Учебник по Технологии

Более подробные сведения можно найти в справочниках. Конструкция соединения должна обеспечить легкость сборки

деталей перед пайкой. Закрытые паяные швы следует конструировать с таким расчетом, чтобы обеспечить выход газов из закрытых полостей во время процесса пайки.

Целесообразно конструировать детали, обеспечивающие возможность самофиксации при их соединении, например, с помощью пазов или заклепок, выступов и т.п. При пайке на пламени желательно, чтобы смежные соединяемые элементы конструкции имели одинаковые или близкие по величине размеры; в противном случае могут возникать большие внутренние напряжения. При пайке в печах различие размеров не ограничивается.

Термически обрабатываемые основные металлы могут подвергаться закалке охлаждением в струе воздуха, воды или в бане с холодной или горячей водой.

Сплавы типа дюралюминия Д1 и Д16 и высокопрочный сплав В95 паять очень трудно, поэтому в конструкциях из таких материалов не следует предусматривать паяных соединений.

Соединения алюминия или его сплавов с другими металлами возможны только в определенных сочетаниях, да и то только при использовании легкоплавких припоев (цинковых, кадмиевых, мед- но-цинковых, оловянно-цинковых и т.п.). Этими припоями можно паять алюминий с медью и медными сплавами, сталью, никелем, серебром. Невозможно производить пайку алюминия с магнием, цирконием, ниобием, танталом, молибденом, вольфрамом.

Литые детали из алюминия, как правило, не паяют – поверхность неровная – трудно удалить окись, а если травить кислотой, то много кислоты остается на поверхности, к тому же литые детали массивны, поэтому требуется подводить очень много тепла.

По критерию паяемости алюминий относится к группе труднопаяемых металлов. Для пайки алюминия и его сплавов применяют алюминиевые припои с нагревом различными способами: погружением, горелкой, токами ВЧ и в печах с применением флюса. Пайка алюминия и его сплавов ацетиленокислородным пламенем недопустима. Для понижения tпл, увеличения механической прочности и коррозийной стойкости в состав этих припоев добавляют кремний, медь, олово, цинк и другие металлы. Химический состав и свойства некоторых алюминиевых припоев приведены в табл. 28.

320

Кроме указанных в таблице, для пайки алюминия применяют припои АВИА-1(2) с t°пл = 200–250 °С, в состав которых входят:

алюминий (15 %), олово (40–55 %), кадмий (20–25 %), цинк

(20–25 %); а также припои ВПТ-3 и ПА-2, имеющие в своем составе соответственно: медь (25 и 20 %), кремний (6 и 8 %), алюминий

(69 и 72 %). Эти припои имеют t°пл = 530 °C.

Для удаления окисной пленки с поверхности алюминия используют активные флюсы, содержащие хлориды, фториды, а иногда и криолит. Пайку с активными плюсами производят в пламени, в печах и погружением. При этом важно поддержать ±10 % изменения температуры.

В табл. 29 приведен химический состав основных флюсов и паст, обладающих повышенной активностью.

321

С помощью этих флюсов можно производить пайку бензиновоздушной горелкой (при использовании в качестве паяльника комплектуется четырьмя паяльными призмами), токами ВЧ, погружением и в печах. Остатки кислотных флюсов, имеющих в своей основе хлористые соединения, вызывают интенсивную коррозию паяного шва и основного металла. Поэтому применение этих флюсов допустимо лишь при условии тщательной промывки и удаления после пайки остатков флюса с поверхности паяных изделий. Остатки флюса, в состав которого входят хлористый цинк и вода, удаляются промывкой изделия 5 %-м раствором кальцинированной соды с последующей двукратной промывкой горячей (50–80 °) водой. После промывки изделия протирают мягкой тряпкой или сушат в специальном шкафу при t 100–110 °С.

При применении указанных припоев и флюсов процесс пайки алюминиевых деталей каких-либо трудностей не представляет.

