3.16. Пайка

Быстрым развитием техники в различных отраслях промышлен­ности обусловлено широкое применение пайки, особенно в маши­ностроении, электронике и электротехнической промышленности. Это объясняется, во-первых, тем, что пайка как процесс формирова­ния соединений материалов, осуществляется при температурах ниже температуры начала плавления паяемого материала и характеризу­ется возможностью автоматического ее регулирования. Во-вторых, это объясняется все большим внедрением в производство новых кон­струкционных материалов и переходом на высоколегированные спла­вы, сварка которых вызывает значительные трудности.

Сущность пайки заключается в создании жидкой прослойки из расплавленного припоя между паяемыми твёрдыми поверхностями. Жидкий припой смачивает поверхности и растекается в тонком зазо­ре между паяемыми деталями, а после кристаллизации образует па­яный шов, в котором между поверхностными атомами (ионами) со­единяемых заготовок и припоя формируются химические (металли­ческие) связи.

Процесс пайки осложняется из-за наличия на поверхности метал­лов оксидных и других слоев, препятствующих растеканию припоя по зазору между деталями. Жидкий металл припоя также подверга­ется окислению с поверхности и не растекается по паяемым метал­лическим поверхностям: получается непропай - дефект соединения.

Соединяемые поверхности при пайке активируют при помощи флюсов - веществ, растворяющих оксиды металлов или хотя бы на­рушающих сплошность их слоя для того, чтобы припой смог про­никнуть под них, смачивая чистый металл. Для этой цели применя­ют нашатырь (NH₄C1), буру (Na₂O₇,) или смеси хлоридов активных металлов, образующих легкоплавкие системы. После пайки следы применявшихся флюсов следует тщательно удалять, так как может возникнуть коррозия, и паяное соединение начнет разрушаться.

Только такие металлы, как золото и отчасти серебро, можно паять без применения флюсов для снятия оксидных слоев. Это свойство золота используют в приборостроительном производстве: поверхно­сти изделия сначала покрывают тонким слоем золота, а потом паяют. Такой метод весьма дорогой, и его применяют, например, в произ­водстве полупроводниковых приборов (микросхем).

Следует отметить, что флюсы не удаляют с паяемых заготовок посторонние вещества органического и неорганического происхож­дения, например пленки жирового происхождения, загрязнения, ос­татки лакокрасочных покрытий. В процессе пайки они препятству­ют смачиванию основного металла флюсом и припоем, вызывают непропаи, ухудшающие качество паяных соединений. Посторонние вещества с соединяемых поверхностей деталей и припоя перед пай­кой удаляют химической или механической обработкой.

Преимущества флюсовой пайки - возможность осуществлять про­цесс в атмосфере, применять универсальное оборудование и инст­румент (газопламенные горелки, паяльники).

Недостатки флюсовой пайки - агрессивность ряда флюсов; не­возможность достаточно надежно удалять поверхностные оксиды не­которых металлов (например, оксиды титана); экологические про­блемы - загрязнение атмосферы и сточных вод. В этой связи пред­почтительной следует считать пайку без флюсов — в контролируе­мых атмосферах: в вакууме, аргоне, гелии.

В последнее время разрабатывают так называемые самофлюсую­щиеся припои, которые при высоких температурах пайки могут раст­ворять свои оксиды, отнимая этим самым кислород от оксидов, об­разовавшихся на поверхности металла. Такие припои содержат в ка­честве раскислителей бор, алюминий и другие активные элементы. Удалению оксидных пленок с поверхности металла содействует ультразвук (рис. 3.72), нарушающий их сплошность, и его часто ис­пользуют на производстве (например, при пайке алюминия ультра­звуковыми паяльниками). Магнитостриктор 2 паяльника, излучает колебания, передающиеся наконечнику 3. Возбужденные в расплав­ленном припое колеблющимся наконечником кавитационные пузырь­ки 5 эффективно разрушают оксидные пленки 6. Обмотка магнитостриктора подключается к высокочастотному генератору /, выраба­тывающему импульсы частотой 15-20 кГц. Нагревается наконечник спиралью 4, через которую пропускается электрический ток. При лу­жении наконечник располагается как можно ближе к детали, не ка­саясь ее. Облуженные таким образом детали можно паять обычным электрическим паяльником без флюса с применением оловянно-цинковых или оловянно-свинцовых припоев.

При изготовлении паяных изделий особенно важно качество сбор­ки под пайку, при которой обязательно должны быть сделаны зазоры

Рис. 3.72. Схема пайки ультразвуко­вым паяльником

для заполнения их жидким припоем. При широко применяемой так называемой капиллярной пайке используют способность жидкостей самопроизвольно подниматься в тонкие капилляры (трубочки) или плоские щели силами поверхностного натяжения при наличии сма­чивания жидкостью твердой поверхности. На рис. 3.73 приведена схема взаимодействия жидкости с твердой поверхностью щели или капилляра в зависимости от угла смачивания 8.

