книги из ГПНТБ / Лашко, Н. Ф. Вопросы теории и технологии пайки

важное значение приобретает характер взаимодействия паяе­ мых металлов и припоя в процессе пайки. Обеспечение ка­ чества и надежности паяных соединений при интенсивном, контактном твердожидком растворении паяемого металла в жидком припое, приводящем к развитию интенсивной хими­ ческой эрозии возможно лишь при специально разработанной технологии пайки. Совместимость материалов при этом со­ храняется в достаточно узком интервале температур и вре­ мени пайки.

Другой причиной несовместимости материалов (Мк—Мп) при пайке может быть их высокое химическое сродство, при­ водящее к образованию в шве и на границе его с паяемым1 материалом хрупких прослоек химических соединений. В этом случае важно знать активационный период, по истечение ко­ торого образуются такие прослойки, и скорость их роста. И в. этом случае сужение температурного и временного интерва­ лов совместимости усложняет технологический процесс пай­ ки и приводит к необходимости разработки специальных ре­ жимов, при которых сохраняется совместимость материалов.. Так, например, При пайке алюминия магниевыми или сереб­ ряными припоями образуется шов, содержащий большое ко­ личество хрупких химических соединений алюминия с магни­ ем или серебром. Такие .материалы являются несовместимыми при обычных режимах пайки готовым припоем.

При пайке меди оловом или оловянно-свинцовыми припо­ ями имеет место активационный период, измеряемый секун­ дами, и сравнительно медленный ірост прослойки химических соединений, что позволяет найти в некоторых случаях прием­ лемые режимы пайки, обеспечивающие требуемое качество и надежность паяных соединений. Такие материалы являются совместимыми лишь при некоторых режимах пайки.

При выборе флюса причиной несовместимости его с паяе­ мым материалом и припоем может быть недостаточная его ак­ тивность или превышение температуры плавления припоя над температурным интервалом активности флюса. Так, напри­ мер, при пайке меди кадмиевым припоем ПСрЗКд, имеющим температуру плавления 305° С, применение канифольно-спир­ тового флюса, активного лишь до ^280° С, не обеспечивает получения качественных и надежных паяных соединений.

Слабая активность флюсов 209, 284 и других по отноше­ нию к алюминиевым бронзам является причиной плохой паяемости последних серебряными припоями и невозможности-, получения качественных паяных соединений [3]..

159-

Таким образом, можно счптатй, что чем шире температур­ ный и временный интервалы допустимого контакта паяемых и паяльных материалов, обеспечивающего получение качест­ венных соединений, тем выше совместимость этих материа­ лов, проще разработка технологии и надежнее технологиче­ ский процесс.

Признаком несовместимости может быть(* кроме плохого формирования паяного соединения и низких механических свойств, также плохая коррозионная стойкость паяных соеди­ нений, низкая их теплостойкость, герметичность и т. д.

Так, например, несмотря на качественное формирование паяного шва при образивной или ультразвуковой панке алю­ миния легкоплавкими припоями, большая склонность этих соединений к щелевой коррозии не позволяет получить на­ дежные паяные соединения при таком сочетании материа­ лов {3].

Для возможности перепайки отдельных узлов изделия при ремонте и проведении ступенчатой пайки важное значение имеет температура распайки швов. Если температура распай­

необходимость многократной перепайки при ремонте.

Если температура распайки швов мало отличается от тем­ пературы плавления припоя, то такое сочетание паяемого материала и припоя не может считаться совместимым для изделий, выполняемых ступенчатой пайкой с одним припоем.

Причиной ухудшения качества и надежности паяных из­ делий может быть также снижение механических свойств паяемого материала после лужения малопластичным припо­ ем пли жидкой фазой, образующейся при его контактно-реак­ тивном плавлении с предварительно нанесенными покрытия­ ми и содержащей после затвердевания большое количество или прослойки хрупких химических соединений или проникаю­ щей по границам его зерен. При этом может существенно ухуд­ шаться прочность и пластичность паяемого материала.

