Анализ новых технологий пайки металла

     В последние годы на примере алюминиевых  сплавов показано, что процесс взаимодействия паяемого металла с компонентами реактивных флюсов протекает с выделением теплоты и эта теплота в условиях пайки погружением в расплав галогенидов может быть использована для пайки и сварки .

     Контактной  твердо-газовой пайкой называют капиллярную  пайку, при которой припой образуется в результате контактного твердо- газового плавления соединяемых металлов, металлических прокладок, покрытий или компактных кусков, уложенных у зазора, при взаимодействии с парами элементов. Этот способ пайки осуществим обычно в вакууме или инертном газе, в которых возможно испарение элементов, способных химически адсорбироваться на твердых металлах, взаимодействуя с ними и понижая температуру их плавления в прореагировавшем с парами слое. Необходимые условия осуществления такого процесса те же, что и для контактно-реактивного плавления:

     - способность испаряющегося элемента  образовывать с паяемым металлом или металлом покрытия, прокладок или кусков, уложенных у зазора, легкоплавкие эвтектики или растворы с минимальной температурой плавления;

     - ведение процесса пайки при  температурах выше температуры  плавления соответствующей эвтектики или легкоплавкого твердого раствора. Для этого могут быть использованы элементы с достаточно высоким давлением паров (например, висмут, цинк, кадмий, магний, литий и др.), интенсивно окисляющиеся в присутствии воздуха или влаги. [10]

     Поэтому пайка в парах металлов и неметаллов возможна прежде всего без свободного доступа воздуха и влаги. Небольшое количество влаги и кислорода в невысоком вакууме или проточных, нейтральных по отношению к паяемым металлам и технологическим материалам газовых средах связывается парами легкоиспаряющихся элементов при нагреве под пайку; таким образом, пары металлов дополнительно очищают рабочее пространство контейнера или печи.

     Капиллярную пайку, при которой затвердевание  паяного шва происходит выше температуры  солидуса припоя, называют диффузионной пайкой. Процесс диффузионной пайки  может развиваться только при  условии отвода легкоплавких составляющих припоя или депрессантов из шва. Отвод может происходить в результате диффузии их в паяемый металл; испарения; связывания их в тугоплавкие химические соединения или при сочетании этих процессов.

     На  первой стадии диффузионной пайки с  отводом компонентов в паяемый  металл происходит обычное для капиллярной  пайки ограниченное взаимодействие между твердой и жидкой фазами; на второй стадии происходит постепенное  затвердевание жидкой фазы; на третьей  протекают процессы выравнивающей  диффузии в твердом состоянии (гомогенизация  паяного соединения). Припой, применяемый  при диффузионной пайке, может быть полностью или частично расплавляемым, в некоторых случаях припой может  образоваться в результате контактно-реактивного  плавления соединяемого металла  с одной или несколькими прослойками  других металлов, нанесенных гальваническим способом, напылением и т.п., или уложенных  в зазор между деталями. [8] Следует отличать диффузионную пайку от диффузионной обработки паяных соединений, производимой при нагреве их в твердом состоянии с целью главным образом гомогенизировать шов, привести его в более равновесное состояние и снять остаточные напряжения.

     Смысл диффузионной пайки как самостоятельного способа получения паяного соединения заключается в проведении процесса кристаллизации таким образом, чтобы  обеспечить наиболее равновесную структуру  шва, повышение температуры его распайки,его прочности и пластичности, электропроводимости устранение возможности образования малопрочной и хрупкой литой структуры и интерметаллидных прослоек, возникающих в  некоторых случаях при кристаллизации шва; повышение его коррозионной стойкости без существенного ухудшения характеристики основного металла. Важнейшее условие осуществления процесса диффузионной пайки – существование при температуре пайки достаточно широкой области твердых растворов легкоплавкой основы или депрессанта припоя в паяемом металле.

