Капиллярное течение припоев.

Из рассмотренного ранее, установлено, что процесс растекания жидкости и смачивания ей поверхности твердого тела сопровождается увеличением ее поверхности. Это происходит в результате некомпенсированной энергии поверхностей твердого и жидкого металлов. При этом совершается работа и поглощается энергия, затрачиваемая на преодоление сил поверхностного натяжения жидкого припоя. Эта работа совершается разностью давлений между вогнутой и выпуклой сторонами жидкости, и может быть определена, исходя из изменения свободной энергии при перемещении элемента этой поверхности (рис. …).

л

Рис. …. Элемент криволинейной поверхности жидкости.

В исходном состоянии площадь поверхности рассматриваемого прямоугольного элемента abcd ориентировочно можно определить:

S=ab·bc

Под действием разности давлений между вогнутой и выпуклой сторонами поверхности элемента, точки a, b, c и d переместятся по нормалям на расстояние δ_п, соответственно в положение a₁, b₁, c₁ и d₁, образуя элемент с площадью S₁:

,

где: ,

Пренебрегая малыми величинами второго порядка, получим:

Тогда, приращение поверхности рассматриваемого элемента жидкости (припоя) при перемещении составит:

.

Тогда работа по преодолению сил поверхностного натяжения составит:

Эта работа может быть выражена через разность давлений между вогнутой и выпуклой сторонами поверхности рассматриваемого элемента:

,

где Р1 – давление с вогнутой стороны;

Р2 – давление с выпуклой стороны.

Поскольку никакие другие силы, кроме сил молекулярного взаимодействия, в увеличении поверхности не участвуют, можно записать:

,

откуда:

Данное выражение является первым уравнением капиллярности (формула Лапласа). Из этого уравнения следует, что поверхностный слой жидкости, имеющий кривизну, оказывает добавочное давление, по сравнению с тем, которое он испытывает при наличии плоской поверхности. Этим добавочным давлением обусловлены главным образом все капиллярные явления, происходящие с невзаимодействующими с твердыми телами жидкостями в капиллярных паяльных зазорах.

Избыточное давление Р₁–Р₂ может быть выражено через высоту столба жидкости в капиллярном зазоре (капилляре) над заданным уровнем и ее плотность. Определим высоту поднятия жидкости в плоском и круглом капилляре.

При малом диаметре капилляра свободная поверхность жидкости в нем будет иметь форму сферы:

, тогда:

Но разность давлений Р₁–Р₂ будет уравновешиваться столбом жидкости высотой h:

тогда: =>

Следовательно, высота поднятия жидкости в капилляре прямо пропорциональна ее поверхностному натяжению, смачивающей способности, и обратно пропорциональна размеру капилляра и плотности припоя.

Для плоского капилляра:

,

аналогично, рассмотренному выше, получим:

.

Следовательно, высота поднятия припоя в плоском капилляре (паяльном зазоре) в два раза меньше, чем в капилляре круглого сечения.

В реальных процессах пайки эти зависимости не соблюдаются, поскольку течение расплавленных припое в этом случае имеет следующие особенности:

В процессе заполнения зазора припоем происходит взаимодействие его с основным металлом и окружающей средой, что приводит к увеличению вязкости расплава и, следовательно, к нарушению исходных условий течения.

Наличие диффузионных потоков в припое, вызванных его взаимодействием с основным металлом.

Термическая или концентрационная неравномерность приводит к образованию отдельных кристаллов (частичной кристаллизации), что нарушает общую закономерность течения припоя в зазоре.

Характер обработки поверхности (ее шероховатость).

Расположение зазора в пространстве (расположение изделия).

Для определения на практике реальных показателей заполнения паяльных зазоров припоем выполняют технологические пробы.