Производство электрических аппаратов управления и защиты - Пайка металлов

Пайка родственна процессу сварки, но ее основное отличие от последней заключается в том, что температура при этом промессе значительно ниже температуры плавления соединяемых металлов.

Удовлетворительная механическая прочность паяного шва при любом припое в нормальных условиях во многом зависит от обеспечения при процессе пайки наиболее полного растворения припоем поверхностного слоя основного металла с образованием промежуточного сплава без интерметаллических хрупких прослоек.
Важнейшими факторами, обеспечивающими качество паяного соединения, являются:
качественно подготовленные поверхности соединяемых пайкой частей;
падежное предохранение в процессе пайки от воздействия кислорода воздуха спаиваемых поверхностей и расплавленного припоя;
поддержание в заданных пределах температуры пайки, обеспечивающей жидкотекучесть расплавленного припоя.

В основе процесса пайки металлов лежат явления смачивания в сочетании с капиллярными свойствами расплавленного припоя и диффузии. Мерой смачивания жидкостью твердой поверхности служит краевой угол а (рис. 3-15), образованный касательной к поверхности капли жидкости и линией раздела жидкости — твердое тело. Исходя из этого, полному смачиванию будет соответствовать угол а = 0, а полному отсутствию смачивания — угол а=180°.
Краевой угол а определяется из соотношения где f 1 — удельная сила поверхностного натяжения на границе твердое тело — газ; f2 — то же на границе твердое тело — жидкость; f3 — то же на границе жидкость — газ.

Согласно [35] природа сил смачивания и капиллярного течения жидкости — электромагнитного происхождения и характер  взаимодействия между основным материалом, находящимся в твердом состоянии, и припоем в расплавленном состоянии диктуется значением и знаком электромагнитных сил поверхностей твердого и расплавленного материалов. Количественных же оценок электромагнитных сил взаимодействия пока нет. Признается, что силы смачивания являются основной причиной, способствующей затеканию припоя в капиллярные зазоры. Сам же процесс смачивания зависит от физико-химических свойств взаимодействующих при пайке материалов, и в том числе от запаса свободной поверхностной энергии основного металла, приводимой в табл. 3-14.

Таблица 3-14

Структура и свойства паяных швов во многом зависят от режима пайки и условий охлаждения. С целью ограничения роста зерен кристаллов основного металла, ухудшающих его механические характеристики, предотвращения испарения составляющих компонентов припоя (что приводит к изменению температуры плавления последнего), преждевременного исчерпания активности припоя количество тепла, полученного объектом пайки при нагреве его поверхности до рабочей температуры должно быть оптимальным. Значение температуры и времени пайки, как правило, регламентируют.
Для предупреждения образования в паяных швах хрупких прослоек интерметаллидов процесс пайки ведут в условиях минимального перегрева припоя и оптимального времени пайки. При отсутствии интерметаллической прослойки центрами кристаллизации материала шва являются кристаллы основного металла. Размеры первичных зерен определяются рядом факторов, как-то: структурой образовавшегося сплава шва, температурой и временем пайки, скоростью охлаждения. Воздействием на скорость охлаждения после процесса пайки предотвращают возможность образования кристаллизационных трещин и пор, а также влияют на работоспособность соединения в целом.
Следует заметить, что паяное соединение оптимальной прочности может быть получено только при строгом соблюдении всего комплекса работ, связанных с процессом пайки.

При пайке на поверхности соединяемых частей в условиях окружающей атмосферы имеют место нерастворимые или растворимые припоем окисные пленки. В первом случае исключается взаимодействие припоя с основным металлом, и пайка становится невозможной. Кроме этого, так как припой не может смачивать окисную пленку, он не может заполнить капиллярные зазоры соединения. Во втором случае образуются слои хрупких интерметаллидов, снижающих прочностные: свойства паяного шва. Поэтому с целью защиты шва в процессе пайки от воздействия кислорода воздуха, очистки от окисных загрязнений и улучшения смачиваемости и растекаемости припоя в жидком состоянии за счет снижения его поверхностного натяжения нашли применение особые вещества — флюсы органического или неорганического состава.
Следует отметить, что, несмотря на большое число опубликованных работ у нас и за рубежом по изучению активного воздействия флюсов на процесс пайки, все же до сих пор единой теории процесса флюсования не разработано. Флюс, помимо выполнения отмеченных выше функций, должен сохранять свои первоначальные свойства, не меняя состава от нагрева при пайке, иметь температуру плавления ниже температуры плавления припоя, быть химически инертным к основному металлу и припою и не поглощаться ими, не вызывать сильной коррозии паяного соединения, при пайке не выделять токсичных газообразных продуктов; остатки флюса и шлаки должны легко удаляться с мест пайки.
Флюсы бывают твердые, пастообразные, жидкие, газообразные. По составу они делятся на флюсы на основе соединений бора, фтористых и хлористых соединений металлов и на основе канифоли и других органических соединений.
Для пайки припоями на основе серебра, меди, никеля, палладия применяют две первых группы флюсов. Флюсы на основе фторидов химически активнее флюсов на основе бора, и их применяют при наличии трудно удаляемых при пайке окисных пленок как с основного металла, так и с припоя.
При пайке алюминия и его сплавов припоями на цинковой и алюминиевой основах применяют флюсы третьей группы из смеси галогенов КС1 — LiCl с добавлением хлорида цинка ZnCl и фторидов щелочных металлов.
Флюсы для пайки легкоплавкими припоями на основе олова, свинца, кадмия применяют двух видов: со слабым и сильным флюсующим действием. К первым относятся флюсы на основе канифоли, флюсующее действие которой связано с входящими в ее состав органическими кислотами (абиетиновой и другими). Ко вторым относятся флюсы с высокой химической активностью па основе хлористого цинка, а также в смеси с хлористым аммонием. Но эти флюсы требуют полного удаления их остатков с мест пайки для исключения последующей коррозии.
Данные применяемых при пайке металлов флюсов приведены в табл. 3-15.

Таблица 3-15