Реферат: Пайка
Реферат: Пайка
Содержание
|
|
2
3
3
3
4
4
4
4
4
5
5
5
5
6
6
6
6
7
7
8
9
|
|
1. Физическая сущность пайки
Капиллярная пайка
Диффузионная пайка
Контактно-реактивная пайка
Реактивно-флюсовая пайка
Пайка-сварка
2. Материалы для пайки
Припой
Паяльные флюсы
3. Способы пайки
Пайка в печах
Индукционная пайка
Пайка сопротивлением
Пайка погружением
Пайка с радиационным нагревом
Экзофлюсовая пайка
Газопламенная
пайка
Пайка паяльниками
4. Типы паяных соединений
5. Подготовка деталей к
пайке
Используемая литература
1. Физическая сущность процесса пайки.
Пайкой называется технологический
процесс соединения металлических за-
готовок без их расплавления посредством введения между ними
расплавленного промежуточного металла-припоя. Припой имеет температуру
плавления более низкую, чем температура соединяемых металлов, и заполняет зазор
между соединяемыми поверхностями за счет действия капиллярных сил. При
охлаждении припой кристаллизуется и образует прочную связь между заготовками. В
процессе пайки наряду с нагревом необходимо удаление окисных пленок с
поверхности паяемых металлов.
Образование соединения без
расплавления кромок обеспечивает возможность распая, т. е. разъединения паяемых
заготовок без нарушения исходных размеров и формы элементов конструкции.
Качество паяного шва во многом
зависит от прочности связи припоя с металлом основы. В результате смачивания
твердой металлической поверхности между припоем и основным металлом возникает
межатомная связь. Эта связь может образоваться при растворении металла основы в
расплавленом припое с образованием жидкого раствора, распадающегося при
последующей кристаллизации; за счет диффузии составляющих припой элементов в
основной твердый металл с образованием твердого раствора; за счет реактивной диффузии
между припоем и основным металлом с образованием на границе интерметаллических
соединений; за счет бездиффузионной связи в результате межатомного
взоимодействия.
Получение паяного соединения состоит из нескольких этапов:
А)
Предварительная подготовка паяемых соединений;
Б)
Нагрев соединяемых деталей до температуры ниже температуры плавления паяемых
деталей;
В)
Удаление окисной плёнки с поверхностей паяемых металлов с помощью флюса;
Г)
Введение в зазор между паяемыми деталями жидкой полоски припоя;
Д)
Взаимодействие между паяемыми деталями и припоем;
Е)
Кристаллизация жидкой формы припоя, находящейся между спаевыми деталями;
Пайкой можно соединять любые металлы и их сплавы. В качестве припоя
используются чистые металлы (они плавятся при строго фиксированной температуре)
и их сплавы (они плавятся в определенном интервале температур).
Разница между температурами начала плавления и полного расплавления
называется интервалом кристаллизации. При осуществлении процесса пайки
необходимо выполнение температурного условия:
t1 > t2 > t3 > t4
где
t1 –
температура начала плавления материала детали
t2 – температура нагрева детали при пайке;
t3 – температура плавления припоя;
t4 – рабочая температура паянного соединения;
По особенностям процесса и технологии
пайку можно разделить на капиллярную, диффузионную, контактно-реактивную, реактивно-флюсовую
и пайку-сварку.
Капиллярная
пайка. Припой заполняет зазор между
соединяемыми поверхностями и удерживается в нем за счет капиллярных сил. На
рис.1 показана схема образования шва. Соединение образуется за счет растворения
основы в жидком припое и последующей кристаллизации раствора. Капиллярную пайку
используют в тех случаях, когда применяют соединение внахлестку. Однако
капиллярное явление присуще всем видам пайки.
Диффузионная пайка. Соединение
образуется за счет взаимной диффузии компонентов припоя и паяемых материалов,
причем возможно образование в шве твердого раствора или тугоплавких
интерметаллов. Для диффузионной пайки необходима продолжительная выдержка при
температуре образования паяного шва и после завершения процесса при температуре
ниже солидуса припоя.
Контактно-реактивная пайка.
При пайке между соединяемыми металлами или соединяемыми металлами и прослойкой
другого металла в результате контактного плавления образуется сплав, который
заполняет зазор и при кристаллизации образует паяное соединение. На рис.2
показана схема контактно-реактивной пайки.