322

Но из-за дефицитности некоторых компонентов флюса радиолюбители иногда не могут ими воспользоваться. В таком случае можно воспользоваться упрощенными методами. Прежде всего провода предварительно облуживают: концы покрывают канифолью, кладут на наждачную бумагу со средним зерном и горячим залуженным паяльником прижимают к наждачной бумаге, добавляя все время канифоль на залуживаемый конец. Чтобы провод залудился хорошо, эти операции необходимо повторить несколько раз, после чего пайка производится обычным способом. При пайке листового алюминия и его сплавов на шов горячим паяльником наносят канифоль с мелкими железными опилками и залуженным паяльником начинают протирать место шва, все время добавляя припой. Шов под слоем канифоли залуживается и спаивается, после чего лишний припой удаляют. Можно использовать пасты с железными или абразивными добавками (паста для правки бритв, паста ГОИ, шлифовальные порошки и т.п.). После нанесения канифоли на поверхность алюминиевого провода (пластины) его прогревают паяльником и затем добавляют пасту. Нагреваясь, она плавится и смешивается с флюсом (канифолью), после чего процесс лужения и последующей пайки производится обычным способом. Неплохие результаты дает пайка алюминия с использованием ПХВ трубки. Сначала место пайки зачищают и обезжиривают, затем жалом хорошо прогретого паяльника с каплей припоя растирают на месте пайки отрезок ПХВ трубки до получения равномерного слоя, после чего детали спаивают, как обычно.

Кроме флюса марки З4А, применяются другие марки флюсов для пайки алюминия твердыми припоями с нагревом ТВЧ или электроконтактным нагревом. Однако эти флюсы обладают сильно корродирующим действием, поэтому остатки их необходимо тщательно удалить сразу же после пайки. Пайка алюминиевых деталей между собой и другими деталями мягкими припоями производится с помощью некорродирующих флюсов Ф54А, Ф59А, Ф61А. Эти флюсы применяются при пайке обычными электропаяльниками с применением припоев ПОС-61, П200А, П17ПА и др.

Для пайки алюминия с применением флюсов типа З4А применяется ряд твердых припоев с пониженной температурой плавле-

ния: П590А, П575А, П550А, П480А, П425А, П300А.

323

Эффективное средство удаления окисной пленки с поверхности алюминиевых деталей при пайке – применение ультразвука. Фокусировка ультразвуковых колебаний на кончике паяльника вызывает кавитацию в расплавленном припое, покрывающем место пайки, которая, в свою очередь, приводит к эрозии окисной пленки – пленка как бы стряхивается, обнажая чистую поверхность основного металла. Кавитация – это нарушение сплошности жидкости, возникающее при действии знакопеременного давления.

При ультразвуковой пайке алюминия и его сплавов флюсы не применяются. Используют легкие оловянно-свинцовые припои (П150А, П170А, П200А, П250А, П500А) и специальные паяльники, рабочая часть стержня которых колеблется с частотой 16–22 кГц.

Для возбуждения продольных колебаний рабочей части стержня паяльника в ультразвуковом диапазоне могут быть применены любые вибраторы. Наилучший эффект дают магнитострикционные вибраторы, стабильно работающие при температурах пайки.

Простейший магнитострикционный вибратор представляет собой магнитопровод с обмоткой, питаемой переменным током. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод собирают из тонких изолированных друг от друга листов.

Для пайки алюминия и его сплавов используют ультразвуковые вибрационные паяльники с нагревательными элементами или без них. Нагрев рабочего стержня паяльника вызывает повышение температуры магнитострикционного вибратора, при этом амплитуда колебаний последнего уменьшается сравнительно медленно. Передача ультразвуковых колебаний от вибратора к рабочему стержню паяльника осуществляется через металлическую соединительною колодку. Соединительная колодка, если ей придать соответствующую форму, может служить механическим преобразователем импеданса. В этом случае можно увеличить интенсивность колебаний рабочего стержня по сравнению с колебаниями, получаемыми торцевой поверхностью вибратора, но при этом колебания повышенной интенсивности воздействуют на соответственно меньшую площадь. Значительно проще конструкция ультразвукового вибрационного паяльника без нагревателя. Применение этого паяльника связано с необходимостью нагрева паяемых или облущиваемых деталей с помощью газовой горелки или электроплитки.

Для ручного облуживания используются специальные ультразвуковые паяльники, работающие от звуковых генераторов с часто-

324

той 20–22 кГц. Скорость лужения достигает 0,25–0,16 см2/с. Проверку качества лужения производят путем протирки ветошью горячего припоя; при этом необлуженные места остаются хорошо заметными (рис. 74).

