книги / Сварка в машиностроении. 4

Учитывая это неравенство и выражение (2), получим

^адр ^ 2аж_Р или ЛaдР > Лког.

Для характеристики систем с полным смачиванием используют коэффициент растекания, характеризующий степень неравенства (4):

кания или перемещения фронта жидкости по твердой поверхности с поверхностным натяжением ат_г [1 ].

Коэффициент Краст в расчетах кинетики растекания систем рассматривается как источник движущей силы растекания F. При течении по открытой поверхности при плоском фронте растекания (рис. 3, a) FpaCT, пл= Краст Ь, где b — ширина фронта растекания.

При течении жидкости в плоском капилляре (рис. 3, б) растекание осуще­ ствляется по двум поверхностям, а наружная поверхность жидкости не изменяется:

угле 0 < 90°. Поэтому для затекания жидкости в капилляры и течения ее в капил­ лярах не обязательно достижение полного смачивания. При наличии диффузион­

может лимитироваться любым из процессов, участвующих в формировании пая­ ного соединения. Например, при плохом смачивании поверхности припоем этот процесс становится лимитирующим. Факторами, определяющими протекание процесса смачивания являются состав и свойства основного металла и припоя, температура и время выдержки при пайке, а также средства активации поверх­ ности. Если при заданном термическом цикле и принятых средствах активации не удается обеспечить хорошее смачивание припоем паяемого металла, то улучше­ ние смачивания может быть достигнуто нанесением на поверхность металла слоев других металлов, что равноценно изменению состояния поверхности паяемого металла.

При пайке активных металлов смачивание, как правило, обеспечивается легко, однако свойства паяных соединений часто бывают низкими вследствие образова-

нкя на границе припой—паяемый металл хрупких прослоек интерметаллических соединений. В этом случае процессом, лимитирующим образование соединений с требуемыми свойствами, становится процесс взаимодействия припоя и паяемого металла. Факторами, влияющими на этот процесс, являются: состав и свойства паяемого металла и припоя, температура и время выдержки при пайке, а также величина зазора. В процессе кристаллизации припоя возможно появление дефек­ тов, снижающих свойства получаемых соединений, и этот процесс может стать в некоторых случаях лимитирующим.

Состав припоя может меняться в результате взаимодействия с основным металлом. В связи с этим температура пайки, величина зазора и условия охлажде­ ния влияют на кристаллизацию припоя как факторы самостоятельные и как факторы, определяющие степень взаимодействия припоя и металла. Изменение свойств паяемого металла возможно в результате термического цикла пайки и

врезультате взаимодействия припоя и металла. Поэтому технологическими фак­ торами, определяющими изменение свойств основного металла, кроме термического цикла пайки могут быть все факторы, определяющие взаимодействие припоя и основного металла.

При пайке металла с керамикой, стеклом, когда имеется значительная разница

вкоэффициентах линейного теплового расширения и один из материалов или оба имеют низкие пластические свойства, получение работоспособных соединении

может быть затруднено из-за возникновения напряжений и разрушения спая в процессе охлаждения.

Основными технологическими факторами, определяющими формирование напряжений, являются: состав и свойства паяемых материалов и припоя, терми­ ческий цикл пайки, конструкция паяных соединений и процессы, влияющие на взаимодействие припоя и металла.

На основании общих подходов к выбору технологических параметров пайки выбирают способы пайки, наиболее приемлемые для получения соединений с за­ данными свойствами.

Согласно ГОСТ 17349—71 существующие способы пайки классифицируются по различным признакам. По условиям заполнения зазора все способы пайки разделены на способы капиллярной и некапиллярной пайки. При капиллярной пайке заполнение припоем зазора и удержание его в зазорах обеспечивается силами капиллярности; при некапиллярной пайке заполнение зазора осуществля­ ется под действием силы тяжести или внешнего давления без заметного участия капиллярных сил.

К некапиллярным способам пайки (применяющимся относительно редко) отнесены пайкосварка, при которой припой заполняет разделку кромок, как при сварке плавлением, и сваркопайка — способ соединения разнородных металлов с различной температурой плавления, при котором расплавляется более легкоплав­ кий металл, являющийся припоем.

По механизму образования паяного шва выделены несколько способов капил­ лярной пайки.

Пайка готовым припоем.

Контактно-реактивная пайка, при которой роль припоя выполняет жидкая фаза, образующаяся в результате контактного плавления соединяемых материа­ лов, покрытий, нанесенных на соединяемые материалы, или промежуточных прокладок, вводимых в соединение.

Пайка реактивно-флюсовая, при которой припой или слой полуды образуются в результате высаживания из флюса.

Металлокерамическая пайка композиционными припоями, при которой в зазор вносится порошковый наполнитель, по составу близкий к составу паяемого металла, образующий сеть разветвленных капилляров, и собственно припой, заполняющий эти капилляры под действием сил капиллярного течения. Важной особенностью этого процесса является возможность пайки изделий с большими зазорами, когда капиллярное заполнение их затруднено.