Реактивно-флюсовая пайка. Припой
образуется за счет реакции вытеснения между основным металлом и флюсом.
Например, при пайке алюминия с флюсом 3ZnCl2
+ 2Al = 2AlCl3
+ Zn восстановленный цинк является припоем.
Пайка-сварка. Паяное
соединение образуется так же, как при сварке плавлением, но в качестве
присадочного металла применяют припой.
Наибольшее применение получила
капиллярная пайка и пайка-сварка. Диффузионная пайка и контактно-реактивная
более трудоемки, но обеспечивают высокое качество соединения и применяются,
когда в процессе пайки необходимо обеспечить минимальные зазоры. Качество
паяных соединений (прочность, герметичность, надежность и т. д.) зависит от
правильного выбора основного металла, припоя, флюса, способа нагрева, величины
зазоров, типа соединения.
2. Материалы для пайки.
Припой. Припои для пайки, заполняющие зазор в
расплавленном состоянии между соединяемыми заготовками, должны отвечать
следующим требованиям:
1) температура их плавления должна быть ниже температуры
плавления пая-
емых материалов;
2) они должны хорошо смачивать паяемый материал и легко
растекаться по
его поверхности;
3) должны быть достаточно прочными и герметичными;
4) коэффициенты термического расширения припоя и паяемого
материала не
должны резко различаться;
5) иметь высокую электропроводность при паянии
радиоэлектронных и токопроводящих изделий.
Припои классифицируют по
следующим признакам:
А) Химическому составу;
Б) Температуре плавления;
В) Технологическим свойствам;
По химическому составу припои
делятся на свинцово-оловянные, серебряные, медно-фосфорные, цинковые, титановые
и др.
Все припои по температуре
плавления подразделяют на низкотемпературные (tпл<500оС),
или мягкие припои, и высокотемпературные (tпл>500оС),
или твердые припои. Припои изготовляют в виде прутков, проволок, листов, полос,
спиралей, колец, дисков, зерен и т. д., укладываемых в место соединения.
К низкотемпературным, или
мягким припоям относятся оловянно-свинцовые, на основе висмута, индия, кадмия,
цинка, олова, свинца. К высокотемпературным или твердым припоям
относятся медные, медно-свинцовые, медно-никелевые, с благородными металлами
(серебром, золотом, платиной).
По техническим свойствам делятся
на самофлюсующиеся (частично удаляют окислы с поверхности металла) и
композиционные (состоят из тугоплавких и легкоплавких порошков, позволяющих
производить пайку с большими зазорами между деталями).
Изделия из алюминия и его сплавов
паяют с припоями на алюминевой основе с кремнием, медью, оловом и другими
металлами.
Магний и его сплавы паяют с
припоями на основе магния с добавками алюминия, меди, марганца и цинка.
Изделия из коррозионно-стойких
сталей и жаропрочных сплавов, работающих при высоких температурах(>500оС),
паяют с припоями на основе железа, марганца, никеля, кобальта, титана, циркония,
гафния, ниобия и палладия.
Паяльные флюсы. Эти флюсы
применяют для очистки поверхности паяемого металла, а также для снижения
поверхностного натяжения и улучшения растекания и смачиваемости жидкого припоя.
Флюс (кроме реактивно-флюсовой
пайки) не должен химически взаимодействовать с припоем. Температура плавления
флюса должна быть ниже температуры плавления припоя. Флюс в расплавленном и
газообразном состояниях должен способствовать смачиванию поверхности основного
металла расплавленным припоем. Флюсы могут быть твердые, пастообразные, жидкие
и газообразные.
Флюсы классифицируют по
признакам:
- Температурному интервалу пайки на низкотемпературные (t<4500C) и высокотемпературные
(t>4500C);
- Природе растворителя на водные и неводные;
- Природе активатора на канифольные, галогенидные,
фтороборатные, анилиновые, кислотные и т.д.;
- По агрегатному состоянию на твердые, жидкие и
пастообразные
Наиболее распространенными
паяльными флюсами являются бура
(Na2B4O7) и борная кислота (H3BO3), хлористый цинк (ZnCl2),
фтористый
калий (KF) и другие галоидные соли
щелочных металлов.
3. Способы пайки.
Способы пайки классифицируют в зависимости от
используемых источников нагрева. Наиболее распространены в промышленности пайка
в печах, индукционная, сопротивлением, погружением, радиационная, горелками,
экзофлюсовая, паяльниками, электронагревательными металлами и блоками.