Если зазоры оставлены большие, то припой в них не затечет и получатся непропаи, т. е. низкого качества паяный шов. Если зазоры очень малы, то скорость проникновения в них жидкого металла так­же очень мала, и могут получиться непропаи. Таким образом, существуют оптимальные размеры зазоров, обеспечивающие хорошее качество паяных соединений. В производственных условиях особые трудности представляет сборка деталей изделия под пайку по опти­мальным зазорам, от чего зависит качество паяного изделия (проч­ность, электропроводимость, коррозионная стойкость). При пайке изделий, собранных с некапиллярным или неравномер­ным зазором, для удержания жидкой фазы припоя в зазоре и управле­ния растеканием его по поверхности используют композиционные при­пои, которые содержат наполнитель для образования в паяльном зазоре

системы капилляров. Такие припои получают, например, спеканием порошка или воло­кон тугоплавкого материала с последующей пропиткой жидкой легкоплавкой фазой (рис. 3.74).

Для соединения разно­родных металлов, например титана со сталью, алюминия с медью, применяется кон­тактно-реактивная пайка, при которой припой образу­ется в результате контактно-реактивного плавления. Она

основана на способности некоторых металлов образовывать в месте контакта сплавы (эвтектики или твердые растворы), температура плав­ления которых ниже температуры плавления любого из соединяемых металлов. Когда соединяемые металлы не образуют между собой по­добного типа сплавы или при пайке однородных металлов, используют промежуточную прослойку или наносят покрытие на соединяемые по­верхности напылением, гальваническим либо каким-то другим спосо­бом. Металл прослойки или покрытия подбирают так, чтобы он взаи­модействовал с каждым из соединяемых металлов, образуя более лег­коплавкие сплавы. К таким сплавам относятся эвтектики - твердые ра­створы с минимумом на диаграмме состояния (рис. 3.75).

Процесс контактного плавления начинается с образования физи­ческого контакта между соединяемыми поверхностями по активным центрам. В них в твердом состоянии происходит взаимная диффузия

металлов и непрерывное измене­ние их концентрации в точке контакта. При некоторой темпе­ратуре происходит расплавление и образуется зона расплава, ко­торая будет увеличиваться и ра­створять в своем объеме взаимо­действующие металлы. Количе­ство таких контактов будет воз­растать по мере осуществления процесса пайки.

При контактно-реактивной пайке детали необходимо сдавливать, чтобы создать лучший физический контакт между деталями и выда­вить избыток жидкой фазы. Вместе с избытками жидкости удаляют­ся частицы оксидов, присутствие которых в паяном шве может сни­жать их прочность. Следует отметить, что жидкая прослойка, обра­зующаяся при контактно-реактивной пайке, более активна, чем вносимый в зазор готовый припой: она лучше смачивает основной металл и более интенсивно его растворяет.

При реактивно-флюсовой пайке припой образуется в результате восстановления металлов из компонентов флюса. Например, пайка алюминия с флюсом из хлористого цинка основана на способности алюминия вытеснять цинк из расплавленной соли при 400°С:

Образовавшийся цинк и является припоем, соединяющим детали из алюминия.

В ряде случаев продукт взаимодействия основного металла с флю­сом не является припоем, однако он покрывает поверхность в месте пайки и улучшает смачиваемость дополнительным припоем, кото­рый вводится в зазор. Например, с помощью флюса AgCl можно осу­ществлять реактивно-флюсовое лужение (покрытие) титана серебром:

Ti + 4AgCl = TiCl₄ + 4Ag.

При 350-400 °С хлорид титана в виде газа улетучивается с повер­хности титана, разрушая при этом оксидную пленку TiO₂, а восста­новленное серебро покрывает чистую поверхность титана, которую затем можно подвергать пайке другими методами.

Рис. 3.74. Примеры размещения наполни­теля 2 и легкоплавкой составляющей 1 композиционного припоя между паяе­мыми пластинами 3

Рис. 3.75. Диаграмма состояния спла­ва с эвтектикой

Паяные соединения имеют очень малый уровень остаточных напря­жений, так как все изделие подвергается одновременно нагреву и ох­лаждению. Однако довольно длительный термический цикл пайки (на­грев, выдержка, охлаждение) может разупрочнять основной металл из­делия, особенно при высокотемпературной пайке (1000-1200 °С).

Пайку в машиностроении и приборостроении применяют очень широко, начиная от пайки узлов реактивных двигателей (рис. 3.76) и кончая микромодульными схемами современных элементов элект­роники (рис. 3.77). В последнее время пайку стали применять и в строительстве: при соединении, например, оцинкованных труб и листов, мачт электропередач.

Рис. 3.76. Зона паяного соединения (а) и общий вид блока камер сгорания ЖРД (б)

Рис. 3.77. Паяные изделия электронной техники