Технология пайки металлов и сплавов

Цель работы: ознакомиться с видами пайки, изучить технологию пайки, научиться определять прочность паяных соединений.

Оборудование и инструменты: электрическая печь, низкотемпературный припой, металлические пластины, штангенциркуль, разрывная машина Р-20.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Пайкой называется технологический процесс соеди­нения деталей в твердом состоянии посредством расплав­ленного присадочного материала — припоя. По прочности паяные соединения уступают сварным. Пайка мо­жет выполняться вручную и на специальных автомати­ческих или механизированных установках.

Пайка металлов условно подразделяется на высоко­температурную и низкотемпературную пайку (ГОСТ 117325-71). Высокотемпературной считается пайка с тем­пературой плавления припоев свыше 550 °С (ниже 550 °С — низкотемпературная пайка). В качестве припоев используются составы, в которые входят:

низкотемпературные припои — олово, свинец, сурьма;

высокотемпературные — цинк, медь, серебро.

Припои для пайки производятся в виде прутков, по­лос, проволоки, порошков и паст. К ним предъявляются следующие требования:

Для получения высококачественного паяного соедине­ния припой должен удовлетворить следующим условиям:

· иметь температуру плавления ниже температуры плавления основного металла;

· хорошо растекаться, проникая в щели зазора, а также хорошо смачивать основной металл;

· должен обладать одинаковой или более высокой коррозионной стойкостью, чем основной металл;

· припой и основной металл должны взаимно диффундировать и образовывать сплав;

· припой не должен содержать дорогостоящих и дефицитных компонентов.

Для расплавления припоев используются газовые горелки, электродуга, муфельные и др. печи, индукционный нагрев и т. д. Для низкотемпературной пайки ис­пользуют паяльники.

Пайке поддаются низкоуглеродистая и легированная сталь, чугун, медь, алюминий, никель, их сплавы, а также многие другие металлы.

Прочность сцепления припоя с соединяемыми поверхностями зависит от физико-химических и диффузионных процессов, протекающих между припоем и основным металлом.

По условию заполнения зазора пайку можно разделить на капиллярную, при которой припой при нагреве заполняет малый зазор между паяемыми деталями под действием капиллярных сил, и некапиллярную.

По механизму образования шва капиллярная пайка подразделяется на:

· пайку с готовым припоем, когда затвердевание шва происходит при охлаждении;

· контактно-реактивную пайку;

· реактивно-флюсовую; диффузионную.

К некапиллярным способам относятся:

· пайка-сварка

· сварка-пайка.

При капиллярной пайке припой заполняет зазор между соединяемыми поверхностями и удерживается в нем за счет капил­лярных сил – рисунок 1. Соединение образуется за счет растворения основы в жидком припое и последующей кристаллизации раствора. Капиллярную пайку используют при соединении внахлестку.

Рисунок 1 – Схема капиллярной пайки:

а – перед пайкой; б – после пайки; 1 - припой

 

При диффузионной пайке соединение образуется за счет вза­имной диффузии компонентов припоя и паяемых материалов, причем возможно образование в шве твердого раствора или тугоплавких хрупких интерметаллидов. Для диффузионной пайки необходима продолжительная выдержка при температуре образования паяного шва, и после завершения процесса — при температуре ниже температуры полного затвердевания припоя.

При контактно-реактивной пайке между соединяе­мыми металлами или соединяемыми металлами и прослойкой проме­жуточного металла в результате контактного плавления образуется сплав, который заполняет зазор и при кристаллизации образует пая­ное соединение (рисунок 2).

 

а) б)

Рисунок 2 – Схема контактно-реактивной пайки:

а – перед пайкой; б- после пайки; 1 – медь; 2 – серебро; 3 – эвтектический сплав меди с серебром

 

При реактивно-флюсовой пайке припой образу­ется за счет реакции вытеснения между основным металлом и флюсом. Например, при пайке алюминия с флюсом, содержащим хлорид цинка, последний при высокой температуре разлагается, и восстановленный цинк служит припоем. Реактивно-флюсо­вую пайку можно вести без припоя и с припоем.

 

Рисунок 3 – Схема пайки-сварки (а) и сварки-пайки (б)

 

При пайке-сварке соединение образуется так же, как при сварке плавлением, с разделыванием кромок, но в качестве присадочного металла применяют припой, как показано на рисунке 3,а.

