мМ
ГОСУДАРСТЙИНШ КОМИТЕТ СССР ДО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ
МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ТЕХНОЛОГИИ ПАЙКИ В АВИАЦИОННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Под редакцией профессора Т.П. Фетисова
Утверждено
• йа заседании редсове 31 октября 1988 г.
С.
МАИ
Москва Издательство МАИ 1989
A 146 (075)
У-912
УДК 621.791.3:629.7.002 (075.8)
Авторы: В.А. Гольцов, В.М. Крутилин, В.В. Семин, Р.Г. Газетдинов Г.П. Фетисов
Учебное пособие к лабораторным работам по технологии пайки в ави ционном производстве / В.А. Гольцов, В.М. Крутилин, В.В. Семин, Р.Г. Тазетдинов, Г.П. Фетисов; Под ред. Г.П. Фетисова. - М.: Изд МАИ, 1989. - 56 с.: ил.
В учебном пособии к лабораторным работам по разделу "Пайка" курса "Технология металлов" рассмотрены методы и особенности пай некоторых конструкционных материалов, применяемых при изготовлен: современных летательных аппаратов.
Предназначено для студентов всех специальностей.
Рецензенты: И.М. Траянов, Ф.В. Шубин
*
©
ISBN 5.7035-009».g
Московский авиационный институт, 198j
ВВЕДЕНИЕ
Пайка довольно широко применяется в производстве современных "тигельных аппаратов, а при изготовлении жидкостных реактивных миттелей и приборов является основным технологическим процессом, пн позволяет за одну операцию соединить несколько деталей, входя-•  в конструкцию, причем во многих случаях это детали из разно-Ц1П4Х трудносвариваемых металлов.
Паяные соединения иногда имеют более высокие механические нойотва по сравнению со сварными соединениями.
В данном учебном пособии рассматриваются физические процессы, штокащие при образовании паяных соединений, электромонтажной •Икс, а также способы и особенности пайки деталей из жаропрочных ।шшов и металлокерамических узлов.
Работа I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПАЙКИ. КОНСТРУИРОВАНИЕ И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА. СОЕДИНЕНИЙ
Цель раооты - ознакомить студентов с основными понятиями, относящимися к процессу пайки, с элементами технологии конструирования паяных соединений, с факторами, влияющими на их качество.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Основные определения
Пайкой называется процесс образования соединения с межатомны- I ми связями в результате нагрева соединяемых материалов до температуры, меньшей температуры их плавления, омачивания их припоем, за- I текания припоя в зазор и последующей его кристаллизации.
Пайка относится к технологическим процессам получения неразъем? ных соединений.
Все паяные соединения имеют следующие элементы (рис. I.I): а - зазор - расстояние мевду соединяемыми поверхностями;
б - паяный шов - прослойка из припоя мевду соединяемыми поверхностями;
в - галтель - утолщение или валик из припоя вокруг паяного со-] единения, образующиеся после пайки.
Припой представляет собой чистый металл или сплав, вводимый в зазор между паяемыми деталями, отличающийся по составу от паяемых материалов, имеющий более низкую температуру плавления и обладающий способностью смачивать паяемые материалы в расплавленном состоянии. I В зависимости от температуры плавления используемых припоев условно различают низкотемпературную пайку (температура плавления припоев меньше 723 К) и высокотемпературную пайку (температура плавления припоев больше 723 К).
Нагрев деталей и расплавление припоя при пайке можно осуществлять различными методами. Вое методы нагрева делят на две большие группы: общий нагрев всей детали и местный нагрев узкого участка -зоны соединения.
Общий нагрев производят погружением паяемых деталей в жидкий припой, флюс или в различных печах, а местный нагрев - сосредоточенными источниками тепла: паяльником, индуктором, газовым пламенем, проходящим электрическим током, электронным лучом, лазером, электрической дугой и сфокусированным светом.
В основе пайки лежат следующие физические явления: смачивание, затекание припоя в зазор и его кристаллизация.
4
Смачиванием называют явление, возникающее при контакте жидкости с поверхностью твердого тела. Если молекулы жидкости сильнее притягиваются к поверхности твердого тела, чем друг к другу, то жидкость будет смачивать тело и растекаться по поверхности, увеличивая площадь контакта. Если жидкость взаимодействует с твердым телом сравнительно слабо, то она не омачивает тело, а собирается в капли, уменьшая площадь контакта, и в этом случае пайка не про-
исходит.
Рис. I.I. Нахлесточное паяное соединение: а - зазор; б - паяный шов; в - галтель
Рис. 1.2. Схема равновесия сил поверхностного натяжения капли жидкости на поверхности твердого тела
Соотношение сил, обусловливающих смачивание и растекание жидкости по поверхности твердого тела, определяется равенством Юнга. Это равенство составлено из условия равновесия векторов сил поверхностного натяжения в точке на границе трех фаз (рис. 1.2):
бтг~б*т + & жг £0$ 03
где 0rr- поверхностное натяжение на границе твердое тело - окружающая среда; бхг- поверхностное натяжение на границе жидкость - твердое тело; бягг“ поверхностное натяжение на границе жидкость -окружающая среда (воздух, газовая среда, вакуум и т.д.); 0 - угол смачивания (угол между плоскостью, касательной к поверхности припоя у границы омачивания, и поверхностью металла).
Угол в характеризует степень смачивания жидкостью поверхности твердого тела. Если ^<90° (соз9>0), жидкость смачивает поверхность твердого тела. На практике считается, что угол меньше 10-20° свидетельствует о хорошей смачиваемости паяемой поверхности. Полное смачивание поверхности твердого тела происходит при Q = О (СО50= I). Когда же0>9О° (созб<0), жидкость практически не смачивает поверхность твердого тела.
В процессе пайки припой, как это следует из рис. I.I, растекается не по свободной поверхности, а в зазоре между соединяемыми деталями, образуя паяный шов. Поэтому важной характеристикой про-
5
Цесоа пайки деталей является процесс затекания припоя в зазор, управляемый капиллярным эффектом.
Капиллярный эффект заключается в перемещении припоя под дейст вием сил поверхностного натяжения и определяется величиной подъем! припоя на высоту А.
Величина подъема определяется формулой д _	,2 б*г COS 9	.
