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

окисной пленки происходит в процессе предварительного абра­ зивного лужения поверхности паяемого материала; абразивнокристаллическую пайку, при которой роль абразива выполня­ ют первичные кристаллы припоя, находящегося в жидкотвер­ дом состоянии; ультразвуковую пайку, при которой удаление окисной пленки с поверхности паяемого материала происходит в процессе предварительного лужения с помощью ультразву­ ковых колебаний; кавитационно-абразивную пайку, при кото­ рой удаление окисной пленки происходит в процессе предвари­ тельного кавитационно-абразивного лужения поверхности пая­ емого материала; флюсовую пайку, при которой применяется флюс; пайку в нейтральной газовой среде, при которой для защиты поверхности паяемого материала и припоя от окисле­ ния и удаления окислов используется нейтральная газовая сре­ да; вакуумную пайку, при которой для защиты поверхности паяемого материала и припоя от окисления и удаления окис­ лов используется вакуум; пайку в активной газовой среде, при которой для удаления окислов с поверхности паяемого мате­ риала и припоя и защиты от окисления используется химиче­ ски активная газовая среда.

Припои могут быть разделены на следующие группы по обеспечению прочностных и других специальных свойств пая­ ного шва при взаимодействии с паяемым материалом.

1.Коиструкционно-упрочняемые (КУПр)— полностью рас­ плавляемые припои, обеспечивающие упрочнение шва преиму­ щественно за счет изменения зазора и площади спая.

2.Термически обрабатываемые (ТОПр), в частности, дис- персионно-твердеющие (ДТПр), обеспечивающие упрочнение-

шва в результате структурных изменений при термообработке.

3.Диспергируемо-упрочняемые (ДсУПр), обеспечивающие упрочнение шва в результате самопроизвольного диспергиро­ вания паяемого материала жидким припоем и затвердевания шва в присутствии диспергированных частиц.

4.Дисперсно-упрочняемые (ДгУПр) металлокерамиче­

ские припои — частично расплавляемые при пайке обеспечи­ вающие упрочнение шва в результате спекания частиц напол­ нителя с участием жидкой фазы припоя.

5. Армируемо-упрочняемые припои (АУПр), обеспечиваю­ щие упрочнение шва в результате использования готовых жест­ ких структур (сеток, проволоки и т. д.) с затвердеванием жид­ кой части припоя вокруг них.

6. Кристаллизационно-упрочняемые припои (КрУПр), обеспечивающие упрочнение шва в результате управляемого процесса кристаллизации.

До 1882 г. существовали преимущественно два основных процесса создания неразъемных соединений — пайка и кузнеч­ ная сварка в твердом состоянии.

В 1882 г. Н. Бенардос предложил процесс, названный им электропайкой, при котором кромки соединяемых металлов на­ гревали выше температуры их автономного (самостоятельно­ го) расплавления. В дальнейшем этот процесс получения не­ разъемных соединений с автономным расплавлением кромок стали называть сваркой плавлением.

Пайка наряду со сваркой плавлением (дуговой, электро­ шлаковой, газовой), сваркой давлением (контактной электро­ сваркой, сваркой в твердой фазе) и склеиванием является од­ ним из широко применяемых процессов получения соединений в современном производстве. Основные сравнительные особен­ ности сварки и пайки даны в табл. 1.

Преимущества пайки как технологического процесса и пре­ имущества паяных соединений обусловлены, главным обра­ зом, возможностью формирования паяного шва ниже темпера­ туры автономного плавления соединяемых материалов. Такое формирование шва происходит в результате неавтономного контактного плавления паяемого материала в жидком припое, внесенном извне, восстановленном из солей флюса или образо­ вавшемся при контактно-реактивном плавлении паяемых ме­ таллов, прослоек или их между собой. Именно поэтому стано­ вится возможным общий нагрев паяемого узла, изделия до температуры пайки, что позволяет

осуществлять групповую пайку, широкую механизацию и автоматизацию, обеспечивающих высокую производительность процесса;

получать соединение деталей в скрытых или малодоступных местах конструкции, а следовательно, изготавливать сложные конструкции за один прием, сократить их металлоемкость, повысить коэффициент использования материала;

паять не по контуру, а одновременно по всей поверхности

20

Таблица 1

Основные сравнительные особенности сварки и пайки

При сварке

При пайке

плавлением давлением

211

■соединения, что наряду с обеспечением высокой производи­ тельности процесса позволяет широко варьировать прочность соединений;