При сварке-пайке соединяют разнородные материалы с применением местного нагрева, при котором более легкоплавкий материал нагревается до температуры плавления и выполняет функцию припоя. Это видно по рисунку 3,б.

Наибольшее применение получили капиллярная пайка и пайка-сварка. Диффузионная и контактно-реактивная пайки более трудо­емки, но обеспечивают высокое качество соединения.

Качество паяных соединений (прочность, герметичность, надеж­ность и др.) зависит от правильного выбора основного металла, при­поя, флюса, способа нагрева, величины зазоров, типа соединения.

Флюсы служат для растворения и удаления окислов и загрязнений с поверхности металла, защиты его от окисления, улучшения смачиваемости и растекания припоя. Температура плавления флюса должна быть ниже температуры припоя.

Основные типы паяных соединений показаны на рисунке 4.

Рисунок 4 – Типы паяных соединений:

а – внахлестку; б –встык; в – вкос; г – втавр; д – в угол;

е - соприкасающийся

 

СПОСОБЫПАЙКИ

 

Пайка высокотемпературными припоями. К этим при­поям относятся медные, медноцинковые, медноникелевые и серебряные.

Пайку низкотемпературными припоями используют почти для всех металлов. Эти припои состоят в основном из олова.

Применяют также легкоплавкие припои, содержащие висмут, кадмий и безоловянистые на основе свинца, сурьмы, температура плавления которых ниже 140° С. В таблице 1 приведены характеристики некоторых распространенных припоев.

В ка­честве флюсов применяют слабодействующие кислоты, органические и неорганические вещества, например, кани­фоль, стеарин, соляную кислоту, хлористый цинк, наша­тырь, фосфорную кислоту. Используют также раствор хлористого цинка с добавкой хлористого аммония. При­готавливают специальную паяльную кислоту или паяль­ную жидкость (раствор хлористого цинка в технической соляной кислоте). По окончании пайки флюсы удаляют с поверхности металла.

 

Таблица 1 – Припои и их характеристики

Припои	Химич. состав, %	Тем-ра плавлен., °С	sВ, МПа	Примерное назначение
ПОС 90	Sn-90 Pb-10	183-220		Лужение пайка пищевой посуды
ПОС 61	Sn-61 Pb-39	183-190		Лужение и пайка электро- и радиоаппаратуры
ПОС 40	Sn-40 Pb-60	183-299		Лужение и пайка оцинкованных деталей
ПОССу 40-0,5	Sn-40 Sb-0,5 Pb-ост	183-235		Лужение и пайка белой жести
ПОССу 95-5	Sn-95 Su-4,5 Pb-ост	234-240		Пайка трубопроводов, работающих при повышенных температурах
ПСр 72	Ag-72 Cu - ост			Пайка черных и цветных металлов
ЛМНЦ 68-4-2	Сu-68 Mn-4 Ni-2 Zn-ост	910-930		Пайка металлорежущего иеструмента

 

По способу нагрева различают следующие способы пайки.

Пайку газовым пламенем осуществляют нагревом кро­мок изделия до плавления припоя и флюса и применяют в основном для соединения деталей высокотемператур­ными припоями. Перед пайкой на место пайки наносят флюс в виде жидкой пасты, разведенный водой или спиртом. Конец прутка также покрывают флюсом.

Пайка в печах. Пайку проводят в специальных печах с электрическим обогревом. Существуют три способа пайки в печах:

o с применением твердых флюсов;

o в вакууме;

o в газовой среде.

В первом случае собранное изделие с припоем, заложенным заранее в шов и нанесенным на место пайки флюсом, помещают в печь. Здесь изделие на­гревается до температуры пайки. Во втором случае соб­ранное изделие нагревается в вакуумной камере, благо­даря чему металл не окисляется. В третьем случае исполь­зуют активные или инертные газы: водород, диссоцииро­ванный аммиак и др.

Пайка погружением. Проводят в ваннах с расплавлен­ными солями. На поверхность, подлежащую пайке, пред­варительно очищенную от грязи и жира, наносят флюс, между кромками или около места соединения размеща­ется припой, затем деталь скрепляют и погружают в ванну. Соляная ванна предохраняет место пайки от окис­ления. Этот способ пайки используют для изготовления деталей из стали, твердых сплавов, меди, медных и алю­миниевых сплавов.

Пайка погружением в металлические ванны. Детали, нагретые до 550° С, погружают в ванну с расплавленным припоем, покрытым флюсом. Неспаиваемые поверхности предохраняют от контакта с припоем специальной обмаз­кой из графита с добавками небольшого количества из­вести.