где - поверхностное натяжение на границе жидкости о газовой сре дой;£7 ~ краевой угол смачивания; а - величина зазора; J) - плот-, ность жидкости;^ - ускорение свободного падения.
Под действием капиллярного давления припой затекает в зазор и движется по зазору, обеспечивая его заполнение.
В процессе растекания припоя обеспечивается сближение атомов припоя и паяемого материала на расстояние электромагнитного взаимодействия (1-1СГ6 мм), формируется металлическая связь между атомами припоя и атомами паяемых материалов, которая и обеспечивает соединение. Наличие на паяемых поверхностях окисных пленок и загрязнений увеличивает расстояние между припоем и паяемым металлом от 2«10-6 до 5-1,0“4 мм, резко ухудшая условия межатомного взаимодействия. Следовательно, для образования металлической связи при пайке необходимо удалять окисную пленку и загрязнения с поверхности основного металла и припоя. В случае пайки на воздухе зачищенные поверхности при нагреве вновь окисляются. Так, например, на алюминии через секунду после очистки вырастает окисная пленка толщиной 2,4-10“6 мм, а на меди за два часа образуется пленка толщиной I.2-I0-6 мм. Для удаления скислов с поверхности паяемых металлов и прйпоя, а также для предупреждения образования новых окислов в процессе пайки применяются паяльные флюсы.
Паяльным флюсом называют вспомогательный материал, применяемый для удаления окислов с поверхности паяемого материала и припоя и для предотвращения их образования.
Флюсы могут быть твердыми (порошкообразные смеси солей), жидкими (водные и спиртовые растворы) и газообразными. Наибольшую химическую активность при взаимодействии с окисной пленкой каждый флюс проявляет в строго определенном диапазоне температур, называемом температурным интервалом активности. Нижняя граница этого интервала, при которой флюс вступает во взаимодействие с окислами, несколько выше температуры плавления флюса. С повышением температуры активность флюса возрастает. По достижении верхнего предела тем
пературного интервала активности активность флюса значительно снижается из-за выгорания, испарения и улетучивания отдельных его компонентов. Температурный интервал активности является одной из основных характеристик флюса и приводится в справочниках.
В зависимости от состава окисных пленок на поверхности паяемых металлов применяют различные по активности флюсы. Например, при пайке с применением кислотных флюсов механизм действия флюса основан на растворении кислотой (например, соляной) окислов ме-талла:	-гиа =1ЧеСЪ и-ио
Соединения МеС£г растворимы в воде и легко удаляются с поверхности паяемых металлов. Использование флюсов позволяет проводить пайку на воздухе, применяя универсальные нагревательные инструменты: печи, индукторы, паяльники и газопламенные горелки. Однако почти всегда остатки флюсов необходимо удалить, чтобы предотвратить коррозию соединений, снижающую надежность изделий. Поэтому наиболее перспективной следует считать пайку в активной газовой и нейтральной среде. В качестве активной газовой среды применяются водород, аммиак, окись углерода и азотно-водородная смесь. Восстановление окислов идет по реакции
МвО • И.’Ме ‘ Н„0 о
При пайке в вакууме выше 10 Па парциальное давление кислорода снижается, замедляются процессы окисления, и поэтому для ряда сплавов можно не применять флюсы.
Использование восстановительной газовой атмосферы, инертной среды и вакуума при пайке наиболее предпочтительно, так как в этом случае не возникает опасности последующей коррозии соединения. Таким образом, удаление окисных пленок с поверхности паяемых деталей, заполнение зазора'расплавленным припоем и взаимодействие припоя с паяемым металлом обеспечивают процесс формирования паяного соединения. Формирование соединения заканчивается кристаллизацией жидкой прослойки припоя.
Кристаллизация припоя происходит после прекращения нагрева паяемых деталей при их охлаждении. Структура и свойства паяных швов определяются физико-химическими свойствами сплава, образовавшегося в шве в результате взаимной диффузии паяемого материала и припоя, режимом пайки, а также скоростью охлаждения металла шва.
7
Рис. 1.3. Схема паяного соединения:
I - припой; 2 - зоны диффузии; 3 - паяемые детали
Образующееся при пайке со-единение по своему составу и строению неоднородно. Оно вклю чает литую прослойку (шов), спай и диффузионные зоны (рис. 1.3).
Шов - это неоднородная по составу и отроению прослойка, образующаяся в результате взаимодействия припоя с паяемым ма
териалом и последующей кристаллизации расплава в зазоре. Связь меж
ду швом и поверхностью детали возникает в результате образования
спаев.
Спай - переходный слой на границе паяемая деталь - шов, образующийся в результате взаимодействия паяемого материала с расплавом припоя.
Диффузионная зона - граничащий со спаем слой паяемого материала о измененным химическим составом и микроструктурой, образовавшейся в результате диффузии компонентов припоя и паяемого материала.
В процессе кристаллизации припоя необходимо обеспечить надежное закрепление паяемых деталей, исключающее их относительное пере мещение.
Способы пайки
Современные способы пайки в соответствии с ГОСТ 17349-79 принято классифицировать по следующим независимым признакам: по методу 'удаления окисной пленки, по методу получения припоя, по характеру заполнения зазора припоем, по характеру кристаллизации паяного шва, по источникам нагрева, по наличию давления на паяемые детали и т.д.
По методам удаления окисной пленки различают флюсовую пайку, пайку в активной среде, в нейтральной газовой среде, в вакууме и ультразвуковую пайку. При ультразвуковой пайке разрушение поверхностных окислов происходит за счет ударных кавитационных волн, образующихся при введении ультразвуковых колебаний в расплавленный припой.
По методу получения припоя различают пайку готовым, полностью расплавленным припоем, композиционным припоем, контактно-реактивную и реактивно-флюсовую пайку. При пайке готовым припоем использу-8
етоя заранее изготовленный припой в виде прутков, проволоки, ленты, паоты и т.д. При пайке композиционным припоем используется припой, содержащий в своем объеме наполнитель в виде порошка, волокон тугоплавкого материала, металлической сетки, смоченных легкоплавкой жидкой фазой. Контактно-реактивная пайка основана на способности некоторых металлов в месте их контакта образовывать сплавы (эвтектики или твердые растворы), температура плавления которых ниже температуры плавления соединяемых материалов. При реактивно-флюсовой пайке используется припой, образующийся в результате разложения компонентов флюса.
