.3. На рис. 3.2,а показано зразок, який складається із двох пластин, зв’язаних між собою. Для створення змінного зазору з однієї сторони пластини складаються щільно, а з другої сторони між пластинами встановлюється проставка або дротик діаметром 1 мм. Такий зразок, попередньо оброблений флюсом, встановлюється вертикально у ванночку з припоєм і потім поміщається в піч, нагріту до заданої температури. Припій розплавляється і піднімається між пластинами, а після певної витримки зразок виймають із ванночки і пластинки роз’єднують одну від одної.

На поверхні пластин чітко видно висоту їх змочування припоєм, яку вимірюють від рівня припою в ванні (видно на стороні пластин, де був зазор 1,0 мм). Знаючи діаметр d дротика, можна визначити величину δ зазору в будь-якій точці (рис. 3.2,б) по довжині зразка (δ = xd/l) та побудувати графік залежності висоти підняття припою від величини зазору.

41

Паяння матеріалів

d δ

x

l

б

Рис. 3.2. Загальний вигляд клиноподібної проби (а) та її

горизонтальний переріз (б)

а

Іноді використовують зразок типу трубка в трубці (рис. 3.3,а) або стержень в трубці (втулка-стержень). Таку пробу використовують для високотемпературних припоїв, коли роз’єднати пластинки важко. При цьому величини зазорів визначають по горизонтальному перетину (рис. 3.3,б) за рівнянням

де R – внутрішній радіус втулки; r – радіус стержня; a = R - r – ексцентриситет; φ – полярний кут, відрахований проти годинникової стрілки від лінії дотикання втулки і стержня (точка m) до радіальної лінії, на якій визначається величина зазору δ(див. рис. 3.3,б).

Висоту підняття припою можна визначити після видавлювання стержня з втулки за допомогою преса або шляхом послідовного зрізування проби по висоті та дослідження макрошліфів. Оскільки до формули (3.5) входить значення полярного кута φ, то вимір висоти підняття припою зручно проводити через рівні інтервали зміни кута φ. Для цього на зовнішню поверхню втулки (трубки) перед дослідженням наносять позначки, які відповідають зміні полярного кута на певну величину (30…15°).

42

Дослідження впливу величини зазору при паянні на висоту підняття

Рис. 3.3. Загальний вигляд проби стержень в трубці (а) та її вид зверху (б)

3.2.Устаткування і матеріали

1Для дослідження легкоплавких припоїв використовується шахтна або камерна піч, яка забезпечує температуру до 400 °С. При дослідженнях за індивідуальним завданням паяння високотемпературними припоями у вакуумі використовувати установку УДСВ-ДТ або вакуумну піч СНВ- 1.3.1/2011.

2.Гідравлічний прес до 30,0 кН.

3.Зразки з міді, латуні або інших матеріалів розміром 50х40 мм

ітовщиною до 2,0 мм.

4.Зразки з міді, латуні або сталі типу втулка-стержень з розмірами:

R = 15…20 мм; R – r = 0,5…1,0 мм.

5.Для паяння в печі використовують олов’яно-свинцеві припої з флюсом, для паяння у вакуумі – припої ВПр11-40Н, НС12 або інші (пропонуються викладачем).

6.Інструменти: пінцет, плоскогубці, лінійка, штангенциркуль, ванночки для розміщення припоїв та проб.

43

Паяння матеріалів

7.Матеріали: ацетон, салфетки, абразивний папір, 50%-й водний розчин хлористого цинку ZnCl2.

3.3.Порядок виконання роботи

1.Вивчити методики визначення залежності висоти підняття припоїв від величини зазору, отримати конкретне завдання, розробити план досліджень, вибрати обладнання, зразки, припої, режими.

2.Скласти три клиноподібні проби (див. рис. 3.2) із міді або латуні з попередньо обробленими поверхнями: перша – дрібнозернистим абразивним папером, друга і третя – крупнозернистим папером з рисками, розташованими вертикально і горизонтально відповідно. Перед складанням внутрішні поверхні пластин обробити флюсом – 50%-м водним розчином ZnCl2.

Для створення необхідного кута між пластинами використовувати дротик діаметром 1,0 мм.

3.Скласти зразки із мідних або латунних втулки і стержня (див. рис. 3.3), оброблених 50%-м водним розчином ZnCl2.

4.Почергово поміщати заготовлені проби у ванночки з розплавленим олов’яно-свинцевим припоєм та витримувати в печі протягом 5 хв при 300 °С. Для проби втулка-стержень збільшити тривалість витримки в печі до 15...20 хв.

5.Зруйнувати проби, перенести форму змоченої поверхні припоєм на кальку, провести необхідні виміри і розрахунки.

6.Дослідити затікання припою в горизонтальний зазор. Для цього пластини складаються з певними зазорами, які фіксуються відповідними дротиковими вставками, а припій розміщується біля зазору (див. рис. 6.4).

7.За даними досліджень побудувати графік залежності висоти підняття припою від величини зазору. Для кожної проби визначити середнє значення добутку σ·cos θ, використовуючи формулу (3.3).

44

Дослідження впливу величини зазору при паянні на висоту підняття

8. Аналогічно виконується робота при паянні високотемпературними припоями у вакуумній печі.

Контрольні питання

1.Які сили діють на припій у капілярному зазорі?

2.Які фактори впливають на затікання припою в зазор?

3.Які зазори рекомендуються для капілярного паяння?

4.При якому розташуванні зазора у просторі спостерігається його краще заповнення припоєм?

5.Як впливає шорсткість поверхні на висоту підняття припою в зазорі?

6.Як впливають різні факторі на заповнення паяльного зазору припоєм?

7.Які вимоги ставляться до підготовки поверхонь до паяння?

