Пайка із загальним нагріванням
Пайка із загальним нагріванням здійснюється одним з наступних основних способів: зануренням в рідке середовище, розігріту до відповідної температури; в печах з певною газовим середовищем; в вакуумі. Більш широко застосовується пайка в електричних печах найрізноманітніших конструкцій і призначень.
Найбільше застосування нагрів в печах знаходить при пайку високотемпературними припоями - міддю, мідними сплавами, срібними, нікелевими і ін., але він може успішно застосовуватися і при пайку легкоплавкими припоями, а також при пайку алюмінію і його сплавів. Нагрівання в печах має низку переваг в порівнянні з іншими методами:
- Рівномірність нагріву, можливість точного регулювання і контролю температури і часу витримки;
- Відносна легкість механізації і автоматизації процесу;
- Висока економічність за умови безперервної роботи; можливість забезпечення стабільної якості паяних з'єднань.
Особливо економічно вигідно і технічно доцільно застосовувати нагрівання в печах при масової пайку дрібних деталей (при цьому в ряді випадків пайка поєднується з термічною обробкою) і при пайку виробів складних форм з великим числом важкодоступних сполук.
Максимальний нагрів, який забезпечувався б піччю в основному визначається типом використовуваних нагрівачів. У печах з температурою нагріву до 1100 ° С зазвичай застосовуються металеві нагрівальні елементи з жаростійких і жароміцних сплавів; деякі спеціальні сплави забезпечують нагрів до 1200 ° С. Але досягти більш високих температур нагрівання за допомогою таких нагрівачів практично не вдається навіть при застосуванні захисної атмосфери в зв'язку з порівняно низькою температурою плавлення цих сплавів. Застосування керамічних (сілітових і карборундових) нагрівачів забезпечує нагрів до температури 1300 ° С.
Температуру нагрівання до 1600 - 2500 ° С дають нагрівачі з тугоплавких металів - молібдену і вольфраму. Однак при цьому необхідний захист нагрівача, так як зазначені матеріали при нагріванні на повітрі швидко окислюються і руйнуються.
Останнім часом розроблені і застосовуються високотемпературні нагрівачі з дисилицида молібдену (MoSi2) для температур до 1600 ° С при нагріванні на повітрі. Розроблено також новий тип нагрівача, що представляє собою молібденовий стрижень, покритий шаром дисилицида бору і жаростійкої емалі і витримує на повітрі 1900 ° С протягом 15 год.
Нагрівання деталей в печах під пайку можна виробляти в різних середовищах:
- У звичайній повітряній атмосфері;
- В відновлювальної атмосфері;
- В захисній атмосфері інертного газу;
- У вакуумі.
Нагрівання в печах з повітряною атмосферою застосовується в основному при низьких температурах. Пайка в печах на повітрі при високих температурах призводить до сильного окислення виробів. Подальше очищення їх від окалини і залишків флюсів є вельми трудомісткою операцією.
При пайку в відновної середовищі деталей з конструкційних сталей і деяких інших матеріалів немає потреби застосовувати флюси, що значно спрощує технологію всього процесу. Тому пайка в відновної середовищі є прогресивним способом і широко застосовується в промисловості. Така пайка дає з'єднання з високою міцністю, оберігає з'єднуються деталі від окислення і зневуглецювання і забезпечує високу продуктивність.
Як відновлювальної атмосфери зазвичай застосовують чистий водень і газові суміші, що містять водень або окис вуглецю. Відновні властивості таких газових сумішей визначаються концентрацією цих складових, а також ступенем очищення від парів води, вуглекислого газу та кисню.
При виборі газового середовища необхідно керуватися такими міркуваннями:
1. Відновлювальні властивості газового середовища повинні бути тим-болине, ніж хімічно міцніше оксид, що покриває основний метал і припій.
2. Зі збільшенням вмісту водню в газовому середовищі зростає її вибухонебезпечність. Найбільшою вибухонебезпекою володіє чистий водень, значно менш небезпечний дисоційованому аміак і, нарешті, практично безпечний продукт часткового спалювання диссоциированного аміаку.
У випадках, коли застосування досить високоактивної газового середовища неможливо або недоцільно для даного паяється й зварювання, можна поєднувати газове середовище з застосуванням флюсу.