Пайка в печах. Нагревают соединяемые
заготовки в специальных печах: электросопротивления, с индукционным нагревом,
газопламенных и газовых. Припой заранее закладывают в шов собранного изделия,
на место пайки наносят флюс и затем помещают в печь, где это изделие нагревают
до температуры пайки. Припой расплавляется и заполняет зазоры между
соединяемыми заготовками. Процесс пайки продолжается несколько часов.
Этот способ обеспечивает равномерный нагрев
соединяемых деталей без заметной их деформации.
Крупные детали паяют в камерных печах с
неподвижным подом; большую партию мелких деталей – в печах с сетчатым
конвейером или роликовым подом. Пайка в печах позволяет механизировать паяльные
работы и обеспечивает стабильное качество изделий и высокую производительность
труда.
Индукционная пайка. Паяемый участок
нагревают в катушке-индукторе. Через индуктор пропускают т. в. ч., в результате
чего место пайки нагревается до необходимой температуры. Для предохранения от
окисления изделие нагревают в вакууме или в защитной среде с применением
флюсов. Индуктор выполнен в виде петли или спирали из красной меди. Формы и
размеры индуктора зависят от конструкции паяемого изделия. Различают две
разновидности пайки с индукционным нагревом: стационарную и с относительным
перемещением индуктора или детали.
Пайка сопротивлением. Соединяемые
заготовки нагревают теплотой, выделяющейся при прохождении электрического тока
через паяемые детали и токопроводящие элементы. Соединяемые детали являются
частью электрической цепи. Нагрев сопротивлением можно осуществлять на
контактных сварочных машинах. С нагревом в контактных сварочных машинах паяют
при изготовлении тонкостенных изделий из листового материала или при соединении
тонкостенных элементов с толстостенными.
Пайка погружением. Эту
пайку выполняют в ваннах с расплавленными солями или припоями. Соляная смесь
обычно состоит из 55% KCl и 45% HCl.
Температура ванны 700-800оС. На паяемую поверхность, предварительно
очищенную от грязи и жира, наносят флюс, между кромками или около места
соединения размещают припой, затем детали скрепляют и погружают в ванну.
Соляная ванна предохраняет место пайки от окисления. Перед погружением в ванну
с расплавленным припоем, покрытые флюсом детали нагревают до 550оС.
Поверхности, не подлежащие пайке, предохраняют от контакта с припоем
специальной обмазкой из графита с добавками небольшого количества извести.
Пайку погружением в расплавленный припой используют для стальных, медных и
алюминиевых твердых сплавов, деталей сложных геометрических форм. На этот
процесс расходуется большое количество припоев. Разновидностью пайки
погружением является пайка бегущей волной припоя, когда расплавленный припой
подается насосом и образует волну над уровнем расплава. Паяемая деталь
перемещается в горизонтальном направлении. В момент касания ванны проходит
пайка. Бегущей волной паяют в радиоэлектронной промышленности при производстве
печатного радиомонтажа.
Пайка с радиационным нагревом.
Пайку выполняют за слет излучения кварцевых ламп, расфокусированного
электронного луча или мощного светового потока от квантового генератора
(лазера).
Конструкцию, подлежащую пайке,
помещают в специальный контейнер, в котором создают вакуум. После
вакуумирования контейнер заполняют аргоном и помещают в приспособление, с двух
его сторон устанавливают для обогрева кварцевые лампы. После окончания нагрева
кварцевые лампы отводят, а приспособление вместе с деталями охлаждают. При
применении лазерного нагрева сосредоточенная в узком пучке тепловая энергия
обеспечивает испарение и распыление окисной пленки с поверхности основного
металла и припоя, что позволяет получать спаи в атмосфере воздуха без
применения искусственных газовых сред. При радиационном способе пайки лучистая
энергия превращается в тепловую непосредственно в материале припоя и паяемых
деталей. Этот способ пайки непродолжителен.
Экзофлюсовая пайка. В
основном этим способом паяют коррозионно-стойкие стали. 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 приспособлении и помещают в специальную печь, в которой
происходит зажигание экзотермической смеси при 500oC.
В результате экзотермических
реакций смеси температура на поверхности металла повышается и происходит
расплавление припоя. Этим методом паяют соединения внахлестку и готовые блоки
конструкций небольших размеров.