б)

4

1

Рис. 74. Схемы, иллюстрирующие процесс разрушения ультразвуковыми колебаниями пленки окислов алюминия:

а− процесс лужения алюминия; б − процесс пайки;

1– металлический алюминий; 2 – пленка окислов на поверхности алюминия; 3 – область возникновения в расплавленном припое процессов кавитации;

4 – наконечник паяльника; 5 – слой шлака; 6 – слой сплава припоя с поверхностью алюминия

Несмотря на отмеченные выше преимущества облуживания и пайки алюминиевых сплавов с помощью ультразвука, этот способ пайки не нашел еще широкого применения, препятствием этому являются относительная сложность процесса, необходимость специального оборудования и инструмента. Кроме того, при пайке с помощью ультразвука рабочий быстро утомляется.

Пайка алюминиевых деталей в соляных ваннах осуществляется погружением деталей в ванну с расплавленными солями, которые являются не только теплоносителями, но и флюсом.

За счет кавитации в расплаве припоя окисная пленка отслаивается, и припой равномерно покрывает поверхность основного металла, чем и обеспечивается высокое качество спая.

325

Наконечник паяльника 4 под действием возбудителя УЗ колебаний (на рис. 74 условно не показан) осуществляет продольные колебания. В расплаве роя 3 эти колебания вызывают кавитацию, воздействие которой разрушает юную пленку 2 металлического алюминия 1. Поверхность 1 очищается от окислов, которые в виде слоя шлаков 5 удаляются с поверхности припоя.

Очищенная поверхность алюминия без проблем воспринимает припой, и тем самым происходит пайка алюминия и его сплавов, образуя слой 6 сплава припоя с поверхностью алюминия.

Впоследнее время широкое распространение получала пайка

сэлектроконтактным нагревом. Процесс такой пайки состоит в пропускании через металлические или графитовые электроды, между которыми установлены детали, электрического тока промышленной

частоты под напряжением 6−12 В. Нагрев деталей происходит за счет джоулева тепла и конвекции от разогретых электродов. Электроконтактный нагрев не требует высоких напряжений и отличается простотой, компактностью и высоким КПД оборудования. Установка электроконтактного нагрева всегда готова к работе и потребляет электроэнергию лишь в момент нагрева.

Следует отметить, что почти все алюминиевые сплавы поддаются лужению и пайке с помощью ультразвуковых колебаний, исключением являются только сплавы с высоким содержанием магния.

Попытки использовать ультразвуковые колебания для лужения и пайки таких металлов, как бериллий, титан и их сплавы, а также нержавеющей стали и нихрома не увенчались успехом. Также не удаются лужение и пайка тонких проводов и фольги путем погружения в расплавленный легкоплавкий припой, находящийся под воздействием ультразвуковых колебаний, так как такие провода и тонкая фольга рвутся.

Облуживание в ваннах с горячим припоем с помощью ультразвука дает хорошие результаты не только с алюминиевыми деталями, но и с деталями из других материалов, с которых по каким-либо причинам не удается удалить окисные пленки или загрязнения.

Применяя пайку погружением в расплавленный припой, приходится считаться с возможностью покрытия им не только места соединения, но и других частей конструкции. Необходимость защиты этих мест от попадания на них припоя является одним из недостатков пайки в расплавленных припоях.

326

Вкачестве защитных приспособлений могут быть использованы металлические или изоляционные маски. Металлические маски одновременно служат в таком случае, как тепловые экраны, защищающие изделие от перегрева. В качестве таких экранов часто используют специальные алюминиевые детали. Материалом для изоляционных защитных деталей обычно служит фторопласт. К недостаткам также относятся и некоторые технологические трудности осуществления этого способа пайки: ванны с припоем быстро загрязняются компонентами сплава соединяемых деталей и флюсом; верхние слои расплава припоя из олова и свинца обедняются свинцом. Приходится прибегать к перемешиванию припоя, а иногда и к рафинировке и корректировке.

Впроцессе пайки погружением в припой механическое воздействие на поверхности соединяемых деталей сравнительно мало, поэтому оно не может приниматься в расчет как фактор, помогающий очистке деталей. Это обстоятельство вызывает необходимость проведения очень тщательной предварительной очистки поверхностей соединяемых деталей и использования обильного количества флюса. Если при пайке отдельных соединений (например, проводов между собой или с контактными лепестками) такая подготовка не вызывает трудностей, то для конструкций с большими поверхностями или с большим числом одновременно паяемых соединений она часто создает большие трудности. В связи с этим для пайки погружением в расплавленный припой часто приходится ограничиваться использованием деталей из меди и медных сплавов. Иногда могут применяться и стальные детали.

Во всех случаях поверхности соединяемых деталей целесообразно предварительно облуживать. Следовательно, для получения надежных паяных соединений в конструкции должны быть использованы луженые детали или предусмотрено в чертежах предварительное лужение поверхностей деталей, предназначающихся для пайки.