По характеру заполнения зазора пайка делится на капиллярную и некапиллярную. Пайка, при которой расплавленный припой заполняет паяльный зазор и удерживается в нем поверхностным натяжением, называется капиллярной пайкой. Некапиллярная пайка - это такая пайка, при которой расплавленный припой заполняет зазор под действием своего веса или прилагаемой извне силы.
По характеру кристаллизации паяного шва различают способ, при котором кристаллизация происходит при охлаждении, и способ, при котором кристаллизация происходит при выдержке (диффузионная пайка). При первом способе кристаллизация шва начинается после окончания нагрева паяемых деталей. Диффузионной пайкой называется такая пайка, при которой образование паяного соединения совмещено с изотермической обработкой. Диффузионная пайка обеспечивает более однородный состав паяного шва, позволяет повышать его прочность и пластичность, поскольку при этом способе интерметалладные прослойки растворяются.
Источники нагрева выбираются в зависимости от габаритов изделия, его конструктивных особенностей, материала, а также от объема выпускаемой продукции и условий производства. Наибольшее paonpoctf-ранение в производстве летательных аппаратов получили следующие виды нагрева: печной, индукционный, электросопротивлением, погружением во флюс (припой), газовым пламенем и электрическим паяльником.
Типы паяных соединений
В паяных конструкциях соединяемые элементы представляют собой детали самой разнообразной формы и размеров, полученные литьем, штамповкой, резанием и другими методами формообразования. Это многообразие осложняет выработку общих рекомендаций по проектированию паяных соединений. Тем не менее, практикой конструирования вырабо-
таны общие рекомендации по проектированию паяных соединений для конструкций различных .форм.
Рассмотрим наиболее распространенные типы соединений, характерные для плоских, стержневых и трубчатых конструкций.
В плоских паяных конструкциях встречаются типовые соединения внахлестку, встык, втавр, представленные на рис. 1.4,а,б,в соответственно.
Рио. 1.4. Типы паяных соединений
При проектировании следует учитывать, что прочность припоя и зоны оплавления паяного соединения ниже прочности основного металла и для улучшения механических овойотв соединения следует увеличи вать площадь паяного шва. Поэтому при пайке предпочитают нахлесточ ное соединение (см. рис. 1.4,а), позволяющее за счет увеличения частичного перекрытия взаимно параллельных поверхностей деталей (нахлестки) достичь его равнопрочнооти с основным металлом. Недос
татком нахлесточного соединения является наличие изгибающего мо
мента в зоне паяного шва. Для его устранения в плоских конструкциях применяют замковое соединение (рис. 1.4,г) и с накладками
(рис. 1.4,ж). В тех случаях, когда с одной стороны нахлесточное со
единение необходимо сохранить плоским, применяют нахлестку (рис. 1.4,д), образуемую подгибкой одного из соединяемых элементов
Для симметричного распределения нагрузок и повышения прочности
иногда применяют соединения с накладками с двух сторон (см.
рис. 1.4,ж). Те же цели достигаются применением ступенчатых соединений, которые ввиду сложной подготовки кромок применяются только
в ответственных конструкциях. В косостыковых соединениях (рис. 1.4,е) довольно трудно обеспечить плотное прилегание паяе-
мых поверхностей, поэтому их применяют редко. Соединения встык (см. рис. 1.4,6) применяют в тех случаях, когда способ пайки и припой обеспечивают равнопрочноеть конструкций. Тавровые соединения (см. рис. 1.4,в), так же как и стыковые, не характерны для паяных конструкций, но их применяют в ряде случаев для удобства оборки сложных узлов. Более высокую прочность имеют тавровые соединения с подгибкой вертикального элемента, увеличивающей площадь паяного шва (рис. 1.4,з).
В трубчатых и стержневых конструкциях при пайке труб и стержней между собой и'с фланцами, втулками, трубными досками используются соединения, представленные на рис. 1.5.
При соединении стержней применяют охватывающую втулку (рис. 1.5,6). Соединение стержней встык (рис. 1.5,а) из-за недостаточной прочности применяется редко. При соединении труб также целесообразно применять втулку. Эту втулку можно устанавливать внутри или снаружи (рис. 1.5,в,г). Конструктивные формы соединений стержней и труб с фланцами, трубными досками, втулками представлены на рио. 1.5,д,е..
°)	S)
Рис. 1.5. Примеры паяных соединений труб и стержней
Рис. 1.6. Примеры неправильно (а,б,в) и правильно (г,д,е) спроектированных соединений 
паяных соединений следует учиты-
При проектировании всех типов вать, что паяный шов имеет пониженную пластичность, и.поэтому соединения не должны находиться в зоне концентратора напряжений.
10
II
Примеры неправильно и правильно спроектированных паяных со-
единений приведены на рис. 1.6,а,б,в и Т.б.г^ц.е соответственно, Соединение рис. 1.6,а менее прочно, чем 1.6,г, так как место расположения концентратора напряжений совпадает с паяным швом. Менее нагруженными будут швы в конструкциях, изображенных на рис. 1.6,д,е. Максимальную прочность обеспечит соединение, показанное на рис. 1.6,е.
Определение геометрических размеров типовых паяных соединений й оптимальной массы припоя
Вобрав тип соединения, необходимо определить его основные конструктивные размеры. Размеры определяют из условий обеспечения прочностных свойств конструкции. В основе расчета лежит предпосылка о равнопрочнооти паяного соединения наиболее слабому из элементов конструкции, соединяемых пайкой.
Рассмотрим схему расчета стыкового паяного соединения (см. рис. 1.4,6).
Расчет размеров стыкового паяного соединения конструкции, работающей на продольное растягивающее напряжение, производится из условия равноцрочности паяного соединения основному металлу:
№р^вшГс,
где - допускаемое напряжение для основного металла при растяжении (известно);/- - площадь поперечного сечения наиболее слабого из соединяемых пайкой элементов конструкции, определенная из чертежа; 6вц|- допускаемое напряжение для стыкового шва при растяжении (определяется маркой выбранного припоя); /~ - площадь стыкового паяного соединения.
Из соотношения (I.I) определяется площадь стыкового паяного
ШБа:	г= СА .