Найважливішою характеристикою газового середовища, що обумовлює її відновну здатність, є вміст у ній вологи. Зміст вологи зазвичай характеризується точкою роси, т. Е. Температурою, при якій дана газове середовище виявляється насиченою водяною парою. Чим суші газ, тим нижче температура точки роси, тим більше придатна дана середу для цілей пайки. Пайка в газових відновлювальних середовищах проводиться в спеціальних печах з подачею робочого газу безпосередньо в робочий простір. Подібні печі часто забезпечуються конвеєром для безперервного або періодичного переміщення паяються деталей.
На рис. 1 показана схема печі конвеєрного типу КП-60 для пайки в відновної середовищі. Піч має дві камери - нагрівання та охолодження. У камері нагріву є дві самостійно нагріваються зони: одна з температурою 800 - 850 ° С, а інша з температурою 1125 - 1150 ° С. Довжина робочої камери 3150 мм. Піч герметизирована, за винятком щілини для проходу стрічки транспортера, де передбачена завіса палаючим газом. Камера охолодження виконана з п'яти окремих секцій. Робочою частиною конвеєра є стрічка шириною 300 мм з жаростійкої дроту, сплетеної у вигляді сітки. Продуктивність такої печі становить 40 кг /год паяються виробів. Максимальні розміри виробів 400X350 мм. Для виробів з максимальним перетином 200X350 мм знайшли застосування печі типу ОКБ -147 З крокуючим подом. Максимальна температура такої печі теж 1150 ° С і продуктивність до 60 кг /год. При відсутності таких печей пайка виконується в спеціальних герметичних контейнерах з нагріванням до заданої температури в звичайних печах. Контейнери застосовуються також для пайки металів, покритих плівкою важковідновлюємих окислів, так як в них легше уникнути забруднення газу повітрям і вологою.
Мал. 1. Схема електричної конвеєрної печі для пайки в відновної середовищі:
1 - зона пайки, 2 - завантажувальний тамбур, 3 - сітка конвеєра, 4 - отвори для подачі газу, 5 - склепінні нагрівачі, 6 - бічні нагрівачі, 7 - корпус зони охолодження, 8 - зона охолодження, 9 - розвантажувальний тамбур, 10 - азбестові фіранки
Трехфторістий бор часто використовується як добавка до газовому середовищі при пайку в атмосфері інертних газів, виконуючи при цьому роль газоподібного флюсу. В цьому випадку трехфторістий бор в суміші з захисним газом подається в контейнер протягом всього періоду нагріву, витримки при пайку і охолодження до заданої температури.
До числа прогресивних способів пайки слід віднести пайку у вакуумі. Переваги її полягають в порівняльній простоті управління процесом, в можливості отримання високоякісних з'єднань на багатьох труднопаяемих металах і сплавах і у високій універсальності. Цей спосіб може забезпечувати досить високу швидкість (особливо при пайку невеликих виробів) і безпеку процесу. В даний час створено ряд швидкісних вакуумних установок.
Сенс застосування вакууму при пайку полягає в достигаемом при цьому різке зниження парціального тиску кисню та інших активних газів, що дозволяє практично повністю уникнути окислення основного металу і припою, а в ряді випадків викликати руйнування наявних окислів. До того ж слід враховувати, що при пайку у вакуумі високотемпературними припоями має місце випаровування окислів з основного металу, що також сприяє отриманню якісних паяних з'єднань.
При пайку в вакуумі слід уникати застосування сплавів, що містять метали з високою пружністю парів (наприклад, кадмій, цинк), які при високих температурах будуть інтенсивно випаровуватися.
Залежно від типу паяються матеріалів створюється вакуум з різним ступенем розрідження, для чого використовується відповідне вакуумне обладнання. Важливу роль в таких вакуумних системах відіграє правильний вибір вакуумних насосів.
При пайку металів і сплавів, на поверхні яких утворюються міцні оксиди, потрібно відповідно зниження залишкового тиску до 10-4 - 10-5 мм рт. ст. Це вимагає застосування більш складної апаратури, і в вакуумну систему послідовно з ротаційними додатково вводяться парострумінні дифузійні насоси. Для таких насосів використовуються масла, що володіють тиском насичених парів порядку ICh6 мм рт. ст., наприклад, масло марки Д-1А, широко застосовується у вітчизняній вакуумній техніці. Дифузійний насос до системи підключається через спеціальний вакуумний затвор, складаючи з ним єдиний вакуумний агрегат.