160

ные очаги разрушения, обусловленные процессом контактнореактивного плавления и эрозии алюминия в эвтектике с вы­ тесненным из флюса цинком [3], [4].

Длительный нагрев пр.и пайке углеродистой стали в водо­ роде, особенно с высокой точкой росы, приводит к обезугле­ роживанию ее поверхности и т. д. [5].

Все эти особенности возможного характера взаимодей­ ствия паяемых и паяльных материалов должны быть выяс­ нены путем предварительного изучения совместимости (Мк—

—Ма) и учтены при конструировании изделия, выборе паяе­ мого н паяльных материалов, технологического процесса пайки.

Совместимость паяемого материала М1; и паяльных ма­ териалов Мп с термическим циклом пайки ТЦП. Количество и надежность паяной конструкции может понизиться под влия­ нием термического цикла пайки. Это влияние может приве­ сти к ухудшению механических и коррозионных свойств пая­ емого материала, обусловленных его отпуском, отжигом, ста­ рением. Под влиянием термического цикла могут существен­ но измениться сборочные зазоры. Такие изменения могу г иметь место не только в паяемом материале, но и в материа­ ле узлов, входящих в изделие, не подвергаемых пайке, но нагреваемых при этом. Так, радиотехнические платы нельзя паять при температурах, превышающих температуру, с кото­ рой начинает отслаиваться медное покрытие от гетинакса. Поэтому при конструировании должна быть предусмотрена совместимость технологического процесса пайки и материа­ лов изделия, как подвергаемых, так и не подвергаемых пайке.

Наконец, должна быть учтена совместимость технологиче­ ских операций с паяльными материалами, например влияние термического цикла панки на состав и свойства припоев, флюсов, газовых атмосфер. некоторых случаях длительный нагрев флюсов при пайке, предшествующий расплавлению припоя, приводит к ухудшению их активности к моменту на­ чала растекания припоя. Так, весьма малым временем сохра­ нения активности отличаются флюсы для пайки меди легко­ плавкими припоями, в особенности при температуре макси­ мальной их активности; интенсивное испарение и разложе­ ние компонентов флюса, происходящее при нагреве, быстро приводит к существенному изменению их состава и флюсую­ щих свойств. Без учета этой особенности флюсов трудно обе­ спечить качественное изготовление паяемого изделия.

При слишком длительном нагреве собранного изделия, в

вакууме с уложенным у зазоров или в зазоры припоем, со­ держащим легкоиспаряющиеся элементы — депрессанты (Тп> Zn, Р, Jn), температура расплавления припоя может резко по­ выситься, что приведет к браку при пайке.

быть сконструировано таким образом, чтобы были обеспече­ ны условия для формирования паяных швов, предотвращено развитие в изделии заметных деформаций, приводящих к изменению формы и размеров изделия, выходящих за преде­ лы допустимых, обеспечены высокие механические свойства, коррозионная стойкость и другие его характеристики.

Например, особенности капиллярной пайки как техноло­ гического процеса требуют, чтобы конструкция изделия обес­ печила необходимые зазоры между соединяемыми деталями.

При капиллярной пайке величина зазора определяется со­ ставами паяемого материала и припоя. Зазор должен хорошо заполняться припоем при температурах пайки и удерживаться в нем в требуемом пространственном положении.

Затеканию полностью расплавляемых при пайке припоев в зазор обязательно предшествует смачивание и растекание их по поверхности Мк. Поэтому при укладке припоя у зазбра необходимо предусмотреть технологическую стенку, смачива­ емую припоем перед затеканием в зазор.

Затеканию припоя в зазор могут препятствовать так на­ зываемые «воздушные подушки» —полости, сообщающиеся с наружной атмосферой только через паяльный зазор. При нагреве воздух из таких полостей стремится войти через за­ зор и препятствует заполнению его жидким припоем. В этом случае необходимы дренажные отверстия в соединяемых де­ талях.

