Тема 2.3 Пайка монтажных соединений.

Пайкой называется технологический процесс образования неразъемного соединения металлических деталей путем диффузии расплавленного припоя. В зависимости от температуры в зоне соединяемых материалов пайка подразделяется на низкотемпературную и высокотемпературную.

Зазор между деталями устанавливают в зависимости от соединения: для низкотемпературных припоев он составляет 0,05…0,08 мм, длявысокотемпературных – 0,03…0,05 мм.

По способу нагрева соединяемых деталей и припоя различают пайку паяльником, токами высокой частоты, в печах, горелкой, в жидких средах и ультразвуком. В зависимости от характера окружающей среды различают пайку в вакууме, нейтральных газах и восстановительной среде.

По способу введения припоя различают следующие виды пайки:

- заливкой, с предварительной укладкой припоя к месту соединения;

- с предварительным избыточным облуживанием поверхностей соединяемых деталей;

- с введением припоя паяльниками;

- с применением палочных или трубчатых припоев.

Надежность паяных соединений зависит от состояния соединяемых поверхностей и их конструкций, температуры пайки и применяемого флюса. При подготовке поверхностей деталей, подлежащих пайке, производится удаление механическим или химическим способом загрязнений, ржавчины, оксидных и жировых пленок.

Технологический процесс пайки включает в себя лужение, которое предшествует пайке и заключается в покрытии поверхностей соединяемых деталей тонкой пленкой припоя. При лужении происходит сплавление припоя с основным металлом.

Основными дефектами при пайке являются:

- наличие трещин в паяном шве в результате быстрого охлаждения деталей после пайки или значительной разницы в коэффициентах теплового расширения припоя и металла;

- наличие пор в шве за счет высокой температуры пайки или интенсивного испарения флюса;

- недостаточное смачивание припоем поверхности деталей из-за большой их загрязненности.

 

Тема 2.4. Припои и флюсы.

1.3.1. Основные требования, предъявляемые к припоям

К припоям предъявляются конструктивные и технологические требования.

К конструктивным относятся:

достаточная механическая прочность при нормальных, высоких и низких температурах;

хорошие электро- и теплопроводность;

герметичность;

стойкость против коррозии.

К технологическим относятся: жидкотекучесть при температуре пайки; хорошее смачивание основного металла; определенные для данного припоя температура плавления и температурный интервал кристаллизации.

Припои, имеющие температуру плавления до 350 °С, называются мягкими, а припои, имеющие температуру плавления свыше 350 °С, — твердыми.

В качестве мягких припоев применяют различные сплавы на основе свинца и олова, содержание которых определяет свойства припоев. Некоторые мягкие припои содержат присадки сурьмы, серебра, висмута и кадмия, придающие припою специальные свойства. Серебро и сурьма повышают температуры плавления и затвердевания, а висмут и кадмий понижают их. Серебро препятствует снижению прочности припоя, но делает его хрупким и ухудшает растекание его на меди. При пайке цинка или цинковых сплавов сурьма, входящая в состав припоя (до 2,5%), способствует образованию хрупких сурьмяно-цинковых соединений, поэтому в таких случаях содержание сурьмы в припое не должно превышать 0,25 %.

При сборке радиоаппаратуры применяют следующие мягкие припои:

оловянно-свинцовые; малооловянистые; безоловянистые, легкоплавкие; трубчатые.

Оловянно-свинцовые припои (ПОС) представляют собой сплавы олова и свинца с присадкой 0,15... 2,5 % сурьмы. Механическая прочность припоев повышается с увеличением содержания олова. Прочность паяного соединения не всегда соответствует прочности применяемого припоя, так как при малых зазорах шов заполняется не припоем, а сплавом припоя с основным металлом, который, естественно, обладает иными механическими свойствами. При нормальной температуре механическая прочность паяных соединений, выполненных встык, выше, чем паяных соединений, выполненных внахлест.