с баш
Расчет нахлесточных паяных соединений (см. рис. 1.4,а), работающих на срез, производится также из соотношения, определяющего равнопрочноеть паяного соединения основному металлу:
12
где[^]р - допускаемое напряжение для основного металла при растяжении (известно);/ - площадь поперечного сечения наиболее слабого из соединяемых пайкой элементов конструкции, определяемая из чертежа;-!? - ширина шва, определяемая из чертежа; - величина нахлестки; - допускаемое напряжение в паяном шве при срезе (определяется маркой выбранного припая).
Из соотношения (1.2) определяется величина нахлестки:
'•Жг
Аналогично величина нахлестки в телескопическом соединении
составит	г . , _
Л [6\Г
(1,4)
где Я - радиус охватывающей трубы.
При конструировании нахлесточных соединений следует учитывать, что увеличение нахлестки выше расчетной величины не увеличивает прочность соединения и в то же время увеличивает массу конструкции, расход основного металла и припоя, поэтому при конструировании следует брать оптимальное, расчетное значение нахлестки.
Расчет тавровых паяных соединений, работающих на изгиб (спаянная балка), производится по напряжениям среза, возникающим в паяном шве:
X. 8 $ И <=р ’	(1-5)
v VV О
где Q - сила в элементе, испытывающем поперечный изгиб; - статический момент площади пояса относительно центра тяжести сечения (определяется геометрией балки); момент инерции всего сечения (определяется из чертежа); - толщина вертикального листа, равная протяженности шва; - допустимое напряжение при срезе для паяного шва (определяется Маркой выбранного припоя).
Отсюда определяется протяженность шва, равная толщине .листа:
В ступенчатом паяном соединении (см. рис. 1.4,г) при расчете необходимо одновременно учитывать напряжения среза и растяжения:
[6]р /~=	+ L6]p 'вса+с),
13
1
где	Допустимые напряжения растяжения и среза в паяном
шве (определяются маркой выбранного припоя);/" - площадь поперечного сечения наиболее слабого из соединяемых пайкой элементов конструкции, определяемая из чертежа;-^ - ширина шва (определяется из чертежа); / - величина нахлестки; с - толщины ступеней соединен ния, в сумме равные толщине всего соединения; [^1 - допустимое напряжение для основного металла, при растяжении (Известно).
Зададимся толщиной металла (а+е ) и, выбрав припой, из уравнения (1.3) определим величину нахлестки/ .
Стыковое соединение с накладками рассчитывают с учетом равномерного распределения нагрузки по площади стыкового и нахлеоточного швов.
йгбор рационального зазора между паяемыми поверхностями (паяльного зазора)
Практика эксплуатации показывает, что при других равных усло-1 виях прочность паяного шва в значительной степени зависит от раз  мера паяльного зазора. При слишком малом зазоре припой не заполняет паяный шов, из-за чего прочность шва снижается. При очень боль-1 ших зазорах перестают действовать капиллярные силы, обеспечивающие I
затекание припоя в зазор, шов не заполняется припоем, и прочность соединения также будет пониженной. С ростом зазора в шве возрастает доля литого металла, снижается легирование припоя паяемым метал
лом, а, как известно, это легирование оказывает упрочняющее действие, причем чем меньше толщина шва (ширина зазора), тем оно выше.
При больших зазорах прочность шва снижается, так как она целиком
определяется прочностью литой зоны шва. Характер зависимости предела прочности паяного соединения при срезе'Гер от величины зазора показан на рис. 1.7.
Рис. 1.7. Зависимость предела прочности паяного соединения при срезе от величины зазора (припой ПОС-61, основной металл - латунь)
Из рисунка следует, что существует оптимальное значение
паяльного зазора, при котором обеспечивается максимальная прочность паяного соединения. Известно, что это значение меняется с 14
изменением паяемого материала и припоя, т.е. оптимальная величина паяльных зазоров находится в зависимости от физико-химичеоких свойств паяемых материалов и припоев. Результаты выполненных рядом авторов исследований по выбору оптимального зазора для различных материалов и припоев представлены в табл. I.I в качестве рекомендации для конструктора.
Таблица I.I
Паяемый металл	Припой ’	Величина зазора, мм	Паяемый металл	Припой	Величина зазора, мм
Алюминий и его сплавы	/IL-5L	0,15-0,25	Сталь коррозионная	Си Си' Zu flu ~ Си NL -Сг	0,01-0,10 0,02-0,12 0,03-0,08 0,08-0,20 0,65-0,10
Никелевые сплавы	Nl-Cr	0,05-0,100			
Медь и ее сплавы	Cu-Sn Sn-Рб flg-Cu-P	0,04-0,20 0,07-0,20 0,02-0,15 		Титан и его сплавь J		Си-TL,Си-Р	0,03-0,05 0,03
Определение оптимального количества припоя
Качество и экономичность производства паяных изделий при капиллярной пайке в значительной мере зависят от дозирования припоя. При недостаточном количестве припоя зазоры остаются незаполненными, и соединения получаются ненадежными. Избыток припоя приводит к интенсивному растворению металлов, к образованию натеков и наплывов, что ухудшает качественные показатели изделия, повышает трудоемкость производства и расход дефицитных и драгоценных материалов .
Количество припоя, необходимое для получения соединений, определяется соотношением
Q. =	(1.6)
где Q - требующееся количество припоя, кг;А - наибольший зазор в соединении при температуре пайки, м; h. - высота или ширина соединения, м; / - протяженность соединения, м; р - плотность припоя, кг/м^.
Коэффициент 1,5 учитывает объем образующихся галтелей и потери металла при пайке.
15
При пайке стыковых соединений с прижимом, когда припой приме няется в виде фольги, величина зазора составляет
где наибольшая высота микронеровностей паяемых поверхностей дФ, +ДФ& - суммарное отклонение от плоскостности первой и второй деталей.
Практика производства показывает, что укладка дозированных з; готовок припоя в количествах, определяемых формулами (1.6) и (1.7) обеспечивает получение качественных паяных соединений.
Обеспечение требований технологичности при конструировании паяных соединений
При конструировании, как показано выше, необходимо обеспечи-чить определенные зазоры между паяемыми поверхностями. Во избежание смещения деталей в процессе пайки необходимо предусмотреть фиксацию деталей друг относительно друга.
Фиксация деталей может быть обеспечена конструкцией узла: плотной посадкой, накаткой, обжатием, штифтованием, заклепками, развальцовкой, кернением и др. Допускается прихватка аргонодуговой или контактной сваркой, обвязка проволокой, закрепление скобами.
