Технология пайки и конструирование паяных соединений

На практике для облегчения процесса пайки применяют предварительное облуживание деталей. На медные детали, подлежаише пайке, наносят гонкие слои полуды электролитическим и гальваническим методами или погружением в ванны с расплавленным припоем.

Пайку меди свинцовыми припоями ПСр 3, ПСр 2, ВПР 12 и другими при температурах 300-350 С и кадмиевыми припоями ПСр Кд, ПСр 5КЦН, ПСр 8КЦН при температурах 325-370° С проводят с применением активных флюсов ФК-30 и др. Кадмиевые припои не технологичны, отличаются плохой смачиваемостью и трудностью загюлнения зазоров.

Находит применение низкотемпературная диффузионная пайка меди. Этот процесс осуществляют легкоплавкими припоями - оловом, свинцом, индием, сплавами олово-свинец путем нагрева соединяемых деталей под небольшим давлением в нейтральной газовой среде или вакууме при температурах 650- 800° С и длительной выдержке. Для высокотемпературной пайки меди применяют серебряные, медно-цинковые и медно-фосфорные припои.

При пайке на воздухе серебряными и медно-цинковыми припоями используют флюсы на основе буры, борного ангидрида с добавками фторидов. При применении медно-фосфорных припоев флюс не требуется.

В среде водорода рекомендуется паять медь, не загрязненную кислородо.м из-за опасности водородной болезни меди. Для того чтобы ограничить растворение меди в медно-фосфорных и серебряных припоях, рекомендуется ускоренный нагрев и сокращение выдержки при температуре пайки.

Для некоторых изделий из меди (медные шины, волноводы, пластинчатые теплообменники) нашел применение процесс пайки с помощью контактного плавления в системе серебро-медь (контактно-реактивная пайка). На соединяемые поверхности деталей наносят слой серебра толщиной 10-15 мкм. Детали нагревают до температуры, превышающей температуру образования эвтектики серебро-медь (800-850 С). Пайку осуществляют в нейтральной газовой среде в приспособлениях, обеспечивающих поджатие деталей при нагреве.

Латуни содержат 4-38% Zn, имеют температуру плавления 905-1070° С. Состав окисной пленки, образующейся на латунях, зависит от содержания цинка в сплаве; при содержании до 15% Zn окисная пленка состоит из окисла СщО; при содержании свыше 20% Zn - в основном из ZnO.

Смачивание латуией при пайке оловянно-свинцовыми припоями достигается только с применением активных флюсов (ЛТИ-120, ЛК-2, хлористого цинка и др.). Рекоме.чдуется также предварительное облуживание латунных деталей перед пайкой.

Для латуней можно применять процесс низкотемпературной диффузионной пайки оловом с нагревом в нейтральной газовой среде при температурах 670- 700° С. Для высокотемпературной пайки латуней применяют медно-фосфорные, серебряные и медко-цинковые припои с наиболее низкими температурами плавления, например припои ПМЦ 48, ПМЦ 54. При пайке на воздухе указанными при-поя.ми используют флюсы на основе буры и борного ангидрида с добавками фторидов.

Наибольшую трудность в обеспечении смачивания представляют латуки, содержащие свинец (059-1, ЛС63-3). Для того чтобы уменьшить испарение цинка с поверхности и ограничить растворение латуней в серебряных и медно-фосфорных припоях, применяют большие скорости нагрева под пайку. С этой целью нагрев проводят ТВЧ, в соляных ваннах, источниками света и другими методами. Соляные ванны, обеспечивая большую скорость и равиомер}!ость нагрева, позволяют выдержать высокую точность температуры при пайке.

Вследствие испарения цинка пайку латуней в воздушных печах и печах с восстановительной средой используют ограниченно, а в вакуумных печах - не производят вообще. Для защиты деталей от испарения цинка перед пайкой на их поверхность наносят медное покрытие. Для уменьшения испарения цинка при пайке газовой горелкой нагрев рекомендуется вести восстановительным пламенем.

Конструирование паяных соединений

Оловянистые бронзы (БрОФ10-1, БрОФ6,5-0,4; БрОЦ-4-3) кроме олова содержат фосфор или цинк; температура плавления их находится в пределах 995- 1050° С.

Алюминиевые бронзы содержат от 5 до 12% А1 и плавятся при температурах около 1050° G. В состав окисной пленки на их поверхности входит окись алюминия.

