книги / Сварка в машиностроении. 4

Кроме чистого водорода применяют более экономичную, при использовании баллонного газа, азотоводородную смесь, получаемую при диссоциации аммиака (ДА), состоящую из 75% водорода и 25% азота (по объему). При соответствующей очистке азотоводородная смесь может заменить чистый водород, за исключением случаев, когда имеется опасность образования нитридов или растворения азота

впаяемом металле.

Кнедостаткам водорода и ДА относится взрывоопасность их смесей с возду­ хом. В связи с этим получили распространение газовые смеси с пониженным содер­ жанием водорода. Это газовая смесь ПСА—08, содержащая 7—20% водорода, остальное — азот, осушенная до точки росы —20-;— 40° С. Газовую смесь полу­ чают путем частичного сжигания водорода, содержащегося в диссоциированном аммиаке, и глубокой осушки. Восстановительная способность смеси и взрывобезопасность зависят от влажности и содержания водорода. При содержании водорода на нижнем уровне газ практически безопасен [1]. При недостаточной осушке газа, пайке коррозионно-стойких и жаропрочных сталей на детали нано­ сится небольшое количество флюса.

Находят применение также смеси водорода с аргоном, содержащие 5—10% водорода. При высокой степени очистки от примесей смесь обладает достаточной активностью и взрывобезопасна. Наиболее целесообразна централизованная поставка смеси в баллонах (ТУ 51-641—74), но смесь может быть приготовлена и на месте применения, для этого необходима соответствующая аппаратура. В неко­ торых случаях при пайке можно использовать очищенный от кислорода и влаги азот. Такой азот содержит 2—4% водорода, точка росы до —65° С.

В качестве защитных и слабо восстановительных сред при пайке нашли при­ менение различные углеводородные газы после частичного или почти полного сжигания. Они содержат окись углерода, углекислый газ, водород, азот. Точка росы зависит от степени осушки и может быть до —40° С (газовые смеси ПСО—06, ПСО—09).

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПАЙКИ

Основным элементом оборудования для пайки является устройство, обеспечиваю­ щее нагрев изделия до температуры пайки. Кроме специфических нагревательных устройств (паяльников, паяльных ламп, специальных горелок, ванн расплавлен­ ного припоя, электроконтактных нагревателей и пр.) широко используют обычное термическое и сварочное оборудование (печи, установки индукционного нагрева, газосварочные горелки, соляные печи и ванны, электронно-лучевые установки со сканирующим лучом, светолучевые установки, электроконтактные точечные и роликовые сварочные машины и др.).

В промышленности распространены паяльники различных типов. Для электро- и радиомонтажных работ широко применяют наиболее экономичные паяльники с внутренним электрическим нагревателем. Часто электрические Паяльники комплектуют терморегуляторами, а иногда — устройством для дози­ рованной подачи припоя. Для пайки алюминиевых сплавов применяют ультра­ звуковые паяльники.

Для пайки в печах используют в основном электрические печи сопротивления с рабочей температурой, соответствующей температуре пайки. В зависимости от объема производства, размеров и массы паяемых изделий выбирают камерные Печи периодического действия с ручной или механизированной загрузкой ц Методические с различными устройствами для перемещения паяемых изделии:

толкательные, конвейерные и другие, а также колпаковые, шахтные и элеваторные Печи.

Для пайки в газовых средах и вакууме используют как обычные воздушные печи (при этом детали помещают в герметизируемые контейнеры, заполняемые

газом, или вакуумируемые), так и специальные печи, в том числе вакуумные и водородные. Современная номенклатура печей, изготовляемых различными ваводами электротермического оборудования, обширна, и информация о ней может быть получена в специальных изданиях.

В табл. 18 приведена характеристика некоторых электрических печей, кото­ рые могут быть использованы для пайки.

Для индукционного нагрева под пайку применяют машинные преобразова­ тели, например ПВ 50/2500, ПВ 100/8000—1, мощностью 50 и 100 кВт с частотой тока 2500 и 8000 Гц соответственно, и ламповые высокочастотные установки

тока в мегагерцах). Для пайки погружением могут быть использованы обычные термические соляные печи и ванны, а для пайки алюминиевых сплавов — спе­ циальные, с муфелем и электродами из жаростойких никелевых сплавов. Более полно вопросы оборудования для пайки рассматриваются в специальной литературе [3].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Есенбсрлин P. Е. Пайка и термообработка деталей в газовой среде и вакууме. Л., Машиностроение, 1972. 182 с.

2.Лашко Н. Ф., Лашко С. В. Пайка металлов. М., Машиностроение, 1967. 365 с.

3.Справочник по пайке. Под ред. С. И. Лоцманова, И. Е. Петрунина, В. П. Фро­ лова. М., Машиностроение, 1976, 407 с.