Механические свойства оловянно-свинцовых припоев с повышением или понижением температуры ухудшаются. При низких температурах (от —30 до —60 °С) наблюдается резкое уменьшение ударной вязкости этих припоев, особенно при большом содержании олова. В указанном интервале температур в олове происходят различные превращения, приводящие к увеличению хрупкости. При повышении температуры до 100 °С уменьшение ударной вязкости происходит медленно, а после 100 °С — быстро.

Электропроводность оловянно-свинцовых припоев зависит от содержания олова и составляет 8... 14% от электропроводности чистой меди. Электропроводность таких припоев обратно пропорциональна содержанию олова.

Коррозионная стойкость припоев в различных агрессивных средах зависит от содержания олова. С увеличением его содержания коррозионная стойкость в кислотах повышается, а в щелочах — понижается.

Герметичность паяных соединений зависит от температурного интервала кристаллизации, который в свою очередь зависит от состава припоя. Припои с широким интервалом температуры кристаллизации способствуют получению пористых, негерметичных соединений, что связано с медленным затвердеванием припоя. Применение припоя с небольшим температурным интервалом кристаллизации (например, около 7 °С у ПОС-61) приводит к уменьшению продолжительности пайки, а применение припоя, у которого точки плавления и затвердевания совпадают, затрудняет получение гладких швов.

В табл. 1.1 приводятся области применения оловянно-свинцо- вых припоев.

Таблица 1.1

Области применения оловянно-свинцовых припоев Припой Температура, °С Область применения плавления пайки ПОС-18     Для пайки стали, оцинкованного железа, меди   , латуни, свинца, а также для лужения перед пайкой ПОС-ЗО     Для пайки стали, меди, латуни, белой жести, медных проводов, деталей приборов и радиоаппаратуры, а также для предварительной пайки соединений перед повторной пайкой более легкоплавким припоем ПОС-40     Для пайки ответственных деталей из стали, латуни, а также для пайки монтажных соединений проводов с лепестками ПОС-50     Тоже ПОС-61     Для пайки деталей из стали, меди, латуни, бронзы, не допускающих высокого нагрева. Для пайки монтажных и обмоточных проводов диаметром 0,05...0,08 мм, резисторов, конденсаторов, монтажных проводов с хлорвиниловой изоляцией. Для вторичных ступенчатых паек, производимых рядом с пайками, выполненными тугоплавкими

 

Окончание табл. 1.1 Припой Температура, °С Область применения плавления пайки       припоями. Для пайки герметичных швов (например, изоляторов), а также для пайки специального назначения, когда требуется обеспечение повышенных электропроводности и механической прочности ПОС-90     Для пайки деталей и узлов, подвергающихся в дальнейшем гальваническому покрытию (серебрению, золочению)

 

Для пайки монтажных соединений в элекгро- и радиоприборах наиболее широко применяются припои ПОС-ЗО и ГЮС-40. Для пайки тонких монтажных и обмоточных проводов, деталей и узлов, не допускающих нагрева свыше 200 °С, вакуумной пайки стеклянных и керамических проходных изоляторов, а также для ступенчатой пайки близко расположенных деталей используется припой ПОС-61. Он обладает более низкой температурой плавления, небольшим температурным интервалом кристаллизации и более высокой коррозионной стойкостью.

Малооловянистые и безоловянистые припои применяют с целью уменьшения расхода олова. Малооловянистые припои, содержащие свинец, олово и сурьму, лишь немногим уступают высоко- оловянистым припоям по прочности, но являются более хрупкими. Безоловянистые припои очень вязкие, но имеют более высокую температуру плавления, что усложняет процесс пайки.

Основным недостатком малооловянистых и безоловянистых припоев является широкий температурный интервал кристаллизации, достигающий иногда 100 °С и резко увеличивающий время, необходимое для охлаждения соединения, в течение которого спаиваемые детали должны быть неподвижны.

