Глава 3

ПАЙКА И ГАЗОКИСЛОРОДНАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛ ОВ

1. Пайка металлов

Пайкой металлов называют процесс соединения материалов в твердом состоянии припоями, которые при температуре пайки находятся в расплавленном состоянии, смачивают паяемые поверхности, заполняют зазор между ними и в результате кристаллизации образуют паяный шов.

Образование паяного соединения происходит в результате возникновения химических связей в контакте основной металл - припой.

При этом могут иметь место четыре разновидности спаев: 1) бездиффузионный, т. е. такой, при котором температура пайки определяется температурой смачивания паяемых поверхностей припоем; 2) растворно-диффузионный спай, который образуется, когда паяемый металл и припой обладают взаимной растворимостью; 3) контактно-реакционный спай, образующийся в результате контактного плавления соединяемых металлов при температурах ниже температур плавления паяемых металлов и припоя за счет образования жидкой фазы в виде раствора или эвтектики; 4) диспергированный спай, т. е. такой, который образуется, если паяемый металл и припой не образуют химических соединений и не дают растворов. В этом случае дисперсные частицы равномерно распределены в расплаве припоя по границам зерен паяемого металла.

Таким образом, в любом случае необходимо нагревать паяемый материал и припой до температур плавления припоя, либо таких температур, при которых происходит расплавление припоя в результате взаимодействия его с паяемым материалом. Как правило, температура плавления припоя должна быть ниже температуры плавления паяемого металла.

Пайке поддаются все углеродистые и легированные стали, твердые сплавы, чугун, медь, никель, алюминий и другие металлы и сплавы.

С пособы пайки в зависимости от используемых источников нагрева приведены на схеме рис. 214.

К наиболее широко используемым способам нагрева для пайки относятся: в печах электросопротивления, газопламенных печах, нагретым блоком (паяльником периодического нагрева, электрическим паяльником), в соляных ваннах (с расплавленными солями определенного состава), в расплаве припоя (погружением). Достаточно часто применяются также нагрев в индукционных печах, токами высокой и промышленной частоты, в контактных (сварочных) машинах, в электролитических ваннах, газовыми горелками, паяльными лампами.

Пайка в печах производится нагревом подготовленных деталей, т. е. собранных с наложенным на место спая припоем. В печах для предохранения деталей от окисления и оказания флюсующего действия создают специальную газовую атмосферу.

Индукционная пайка состоит в том, что подготовленные детали, подлежащие пайке, вводят в магнитное поле индуктора, питаемого, током высокой, повышенной или промышленной частоты. Энергия, необходимая для нагрева деталей и припоя до температуры пайки, выделяется за счет индуктируемого тока.

Пайка сопротивлением осуществляется за счет тепловой энергии, выделяемой при прохождении тока через паяемые детали (в машинах для контактной сварки и других устройствах).

Пайка погружением производится нагревом паяемых деталей и припоя в ваннах с расплавом солей. Нагрев в соляных ваннах может быть непосредственным или косвенным: в последнем случае паяемые детали помещаются в герметичный контейнер со специальной газовой средой или вакуумированный. При пайке нагревом в расплавленных припоях осуществляется полное, или частичное погружение подготовленных к пайке деталей.

Радиационный нагрев паяемых деталей осуществляется мощными кварцевыми лампами, расфокусированным электронным лучом или мощным лазером.

При пайке горелками используют газосварочые горелки, плазменные горелки косвенного действия, электрическую дугу косвенного действия, горящую между угольными электродами, а также паяльные лампы. Применяется также пайка паяльником (нагретым блоком).

Все припои, используемые для пайки, могут быть подразделены на две группы: твердые (с температурой плавления 500 - 1300˚С) и мягкие (с температурой плавления до 450˚С, большей частью до 280 - 300˚С). Наибольшее распространение получили мягкие припои оловянно-свинцовые, маркируемые буквами ПОС и цифрой, характеризующей массовую долю, %, олова в нем, например ПОС-40 содержит олово в количестве 40 %, остальное свинец. Интервал температур плавления этого припоя 235 - 183˚С.

Существуют припои и более легкоплавкие, например сплав с температурой плавления 74˚С, а также припои на основе галлия с еще более низкой температурой плавления. Такие припои называют чаще еще металлическими клеями, так как пайка производится наложением свежеприготовленной пасты, состоящей из медного или никелевого порошка, замешанного на жидком галлии. Через определенное время паста твердеет (в связи с образованием интерметаллидов) и прочно соединяет паяемые детали; температура распая таких соединений достаточно высокая.