Механічні насоси ВН-461М, РВН -20 ВН-2М і вакуумні агрегати ВА-01-1 і ВА-05-1 використовуються в порівняно невеликих установках (лабораторного типу або дрібних виробничих). Насоси типу ВН-1 мг і агрегати ВА-5-4 і ВА-8-4 знаходять застосування в великих лабораторних і середніх виробничих установках.
Для досить швидкої і економічною відкачування необхідно правильно підбирати продуктивність насосів і розміри трубопроводу вакуумної системи.
Зниження парціального тиску кисню в навколишній атмосфері досягається також при пайку в інертному газі - зазвичай аргоні. Якщо порівняти з парціальному тиску кисню атмосферу аргону, що містить 0005% кисню, і вакуум, то виявиться, що відповідне парціальний тиск кисню виходить в вакуумі при залишковому тиску приблизно 210-1 мм рт. .ст. Для отримання більш чистого середовища необхідне додаткове очищення аргону від кисню, азоту, а також осушення від вологи. Системи подачі та очищення аргону при пайку аналогічні системам, що застосовується при зварюванні. Слід мати на увазі, що часто, навіть в тих випадках, коли пайка ведеться в атмосфері інертного газу, в робочому просторі перед заповненням аргоном попередньо створюється вакуум. Це дозволяє у багато раз скоротити витрату газу, так як повністю виключається операція продувки аргоном для видалення повітря із зони пайки. У зв'язку з цим всі сучасні досить великі установки для пайки в аргоні забезпечуються вакуумними системами і можуть також використовуватися при необхідності для пайки в вакуумі. Такі печі і установки отримали назву вакуумно-компресійних.
Особливістю конструкції цих печей є «холодний», по-доохлаждается герметичний кожух, що сприймає зовнішній тиск при створенні усередині печі вакууму і внутрішнє надлишковий тиск при впуску в піч аргону.
В даний час в промисловості використовуються спеціальні установки такого типу, призначені для пайки виробів з різних матеріалів (високолегованих і неіржавіючих сталей, жароміцних і титанових сплавів і ін.), Які мають герметичні камери з зонами нагріву і охолодження. Установки обладнані механізмами для обертання або поздовжнього переміщення виробів усередині камери. Максимальна температура нагріву в них досягає 1200 ° С. Існують також установки для пайки порівняно великогабаритних виробів.
Як і в разі пайки в відновної середовищі, пайка в вакуумі і аргоні може вироблятися як в спеціальних печах, так і в контейнерах. При пайку в контейнерах повітря видаляється безпосередньо продувкою захисним газом або попередніми вакуумированием.
Витрата захисного газу при продувці, а також чистота одержуваної атмосфери залежать від ряду обставин. Під час продування необхідно правильно використовувати співвідношення щільності захисного газу і повітря, що особливо важливо при пайку виробів великих розмірів і складних форм. Наприклад, під час продування важчим, ніж повітря, аргоном раціонально вводити його в нижню частину очищаемого обсягу, змушуючи витісняти повітря вгору. після витіснення повітря в контейнері залишається значна кількість адсорбованої і зв'язаної вологи, що є активним окислювачем. Час і кількість газу, що потрібне для видалення її, можуть бути значно зменшені при правильному поєднанні продувки і нагріву контейнера. Так, продування контейнера при кімнатній температурі і подальший безперервний нагрів його в процесі пайки нераціональні. При такому варіанті на початку процесу нагрівання контейнера спостерігається підвищення вмісту вологи через розкладання гідратів і десорбції; в подальшому концентрація її знижується, однак до цього часу виріб встигає нагрітися до температури, при якій можливо його окислення. Уповільненням нагріву можна зменшити окислення, але це призведе до різкого збільшення витрати газу.
Більш раціональним є виняток продувки при кімнатній температурі і застосування ступеневої нагріву з витримкою при температурі трохи нижче температури початку помітного окислення (практично, нижче 200 - 300 ° С). Це істотно скорочує витрату захисного газу і підвищує якість захисту, що особливо важливо при пайку матеріалів з підвищеною активністю. Ще більш високі результати досягаються при попередньому вакуумуванні, однак це пов'язано з подорожчанням установки і ускладненням її обслуговування.
У багатьох випадках хороші результати дає спосіб пайки зануренням. Відомі три різновиди цього способу:
1) пайка з зануренням в соляну ванну;
2) пайка із зануренням у флюсових ванну;
3) пайка з зануренням в розплавлений припій.