Хромистые бронзы (БрХ0,5; БрХ0,8) содержат небольшие добавки хрома, упрочняющие медь. Температура плавления этих сплавов 1084-1090° С. Окисная пленка на поверхности хромистой бронзы содержит некоторое количество СггОд,

Бериллиевые бронзы (БрБ2 и др.) содержат 2-2,5% Be и плавятся при температурах 866-955° С. Большое сродство бериллия к кислороду вызывает его окисление и появление на поверхности химически стойкой окисной пленки ВеО.

Наибольшую трудность при пайке представляют алюминиевые, бериллиевые и хромистые бронзы. При низкотемпературной пайке указанных материалов применяют активные флюсы (ЛК-2, хлористый цинк, хлористый цинк с избыточной соляной кислотой и др.). При высокотемпературной пайке в флюсы на основе буры и борного ангидрида вводят фтористые и хлористые соединения. При пайке алюминиевой бронзы рекомендуется применять серебряные припои с никелем для предотвращения нелселательного перехода в припой алюминия. Применение медно-цинковых припоев при пайке бронз ограничено их высокой температурой плавления.

КОНСТРУИРОВАНИЕ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Для получения прочных паяных соединений необходимо правильно конструировать соединяемые детали, обеспечивать нужный зазор, допустимую величину нахлестки, легкую укладку припоя и его фиксацию и т. д.

1 иповые паяные соединения с обозначениями по ГОСТ 19249-73 приведены в табл. 12. Наиболее распространенным типом соединений является соединение внахлестку. Швы, паяные внахлестку, обеспечивают наибольшую прочность соединений. Равнопрочность таких швов с основным металлом достигается изменением длины нахлестки

Ь[х]

где [а}р - допускаемое напряжение паяного шва при растяжении; / - площадь поперечного сечения паяемого элемента; [т ]ср - допускаемое напряжение при срезе паяных внахлестку швов; Ь - ширина соединяемых элементов.

Практически длина нахлестки равна трем-пяти толщинам соединяемых деталей.

При пайке высокотемпературными припоями рекомендуется уменьшать длину нахлестки до трех толщин соединяемых деталей, а при пайке низкотемпературными припоями - увеличивать до пяти толщин вследствие малой прочности припоя. Увеличивать длину нахлестки сверх этих пределов нецелесообразно, так как распределение касательных напряжений по длине нахлестки неравномерно. Они возрастают лишь в галтельных участках шва, средняя часть нахлестки менее нагружена, и, кроме того, увеличивается масса паяемых узлов и изделий.

Детали, паянные внахлестку, не требуют дополнительных подгоночных операций, соединения удобны при выполнении; фиксация деталей при пайке внахлестку во многих случаях выполняется с помощью точечной электросварки (ТЭС).

Примеры соединений плоских элементов внахлестку и их разновидностей приведены на рис. 6. Соединения в ус, вскос, в виде гребенки увеличивают прочность за счет увеличения длины нахлестки. Для равномерного приложения нагрузки и увеличения прочности применяют соединения с двойной нахлесткой. Стыковые и тавровые соединения используют редко; они не характерны для паяных соединений. Применять эти соединения целесообразно в случаях, когда

12. Типовые паяные соединения

П р и м е ч а н и е. S - толщина основного материала; а ~ толщина шва; b - ширина шза; г - радиус галтели; h - высота галтели; а - угол скоса; р - угол соединения деталей; Н - радиус кривизны паяемой детали.

I I

Рис. 6. примеры соединений плоских элементов:

а к 6 - внахлестку; в - двойная нахлестка; s - ступенчатое; (Э - в виде гребенки; g =а вскос

припой и способ пайки обеспечивают заданную прочность паяных соединений и в случаях, когда конструкции не могут быть выполнены иначе, например сотовые панели, втулки и бобышки с ответными деталями, трубы и др (рис. 7).

Прочность стыковых паяных соединений определяется прочностью мягкой прослойки припоя и зон взаимодействия припоя с паяемым металлом.

Особенности паяных соединений встык следующие: предел текучести паяного шва (мягкая прослойка) меньше предела текучести основного металла соединяемых деталей; модуль упругости паяного шва Е меньше модуля упругости основного металла Е.

/Паяный uiod

Гаптвпь

uio8 iaRHbiu шад 51

7ZZZ2

Паяный шод

ZZZZ

Рис, 7. Примеры соединений, паянных втазр и встык:

а - сотовой панели; б - бобышек к пла стинам; в - резьбовой втулки

Рис, 8, Примеры телескопических соединений:

а - пайка трубок в трубные доски; б телескопические соединения

Наибольшие напряжения возникают в прослойке на контактных поверхностях, где имеет место образование зон диффузии припоя и основного металла, как правило, с повышенной прочностью и меньшей пластичностью.