Газопламенная пайка. Паяемые
заготовки нагревают и расплавляют припой газосварочными и плазменными
горелками. Газовые горелки обладают наибольшей универсальностью. В качестве
горючих газов используют ацетилен, природные газы, водород, пары керосина и
т.п.
При использовании газового пламени
припой можно заранее помещать у места пайки или вводить в процессе пайки
вручную. На место пайки предварительно наносят флюс в виде жидкой пасты,
разведенной водой или спиртом; конец прутка или припоя также покрывают флюсом.
Нагревают также паяльными лампами,
которые по существу являются газовыми горелками, работающими на жидком топливе.
Паяльные лампы используют для работы в полевых условиях или в ремонтных
мастерских.
Плазменной горелкой,
обеспечивающей более высокую температуру нагрева, паяют тугоплавкие металлы –
вольфрам, тантал, молибден, ниобий и т.п.
Пайка паяльниками. Основной
металл нагревают и припой расплавляют за счет теплоты, аккумулированной в массе
металла паяльника, который перед пайкой или в процессе ее подогревают. Для
низкотемпературной пайки применяют паяльники с периодическим нагревом, с
непрерывным нагревом, ультразвуковые и абразивные. Рабочую часть паяльника
выполняют из красной меди. Паяльник с периодическим нагревом в процессе работы
периодически подогревают от постороннего источника теплоты. Паяльники с
постоянным нагревом делают электрическими. Нагревательный элемент состоит из
нихромовой проволоки, намотанной на слой асбеста, слюды или на керамическую
втулку, устанавливаемую на медный стержень паяльника. Паяльники с периодическим
и непрерывным нагревом чаще используют для флюсовой пайки черных и цветных
металлов мягкими припоями с температурой плавления ниже 300-350оС.
Ультразвуковые паяльники
применяют для бесфлюсовой низкотемпературной пайки на воздухе и для пайки
алюминия легкоплавкими припоями. Окисные пленки разрушаются за счет колебаний
ультразвуковой частоты.
Абразивные паяльники.
Такими паяльниками можно паять алюминиевые сплавы без флюса. Окисная пленка
удаляется в результате трения паяльника об обрабатываемую поверхность.
Абразивный паяльник в отличие от электропаяльника имеет рабочий стержень,
изготовленный прессованием из порошка припоя и измельченного асбеста.
4. Типы паяных соединений.
Основными типами паяных
соединений являются стыковые и внахлестку. Остальные разновидности соединений
являются комбинациями перечисленных. Например, плоские элементы могут быть
соединены внахлестку (рис. 3,а), ступенчатым (рис. 3,б), гребенчатым (рис.
3,в), косостыковым (рис 3,г), стыковым (рис.3,д) и тавровым (рис. 3,е)
соединениями.
Стыковое соединение применяют в
тех случаях, когда изделие работает не в жестких условиях и от него не
требуется герметичности; соединение внахлестку – во всех остальных случаях,
причем чем больше площадь перекрытия паяемых заготовок, тем выше будет прочность
паяного шва.
Криволинейные поверхности
соединяют между собой и с плоскими поверхностями в сотовых конструкциях, в
панелях с гофрированными проставками и т.п. Эти соединения используют в
самолетостроении и для изготовления теплообменников.
К паянным соединениям в
зависимости от назначения изделия, кроме общих требований, могут быть
предъявлены и специальные по герметичности, электропроводности, коррозионной
стойкости и т.п. Сборные части изделий перед пайкой должны быть прочно
сое6динены между собой для предотвращения перекосов и относительных смещений.
Способы соединения подбирают экспериментальным путем в зависимости от
конструкции изделия.
5. Подготовка
деталей к пайке.
1. Механическая
обработка (подгонка деталей друг к другу и создание шероховатости с помощью
шкурки)
2. Обезжиривание
поверхностей, подготавливаемых для пайки (едким натром (5-10 г/л), углекислым
натрием (15-30г/л), тирнатрийфосфатом (30-60 г/л), эмульгатор ОП-7 (0,5 г/л)).
Детали в растворе выдерживают при температуре 50-600С в течение
15-20 минут. После обработки щелочью детали последовательно промывают горячей
и холодной водой, а затем сушат.
Используемая литература.
1. Дальский А. М., Арутюнова И. А., Барсукова Т. М.
Технология конструкционных материалов. Учебник для технических вузов. М.,
«Машиностроение», 1977.
2. Технический портал радиолюбителей России www.cqham.ru
|