Диффузионная пайка, рассчитанная на развитие диффузионных процессов

между припоем и паяемым металлом, при которой затвердевание паяного шва происходит при температуре выше температуры солидуса припоя.

По способу удаления окисной пленки выделена абразивная — бесфлюсовая пайка, при которой производится предварительное лужение с использованием абразивов для разрушения и удаления окисной пленки.

Близкими к этому процессу являются шаберная пайка и абразивно-кристал­ лическая. Ультразвуковая и кавитационно-абразивная пайка также относятся к способам бесфлюсовой пайки с предварительным лужением с помощью ультра­ звуковых колебаний.

Флюсовая пайка, при которой разрушение окисной пленки происходит с помощью флюса.

Способы пайки в нейтральной газовой среде и в вакууме также относятся к способам бесфлюсовой пайки, при которых осуществляется защита металла от окисления и разрушение окисной пленки в безокислительной среде при нагреве.

Пайку в активных газовых средах можно рассматривать как процесс приме­ нения газовых флюсов, обеспечивающих разрушение и удаление окисной пленки в результате химических реакций.

По источникам нагрева существующие способы пайки разделяют на пайку паяльником; газопламенную; электродуговую; электросопротивлением; экзотер­ мическую, использующую тепло, образующееся при экзотермических реакциях специальных смесей; электронным лучом (чаще всего сканирующим); лазером; в печах, погружением в расплавленные соли или припои; волной припоя; в нагре­ тых штампах, нагревательных матах и т. д. Развивающимся процессом является пайка сфокусированным лучом света с помощью кварцевых ламп и ксеноновых ламп высокого давления и другие.

Отличительной чертой паяного соединения является наличие в нем про­ слойки припоя или прослойки металла, образовавшегося в результате взаимодей­ ствия припоя и основного металла. Наличие такой химической неоднородности является недостатком паяных соединений и в ряде случаев снижает эффективность процесса пайки. Для устранения этого недостатка и повышения коррозионных и прочностных свойств соединений в результате устранения имеющейся химической неоднородности могут быть применены некоторые особые технологические приемы. Перспективным процессом получения высокопрочных соединений, лишенных химической неоднородности, является процесс пайки, сочетающийся с приложе­

3. О механизме образования соединений при сварке и пайке/Г. Д Никифоров и др. » Сварочное производство, 1967, № 12, с. 8—10.

Г л а в а 11

МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПАЙКИ

ПРИПОИ

Классификация припоев установлена ГОСТ 19248—73. По температуре расплав­ ления припои подразделяются на особолегкоплавкие (<145° С), легкоплавкие

традиционное разделение припоев на две группы: низкотемпературные (до 450е Q и высокотемпературные (свыше 450° С).

Установлено также разделение припоев на готовые, используемые в виде заранее приготовленного в той или иной форме и в соответствии с химическим составом материала, и образующиеся при пайке (контактно-реактивные и реак­ тивно-флюсовые). В данной главе рассмотрены только готовые припои.

Название припой получает по основному компоненту (основным компонентам), а при наличии в его составе драгоценных или редких металлов — по этим метал­ лам независимо от их количества — серебряные, золотые и т. д.

В настоящее время действуют следующие основные государственные стан­ дарты на припои: ГОСТ 21930—76 «Припои оловянно-свинцовые в чушках»} ГОСТ 21931—76 «Припои оловянно-свинцовые в изделиях», ГОСТ 19738—74 «Припои серебряные», ГОСТ 16130—72 «Проволока и прутки из меди и сплавов иа медной основе сварочные». ГОСТ 23137—78 «Припои медно—цинковые».

Кроме того, в качестве припоев используют металлы и сплавы, стандартизо­ ванные как конструкционные материалы, лигатуры и др.

Оловянно-свинцовые припои (табл. 1). Стандартом предусмотрены три группы оловянно-свинцовых припоев: бессурьмянистые, в которых сурьма содержится как примесь в количестве не более 0,05% (ПОС 90, ПОС 61 и ПОС 40) и не более 0,2% (ПОС 61М и ПОСК 50—18). Первые три припоя изготовляют также с пони­ женным содержанием сурьмы (до 0,02%).

Бессурьм янистые припои как наиболее дорогие следует применять только

втех случаях, когда недопустимо повышенное содержание сурьмы: пайка пищевой

имедицинской аппаратуры (ПОС 90); пайка, в том числе механизированная, электро- и радиоаппаратуры, герметичных соединений в точных приборах (ПОС 61); пайка электроаппаратуры, герметичные соединения оцинкованного железа (ПОС 40); лужение и пайка контактных поверхностей электроаппаратуры, прибо­

ров (ПОС 10).