4.Smithells С. J. «Metals reference book». 5th ed. London ^Boston, 1976, p. 1648»

Г л а в а 12

ТЕХНОЛОГИЯ ПАЙКИ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИИ ПАЙКИ

р основу разработки технологии пайки принимаются требования к свойствам соединений, определяющиеся из условий работы паяных изделий (прочность при нормальной и повышенной температурах, коррозионная стойкость в определенных средах, тепло- и электропроводность и др.). В связи с этим одним из главных вопросов при разработке технологии пайки является выбор системы и состава припоя.

При выборе припоя кроме прочностных и коррозионных характеристик учи­ тывается способность его к взаимодействию с паяемым металлом (материалом) и температурные границы процесса пайки. Нижней границей температуры пайки может служить температура плавления припоя, а верхней — допустимая темпе­ ратура нагрева металла (материала) при пайке.

Особенности взаимодействия припоя с металлом и температурные границы пайки позволяют решить задачу выбора способов пайки по механизму образова­ ния соединений и виду источника нагрева, а также способу активации поверхности при пайке. В соответствии со способом выбирают оборудование для пайки конкрет­ ных изделий.

Схема общих подходов к выбору технологического процесса пайки изделий приведена на рис. 1. Подготовка деталей к пайке включает следующие операции: 1. Механическую обработку деталей и очистку поверхности. 2. Сборку деталей и укладку припоя. Механическую обработку деталей производят с целью обеспече­ ния, при последующей сборке, зазоров требуемой величины и иногда используют как средство предварительной подготовки поверхности. После механической обработки на поверхности деталей могут присутствовать различные загрязнения и окисные пленки.

В общем случае очистка поверхности деталей перед пайкой заключается

вудалении загрязнений, а также пленок, образовавшихся на повёрхпости деталей

впроцессе длительного их хранения или их производства, в тех случаях, когда

механическую обработку поверхности не применяют.

Для удаления окисных пленок с поверхностей, подвергаемых пайке, исполь­ зуют различные виды механической обработки, зачистку шкурками и стальными щетками, а также травление деталей в ваннах различных составов (табл. 1). После травления деталей производят их промывку в горячей или холодной воде и сушку. Для сплавов алюминия после щелочного травления в 10%-ном растворе NaOH рекомендуется промывка в воде, осветление в водном растворе азотной кислоты (1 : 1), промывка и сушка. По имеющимся данным наиболее высокие прочностные свойства паяных соединений получены после травления в концентрированной ортофосфорной кислоте при температуре 60° С в течение 50—70 с.

Обезжиривание производится протиркой поверхности органическими раство­ рителями: спиртом, бензином, ацетоном, четыреххлористым углеродом, уайтспиритом, дихлорэтаном, трихлорэтиленом и др.

При массовом производстве для обезжиривания поверхностей используют обработку деталей в ваннах различных составов. Для этих целей в практике находят широкое применение ванны щелочных составов и ванны для электро­ химического и ультразвукового обезжиривания (табл. 2).

Технология пайки и конструирование паяных соединений

а

для плоского капилляра при гх = оо и г2

7

2а ж cos 0

Ркап — ‘

Максимальная высота подъема L припоя в капилляре может быть найдена из условия равенства капиллярного давления металлостатическому:

2аж cos 0 • = yLg или L = 2аж cos 0 ayg

Рис. 2. Примеры фиксации деталей, размещения и закрепления припоя при сборке:

a — пайка деталей к фланцам; фиксация: I — на выточке; 2 — керненнем; 3 —• накат­

В приведенных уравнениях: /у, г2 — радиусы капилляра; ож — поверхностное натяжение жидкости; а — расстояние между пластинами; у — плотность жидко­ сти; g — ускорение свободного падения; L — высота подъема жидкости в капил­ ляре.

Оптимальные зазоры при пайке припоями различных систем приведены ниже.

Когда выдержать требуемые зазоры при сборке не удается, используют метал­ локерамическую пайку или принудительное заполнение зазоров припоем под давлением. Припой может быть использован в виде фольги, ленты, проволоки, порошка, прутка, таблеток, стружки и т. д.

При конструировании соединений учитывают возможность при сборке разме­ щения, укладки и закрепления припоя. Примеры фиксации деталей при сборке, укладке, размещения и закрепления припоя при пайке различных конструктив­ ных элементов приведены на рис. 2. Задача фиксации и размещения припоя упро­ щается в тех случаях, когда припой наносят на поверхности деталей предвари­ тельно (лужением, гальваническим способом, термовакуумным напылением, шоопированием, плакированием и другими способами).

ПАЙКА РАЗЛИЧНЫХ МЕТАЛЛОВ

ПАЙКА УГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

К этой группе материалов относятся низкоуглеродистые стали, неупрочняемые термической обработкой, среднеуглеродистые стали и низколегированные кон­ струкционные стали, подвергающиеся термической обработке (нормализации, закалке, отпуску). Максимальная температура нагрева углеродистых сталей при пайке должна быть ограничена температурами 1100—1150° С, для низколегиро­ ванных сталей — температурами 850—900° С.