На рис. 1.8 приведены примеры фиксации деталей.
В тех случаях, когда при пайке сложных конструкций детали нель зя закрепить каким-либо из указанных способов, сборка и пайка произ водятся в специальных приспособлениях. Конструкция приспособлений должна обеспечивать свободное расширение деталей при нагреве, наименьший теплоотвод от них и не должна препятствовать формированию паяного шва. Поэтому приспособления изготавливают из графита, керамики и хромированной стали.
В процессе проектирования паяных соединений необходимо, выбрав припой и способ пайки, предусмотреть способ подачи или размещения припоя и создать условия его затекания в зазор. Примеры рационального размещения припоя в соединении при печной пайке штампованных и точеных деталей приведены на рис. 1.9.
Припой укладывается таким ооразом, чтобы при плавлении он заполнял паяный зазор.
При пайке конструкций, имеющих замкнутый объем (рис.I.10,а,б, виг), необходимо предусмотреть технологические отверстия диаметром 0,5-1,5 мм для выхода воздуха и газов, затрудняющих затекание 16
\\\\\VW
w m о
ГО В

st as Ф ffl i A AS
St

4 s
is
в g Й ’g §
§
p<..
св в о a> нд
ь, о a> ® е,§|§' §§ f. ЗЗчф m в 5 о а в з фЗ
>,о в-'Лсо
§З.Ж« s й <и Го
СТ О <D ГО Й  <D .*B •’O « Q 1Я ГООВО В О tt Й го о oslssss ИЙЙЯЙ,.
s
§ ви>ав ч rows
К I го Н •’
о ЕН ГО а Го
«-ёго'1 Ks ' &§« -'й СЙ Ей ••
। г*5 О чэхэ к
17
е)
Рис. 1.10. Примеры конструкций паяных соединений: ' а,в,д - нерекомендуемых;
б,г,е - рекомендуемых
Проектирование изделия с
облегчают улучшают
флюсовых
припоя в зазор. Во фланцевых соединениях технологические припуски на длину около 2 мм подачу флюса и припоя, формирования галтели (рис. 1.10,д и е).
При использовании
способов пайки, когда необходимо удалять остатки флюса, вызывающие! коррозию паяных соединений, следует предусмотреть в конструкции возможности их удаления: ликвидировать закрытые полости, запроектировать технологические отверстия, обеспечить доступ к паяному шву для дробеструйной, гидро-пескоструйной обработки или обработки щеткой.
учетом способа его изготовления по
зволяет конструктору создавать технологичные конструкции.
Требования к паяным соединениям и этапы конструирования паяных соединений
Паяные соединения, являясь элементами конструкций, должны удовлетворять всем требованиям,предъявляемым к этим конструкциям. Поэтому в технических требованиях на паяные соединения указывают марку соединяемых материалов, условия их работы (рабочую температуру, среду, нагрузку). К паяным соединениям предъявляются также и специальные требования. Необходимо учитывать требования коррозионной стойкости и прочности при повышенной температуре (жаропрочности), тре- . бование герметичности. II наконец, при выборе метода пайки необходимо обеспечить требуемую производительность процесса.
Конструирование рекомендуется проводить последовательно, в несколько этапов:
I.	Выбрать припой. Его выбирают в зависимости от физико-химических свойств паяемого материала и технических условий на паяное соединение, предусматривающих обеспечение заданной прочности, коррозионной стойкости и герметичности. На выбор припоя оказывает влияние и способ пайки, который выбирается во вторую очередь, поэтому выбор припоя уточняется после выбора способа пайки.
18
2.	Шбрать способ пайки и способ удаления окисной пленки. Выбирать способ пайки следует с учетом химического состава и свойств основного металла и припоя, конструкции изделия, программы выпуска изделий, наличия оборудования, особенностей нагрева. Например, индукционный нагрев, требуя установки индуктора по меоту пайки, не допускает наличия в зоне шва острых кромок, тонких стенок й перемычек у отверстий, так как они могут легко оплавляться.
При выборе способа следует учитывать и то, что качество пайки с местным нагревом ниже, возможно коробление изделия, выгорание легкоплавких составляющих припоя и пережог основного металла. При общем нагреве в печах, соляных ваннах, в расплаве припоя и др. (паяное изделие прогревается равномерно по всему объему. В этом случае условия течения расплавленного припоя и формирования шва значительно более благоприятные, меньше деформации при пайке и выше стабильность качества пайки.
Выбор способа удаления окисной пленки в процессе пайки зависит от способа нагрева. При местном нагреве зоны паяного шва следует применять флюсы. При общем нагреве следует применять нейтральные или активные газовые среды, особенно в том случае, если изделие должно иметь высокую коррозионную стойкость. В случае применения флюсов нужно предусмотреть в конструкции возможность удаления остатков флюса после пайки.
3.	Убрать тип паяного соединения, с учетом требований технического задания, сборки и дозирования припоя. Определить основные размеры паяного соединения (величину нахлестки, зазор).
Принятые конструктором решения оформляются записью в чертеже на изделие в соответствии с обозначениями ГОСТ 2.331-82. Условное изображение и обозначение неразъемных соединений.
Контроль качества пайки
Качество паяных соединений определяется их работоспособностью в заданных условиях с высокой степенью надежности. Существенно снижают качество паяных изделий дефекты, возникающие при изготовлении паяных соединений. К наиболее типичным дефектам паяных соединений относятся поры, раковины, шлаковые и флюсовые включения, непропаи и трещины.
Наиболее распространенным в промышленности методом выявления дефектов является технический осмотр изделия невооруженным глазом или с применением лупы в сочетании с измерениями размеров. Осмотр
19
ч
позволяет проверить качество поверхности, степень заполнения зазоров припоем, наличие галтелей, обнаружить трещины и другие наружны дефекты.
Применяют и более точные методы контроля: радиационный, акустический, капиллярные методы, контроль течеискателем и разрушающие методы контроля.
Последний метод контроля позволяет выявить механические свойства паяемых соединений при различных способах нагружения на образцах - "свидетелях", т.е. образцах, паявшихся по той же технологии, что и изделие. В табл. 1.2 приведены примеры выявляемых дефектов паяемых соединений, причины их возникновения и меры предупреждения.
