Высокотемпературная и низкотемпературная пайка

Пайка - это процесс получения неразъемного соединения материалов в твердом состоянии при нагреве ниже температуры их плавления путем смачивания, растекания и заполнения зазора между ними расплавленным припоем с последующей кристаллизацией жидкой фазы и образованием спая.

Преимущества пайки как технологического процесса и преимущества паяных соединений обусловлены главным образом возможностью формирования паяного шва ниже температуры плавления соединяемых материалов. Такое формирование шва происходит в результате контактного плавления паяемого металла в жидком припое, внесенном извне (пайка готовым припоем), либо восстановленным из солей флюса (реактивно-флюсовая пайка), либо образовавшемся при контактно-реактивном плавлении паяемых металлов, контактирующих прослоек или паяемых металлов с прослойками (контактно-реактивная пайка). В отличие от автономного плавления (одностадийного процесса, протекающего в объеме при температуре, равной или выше температуры солидус соединяемых материалов), контактное плавление того же материала протекает при контактном равновесии по поверхности контакта с твердым, жидким, газообразным телом, иными по составу. Это многостадийный процесс, протекающий по разным механизмам; жидкая фаза при контактном плавлении твердого тела образуется ниже его температуры солидус.

Пайка обеспечивает получение бездефектных, прочных и работоспособных в условиях длительной эксплуатации, паяных соединений, если учтены физико-химические, конструктивные, технологические и эксплуатационные факторы.

Возможность образования спая между паяемым металлом и припоем характеризуется паяемостью, т.е. способностью паяемого металла вступать в физико-химическое взаимодействие с расплавленным припоем и образовывать паяное соединение. Практически пайкой можно соединить все металлы, металлы с неметаллами и неметаллы между собой. Необходимо только обеспечить такую активацию их поверхности, при которой стало бы возможным установление между атомами соединяемых материалов и припоя прочных химических связей.

Для образования спая необходимым и достаточным является смачивание поверхности основного металла расплавом припоя, что определяется возможностью образования между ними химических связей. Смачивание принципиально возможно в любом сочетании основной металл - припой при обеспечении соответствующих температур, высокой чистоты поверхности или достаточной термической или другого вида активации. Смачивание характеризует принципиальную возможность пайки конкретного основного металла конкретным припоем. При физической возможности образования спая (физической паяемости) уже в какой-то мере гарантирована паяемость с технологической точки зрения при обеспечении соответствующих условий проведения процесса пайки.

Паяемость того или иного материала нельзя рассматривать как способность его подвергаться пайке различными припоями. Можно рассматривать только конкретную пару, и в конкретных условиях пайки. Важным моментом в оценке паяемости, как физической, так и технической, является правильный выбор температуры пайки, которая нередко является решающим фактором не только для обеспечения смачивания припоем поверхности металла, но и дополнительным важным резервом повышения свойств паяных соединений. При оценке паяемости нужно учитывать температурный интервал активности флюсов.

Паяльный флюс - это активное химическое вещество, предназначенное для очистки и защиты поверхности паяемого металла и припоя, в первую очередь, от окисных пленок. Однако флюсы не удаляют посторонние вещества органического и неорганического происхождения (лак, краску). Механизм флюсования флюсами, самофлюсующими припоями, контролируемыми газовыми средами, в вакууме, физико-механическими средствами может выражаться:

1. В химическом взаимодействии между основными компонентами флюса и окисной пленкой, образующиеся при этом соединения растворяются во флюсе, либо выделяются в газообразном состоянии;
2. В химическом взаимодействии между активными компонентами флюса и основным металлом, в результате происходит постепенный отрыв окисной пленки от поверхности металла и переход ее во флюс;
3. В растворении окисной пленки во флюсе;
4. В разрушении окисной пленки продуктами флюсования;
5. В растворении основного металла и припоя в расплаве флюса.

Окисные флюсы взаимодействуют преимущественно с окисной пленкой. Основой флюсования галоидными флюсами является реакция с основным металлом. Для повышения активности оксидных флюсов вводят фториды и фторборы, в результате одновременно с химическим взаимодействием между окислами происходит растворение окисной пленки во фторидах.

К активным газовым средам относятся газообразные флюсы, которые работают самостоятельно или как добавка в нейтральные или восстановительные газовые среды для повышения их активности. При пайке металлов в активных газовых средах удаление окисной пленки с поверхности основного металла и припоя происходит в результате восстановления окислов активными компонентами сред или химического взаимодействия с газообразными флюсами, продуктами которого является летучие вещества или легкоплавкие шлаки, к восстановительным средам относятся водород и газообразные смеси, содержащие водород и окись углерода в качестве восстановителей окислов металлов.

В качестве нейтральных газовых сред используют азот, гелий и аргон, роль газовой среды сводится к защите металлов от окисления. Как газовая среда вакуум защищает металлы от окисления и способствует удалению с их поверхности окисной пленки. При пайке в вакууме, в результате разрежения, парциальное давление кислорода становится ничтожно малым и, следовательно, уменьшается возможность окисления металлов. При высокотемпературной пайке в вакууме создаются условия для диссоциации окислов некоторых металлов.

По условиям заполнения зазора способы пайки разделяются на капиллярные и некапиллярные.