Перед пайкой соединение флюсуется. Для флюсования узлов с нелужеными деталями иногда используется водный раствор хлористого цинка и хлористого аммония: 10–15 %- й (по весу) хлористый цинк, 5–7 %- й хлористый аммоний и остальное вода. При этом содержание свободной соляной кислоты во флюсе должно быть в пределах 0,6–0,8 % ( по весу). Длительность флюсования 3–6 мин. Затем деталь выдерживается под ванной с флюсом 1–2 мин для стекания последнего. Обычно для такой пайки (или облуживания)

327

используется припой ПОС-40, нагревающийся до температуры 330–360 ° С. Выдержка равна примерно 1 мин. Вынутый из ванны узел выдерживается над нею в течение 30 с для стекания лишнего припоя.

При групповом погружении в припой одновременно нескольких узлов, подлежащих пайке, часто используют специальные вибрационные держатели, с помощью которых и стряхиваются излишки припоя с мест соединения. В процессе ручного лужения мелких деталей стряхивание производят путем небольшого резкого удара плоскогубцами, в которых держится деталь, об стенку ванны.

Для многих паяных соединений и особенно для соединений тонкостенных деталей или деталей, рассчитываемых для работы в жестких климатических условиях, как известно, допускается применение только канифольного флюса. Поскольку он менее активен, чем упомянутый выше хлористый, то обеспечить с ним надежное паяное соединение, как уже отмечалось, можно только с хорошо облуженными деталями. Узлы, которые паялись с активными флюсами, должны обязательно хорошо промываться в ванне с проточной горячей водой, нагретой не ниже чем до 70 ° С, и просушиваться при 100–120 ° С в сушильном шкафу, оборудованном вентиляцией.

При использовании специальных флюсов подобной обработки не требуется. После пайки с канифольным флюсом нужно производить очистку от него готового изделия, используя для этого растворители, а иногда и специальные щетки.

Поскольку в радиотехнической промышленности пайка погружением в расплавленный припой используется главным образом для электромонтажных соединений печатных схем, то ее целесообразно рассмотреть более подробно отдельно.

Пайка в ваннах с расплавленными припоями состоит в том, что узел, подлежащий пайке, очищенный от грязи, жиров и окислов и хорошо обработанный флюсом, погружается в горячий припой, который, затекая в зазоры между деталями, образует паяное соединение. Этот способ пайки в настоящее время нашел широкое применение для соединений различных конструкций. Однако его использование в радиопромышленности пока еще ограничено только легкоплавкими припоями.

Основное преимущество рассматриваемого способа пайки заключается в возможности повышения производительности как при ручной пайке, так и при механизированной, машинизированной и

328

автоматизированной. Возможность широкого использования машин для пайки явилась в свое время той особенностью, которая создала предпосылки для внедрения этого способа в радиотехническую промышленность. Необходимость машинизации пайки возникла при освоении печатных схем, в которых число паяных соединений было достаточно большим и при использовании обычных ручных способов пайки (с помощью паяльников) малопроизводительным. Не следует, однако, думать, что только для печатных схем пайка в ваннах с расплавленным припоем имеет преимущества перед другими способами, использующими легкоплавкие припои. Применяя небольшие по размеру ванны и используя их для пайки соответствующих узлов, можно добиться очень хороших результатов как по качеству, так и по производительности. Известно, что для облуживания мелких деталей давно применяется рассматриваемый метод.

Для небольших узлов и блоков, в которых требуется выполнять сравнительно большое количество паек, также очень удобно пользоваться указанным способом. При этом конструкция узлов и блоков должна быть выполнена таким образом, чтобы соединения либо порознь, либо все вместе допускали погружение в расплавленный припой без боязни повредить какие-либо их части. Если осуществлять пайку при полном погружении узла в припой, то расход последнего может оказаться слишком большим и использование такой пайки становится экономически нецелесообразно.

4.3.5.Методы пайки компонентов

Вэтом разделе будут рассмотрены методы оплавления припоя

идана их сравнительная характеристика.

Внастоящее время в промышленности наиболее широко применяются следующие методы пайки:

∙метод теплопроводного нагрева;

∙метод инфракрасного нагрева;

∙метод паровой фазы;

∙пайка волной припоя.

Существуют еще несколько менее распространенных методов, все они будут рассмотрены ниже.

329