Теоретические основы пайки металлов

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Цель работы:

– изучить процесс заполнения припоем капиллярного зазора при пайке металлов.

Задачи работы:

– исследовать влияние характера подготовки поверхности спаиваемых деталей на высоту подъема припоя;

– исследовать влияние величины зазора спаиваемых деталей на высоту подъема припоя.

ОБОРУДОВАНИЕ, МАТЕРИАЛЫ, ИНСТРУМЕНТ

1. Печь с температурой нагрева до 300 °С и возможностью регулирования температуры с точностью ±10 °С.

2. Ванна с припоем объемом не менее 30.000 мм³.

3. Инструмент слесарный и измерительный.

4. Абразивная шкурка, полировальная паста и полировальный круг.

5. Припой оловянно-свинцовый и флюс.

6. Пластины стальные и медные размерами 60х25х2 мм.

7. Проволока стальная или медная диаметром 1 мм.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПАЙКИ МЕТАЛЛОВ

Пайка – это процесс получения неразъемного соединения материалов с нагревом ниже температуры их автономного расплавления путем смачивания, растекания и заполнения зазора между ними расплавленным припоем и сцепления их при кристаллизации шва.

Расплав металлов или их сплавов, вводимый в зазор между соединяемыми деталями, или образующийся между ними в процессе пайки, имеющий более низкую температуру начала автономного плавления, чем паяемые материалы, называется припоем.

Основной особенностью пайки является то, что паяемые материалы не расплавляются при пайке. Из этого вытекает другая важная особенность – возможность распая, т.е. разъединения паяемых соединений без нарушения исходных размеров и формы элементов конструкции.

Для образования спая необходимым условием является смачивание паяемых поверхностей твердого металла жидким припоем. Смачивание и растекание жидкости по поверхности твердого тела может совершаться только за счет выполнения работы против сил поверхностного натяжения жидкости. Эта работа совершается в процессе взаимодействия жидкости с твердым телом как процесс распространения атомов по поверхности твердого тела.

Смачиваемость – это первая стадия физико-химического процесса взаимодействия жидкости с поверхностью твердого тела, результатом которого является растекание её тонким слоем на поверхности твердого тела.

Минимальная температура, при которой припой смачивает паяемую поверхность твердого тела и растекается по ней, для чистых металлов и эвтектических сплавов соответствует температуре плавления или превышает её на несколько градусов. Для припоев сложного состава эта температура находится в интервале между температурой солидус и ликвидус. Температура пайки, как правило, выше температуры перехода припоя в жидко-твердое состояние (на 30...50 °С выше температуры начала плавления припоя).

Для обеспечения взаимодействия паяемого металла и расплавленного припоя перед пайкой производят механическую зачистку или травление поверхности металлов в растворах щелочей и кислот.

Однако за время между очисткой и пайкой на поверхности металлов вновь образуется тонкая пленка окислов, поэтому непосредственно в процессе пайки необходимо удалять окисную пленку не только с паяемого металла, но и с припоя, что достигается применением флюсов.

Флюсом для пайки называют неметаллическое вещество или систему веществ, применяемых для полного или локального удаления окисной пленки с поверхности припоя и паяемого металла и предотвращения её образования при пайке.

В таблице приведен химический состав и некоторые физические свойства стандартных оловянно-свинцовых припоев.

Таблица

Химический состав и температура плавления

стандартных оловянно-свинцовых припоев

Воздействие флюсов в процессе пайки можно свести к одному из следующих механизмов:

1. Химическое взаимодействие между активным флюсующим веществом и окисной пленкой, в результате чего последняя связывается в соединения, растворимые во флюсе, образуя легкоплавкий шлак.

2. Химическое взаимодействие между активным флюсующим веществом и металлом, в результате чего происходит разрушение и постепенный отрыв окисной пленки от основного металла и переход её в шлак.

3. Адсорбционное понижение прочности окисной пленки под действием расплава флюса и диспергирование (измельчение) её на частицы коллоидных растворов.

4. Растворение окисной пленки во флюсе.

После смачивания основного металла флюсом и удаления с него окисной пленки образуется активная межфазная граница “твердый металл–жидкий флюс”, которая затем замещается расплавленным припоем.

Термический цикл пайки включает:

– нагрев основного металла паяемого шва до температуры плавления припоя;

– расплавление припоя, заполнение капиллярного зазора;

– охлаждение и кристаллизация припоя паяного шва.

В соответствии с особенностями процесса и технологии пайка подразделяется на капиллярную и некапиллярную.

Капиллярная пайка – пайка, при которой припой заполняет зазор между соединяемыми поверхностями деталей и удерживается в нем за счет капиллярных сил.

Рис. 1. Элемент криволинейной поверхности жидкости

Работа, затрачиваемая на преодоление сил поверхностного натяжения жидкости при течении в капилляре, определяется разностью давлений (P1 – P2) между вогнутой и выпуклой сторонами поверхности смачивающей жидкости и может быть вычислена из условий изменения свободной энергии при перемещении элемента этой поверхности (рис. 1).

Исходя из первого уравнения капиллярности (формула Лапласа)

, (1)

где P₁ – давление с вогнутой стороны, МПа;

P₂ – давление с выпуклой стороны, МПа;

s_{1, 2} – поверхностное натяжение жидкости по границе с газовой

средой, мдж/м².

Рис. 2. Схема поднятия жидкости по капилляру

При подъеме жидкости в капиллярной трубке диаметром d высота её подъема над заданным уровнем поверхности ванны h (рис. 2), согласно первому уравнению капиллярности, определяется разностью давлений (P1 – P2) между вогнутой и выпуклой сторонами поверхности мениска.

При малом диаметре капилляра свободная поверхность жидкости имеет сферу радиусом, мм

. (2)

В этом случае уравнение Лапласа принимает вид

. (3)

В капилляре разность давлений поверхности жидкости уравновешивается столбом жидкости . Тогда высота подъема жидкости в капилляре, мм

, (4)

где r – плотность жидкости, г/см³;

g – ускорение силы тяжести;

– коэффициент смачивания.

В случае капиллярного течения жидкости между двумя параллельными пластинами (рис. 3) высота подъема h выражается уравнением, мм

. (5)

Рис. 3. Схема поднятия жидкости между параллельными пластинами

Следовательно, высота капиллярного поднятия жидкости прямо пропорциональна её поверхностному натяжению и смачивающей способности и обратно пропорциональна диаметру капилляра и плотности жидкости.

Высота капиллярного поднятия жидкости в зазоре a между двумя параллельными пластинами в 2 раза меньше, чем в капилляре круглого сечения.

Течение расплавленных припоев в реальных условиях по отношению с идеальными имеет следующие особенности:

1. 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.

2. Расплав припоя сложного состава при течении в зазоре избирательно взаимодействует с основным металлом, что вызывает перемещение частиц в направлении, перпендикулярном потоку.

3. В случае термического или концентрационного переохлаждения, а также взаимодействия с основным металлом происходит образование в расплаве и зоне спаев отдельных кристаллов, что нарушает общую закономерность течения припоев в зазоре.

Течение расплавленного припоя в зазоре зависит от характера предшествующей механической обработки, состояния поверхности основного металла, величины и равномерности зазора, способа удаления окисной пленки. Так как влияние этих факторов теоретически учесть трудно, то на практике высоту поднятия припоя h в зазоре определяют на основе экспериментов в виде зависимости h=f(a), где a – величина зазора в мм.