Однако прочность мягких припоев низка и, как правило, не превышает 40 - 60 МПа, тогда как твердые припои обеспечивают прочность 250 - 500 МПа.

Н аиболее легкоплавкие твердые припои для пайки алюминия имеют температуру плавления 525˚С (так называемый припой Лоцманова, в состав которого входят алюминий, медь, кремний): твердые припои для пайки черных металлов, меди и др. имеют температуру плавления в пределах 765 - 1300˚С и представляют собой сплавы медноцинковые, меднооловяннокремниевые, серебряные (серебро - медь - цинк) и др. Температура плавления некоторых припоев приведена на диаграмме рис. 215.

Поступление припоя в зазоры, смачиваемость кромок паяемых деталей и диффузия зависят как от физических свойств припоя, так и от чистоты кромок. В связи с этим следует производить тщательную очистку кромок, как предварительную (механическим способом или травлением), так и в процессе пайки восстановлением или ошлаковыванием оксидов.

С этой целью при пайке применяются флюсы, в качестве которых используются смеси легкоплавких солей или оксидов, имеющих температуру плавления ниже температуры плавления припоя, а иногда и газы, восстанавливающие оксиды, например, водород, боросодержащие пары и др.

В зависимости от физико-химических свойств паяемых металлов и припоев компонентами флюсов служат различные соли, кислоты, оксиды, а также вещества органического происхождения.

Применяемые в настоящее время флюсы можно подразделить на четыре группы: 1) флюсы на основе соединений бора; 2) на основе фторидов; 3) на основе хлоридов; 4) флюсы на основе органических соединений (канифоли, стеарина и др.).

Флюсы 1-ой группы используют при пайке черных и многих цветных металлов, 2-ой группы при пайке таких металлов и сплавов, для которых боридные флюсы недостаточно активны; флюсы 3-ей группы находят применение главным образом при пайке алюминия и его сплавов, а также сплавов на основе магния; водные растворы хлористого цинка («травленая» соляная кислота) обладают высокой химической активностью и используют при низкотемпературной пайке сталей, никеля, меди и ее сплавов. Флюсы 4-ой группы применяют для низкотемпературной пайки меди и сплавов на ее основе и, как исключение, для низкоуглеродистых сталей.

Иногда применяют так называемые: самофлюсующие припои, т. е. такие, которые содержат компоненты, активно реагирующие с оксидной пленкой паяемого металла и припоя.

Такие припои подразделяются на четыре группы.

1. Содержащие щелочные металлы, чаще литий, иногда другие, вводимые в состав серебряных припоев.

2. Содержащие бор, вводимый обычно в жаропрочные припои, а также бор вместе с литием - в припои для пайки в газовой атмосфере.

3. Содержащие фосфор, который обычно вводят в медные и в медносеребрянные припои, применяемые для пайки меди и ее сплавов.

4. Содержащие несколько флюсующих элементов: обычно бор, кремний и фосфор, которые вводят в припои на основе никеля, меди и серебра.

Очистка паяемых поверхностей от оксидов, кроме флюсования, может также осуществляться за счет самопроизвольной диссоциаций оксидов и удаления выделяющегося кислорода. Для этого необходимо, чтобы парциальное давление кислорода, образующегося в результате диссоциации оксида («упругость диссоциации оксида») было бы больше, чем внешнее давление. Наибольшей упругостью диссоциации обладают серебро и медь.

Если изделие поместить в вакуумную камеру, где давление будет составлять ~133,3 (10^-4 - 10^-5) Па, то при температуре пайки восстановление оксидов, следовательно, и очистка поверхности, будет происходить только у меди и серебра. Поверхность железа, никеля, титана и других металлов не должна бы очищаться, так как упругость диссоциации оксидов этих металлов очень мала (например, для FeО - 133,3 ∙ 10^-10, а для TiO₂ 133,3 ∙ 10^-21 Па при температуре плавления оксида).

Однако практика вакуумной пайки показывает, что при температурах 1100 - 1200˚С пайка сталей и титановых сплавов протекает успешно при давлениях в вакуумной камере, равных 133,3 ∙ (10^-2 - 10^-4) Па.

По-видимому, очистка поверхности в вакууме происходит не только за счет диссоциации оксидов. Анализ процесса очистки поверхности при пайке в вакууме показывает, что в ряде случаев высшие оксиды при диссоциации переходят в низшие, которые диффундируют в глубину металла (растворяются), подготавливая таким образом паяемый металл для смачивания припоем (например, при пайке железа, титана). Возможна также очистка за счет испарения некоторых оксидов или растворения их в расплавленном припое.