     В настоящее время находит применение композиционная пайка, при которой  наполнитель припоя образует систему  капилляров, удерживающую при пайке  жидкую часть припоя в некапиллярном  зазоре (композиционный припой). Применяются  следующие типы композиционных частично расплавляющихся припоев, различающихся  по способу образования и участия  в них легкоплавкой фазы:

• Припой, изготовленный методом пропитки жидкой фазой капилляров каркаса, спеченного из порошка или волокон более тугоплавких составляющих;
• Припой, состоящий из порошка или волокон более тугоплавких металлов, смоченных легкоплавкой жидкой фазой;
• Припой, состоящий из смеси порошков тугоплавких и легкоплавких составляющих;
• Припой, состоящий из смеси порошков тугоплавких составляющих, при нагреве которых происходит частичное контактно-реактивное плавление;
• Припой, представляющий собой сетку, изготовленную из волокон металла – наполнителя, и легкоплавкую составляющую припоя. [3]

     Иногда  порошок более тугоплавкого металла  или сетку из его волокон (например, никеля при пайке сталей) закладывают  в зазор. Более легкоплавкую составляющую припоя укладывают около зазора. При  нагреве расплавленный припой затекает в зазор и частично расплавляет  порошок или волокна никеля. При  таком способе пайке уменьшается  междендритная пористость в паяном шве. Пайка припоями, состоящими из порошка или волокон более тугоплавких металлов, смоченных легкоплавкой фазой, хорошо известна в стоматологической технике при изготовление пломб, особенно при применении в качестве легкоплавкого компонента жидкой ртути. В результате взаимной диффузии жидкой фазы, паяемого металла и твердых частичек припоя и образования соответствующих сплавов температура распайки полученных соединений становится выше температуры плавления легкоплавкой составляющей исходного припоя – смеси. [2]

     Одна  из разновидностей прессовой пайки  – компрессионная пайка металла  с неметаллами (полупроводниками и  диэлектриками – керамикой) –  анологична разновидность сварки давлением  – компрессионной (прессовой) сварки металлов с неметаллами. При этом речь идет о прессовой пайке металлов с неметаллами обычными металлическими припоями.

     Нагрев  в печах при пайке металлов и сплавов известен давно, но только с применением в промышленночти электрических печей этот способ пайки получил особенно широкое  распространение. Печи для пайки, обогреваемые теплотой, выделяемой при сгорании топлива, неудобны из-за невозможности  точной регулировки температуры  и в настоящее время применяются  весьма редко. При пайке в электропечах нагрев поддается контролю и регулировке  и может быть легко механизирован. Высокотемпературная пайка в  печах – наиболее производительный процесс из всех известных способов пайки по нагреву и пригодна как  для простых, так и сложных  изделий и при малой разнице  в толщине стенок паяемых деталей  предотвращает в изделии заметные тепловые деформации.

           При пайке с активными газами, особенно с водородом и диссоциированным  аммиаком, процесс легко механизируется  с непрерывной подачей собранных изделий в печь. При малом количестве изделий или большом их размере применяют однокамерные печи.

     При вакуумной пайке в парах металлов есть опасность конденсации их на источниках теплоты, что может снизить их тепловую эффективность. При пайке в вакууме с легкоиспаряющимися припоями или в парах легкоиспаряющихся элементов ванную камеру нагревают до температуры ниже температуры плавления припоя или начала испарения элементов с высокой упругостью пара и после откачки.

     При высокотемпературной пайке в  печах детали прижимают часто  с помощью пневматических подушек из тонкой коррозионностойкой стали или используя разность давлений внутри и снаружи тонкостенного контейнера. При пайке крупных изделий прижим иногда осуществляют в специальных штампах, плотно облегающих изделие и нагреваемых в печи или наружной нагревательной обмоткой. При пайке с флюсами во избежание их действия на электронагревательные элементы необходимо применять печи с глухим керамическим муфелем. Печи должны быть установлены под тягой. При пайке в горизонтальных печах изделий, имеющих форму тел вращения большой длины, для предотвращения перетекания припоя в нижнюю часть зазоров и развития недопустимой химической эрозии, а также для равномерного нагрева последние вращают вокруг их оси с необходимой скоростью.