ограничиваться при пайке на порядок меньшим давления­ ми, чем при сварке давлением в твердой фазе, когда для со­ единения деталей необходим непосредственный их контакт. При пайке физико-химический контакт деталей обеспечивается при смачивании и заполнении зазора припоем, а давление не-

22

«обходимо лишь для сохранения зазора, компенсации усадки припоя и выдавливания лишней жидкой фазы;

соединять разнородные металлические и неметаллические материалы и с большой разностенностью, т. е. обеспечить уни­ версальность процесса;

выбирать температуру пайки в зависимости от необходи­ мости сохранения механических свойств материалов в изделии, для совмещения нагрева под пайку и термическую обработку и для выполнения ступенчатой пайки;

предотвратить развитие значительных термических дефор­ маций и обеспечить получениеизделий без нарушения его формы и размеров, т. е. с высокой прецизионностью;

в условиях формирования паяных швов при смачивании и растекании припоя по паяемому материалу обеспечивать высо­ кую плавность галтелей, а следовательно, высокую прочность, надежность и долговечность в условиях вибрационных и зна­ копеременных нагружений;

разъединять детали и узлы путем их распайки ниже тем­ пературы автономного плавления паяемого материала и ре­ монтировать изделия в полевых условиях.

Вместе с тем, применение при пайке припоев, более легко­ плавких, чем паяемый материал, и поэтому часто менее проч­ ных, обуславливает ряд традиционных недостатков паяных со­ единений: неравнопрочность-паяного шва с паяемым материа­ лом при статических испытаниях на разрыв, что ограничивает применение пайки в высоконагруженных конструкциях; необ­ ходимость точной сборки с малыми зазорами, что удорожает себестоимость узлов и изделий; применение в припоях дорогих и дефицитных металлов.

Эти недостатки паяных соединений во многих случаях мо­ гут быть устранены при использовании новых прогрессивных способов пайки: диффузионной, при которой обеспечивается равнопрочность паяных швов и паяемого материала, в том числе и в стыковых соединениях; металлокерамической, при которой возможна сборка и пайка с некапиллярными зазора­ ми; контактно-реактивной пайке, при которой может быть рез­ ко снижен расход дорогостоящих дефицитных металлов.

Преимущества пайки позволили решить ряд важнейших проблем, поставленных современной технической революцией на различных ее этапах — создания ядерной энергетики, реак­ тивных двигателей, создания систем управления на расстоя­ нии. Все это способствовало в свою очередь необыкновенно быстрому развитию и совершенствованию пайки, превращению

23

ее из ремесла в современный технологический процесс, во мно­ гих случаях определяющий прогресс современной техники.

Возможность получения высокопрочных стыковых и тав­ ровых паяных соединений позволяет ставить вопрос о приме­ нении пайки в высоконагруженных строительных конструк­ циях, применяемых в судостроении, при монтаже электропе­ редач, бурении нефтяных скважин и т. д.

Назначение изделии новой техники привело к необходимо­ сти применения в них новых металлов и сплавов: высокоактив­ ных (титана, циркония), легких (алюминия, бериллия, магния, титана), тугоплавких (вольфрама, молибдена, ниобия), жаро­ прочных (железных, кобальтовых, никелевых) полудрагоцен­ ных и драгоценных (серебра, золота, платины, палладия), ра­ диоактивных (урана, плутония), композитных материалов, а также различных неметаллических материалов — керамики, графита, полупроводников, стекла, фарфора и т. п. Все это по­ требовало разработки технологии пайки, которая обеспечивает соединения, обладающие специальным комплексом прочност­ ных электрических, тепловых, коррозионных и других харак­ теристик, а также заданной надежностью, долговечностью, ремонтопригодностью в условиях эксплуатации.

Возникла необходимость в разработке новых припоев, флю­ сов газовых активных и нейтральных сред, новых методов на­

грева, механизации и автоматизации процессов пайки в усло­ виях массового производства.

Характерно, что по мере усложнения условий эксплуата­ ции паяных конструкций по нагрузкам, коррозионному воздей­ ствию, температуре, происходила замена простых серебряных медных, оловянно-свинцовых и латунных припоев более слож­ ными; стали применяться припои, легированные микродобав­ ками других элементов, обеспечивающих, например, самофлюсуемость (литий, бор, индий, цезий), криппоустойчивость (сурьма, серебро), растекаемость (палладий, индий), пони­ женную окисляемость (никель, хром и др.). Начали разраба­ тывать специальные припои на основе никеля, тугоплавких ме­ таллов (вольфрама, молибдена, ниобия, тантала), активных металлов (титана, циркония), на основе особо легкоплавких

металлов (галлия), а также марганцовистые, золотые, палла­ диевые.