Вместо припоев, содержащих 40...50% олова и применяемых для пайки монтажных соединений, рекомендуется использовать припой с присадкой серебра следующего состава, %:

Олово....................................... 19,5... 20,5

Серебро................................... 1,35... 2,5

Сурьма..................................... 1,25... 1,75

Висмут..................................... не более 0,75

Свинец..................................... остальное

Этот припой обладает большей прочностью при растяжении по сравнению с припоями, содержащими 40... 50 % олова, но имеет более высокую (на 30...35 °С) температуру плавления, что требует увеличения мощности паяльников почти вдвое. Он позволяет производить пайку нелуженой и луженой меди с использованием канифолевого флюса, а остальных деталей — кислотных флюсов. Этот припой может применяться для выполнения большинства монтажных соединений, однако он не пригоден для пайки кожухов конденсаторов, трансформаторов и других герметичных деталей, так как способствует образованию пористости шва. Следует отметить, что уменьшение содержания олова в припоях не всегда экономически целесообразно, так как в ряде случаев это приводит к усложнению пайки и повышению расхода припоев.

Легкоплавкие припои (сплавы олова, свинца, висмута и кадмия) применяются в тех случаях, когда пайка выполняется при пониженной температуре из-за опасности перегрева деталей, а также при ступенчатой (вторичной) пайке. При затвердевании эти припои дают незначительную усадку, а некоторые (например, сплав Вуда) даже несколько расширяются. Механическая прочность легкоплавких припоев незначительна (например, висмутовые припои очень хрупкие). Предварительное лужение оловянносвинцовым или висмутовым легкоплавким припоем способствует некоторому повышению прочности соединения.

Состав и температура плавления легкоплавких припоев приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2 Состав и температура плавления легкоплавких припоев Припой Химический состав, 5 Уо Температура плавления, °С Sn Pb Bi Cd ГЮСК-50     —     ПОСВ-33 33,4 33,3 33,3 —   ГТОК-56   — —     Сплав Розе       —   Сплав Арсе 9,6 45,1 45,3 —   Сплав Липовица 13,33 26,67       Сплав Вуда 12,5     12,5 60,5

 

Трубчатые припои. Для пайки соединений при монтаже радиоаппаратуры широко применяется так называемый трубчатый припой, представляющий собой пустотелую трубку небольшого диаметра, изготовленную из оловянно-свинцового сплава и заполненную канифолевым флюсом.

Основными преимуществами трубчатых припоев являются: возможность наложения припоя и флюса на место пайки за один прием;

улучшение качества пайки;

резкое увеличение производительности труда на монтажных операциях, а также облегчение пайки в труднодоступных местах;

существенное уменьшение потерь припоя и флюса, которые при работе кусковым или проволочным припоем и отдельно флюсом весьма значительны (около 20 % припоя и 50 % флюса);

обеспечение подачи к месту пайки надлежащего количества флюса, дозировка которого определяется конструкцией и типом припоя;

возможность плавления припоя в момент, когда флюс уже подогрет и находится в более активном состоянии;

исключение возможности случайного загрязнения флюса. Простейшая конструкция трубчатого припоя представляет собой трубку с круглой сердцевиной из флюса, расположенной в центре (рис. 1.1, а). Недостатками такой конструкции являются перерывы в подаче флюса при наличии пустот в припое, а также преждевременное вытекание 'и испарение флюса во время расплавления довольно толстых стенок трубки, что приводит к уменьшению подачи флюса к месту пайки и, следовательно, к понижению ее качества.

Вероятность перерывов в подаче флюса уменьшается при более сложной форме сердцевины. На рис. 1.1,6 показаны трубчатые припои с фасонными сердцевинами, а на рис. 1.1, в — с пятью каналами, заполненными флюсом. Эти припои имеют более тонкие стенки, в результате чего обеспечивается быстрое плавление припоя и, следовательно, быстрое освобождение флюса и подача его к месту пайки в наиболее активном состоянии.

Большое значение имеет дозировка флюса (независимо от формы сердцевины). При изготовлении трубчатого припоя соотношение количества флюса и припоя тщательно контролируется. Для электромонтажных паек применяют трубчатые припои, в которых сердцевина из флюса составляет 2... 3 % общей массы припоя. Правильно спроектированный трубчатый припой и тщательная подготовка деталей к пайке являются надежной гарантией высокого качества пайки монтажных соединений.