Основные трудности, возникающие при пайке углеродистых и низколегиро­ ванных сталей, сводятся к обеспечению смачивания их припоями. Для сталей, подвергающихся термической обработке, задача выбора припоя иногда дополни­ тельно усложняется необходимостью совмещения температуры пайки с температу­ рой термической обработки. Низкотемпературную пайку указанных сталей можно проводить оловянно-свинцовыми припоями. При использовании этих припоев смачивание достигается применением активированных и кислотных флю­ сов, содержащих в растворах канифоли, воды, глицерина активные добавки: ZnCl2, HCl, Н Р03, гидразин, солянокислый анилин и др.

Для улучшения смачивания в некоторых случаях низкотемпературную пайку проводят по гальваническим покрытиям из меди и никеля, наносимым на паяемые поверхности.

Наибольшее применение для низкотемпературной пайки нашли малосурьмя­ нистые и сурьмянистые оловянно-свинцовые припои типа ПОССу 30—0,5} ПОССу 30—2 и др.

При высокотемпературной пайке этих металлов используют в основном при­ пои медные, медно-цинковые и серебряные. Из медных припоев исключаются медно-фосфорные из-за опасности образования на границе сталь—припой хрупких соединений.

Широким применением в промышленности пользуется процесс пайки низко­ углеродистых и низколегированных сталей медными и медно-цинковыми при­ поями в печах с активными газовыми средами водорода и диссоциированного аммиака. Достоинства процесса: относительная простота, малые дефицитность и стоимость припоя, а также применяемой газовой среды, хорошая внешняя поверх­ ность деталей после пайки, исключающая необходимость последующей обработки паяных узлов. В связи с достаточно высокой температурой плавленя меди (1083° С) имеется возможность последующей термической обработки паяных узлов. Наряду с преимуществами этот процесс имеет недостатки: из-за высокой температуры плавления меди пайку осуществляют при температурах ИЗО—1200° С. Это при­ водит к росту зерна и снижению свойств паяемых металлов. В некоторых случаях для улучшения свойств металла после пайки применяют нормализацию.

Ьысокая температура пайки и большая жидкотекучесть меди приводят к про­ никновению ее по границам зерен в поверхностные слои паяемого металла и допол­ нительному снижению его свойств. В связи с высокой жидкотекучестью меди требуется очень точная обработка деталей при сборке для соблюдения зазоров в некоторых случаях в пределах 0—0,03 мм [12J. Это усложняет и удорожает технологию пайки.

Для снижения требований к допустимой величине зазоров иногда применяют способ металлокерамической пайки порошком меди, разведенным на связке. Применение активной среды водорода ограничивает номенклатуру паяемых ста­ лей, в которых недопустимо обезуглероживание поверхности.

Для ограничения роста зерна при пайке медью иногда используют способы пайки с нагревом ТВЧ, в соляных ваннах, электросопротивлением и др. При таких способах нагрева существенно сокращается время пребывания металла при высоких температурах и ограничивается рост зерна паяемого металла.

При пайке медью на воздухе применяют флюсы: 18В, буру, 200 и 201.

При пайке медью имеются рекомендации по применению газовых сред непол­ ного сгорания смеси воздуха с пропаном, природным газом и другими горючими газами. Пайку рассматриваемых сталей медью можно проводить в среде аргона и в вакууме.

Применение для пайки рассматриваемых сталей медно-цинковых припоев позволяет получить ряд преимуществ: в связи с меньшей температурой плавления этих припоев снижается температура нагрева под пайку и ограничивается рост зерна паяемого металла, появляется возможность совмещения температуры пайки с температурой термической обработки многих углеродистых и низколегированных сталей.

При пайке медно-цинковыми припоями требования к величине зазоров менее жесткие (допускаются зазоры от 0,05 до 0,1 мм). Это обстоятельство позволяет снизить требования к точности обработки деталей и упрощает процесс их подго­ товки. В процессе пайки медно-цинковыми припоями наблюдается испарение цинка, что приводит к повышению температуры распая соединений, но иногда вызывает пористость в паяных швах.

Пайка медно-цинковыми припоями может проводиться на воздухе с теми же флюсами, что и для пайки медыо, в активных газовых средах водорода и диссо­ циированного аммиака и в нейтральной среде аргона. Из-за испарения цинка пайка медно-цинковыми припоями в вакууме исключается. Применяемые для пайки медно-цинковые припои имеют температуру плавления в пределах 905— 940° С, что позволяет проводить пайку при температурах 960—980е С.

Применение для пайки рассматриваемых сталей серебряных припоев откры­ вает большие возможности для расширения диапазона температур пайки. Это в свою очередь упрощает решение задачи совмещения температуры пайки с темпе­ ратурой термической обработки или проведения термической обработки после пайки. Например, при пайке серебряными припоями с низкими температурами плавления (припой ПСр40) можно решить задачу пайки закаленных узлов при температурах, соответствующих температурам высокого отпуска, ниже точ­ ки Acv