Применение высокоактивных, тугоплавких, легких метал­ лов привело к необходимости разработки новых методов на­ грева, обеспечивающих возможность пайки в вакууме (в спе­ циальных печах или контейнерах) при температурах до

24

непрерывно развивалась и совершенствовалась. Можно утвер­ ждать, что в настоящее время не существует ограничений в возможности создания различных паяных соединений из оди­ наковых и различных материалов.

В последнее время среди сварщиков существует тенденция считать, что сварка плавлением не является прогрессивной тех­ нологией создания неразъемных соединений.

Б. Е. Патон [9] основные операции при сварке плавле­ нием — разделку кромок и заполнение их присадочным метал­ лом — назвал «по меньшей мере нелогичными операциями», а Б. И. Медовар [10] — «нелепыми». Б. Е. Патон считает, что термин сварка (от слова «варить») будет звучать анахрониз­ мом.

Отказ в будущем от сварки плавлением, особенно от свар­ ки плавлением сильно легированных деформируемых и литей­ ных сплавов считается также генеральной линией дальнейше­ го развитя в области сварки.

Было высказано утверждение, что одним из наиболее пер­ спективных способов сварки является диффузионная сварка в вакууме [9]. Но на пути развития этого способа стоят четыре практически трудно преодолеваемых препятствия: малая про­ изводительность диффузионной сварки в вакууме, трудности удаления окисных пленок с поверхности соединяемых сплавов, необходимость применения значительных давлений и труд­ ность обеспечения прецизионности изделий.

Возможным преемником неперспективных способов сварки плавлением в ряде случаев может стать диффузионная пайка, лишенная почти всех недостатков сварки плавлением. Она мо­ жет стать высокопроизводительной и массовой. При диффу­ зионной пайке или контактно-реактивной пайке, переходящей в диффузионную [8] все диффузионные процессы чрезвычайно активизированы, вследствие контакта с жидкой металлической фазой — припоем и поэтому не требуют больших давлений, высокого вакуума, а в некоторых случаях и значительного на­ грева, обеспечивают высокую прецизионность соединений и производительность процесса.

Не случайно ряд технологических задач по соединению вы­ соколегированных сталей и жаропрочных сплавов, не выполни­ мых сваркой плавлением [10] и диффузионной сваркой в ва­ кууме [11], стремятся решить, применяя пайку, неправомочно

25

27

проса, не точное установление особенностей термодинамиче­ ской системы п даже разнобой в терминологии.

Образцом исследования термодинамических систем явля­ ются работы Гиббса [2], в которых весьма точно ограничивает­ ся круг исследуемых объектов и процессов и степень прибли­ жения пх математических моделей.

Необходимо учитывать, что в термодинамике исследуются макроскопические материальные системы, размеры которых » время существования позволяют провести требуемые измере­ ния. Поля или не учитываются, или учитываются только ре­ зультаты их воздействия на вещество. Например, в основопо­ лагающей работе Гиббса «О равновесии гетерогенных веществ» [2] исследуются условия равновесия соприкасающихся гетерофазных масс, не подвергающихся влиянию тяготения твердых масс пли поверхностного натяжения.

Термодинамические системы могут быть изолированные, не­ взаимодействующие с окружающей средой, замкнутые, обме­ нивающиеся только энергией, но не веществом с ней, и откры­ тые — обменивающиеся веществом и энергией.

Теория неравновесных (необратимых) процессов в настоя­ щее время развивается, но еще далека от завершения. Мы> стремились при анализе состояний подчеркнуть, наряду с тер­ модинамическими статическими факторами, также и кинетиче­ ские факторы явлений. Учитывая прикладной характер и не­ большой объем книги, аспекты статистической механики и фе­ номенологическая теория термодинамики необратимых про­ цессов на основе линейных соотношений Опсагера, авторы оставили без рассмотрения.

В настоящее время формируется общая теория систем и разрабатывается методология системных исследований [3],. [4], [5], [6], [7], [8]. Система есть совокупность объектов, их свойств и отношений. Следовательно, при всяком научном, системном исследовании должны быть установлены и опреде­ лены объекты исследования, их свойства и отношения между ними.

Моделирование объектов, свойств и отношений разнообраз­ ных систем приближенно; степень приближенности зависит от учета необходимых и достаточных признаков элементов систе­ мы и пренебрежения несущественными и недостаточными из: них. Отношения в системах, в частности, моделируются на ос­ нове различных математических методов анализа.

Важное значение для термодинамических систем имеют понятия экстенсивных величии — параметров, естественных пе­

2S