Таблица 1.2
Ейд дефекта	Причины возникновения	Меры предупреждения
I	2	3
Смещение и перекосы паяных соединений	Плохое крепление изделий перед пайкой	Использовать оснастку и приспособления, обеспечивающие надежную фиксацию изделия в процессе пайки
Припой не омачивает поверхность металла в зоне пайки Пористость шва	Недостаточный нагрев под пайку	Повысить температуру нагрева
	Наличие загрязнений или окислов	Проверить составы травителей и обезжиривателя
	Не обеспечено флюсование Большая разница температур плавления припоя и флюса Высокая температура нагрева или слишком продолжительный нагрев	Использовать более активный флюс Подобрать припой и флюс в соответствии с требованиями технологии пайки Сократить время или снизить температуру нагрева
	Испарение компонентов припоя и флюса	Снизить время и температуру нагрева
Наплывы или натеки припоя	Изделие недостаточно прогрето при пайке, малое время выдержки, плохое смачивание поверхности припоем	Повысить_темпе_ратуру и время нагрева. ...еханичес-ки удалить избытки припоя
20
Окончание табл. 1.2
I	2	3	
Включения флюса в паяном шве	Температура плавления припая ниже температуры плавления флюса	Вобрать флюс, температура плавления которого ниже температуры плавления припоя
	Заполнение паяльного зазора происходит с двух сторон	Обеспечить одностороннее заполнение зазора припоем
Не образуются гал; тели с обратной Стороны шва	-Не выдержан оптимальный зазор	Изменить размер зазора, поднять температуру нагрева, увеличить количество припоя
	Не выдержан режим нагрева	Обеспечить равномерный прогрев всего изделия до оптимальной температуры
	Плохое качество очистки паяемой поверхности	'Пцательнее очистить паяемую поверхность, применять более активные флюсы
Z	Отсутствие выхода для газов из замкнутых полостей в зоне шва	Сделать технологические отверстия
Шероховатая поверхность паяемого шва	Вгсокая температура или слишком продолжительный нагрев	Снизить температуру или сократить время нагрева
Высокое электросопротивление паяемого контакта	Ложная пайка или пайка произошла не по всей поверхности контакта	Повторно облудить паяемые поверхности и спаять их
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
I.	Ознакомиться с инструкцией по технике безопасности и с настоящим описанием работы.
2.	Подготовить латунные пластины толщиной 6= 0,3 мм следующим образом: 1-й и 2-й - зачистить шкуркой и обезжирить, 3-й - зачистить шкуркой, но не обезжиривать, 4-й - не зачищать и не обезжиривать.
3.	Подготовить навески припоя ПОС-61 массой 10 г.
4.	Подготовить паяльник к пайке, проверив температуру его на-гоева; нанести флюс ФКСП на место пайки в центре пластины и поместить туда навеску припоя.
5.	Нагретым паяльником расплавить все навески. Время расплавления всех навесок должно быть одинаковым, обеспечивающим полное расплавление припоя.	21
1
6.	Измерить теневым методом угол в и оценить степень смачи- I вания в зависимости от качества подготовки поверхности. Оценить качество подготовки.
7.	Рассчитать величину нахлестки при телескопическом соединен нии деталей (необходимые исходные данные получить у учебного мастера) .
8.	Указать способ крепления паяемых деталей, выданных мастером в процессе пайки и кристаллизации.
9.	Рассчитать количество припоя, необходимое для образования соединения при капиллярной пайке для материала, выданного препода вателем.
10.	Полученные данные представить в виде отчета.
Работа 2. ЭЛЕКТРОМОНТАЖНАЯ ПАЙКА ПШ ПРОИЗВОДСТВЕ ЭЛЕКТРО- И РАДИОАППАРАТУРЫ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Цель работы - ознакомить студентов с типами паяных электромонтажных соединений, припоями, флюсами и способами пайки; научить студентов конструированию электромонтажных соединений при проектировании электро- и радиоаппаратуры.
ОНЦИЕ СВЕДЕНИЯ
Электромонтажная низкотемпературная пайка, при которой используется припой с температурой плавления ниже 723 К, нашла широкое применение при изготовлении электро- и радиоаппаратуры летательных аппаратов. В основном она применяется при выполнении электромонтажных соединений проводников в блоках приборов и электроэлементов на печатные платы.
Такие паяные электромонтажные соединения должны обеспечивать малое и стабильное электросопротивление, выдерживать эксплуатационные нагрузки и сохранять коррозионную стойкость в течение всего срока службы прибора.
Знание особенностей электромонтажной низкотемпературной пайки позволит конструктору обоснованно выбрать тип соединений, припой, флюс и способ нагрева.
Типы электромонтажных соединений и особенности сборки под пайку
При изготовлении электро- и радиоаппаратуры паяные соединения призваны обеспечить надежную электрическую связь всех элементов, входящих в прибор. 22
В современном приборостроении применяются два вида монтажа: объемный и печатный.
Объемный монтаж осуществляется изолированными проводами, собираемыми обычно в жгут и соединяющими отдельные электроэлементы или приборы между собой.
Печатный монтаж осуществляется о помощью печатных плат, содержащих проводники в виде фольги, запрессованной в диэлектрик. Относительная доля печатного монтажа неуклонно увеличивается в соответствии с общими тенденциями развития радиоэлектронной аппаратуры: снижением массы, увеличением плотности компоновки, повышением надежности и стабильности качества паяных соединений.
Типы монтажных паяных соединений, наиболее распространенных в отечественном и зарубежном Приборостроении, приведены на рис.2.1.
Рис. 2.1. Типы монтажных соединений: а,б - соединение элементов со штыревыми выводами с печатной платой; в - соединение элемента о планарными выводами с печатной платой; г,д,е - варианты соединения при объемном монтаже
При объемном монтаже тонким проводом диаметром 0,2 мм и менее применяется навивка провода на конструктивные элементы, штыри, лепестки и т.п.; при Проводе большего диаметра разрешается перед пайкой осуществлять механическое крепление неполным оборотом -образуется соединение типа крючка (рис. 2.1,г). При очень плотном монтаже допускается укладывать провод перед пайкой внахлест в "ложечку" лепестка (рио. 2.1,е), обеспечивая его неподвижность при пайке и кристаллизации припоя.