Оптимальные механические характеристики паяных швов могут быть обеспечены только с учетом типов и размеров паяных соединений, механических свойств паяемого материа­ ла и паяного шва. Характерными параметрами при этом яв­ ляются не только размеры капиллярного участка паяного шва, но и размеры и форма галтелей, существенно влияющие на прочность паяных соединений в условиях вибрационных и динамических нагружений .

162

бенностями изделия: большой жесткостью, большой разницей в толщинах соединяемых деталей. Типичным примером тако­ го изделия являются пластинчато-ребристые теплообменни­ ки из нержавеющей стали, в которых, вследствие большой разницы толщин разделительных пластин, фиксаторов, гоф­ ров и невысокой теплопроводности стали, возникает сильная пластическая деформация краев разделительных пластин [7].

Заметные растягивающие напряжения могут возникать и ■при сочетании в паяных соединениях разнородных материа­ лов с резко отличными физическими свойствами и особенно коэффициентами линейного расширения и теплопроводности, увеличивающейся при полиморфных превращениях в соеди­ няемых материалах. Предотвращение таких напряжений

напряжения |[8 ].

Одной из возможностей уменьшения развития растягива­ ющих напряжений является применение металлокерамиче­ ских припоев при некапиллярных сборочных зазорах.

Конструктивные особенности изделия в некоторых случа­ ях предусматривают значительное пластическое деформиро­ вание паяемого металла в местах его контакта с закладыва­ емым предварительно припоем. Типичным примером такой конструкции являются гибкие шланги из нержавеющей ста­ ли, навиваемые по спирали со швами замкового типа, с пред­

контакте нагартованного металла в замках с жидким при­ поем приводит к растрескиванию стали. Для таких конструк­ ций необходимо применение припоев с температурой плавле­ ния выше температуры отжига паяемого материала и доста­ точно медленный нагрев.

При конструировании паяного изделия, предназначенного для пайки с флюсами, остатки которых могут способствовать развитию коррозии при эксплуатации или хранении, необхо­ димо предусмотреть возможность промывки изделия.

При пайке изделий, состоящих из тонколистовой обшивки, и толстостенных массивных деталей, припаевыемых к ней,

1 6 4 :

частой причиной брака является некачественный паяный шов. Такое явление имеет место, например, при пайке ребри­ сто-пластинчатых теплообменников с фиксаторами — бруска­ ми квадратного сечения, ограничивающих чередующиеся по­ лости теплообменника.

Причиной образования некачественного паяного шва меж­ ду тонкими разделительными пластинами (6 = 0,1-—0,5 мм) и массивными фиксаторами, по-видимому, является а) малое удельное давление по плоскости фиксатора по сравнению с удельным давлением по вершинам гофра и б) сравнительно медленный нагрев фиксатора по сравнению с нагревом тон­ костенного гофра и разделительных пластин.

Для увеличения удельного давления и более быстрого ло­ кального нагрева толстостенной массивной детали по месту пайки Лашко С. В. и Бурматовой Г. Н. предложено на паяе­ мой поверхности массивной детали предварительно создавать ребристость с высотой параллельных выступов до 0,5 мм. После такой подготовки поверхности качество паяных швовмежду тонкостенными и толстостенными деталями хорошее.

Эти и другие особенности конструкции, определяющие ее технологичность, должны быть учтены при проектировании различных типов паяных узлов.

§4. О методах оценки

совместимости материалов

ирежимов пайки

раторных образцах, оказывается иногда малопригодным при пайке крупногабаритных и сложноконструктивных изделий.

Масштабный и конструктивный факторы при пайке об­ разцов и изделий проявляются в различии их температурных полей, полей напряжений и времени пребывания в этих усло­ виях. При пайке в печах, например, это может быть обуслов­ лено значительным перепадом температур в камере печи; при

/ локальном нагреве — интенсивным теплоотводом от места нагрева изделия [3].

165

паяемого материала с газовыми средами, флюсами, припоем, влияния на его структуру и свойства нагрева, изменение состава припоя в результате испарения или окисления его ле­ тучих или высокоактивных компонентов.