Припой ПОС 61М, содержащий медь, применяют в случаях, когда необходимо предотвратить растворение паяемого металла при лужении и пайке изделий с тон­ кими медными покрытиями и проводов или замедлить разрушение наконечника паяльника.

Припой ПОСК 50—18 по составу соответствует составу тройной эвтектики олово—свинец—кадмий и предназначен для пайки деталей, чувствительных к нагреву (печатные схемы, металлизированная керамика и т. п.).

Малосурьмянистые припои нашли наиболее широкое применение для луже­ ния и пайки изделий различного назначения: электроаппаратуры, обмоток элек­ трических машин, оцинкованных радиодеталей при недопустимости перегрева — ПОССу 61—0,5, в остальных случаях ПОССу 40—0,5 и ПОССу 35—0,5; различных теплообменников из меди и латуни — ПОССу 50—0,5, ПОССу 30—0,5, ПОССу 25—0,5 и ПОССу 18—0,5. Припои этой группы применяют также для лужения и

пайки белой жести и оцинкованных деталей (ПОССу 40—0,5), листового цинка (ПОССу 30—0,5), в электроламповом производстве (ПОССу 18—0,5) и в других случаях

Сурьмянистым припоем наиболее широкого назначения является припой ПОССу 40—2. Для различных неответственных случаев пайки белой жести, латуни и меди рекомендуется припой ПОССу 4—6. Припой ПОССу 95—5 предназначен для соединений, работающих при повышенной температуре (до 120°С) (электро­ техническая промышленность, трубопроводы для горячей воды).

Другие сурьмянистые припои находят применение при пайке холодильной аппаратуры, в автомобильной промышленности, для абразивной пайки свинца (ПОССу 35—2) и т. д.

Используя оловянно-свинцовые припои, следует иметь в виду, что по ранее действовавшему ГОСТ 1499—54 припои маркировались только буквами ПОС, а по содержанию сурьмы при этом соответствовали в основном сурьмянистым припоям по новому стандарту. Это нужно учитывать при использовании старой технической документации, не допуская неоправданного использования бессурьмянистых припоев, тем более что по некоторым свойствам (работоспособности при повышенных и отрицательных температурах и др.) они уступают сурьмянистым. Предел прочности большинства оловянно-свинцовых припоев находится в преде­ лах 3,5—4,5 кгс/мма. Наиболее низкую прочность (3,2 кгс/мм2) имеет припой ПОС 10, наиболее высокую (6,5 кгс/мм2) — ПОССу 4—6. Относительное удлинение большинства припоев 35—45% (припоев ПОССу 50—0 ,5 — 62%, ПОССу 4—6 — 15%).

Предел прочности нахлесточных соединений различных материалов при комнатной температуре (припой ПОССу 30—0,5) следующий: медь— 3,1 кгс/мм2;

Кроме стандартизованных легкоплавких серебряных припоев в некоторых случаях приходится применять специальные припои, например припой ВПр-18, хорошо смачивающий никелированные провода и допускающий нагрев соедине» ний до 270° С.

Остальные серебряные припои по ГОСТ 19738—74 приведены в табл. 4. Эти припои можно классифицировать следующим образом: двух компонентные — се< ребро—медь, трехкомпонентные — серебро—медь—цинк, серебро—медь—кад< мни, серебро—медь—фосфор, серебро—медь—олово и четырехкомпонентные — серебро—медь—цинк—кадмий, серебро—медь—цинк—марганец.

Двухкомпонентные припои серебро—медь характеризуются отсутствием легкоиспаряющихся компонентов! а припой ПСр 72, кроме того, эвтектическим составом, что обусловило широкое распространение его в электровакуумной тех. нике для пайки ответственных вакуумноплотных соединений различных мате* риалов. Легирование оловом при соответствующем уменьшении содержания серебра позволяет снизить температуру плавления припоя, сохранив достаточна низкую упругость пара (припои ПСр 62 и ПСрМО 68—27—5).

Особенностью трехкомпонентных припоев серебро—медь—фосфор является возможность пайки меди и некоторых медных сплавов без флюса благодаря флю« сующему действию фосфора. Для пайки стали эти припои не рекомендуются из-за образования в шве хрупкого фосфида железа.

Наиболее распространенными припоями общего назначения являются припои серебро—медь—цинк и особенно ПСр 45, ПСр 25, ПСр 12М и ПСр 10. Прочность и пластичность припоев снижаются с уменьшением содержания в этих припоях серебра. Предел прочности припоя ПСр 45—30,0 кгс/мма, припоя ПСр 12м — 18,5. Такую же в среднем прочность имеют и паяные соединения.

Четырехкомпонентные припои серебро—медь—цинк—кадмий имеют пони­ женную температуру плавления, что обусловило их область применения — их используют для пайки термически обработанных конструкционных сталей, разно-