При печатном монтаже пайка осевых выводов круглого и некруглого сечения производится в металлизированные и неметаллизирован-^-ные отверстия печатных плат, а пайка планарных выводов микросхем, перемычек из многожильного провода, проводников плоских кабелей и гибких шлейфов (рис. 2.1,в) ведется внахлест к печатным проводникам плат.
Величина нахлестки рассчитывается из условия равнопрочности паяного соединения наименее прочному проводнику (см. работу I, формулы (1.2) и (1.4)).
23
Зазор при монтажной пайке существенно влияет на формирование соединений, особенно при электромонтаже на печатные платы. При слишком малых зазорах из-за вязкости припой не успевает за вре мя пайки подняться вверх на всю высоту платы. При слишком больших зазорах припой может вытекать вниз на обратную сторону платы. При проектировании модуля необходимо соблюдать следующее соотношение между диаметром металлизированного отверстия [) на плате и диамет ром вывода электрорадиоэлемента:	'е
4L ' cL= и,2 т 0,4 мм.
При объемном электромонтаже (см. рис. 2.1,г,д,е) постоянство зазора в диапазоне 0,1-0,3 мм обеспечивается навивкой и подгибкой выводов.
Припои
Основу низкотемпературных припоев при электромонтажной пайке составляют сплавы свинца и олова. Они обладают высокими технологическими свойствами, пластичны, не требуют применения сложного, дорогостоящего оборудования при выполнении пайки. Диаграмма состояния сплавов олово - овинец и изменения их жидкотекучести приведены на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Диаграмма состояния (а) и изменения жидкотекучести (б) сплавов олово - свинец
Из диаграммы следует, что сплав, состоящий из 61 % олова и 39 % свинца, является эвтектическим и имеет минимальную температуру плавления (затвердевания) 456 К. Этот сплав имеет максимальную жидкотекучесть и обладает лучшими технологическими свойствами. Из диаграммы следует', что увеличение в сплаве доли свинца ведет к рос
ту температуры кристаллизации и снижению жидкотекучести оловянно-
свинцовых сплавов.
Основные типы припоев, использующиеся для низкотемпературной
пайки электромонтажных соединений, их химический состав и физико
механические свойства приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Предел прочности при растяжении , МПа		ю_ 5	3 С? 3	$	1	00 III
Удельное электросопротивление. Р-I08 0м«мм2/м		ф	ОТ	ОТ	СЧ	ОТ	, ( ( (	( ОТ	ОТ	ОТ	О	О М	м	м	м	сч
Температура плавления, К	конец	от	от со от от	от от от от-# ОТ	ОТ О О •#	м о > у ’Ф	от от от	от’#’#
	начало	ОТ	ОТ со	ОТ	t-	СО	От	От О’# ОТ	ОТ ОТ	ОТ	М	ОТ	у	ОТ ®у # #	# от	от «# от от«г
Химический состав		vc vivc	а о ОТ	ОТОТ N	СМ	®	ОТ	VA	ОТ	ОТ »	•	сЛ	1 О	О + +	+	+	ОТ	от	• V;	У ОТ 5»	«ОТОТ	ОТ	ОТ	J	d._j	Ч О» VI <Л- - -	* ОТ	- t- TAVi Vi VLVi V5.VC S*	ЪЧ ,£VC ## - • -	VC Vi От OTOT _£ н НО	ОТСО	ООО	М1>	О	ОТ	MIL	ютют ОТОТ	ОТОТ	«#ОТ	«#ОТ	<#ОТ	суот	^ОТ	4<от o><i	отс5>	осп	отсЬ	Лот	отм	оот	отот	о> ОТ«С	ОТ-#	ОТОТ	отот	<Т)	СП	отот	отот	отот
Марка		М	МО	от	от	от	о Ч>	4 7	° 4"	й	Л 8	88	8^8Л,&	8	8	85* и	К 1=1	ЙО ИО ПИП	йс
Группы припоев		1 О	Ф §	S	ф	ф 1 ф Ф	|фо	1 Я 1 Ф Я °3	з	°3	”	2	Я	ёз	S	ф Й Я	Л	я S	К	Я	Я	я я	о	я гео	о,	=а о	я	я	о,	о ф	е<	д «я	>>	«й 2=	я>о яд >>	ф ЯВ	О	ЯЯ	Я	И	ф	ГЕ 2	Е	S Os;	ОФ	Os;a	О рь s § о	д гчя	фя	с:я>>	5фр>фя	я оо Ив.	о а о о о о я и S
Примечание. Предел прочности на срез Т =0,8
25


Рлорянно-овинцовые припои наиболее распространены в радиоэлектронной промышленности и применимы для всех методов пайки со всеми флюсами. У них удовлетворительная коррозионная стойкость во многих средах. Температура начала плавления у всех промышленных оловянно-свинцовых припоев одинакова (456 К), поэтому ни один из них нельзя применять при температуре эксплуатации выше 426 К. Наиб лее распространенным припоем в монтажной пайке является припой ПОС-61. Его отличает узкий интервал кристаллизации, что способству ет хорошему формированию паяных соединений в условиях быстрого охлаждения. Невысокая температура плавления позволяет паять навесной монтаж на платах из таких нетермостойких материалов, как гетинакс и травящийся диэлектрик многослойных плат, предупреждать термическое разрушение клеевого подслоя фольги на печатных шлейфах. Невысо
кая вязкость припоя позволяет использовать его и для групповой пайки волной припоя.
Помимо монтажной пайки, припой ПОС-61 широко применяется для пайки ответственных узлов, например, роторов и статоров^конденсаторов переменной емкости, деталей волноводных трактов и т.п. Лужение деталей припоем ПОС-61 способствует сохранению паяемооти не ме нее чем- на 6 месяцев.
При объемном монтаже, когда более массивные элементы требуют повышенного нагрева, в частности для пайки штепсельных, высокочастотных и коаксиальных разъемов, для межблочных кабелей и кабельных наконечников и т.п., используют малооловянистый припой П0С-40 с повышенной температурой ликвидуса. В связи с широким интервалом кристаллизации припоя П0С-40 для предотвращения трещин паяемые детали необходимо скреплять до полного затвердевания припоев.
Введение в оловянно-свинцовый припой сурьмы приводит к повышению прочности припая, предела ползучести и предотвращает аллотропическое превращение олова (оловянную чуму) при отрицательных температурах.