     Нагрев  сфокусированным световым лучом  обладает важными для пайки особенностями: бес контактностью подвода энергии к паяемому металлу, поэтому источник теплоты и нагреваемую деталь можно располагать на значительном расстоянии; нагрев металлов возможен независимо от их электрических и магнитных свойств и легко поддается регулированию и управлению; процесс может происходить через оптически прозрачные оболочки в контролируемой атмосфере и в вакууме, а при достаточном расстоянии между источником и деталью — на воздухе с флюсом. При таком нагреве осуществим визуальный контроль процесса пайки. В качестве источника лучистой энергии используют мощные дуговые ксеноновые лампы ДСКРЗООО, ДСКР5000 и ДСКР20000 и менее мощные кварцевые лампы (йодные или галогенидные) КД220-1000, КД212-1000. Оптическая система концентратора состоит из эллиптического зеркала и отражателя, контротражателя и конденсатора.

     Преимущество  лазерного излучения возможность  легкой его фокусировки простыми оптическими схемами, сквозь оптически  прозрачные вещества (стекло, кварц и др.) и может быть направлено к месту пайки изделия, находящегося в изолированном, например, стеклянном контейнере, наполненном аргоном или вакумированном до требуемой степени остаточного давления (например, электронная лампа).

     Однако  в настоящее время этот способ нагрева имеет существенный недостаток: нестабильность выходных энергетических характеристик лазера, обусловленная пространственной и временной неоднородностью лазерного излучения. Это связано с тем, что генерация излучения происходит не по всему сечению кристалла, а в отдельных его участках и вызывает появления в зоне нагрева так называемой мозаичной структуры и резкой неравномерности распределения температуры в пятне. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                2. Технологические аспекты процесса пайки

     Каждая  технологическая операция процесса изготовления изделия обычно состоит из ряда переходов, посредством и в указанном порядке которых она может быть осуществлена. Для обеспечения при пайке взаимодействия паяемого металла и жидкого припоя необходима прежде всего операция подготовки поверхностного слоя: предварительное удаление с паяемого металла и припоя жиров, масел, грязи, окалины и толстых неметаллических, в том числе окисных пленок или пленок, образовавшихся в процессе химико-термической обработки, которые не могут быть удалены при пайке с помощью флюсов или активных газовых сред.

     Подготовка  поверхностного слоя паяемого металла  и припоя к пайке состоит в основном в обезжиривании и очистке поверхности от неметаллических пленок. Удалять неметаллические пленки можно механически и химически путем травления деталей перед пайкой в специальных растворах. Для химического удаления неметаллических пленок характерно несколько переходов: травление, промывка, нейтрализация остатков травителя, сушка. Составы травильных растворов и режим травления зависят от состава паяемого металла и припоя. Конкретные данные о подготовке поверхностного слоя различных металлов приведены в соответствующих главах по их пайке. На растекаемость припоя существенное влияние может оказывать шероховатость поверхностного слоя паяемого металла.

     Поэтому при затекании припоя в зазор  необходимо обеспечить требуемую степень шероховатости участков поверхности, подвергаемых пайке. При укладке припоя в зазор шероховатость поверхности оказывает значительно меньшее влияние.

   Для улучшения растекания припоя, взаимодействия паяемого металла и припоя, повышения механических свойств, коррозионной стойкости паяного соединения, а в некоторых случаях для ограничения растекания припоя по паяемой поверхности и предотвращения нежелательного взаимодействия его паяемым металлом на последний предварительно наносят технологические или барьерные (защитные) покрытия. Операция нанесения покрытий также входит в подготовку поверхности паяемого металла перед пайкой и может быть выполнена разными способами: термовакумным, гальваническим, ионным, плакированием и др. [15]

     Существенное  значение имеет правильное закрепление  припоя и соединяемых деталей, внесение флюса, ограничение слишком интенсивного растекания припоя с помощью специальных паст. Собственно операция пайки задается температурно-временным циклом процесса, величиной и температурно-временным режимом приложения давления при пайке.

     Для предотвращения охрупчивающего влияния  жидкого припоя на паяемый металл в последнем перед пайкой или в процессе нагрева под пайку перед расплавлением припоя должны быть устранены растягивающие внутренние напряжения, возникающие при термообработке, пластической деформации, или внешние растягивающие напряжения, обусловленные конструктивными особенностями изделия, и стабилизирована структура паяемого металла. Поэтому в число операций подготовки к пайке может входить и термообработка паяемого металла или изделия с целью уменьшения или устранения растягивающих напряжений неравновесной структуры.