Капиллярная пайка по методу образования спая разделяется на пайку готовым припоем, контактно-реактивную, диффузионную и реактивно-флюсовую. При капиллярной пайке расплавленный припой заполняет зазор между паяемыми деталями и удерживается в нем под действием капиллярных сил. Капиллярная пайка, при которой используется готовый припой и затвердевание шва происходит при охлаждении, называется пайкой готовым припоем. Контактно-реактивной называется капиллярная пайка, при которой припой образуется в результате контактно-реактивного плавления соединяемых материалов, промежуточных покрытий или прокладок с образованием эвтектики или твердого раствора. При контактно-реактивной пайке нет необходимости в предварительном изготовлении припоя. Количество жидкой фазы можно регулировать изменением времени контакта, толщиной покрытия или прослойки, т.к. процесс контактного плавления прекращается после расходования одного из контактирующих материалов.

Диффузионной называется капиллярная пайка, при которой затвердевание шва происходит выше температуры солидус припоя без охлаждения из жидкого состояния. Припой, применяемый при диффузионной пайке, может быть полностью или частично расплавленным, может образовываться при контактно-реактивном плавлении соединяемых металлов с одной или несколькими прослойками других металлов, нанесенных гальваническими способами, напылением или уложенных в зазор между соединяемыми деталями, или в результате контактного твердо-газового плавления. Цель диффузионной пайки - проведение процесса кристаллизации таким образом, чтобы обеспечить наиболее равновесную структуру соединения, повысить температуру распайки соединений.

При реактивно-флюсовой пайке припой образуется в результате восстановления металла из флюса или диссоциации одного из его компонентов. В состав флюсов при реактивно-флюсовой пайке входят легковосстанавливаемые соединения. Образующиеся в результате реакции восстановления металлы в расплавленном состоянии служат элементами припоев, а летучие компоненты реакции создают защитную среду и способствуют отделению окисной пленки от поверхности металла.

Некапиллярная пайка разделяется на пайку-сварку и сварку-пайку. Пайко-сварка относится к процессам исправления дефектов в чугунных, алюминиевых и др. деталях, выравнивания поверхности, устранения вмятин, т.е. заливку расплавленным припоем с использованием технических возможностей низко- и высокотемпературной пайки. Обычно используется для изделий из чугуна и выполняется припоями из латуни с добавлением кремния, марганца, аммония. Сварко-пайка применяется при соединении разнородных металлов за счет расплавления более легкоплавкого металла и смачивания им поверхности более тугоплавкого металла. Необходимая температура подогрева поверхности тугоплавкого металла достигается за счет регулирования величины смещения электрода от оси шва к более тугоплавкому металлу. При подготовке изделий к пайке, при необходимости, на паяемую поверхность наносят металлические покрытия. Технологические покрытия (медь, никель, серебро) наносят на поверхность труднопаяемых металлов, либо металлов, поверхность которых при пайке интенсивно растворяется в припое, что вызывает ухудшение смачивания и капиллярного течения припоя в зазоре, хрупкость в соединениях, по месту нанесения припоя появляется эрозия, подрезы основного металла. Назначение покрытия - предотвращение нежелательного растворения основного металла в припое и улучшение смачивания; в процессе пайки покрытие должно полностью растворяться в расплавленном припое.

При капиллярной пайке используются нахлесточные, стыковые, косостыковые, тавровые, угловые, соприкасающиеся соединения. Нахлесточные соединения наиболее распространены, т.к. изменяя длину нахлестки, можно изменять характеристики прочности изделия. Нахлесточные паяные соединения обладают некоторыми преимуществами перед нахлесточными сварными, передача усилий в которых происходит по периметру элемента. В сварных конструкциях любые швы являются источником концентрации напряжений в переходной зоне от основного металла к шву, и при неблагоприятных очертаниях шва концентрация достигает значительных величин. Сопоставление механических свойств паяных и сварных соединений позволяет сделать следующие выводы:

1. Применение пайки наиболее эффективно в тонкостенных конструкциях, толщиной не более 10 мм;
2. Производительность технологического процесса пайки оказывается часто более высокой;
3. Паяные соединения вызывают, как правило, меньшие остаточные деформации;
4. Паяные конструкции в большинстве случаев имеют меньшую концентрацию напряжений по сравнению со сварными.

Прочность паяных соединений определяется также влиянием дефектов, которые могут образовываться при несоблюдении оптимальных условий и режима пайки. Типичные дефекты, которые снижают прочность паяных соединений - поры, раковины, трещины, флюсовые и шлаковые включения, непропаи.

Все дефекты сплошности в паяных соединениях разделяются на дефекты, связанные с заполнением жидким припоем капиллярных зазоров, и дефекты, возникающие при охлаждении и затвердевании паяных швов. Возникновение первой группы дефектов определяется особенностями движения расплавов припоев в капиллярном зазоре (поры, непропаи). Другая группа дефектов появляется из-за уменьшения растворимости газов в металле при переходе из жидкого состояния в твердое (газо-усадочная пористость). К этой группе относится также пористость кристаллизационного и диффузионного происхождения.

Трещины в паяных швах могут возникнуть под действием напряжений и деформаций металла изделий или шва в процессе охлаждения. Холодные трещины возникают в зоне спаев при образовании прослоек хрупких интерметалидов. Горячие трещины образуются в процессе кристаллизации; если в процессе кристаллизации скорость охлаждения высока и возникающие при этом напряжения велики, а деформационная способность металла шва мала, то возникают кристаллизационные трещины. Полигонизационные трещины в металле шва возникают уже при температурах ниже температуры солидус после затвердевания сплава по так называемым полигонизационным границам, которые образуются при выстраивании дислокации в металле в ряды и образовании сетки дислокации под действием внутренних напряжений. Неметаллические включения типа флюсовых или шлаковых могут возникать в результате недостаточно тщательной подготовки поверхности изделия к пайке или при нарушении режима пайки. При слишком длительном нагреве под пайку флюс реагирует с основным металлом с образованием твердых остатков, которые плохо вытесняются из зазора припоем.