8.Які вимоги необхідно виконувати під час складання заготовок для забезпечення заповнення капілярного зазору припоєм?

9.Як впливає режим паяння на заповнення паяльного зазору припоєм?

45

Паяння матеріалів

Лабораторна робота № 4 ДОСЛІДЖЕННЯ ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ

РІДИН ТА РОЗПЛАВІВ

Мета роботи: вивчити методику визначення поверхневого натягу розплавлених припоїв. Експериментальним шляхом визначити поверхневий натяг запропонованих розплавів (металів або сплавів) при різних температурах.

4.1. Короткі теоретичні відомості

Відомо багато методів визначення поверхневого натягу, які поділяються на статичні і динамічні [7]. Більш поширені статичні методи, оскільки вони дають вищу точність.

До статичних методів визначення поверхневого натягу відносяться: підняття рідини в капілярній трубці або між двома пластинками –

метод капілярного підняття; зважування краплі, яка падає з циліндричної трубки; метод висячої краплі;

визначення максимального тиску бульбашки газу в рідині; відрив кільця (пластинки) від поверхні рідини; метод краплі, що перебуває в стані спокою.

До динамічних відносяться методи: капілярних хвиль; рідини, що коливається;

визначення швидкості витікання рідини через капілярні трубки. Методи визначення поверхневого натягу рідини класифікуються

також з точки зору можливості незалежного визначення поверхневого натягу і крайового кута змочування. До методів, які дозволяють визначити поверхневий натяг рідини σР,Г незалежно від крайового кута

46

Паяння матеріалів

Слід відзначити, що визначення поверхневого натягу методом спокійної краплі має певні труднощі, особливо якщо невідома густина рідкої фази при даній температурі. Крім того, точність обчислень вимагає високої якості зображення краплі і ретельного визначення деяких її параметрів.

Рис. 4.1. Крапля рідини (1), що знаходиться у стані спокою на незмочуваній поверхні твердого тіла (2) та графічний метод визначення положення екваторіальної площини краплі

При виконанні даної лабораторної роботи густину сплаву ρ будемо вважати величиною постійною у всьому інтервалі температур. Значення густини ρ деяких металів при температурі плавлення наведено в додатку.

Положення екваторіальної площини краплі визначають по її зображенню, як показано на рис. 4.1. Через середини ліній, перпендикулярних до поверхні твердого тіла, проводять штрихові лінії 3 до перетину їх з контуром краплі. Через ці точки перетину 4 проводиться екваторіальна лінія діаметром d.

Після вимірювання h і d визначають відношення 2h/d. Подальші розрахунки проводять з використанням таблиці А.Ю. Кожевника та інших [5]. Ця таблиця дозволяє проводити розрахунки як для "великих",

48

Дослідження поверхневого натягу рідин та розплавів

так і "маленьких" крапель (d/2h змінюється від 1,14 до 2,0). Таблицю для визначення функції 1/H наведено в додатку. Похибка в розрахунках за цим методом не перевищує 0,25 %.

4.1.2. Метод відриву кільця

Максимальне зусилля при відриві кільця із дроту від рідини, тобто маса піднятої з кільцем рідини, залежить від поверхневого натягу і густини рідини, відношення куба середнього радіуса кільця Rк до об’єму піднятої рідини Vр, а також від відношення радіуса кільця Rк до радіуса дроту кільця rд. Зусилля P відриву кільця може бути визначене за формулою:

P = σР,Г 4πRк ,

f

де f – поправка, що враховує форму і співвідношення радіусів кільця та дроту Rк/rд.

Значення поправки f наведено в додатку. Оскільки f = ψ(Rк/rn), то для підвищення точності визначення поверхневого натягу необхідно дуже точно виміряти радіуси кільця і дроту. Зусилля P вимірюють

іповерхневий натяг рідини розраховують за формулою

σР, Г = 4PfπRк .

4.1.3.Метод підняття припою в капілярному зазорі між двома пластинами

Цей метод ґрунтується на рівнянні (3.3), з якого визначається поверхневий натяг рідини:

при визначених крайовому куті та висоті підняття припою в зазорі. Для цього можна використати результати лабораторних робіт № 2 та 3.

49

Паяння матеріалів

4.2. Устаткування та матеріали

Для роботи використовують ту ж апаратуру, що і для визначення крайових кутів змочування. Припій задає викладач. Можна використати також вакуумні установки для дифузійного зварювання і паяння з оптичною системою для фотографування краплі.

4.3.Порядок проведення роботи

1.Ознайомитись з методами визначення поверхневого натягу, отримати конкретне завдання, розробити план досліджень.

2.Для визначення поверхневого натягу розплавлених припоїв методом лежачої краплі вибрати припій та керамічну або графітову пластину, яку прожарити у вакуумі 10-2 Па при температурі 1200 °С протягом 30 хв, а потім промити ацетоном або спиртом.

3.На підготовлену пластину помістити досліджуваний припій масою

1,8…2,0 г.

4.Зразок ретельно встановити в піч або іншу вакуумну установку і створити вакуум 10-2 Па. Після цього апаратура повинна попрацювати ще протягом 15...20 хв, а потім слід почати нагрівання зразків.

5.Після досягнення заданої температури провести фотографування краплі.

6.На фотографії розплавленої краплі припою побудувати екваторіальну лінію та виміряти d і h (див. рис. 4.1). Точність вимірювань лінійних розмірів зображення краплі повинна бути не нижче 0,1 %. Така точність дозволяє визначити поверхневий натяг з точністю 2...3 %.

7.На підставі розрахунку відношення d/2h за табл. 2 додатку

8. Провести розрахунок поверхневого натягу σР,Г за формулою (4.1).

50