При локальном нагреве значительно труднее моделиро­ вать напряженное состояние паяемого изделия, чем при об­ щем нагреве в печи или погружением.

Поэтому необходимо исследование в лабораторных усло­ виях совместимостей (Мк—іМп), (М„—Рп) и (Мп—Рп) в диа­ пазоне возможных температурных перепадов по изделию, с учетом характера напряженного состояния, требуемого ре­ жима нагрева и охлаждения изделия в процессе пайки.

Выбранные на основании таких испытаний Мк, Мп и Т проверяются при изготовлении опытного изделия.

При изучении совместимости (Мк—Мп), (Мк—Рп) и (Мп—Рп) в лабораторных условиях весьма существенным является проведение соответствующих испытаний по единым методикам. Только при этом условии данные по исследова­ нию совместимостей (М„—Мп), (М„—Рп) и (Мп—Рп), полу­ ченные различными авторами и организациями, могут быть сопоставлены, а накопление полученных сведений позволит произвести обобщение в этой области и облегчит обеспечение технологичности конструкций, предназначенных к пайке.

Данные о совместимости паяемых и паяльных материа­ лов могут быть использованы при проектировании паяных изделий. Выбор способов пайки 'может быть осуществлен только с учетом совместимости и влияния на ее характери­ стики параметров технологического процесса. Данные о сов­ местимости (Мк—Мп) и (Мк—Рп), (Мц—Рп) необходимы также при выборе припоев, флюсов, источников нагрева.

166

§ 1. Четыре металлические основы

ПРИ ПАЙКЕ СОЕДИНЕНИЙпредъявляемых ко многим узлам и изделиям, относятся ограничение их

веса и высокая удельная прочность, определяемая отношением их пре­ дела прочности к плотности и отно­ шением предела текучести к проч­ ности.

Другими определяющими крите­ риями при выборе материалов мо- ,гут быть жаропрочность, электро­ сопротивление, коррозионная стой­ кость в различных газовых и жид­ ких средах, хладостойкость, вибра­ ционная стойкость или стойкость цри длительных нагружениях, вакуумплотность и другие.

С развитием техники число при­ меняемых металлических и неме­ таллических материалов в паяных узлах и изделиях непрерывно воз­ растает. В доступной для нас обла­ сти литосферы на долю алюминия,

0,003% Cu.

Несмотря на столь широкую рас­ пространенность в природе алюми­ ния и титана, сплавы на их основе стали применять лишь в XX сто-

167

летим: алюминий с 20—30-х, титан — с 50-х годов, что обуслов­ лено значительными трудностями их получения в чистом виде, связанными с необходимостью затраты значительных энерге­ тических мощностей, а применительно к титану — с создани­ ем высокой промышленной вакуумной техники.■

Основными преимуществами сплавов иа основе алюминия и титана является их малая плотность и относительно высокая удельная прочность, что используется прежде всего в авиа­ ционной промышленности, судостроении и транспортном ма­ шиностроении. Титан и его сплавы приобрели важное значе­

многих паяных узлах и изделиях, в том числе в теплообмен­ никах, теплоизлучателях, электрокоммуннкацпях, трубопро­ водах, приборах, радиотехнических платах, волноводах и других, титан и его сплавы нашли применение в таких паяе­

испарителей сжиженных газов и др.

Железо, медь и многие сплавы на их основе применяются давно. Однако при пайке вновь разрабатываемых сплавов на их основе во многих случаях встречаются значительные труд­ ности.

Стали различных классов вследствие их высокой прочно­ сти и специальных свойств применяются в паяных узлах ЖРД, трубопроводах, сотовых самолетных панелях, узлах двигателей и многих других изделиях.

Рассмотрим важнейшие данные о совместимости наибо­ лее распространенных и широко применяемых в технике ма­ териалов, паяных конструкций и технологии пайки и вытекаю­ щие из этого практические возможности.

168