У всіх цих випадках паяемие деталі нагріваються розплавом ванни, нагрітим до температури пайки. При цьому не тільки досягається висока швидкість і рівномірність нагріву, але і вживають запобіжних засобів деталі від окислення.
Соляний ванній вважається така, в якій розплав нейтральний по відношенню до окислам, що покриває метал, і до самого металу. Правильно приготовлений сольовий розплав повністю захищає метал від взаємодії з навколишньою атмосферою, що при належної попередньої підготовки деталей дозволяє паяти деякі матеріали, як наприклад нержавіючі стали, без флюсів. Сольовий розплав захищає паяемие деталі від впливу навколишнього атмосфери не тільки в процесі пайки, але і при охолодженні, завдяки наявності тонкої соляної кірки, що утворюється на поверхні деталей.
Мінімальна робоча температура ванни, як правило, повинна не менше ніж на 100 ° С перевищувати температуру плавлення розплаву.
Перед паянням в деяких випадках деталі попередньо підігрівають на повітрі до температури 300 - 400 ° С з метою зменшення охолодження ванни при зануренні в неї деталей.
Припій для паяння зануренням в соляну або флюсових ванну заздалегідь укладається в місця з'єднань у вигляді дроту, фольги, порошку, пасти.
Вузли з активних матеріалів успішно паяются зануренням в соляні ванни в спеціальних тонкостінних контейнерах.
На рис. 2 показана схема групової пайки вузлів з титану зануренням тонкостенного контейнера. При цьому досягаються швидкий, рівномірний нагрів виробів і високу якість пайки.
Мал. 2. Схема групової пайки в соляних ваннах із зануренням спеціального контейнера:
1 - трубки для газу, 2 - кришка, 3 - пісочний затвор, 4 - внутрішній кожух, 5 - зовнішній кожух
Для пайки застосовуються звичайні соляні ванни, т. Е. Тигельні із зовнішнім електричним обігрівом (для температур до 850 ° С) і електродні (для температур до 1300 ° С).
Ванни для пайки алюмінію і його сплавів зануренням у флюс повинні мати тигель з хімічно стійких матеріалів (кераміки, нікелю і його сплавів), так як багато матеріалів сильно роз'їдають застосовуваними флюсами.
Вироби складної форми з великою кількістю важкодоступних місць доцільно паяти зануренням в розплавлений припій. Як приклад такої пайки можна привести пайку з'єднань в радіовиробів з друкованими схемами. Що підлягає пайку друковану схему (плату) послідовно занурюють на невелику глибину в флюсових ванну, в ванну з припоєм і в промивальну ванну. Удосконаленням цього процесу є пайка хвилею розплавленого припою. Схема такого процесу показана на рис. 50. Пайка зануренням відрізняється високою продуктивністю і стабільністю якості з'єднань і може бути широко механізована.
Мал. 3. Схема пайки хвилею припою:
1 - ванна з припоєм, 2 - паяемая деталь. 3 - крильчатка, 4 - сопло
Мал. 4. Схема пайки стільникового панелі з нагріванням кварцовими лампами:
1 - кварцові лампи, 2 - стільниковий заповнювач. 3 - обшивка панелі, 4 - м'який контейнер, А н Б - блоки кварцових ламп
Крім зазначених вище способів пайки, в промисловості в особливих випадках успішно застосовується і ряд інших. Так, наприклад, в США при виготовленні стільникових шаруватих панелей для літаків практичне застосування починає знаходити пайка з нагріванням кварцовими лампами. При цьому способі зібрана панель поміщається в контейнер, який герметично заварюється, потім вакуумируют і заповнюється аргоном. Підготовлений контейнер з панеллю встановлюється в пристосування між двома блоками кварцових ламп. Максимальна потужність, що виділяється лампами, становить близько 200 Вт /см2 паяемой панелі. Після закінчення циклу нагріву блоки кварцових ламп відводять від панелі, і пристосування з контейнером переміщують на позицію охолодження. З метою прискорення процесу і запобігання викривленню панель охолоджується між двома водоохолоджуваними плитами.
Весь цикл такий пайки при температурі 950 ° С в залежності від товщина обшивки і загальної товщини панелі триває від 5 до 15 хв замість 3 - 12 год при пайку в печах. Це досягається за рахунок того, що кварцові лампи дозволяють концентрувати високу теплову потужність безпосередньо на нагреваемом виробі. Пайка з використанням в якості джерел нагріву кварцових ламп починає знаходити застосування при виготовленні цілого ряду інших виробів.