Пайка бегущей волной припоя является разновидностью пайки погружением в металлические ванны. При этом спо­собе расплавленный припой подается насосом и образует волну над уровнем расплава. Паяемая деталь переме­щается в горизонтальном направлении и в момент каса­ния волны происходит пайка.

Пайку бегущей волной применяют главным образом в радиоэлектронной промышленности при производстве пе­чатных схем.

Пайка с индукционным нагревом. Нагреваемый участок паяемого изделия помещают внутрь катушки-индуктора. Через индуктор пропускают ток высокой частоты. В результате место пайки нагрева­ется до температуры пайки. Предохранение изделия от окисления достигается за счет помещения изделия в про­цессе нагрева в вакуум или в защитную среду.

Электрическая контактная пайка. Для нагрева места пайки используют обычные контактные сварочные машины. Подготовленный к пайке узел зажимают между электродами машины, затем включают ток и проводят пайку. После на­грева изделие некоторое время выдерживают под давле­нием до остывания припоя. Пайку применяют для соеди­нения мелких деталей в массовом производстве.

Пайка нагретым инструментом. Применяют для пайки низкотемпературными припоями. Паяльником на­гревают детали в месте пайки и расплавляют припой и флюс.

Пайка с нагревом кварцевыми лампами. Детали, под­лежащие пайке, помещают в специальный контейнер, в котором создают вакуум, затем его заполняют аргоном. Контейнер обогревают кварцевыми лампами. После окон­чания обогрева кварцевые лампы отводят и вынимают за­паянные детали.

Экзофлюсовая пайка. Применяют для пайки нержавею­щих сталей. На очищенное место соединения наносят тон­кий порошкообразный слой флюса. Соединяемые поверх­ности совмещают, на противоположные стороны заготовок укладывают экзотермическую смесь. Смесь состоит из разных компонентов, которые укладывают в форме пасты или брикетов толщиной в несколько миллиметров. Собран­ную конструкцию устанавливают в приспособление и вно­сят в специальную печь, где осуществляют зажигание экзотермической смеси при 500° С. В результате экзо­термических реакций смеси температура на поверх­ности металла повышается, и происходит расплавление припоя.

Пайка с наложением упругих колебаний. Для пайки используют упругие колебания — низкочастотные и уль­тразвуковые. Для создания низкочастотных колебаний применяют электромагнитные вибраторы, которые жестко соединяют с приспособлениями. В приспособлениях за­жаты детали, подлежащие пайке. Частота колебаний около 100 Гц. При использовании высокочастотных ультразву­ковых колебаний разрушается поверхностная окисная пленка. Это особенно важно при пайке алюминиевых и магниевых сплавов.

 

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

Выполнить пайку стальных или медных (латунных) пластинок 10х100 мм низкотемпературным припоем внахлест по рисунку 4,а. Для этого:

1. Зачистить поверхность пластин в месте пайкой, обезжирить.

2. Подготовить флюс и припой в виде порошков или пасты

3. Нанести порошок или пасту припоя с флюсом на место соединения пластин

4. Совместить пластины так, как они должны быть спаяны

5. Поместить пакет пластин в печь

6. Нагреть печь до температуры плавления припоя

7. Выключить и остудить печь

8. Извлечь пластины из печи, осмотреть их, убедиться в том, что пайка состоялась

9. С помощью штангенциркуля определить размеры пятна пайки

10. Провести испытание пластин на разрыв стандартным способом на разрывной машине Р-20

11. Рассчитать сопротивление срезу паяного шва и сравнить с прочностью припоя

12. Записать полученные результаты в таблицу

 

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

Отчет должен содержать необходимые теоретические сведения по пайке, эскиз паяных пластин и схему испытания их на разрыв, расчет прочности паяного шва на разрыв, таблица результатов, вывод по работе.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется пайкой?

2. Какие припои называются высокотемпературными? Какие низкотемпературными?

3. В чем отличие капиллярной пайки от некапиллярной?

4. За счет чего образуется соединение при диффузионной сварке?

5. Чем отличается контактно-реактивная пайка от реактивно-флюсовой?

6. В чем отличие пайки-сварки от сварки?

7. Что является припоем при сварке-пайке?

8. Для чего нужен флюс?

9. Какие способы пайки используются в массовом производстве?

 

ЛИТЕРАТУРА ПО РАЗДЕЛУ