 

Диаметр трубчатого припоя определяется характером соединений. Применение меньших диаметров во многих случаях способствует экономии припоя. Размеры наружных диаметров трубчатых припоев составляют: 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5 мм, а внутренних соответственно вдвоеРис. 1.1. Трубчатые припои а),б) в) меньше. По наружному диаметру допускается отклонение ±3 %.

Для успешного осуществления пайки и получения качественного соединения применяются активные вещества — флюсы. По своему состоянию флюсы могут быть твердыми (канифоль чистая), мягкими (различные пасты на основе канифоли) и жидкими (составы кислот или спиртовые флюсы на основе разведенной канифоли).

Флюсы должны обеспечивать своевременное и полное растворение оксидов основного металла, равномерное покрытие поверхности металла у места пайки и предохранение его от окисления в продолжение всего процесса пайки.

При электромонтажной пайке РЭА в основном применяют флюс ФКСп (30...40%-й раствор канифоли в этиловом спирте).

1.3.2. Основные требования, предъявляемыек флюсам

Для успешного проведения процесса пайки и получения соединения высокого качества флюсы должны удовлетворять следующим требованиям.

1. Температура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления припоя.

2. Флюс должен быть жидким и достаточно подвижным при температуре пайки, легко и равномерно растекаться по основному металлу, хорошо проникать в зазоры; кроме того, он не должен быть слишком тягучим и «уходить» от места пайки.

3. Флюс должен способствовать своевременному и полному растворению окислов основного металла к моменту вывода расплавленного припоя.

4. Флюс не должен образовывать соединений с основным металлом и припоем, а также поглощаться ими, так как в противном случае понижаются прочность и коррозионная стойкость соединения, нарушается его герметичность.

5. Флюс должен равномерным слоем покрывать поверхность основного металла у места пайки, предохраняя его от окисления в процессе пайки. Однако адгезия флюса с основным металлом должна быть слабее, чем адгезия припоя.

6. Остаток флюса и продукты его разложения должны выступать на поверхность припоя, как только последний схватится с основным металлом. Они должны также легко удаляться после выполнения пайки с поверхности основного металла и паяного соединения.

7. Флюс и продукты его разложения при выполнении пайки не должны выделять удушливых, неприятных или вредных для здоровья людей газов.

В связи с тем что промывка монтажных соединений, обеспечивающая полное удаление остатков флюса, как правило, невозможна, к флюсам, применяемым при пайке монтажных соединений в ответственных электроприборах, предъявляются дополнительные требования.

1. Остаток флюса не должен вызывать коррозию спаиваемых деталей.

2. Выделяемые при пайке дымы не должны наносить вред окружающим деталям в случае осаждения на их поверхность.

3. Остаток флюса должен иметь высокое сопротивление электрическому току, т. е. быть хорошим изолятором.

4. Остаток флюса должен быть твердым во избежание образования на поверхности соединения пыли и грязи, вызывающих утечку электрического тока.

5. Остаток флюса должен быть негигроскопичным, так как в противном случае в условиях повышенной влажности он будет адсорбировать воду, вызывая скопление электролита на поверхности соединений, что может привести к утечке тока и коррозии.

Кислоты, содержащиеся во флюсах или в их компонентах, разлагаются при нагревании, в результате чего происходят травление поверхности основного) металла и превращение его окислов в металлические соли. Некоторые вещества, входящие в состав флюсов, при нагревании переходят в газообразное состояние и воздействуют на окисную пленку еще до того, как жидкий флюс достигнет окисла. Жидкая и газообразная части флюса в процессе пайки образуют защитную преграду, исключающую доступ воздуха к поверхности основного металла, а следовательно, и ее окисление при температуре пайки 250...350 °С. Поэтому необходимо следить, чтобы не происходило потерь флюса в результате испарения, разложения или согревания до или во время нанесения расплавленного припоя на поверхность основного металла.

Таким образом, флюсы растворяют окисные пленки и уменьшают поверхностное натяжение расплавленного припоя на поверхность основного металла.

Приведенным выше требованиям наиболее полно удовлетворяет канифоль, что и объясняет ее широкое применение в качестве флюса при пайке монтажных соединений в радиоаппаратуре.