Текучесть на контактных площадках возможна лишь при больших продольных осевых напряжениях [10]. При всех значениях модуля упругости паяного шва Н =f= Е мягкие прослойки при пайке встык разрушаются хрупко.

Паяные втавр швы редко работают на растяжение, чаще - на срез в конструкциях, испытывающих изгибающие усилия.

Напряжение среза в швах

где Q - поперечная сила в элементе, испытывающем поперечный изгиб; 5 - статический момент площади пояса относительно центра тяжести сечения; J - момент инерции всего сечения; б - толщина вертикального листа, равная протяженности шва.

Телескопические соединения применяют для пайки трубчатых и стержневых конструкций. В таких соединениях длина нахлестки опреде;1яегся при растягивающих усилиях из соотношения

2nR [xJcp

где R - радиус трубы.

13, Внутренние напряжения, возникающие в телескопическом соединении керамики с металлом

Рис. 9. Типы соединений керамики с металлом:

а -- охватывающее или телескопическое; б -- двойное телескопическое; в - плоское или торцовое; г - коническое; / - керамическая деталь; 2 -* металлическая деталь

Примечания: 1. Р - напряжение растяжения; С - напряжение сжатия. 2. В числителе приведены данные при КТР металла >КТР керамики; в знаменателе - при КТР металла <КТР керамики.

Наибольшее применение нашли телескопические соединения при пайке теплообменников и трубопроводов. Некоторые виды телескопических соединений показаны на рис. 8.

Для обеспечения равномерного зазора в телескопических соединениях используют посадочные буртики с точной фиксацией трубы, развальцовку, муфты с малым коэффициентом расширения, по сравнению с коэффициентом расширения паяемой трубы.

При пайке резьбовых соединений возникает задача заполнения припоем зазоров, создаваемых при закручивании резьбы. Заполнение припоем неравномерных зазоров в резьбовых соединениях - сложная технологическая задача. Обычные способы пайки резьбовых соединений приводят к получению непропаев и других дефектов.

Рис. 10

Рис. и

Рис, 10, Примеры использовання в несогласованных спаях промежуточных элементов, согласованных по КТР с керамикой (активная пайка через промежуточный элемент - титан):

1 < керамика; 2 = титановый переход; 5 ковар: 4 - медное покрытие на титане; 5 - припой

Рис. П. Примеры использования гибких промежуточных элементов (переходов) в спаях керамики с металлом при значительной разнице КТР керамики и металла;

/ металл; 2 керамика; 8 * гибкий переход

Puc. 12

Рис. 12. Рекомендуемые степени утолщения металлической охватывающей детали для компенсации изгибающего действия ее свободного конца:

Сталь 2,0

Материал детали ..... ,........... Титан

Ковар - 1.2

бп/с

Рис. 13. Схемы соединений с компенсирующим выступом:

а - соединение цилиндрических деталей; б - соединение цилиндра с фланцем; в коническое соединение; 1 - длина компенсирующего выступа, равная 1,5 - 4 мм для соединений диаметром до 100 мм

Для качественного заполнения резьбовых соединений припоем рекомендуется применять способ принудительного заполнения резьбы припоем за счет давления на зеркало ванны расплавленного припоя.

При конструировании паяных соединений из разнородных материалов (керамики с металлом) необходимо учитывать различие физико-механических свойств соединяемых материалов и сравнительно низкую механическую прочность керамики, особенно при действии растягивающих напряжений. Основные типы соединений керамики с металлом показаны на рис. 9.

Различают согласованные спаи керамики и металла, когда их коэффициенты линейного теплового расширения близки, и несогласованные спаи с заметно различающимися коэффициентами линейного теплового расширения (КТР).

Внутренние напряжения, возникающие в телескопическом соединении керамики с металлом, в зависимости от коэффициента линейного теплового расширения, приведены в табл. 13.

Напряженное состояние, возникаюш,ее в плоском или торцовом спае, приводит к разрушению под действне.м напряжений в плоскости спая и напряжений, нормальных к ней.

Рис. 14 Рис, 15

Рис. 14. Схе.ма торцового соединения с компенсатором (/i 0,45 VbR):

i - керамика; 2 - mi по КТР с кера.микой

1 - керамика; 2 - металл; 5 - компенсатор из металла или керамики, согласованный TP

Рис. 15. Варианты использования компенсаторов в торцовых спаях:

а, б - компенсатор в виде шайбы установлен непосредственно на деталь из керамики; в, г - компенсатор в виде кольца установлен в металлическую деталь; 1 - металл; 2 керамика; 5 =- металлический компенсатор; 4 припой