Однако введение сурьмы снижает смачивающую способность оловян но-овинцовых припоев. Эти припои нельзя использовать для пайки деталей с цинком и адюминием из-за появления хрупких интерметаллидов Сурьмянистые припои ПОС Су применяют для пайки деталей приборов ши рокого назначения: реле, светоооветительной аппаратуры и т.д.
Соединения, выполненные оловянно-свинцовыми припоями, низкую коррозионную стойкость в условиях тропиков, а также личии конденсата; стойкость припоя понижается с понижением ния в припое свинца. Для работы в этих условиях соединения 26
имеют
при на-содержа необхо-

димо защищать лакокрасочными покрытиями, Вюокую коррозионную стойкость имеет оловянно-свинцовый припой, легированный серебром. Соединения с таким припоем устойчивы против коррозии без лакокрасочных покрытий.
Легкоплавкие припои имеют температуру плавления 343-423 К и представляют собой сплавы свинца и олова о кадмием, индием и висмутом. Их химический состав и физико-химические свойства приведены в табл. 2.1. Легкоплавкие припои применяют при ручной пайке термочувствительных элементов, которые не должны нагреваться до температуры, превышающей 343-423 К. Эти припои широко используют при ступенчатой пайке паяльником, чтобы не расплавить близкорасположенные соединения, ранее выполненные с использованием оловянно-свинцовых припоев. Наибольшее распространение среди легкоплавких припоев в электромонтажной пайке получили припои, легированные кадмием (П0СК-50) и висмутом (ПОСВ-33). Припой П0СК-50 обладает высокой прочностью, вдвое превышающей временное сопротивление оловянно-свинцовых припоев, и высокой технологичностью. Однако этот припой не может быть рекомендован для групповой пайки из-за быстрого обеднения кадмием в результате испарения и окисления.
Пайку экранирующей оплетки заземляющих проводников рекомендуется проводить припаями ПОСВ-33 и П0СВ-50. Эти же припои используются для лужения проводников печатных плат с целью повышения их паяемости.
Индиевые припои обладают хорошей электро- и теплопроводностью, высокой пластичностью, хорошо смачивают стекло и керамику. В электромонтаже эти припои не нашли широкого применения, они используются при пайке полупроводниковых приборов, стекла, кварца и керамики.
Оловянные припои с серебром, сурьмой и медью. Припои на основе олова, содержащие серебро, сурьму, медь (Н1рб, ffip9), обладают высокой коррозионной стойкостью и применяются для пайки монтажных соединений, работающих в сложных условиях (в тропиках, в морском тумане и в промышленной атмосфере) без защиты паяных соединений лакокрасочными покрытиями. Химический состав и температура плавления припоев Шрб и Н1р9 приведены в табл. 2.2.
27
Таблица 2.2.
Марка припоя	Химический.-состав, % (остальное 5п.)			Температура плавления, К
	fa		Си	
Н1р6	7,5-8,5	6-8	-	518-548
Н1р9	4,5-5,5	0,8-1,2	1,5-2,5	493-508
Способы подготовки поверхности деталей под пайку
Для получения качественного соединения необходимо, чтобы паяемые участки были очищены от изоляции, окиолов и загрязнений. С этой цедью перед пайкой проводятся подготовка поверхности к пайке. Существует несколько способов очиотки поверхности паяемых деталей под низкотемпературную пайку: термический, механический и химический. Кроме того, для этих же целей на паяемую поверхность наносят покрытия металлов, хорошо омачиваемые припоями.
Термическая очистка применяется для удаления следующих видов | изоляции с проводов: лаковой, полиуретановой и тефлоновой. Для. термической очистки применяют керооино-киолородные и ацетилено-киоло-родные горелки. После обжига производится механическая зачистка проводов для удаления продуктов обжига.
Механическая зачистка в настоящее время получила наибольшее распространение в промышленности, ее производят шабером, скальпелем, напильником, шкуркой, резиной и абразивом, металлическими щетками.' Наряду с ручной механической зачисткой промышленность выпус-кает несколько типов автоматов.
Химическую очистку поверхности осуществляют о целью обезжиривания и травления. Для обезжиривания используют трихлорэтилен, четыреххлористый углерод и другие органические растворители, а также слабые щелочные растворы.
Для травления конструкционных медных и латунных деталей и волноводов применяется 5-10%-й водный раотвор соляной кислоты. После травления производится пассивация обработанной детали в растворе 2%-го бихромата натрия с 3%-й серной киолотой. Этот споооб химической очистки монтажных проводов применяют только в отдельных случаях для снятия лаковой и полиуретановой изоляции с последующей тщательной промывкой.
Нанесение покрытий на паяемые поверхности при низкотемпературной пайке - широко используемый способ подготовки поверхности. Наи-28
более распространено получение покрытия лужением поверхности детаг ли сплавом Зп ~Р&. Лужение выполняют погружением паяемых участков деталей в расплав. Наряду о лужением применяют гальваническое нанесение слоя припоя с последующим его оплавлением. Оплавление производится обычно погружением детали в расплавленный флюс или нагревом поверхности кварцевыми лампами. Последний способ является основным при подготовке к пайке печатных плат.
Флюсы
В табл. 2.3 приведены марки, составы и характеристики наиболее распространенных флюсов для низкотемпературной пайки монтажных и конструкционных соединений из медных сплавов.
Наиболее широко при пайке электромонтажных соединений из медных сплавов применяются беокиолотные флюсы на основе канифоли. Канифоль - это твердое органическое вещество, нелетучая фракция смолистых веществ хвойных деревьев, представляющая собой смесь нескольких компонентов с температурой плавления 353-398 К. Флюсующим свойством в канифоли обладает обиентиновая кислота CgoHscAS' которая в расплавленном состоянии удаляет оксидные пленки с поверхности таких металлов, как медь, серебро, золото.
Остатки канифоли не вызывают коррозию паяных соединений, поэтому канифоль широко применяется при пайке ответственных соединений.
Широкое распространение получил спиртоканифольный флюс, преимуществами которого являются’ универсальность, слабое коррозионное действие, позволяющее в ряде случаев исключать операцию отмывки. К недостаткам флюса относится невысокая активность.
Канифольные флюсы (ЛТИ-12О, ЛМ-I), активированные 2-3,5$ органических кислот - салициловой, бензойной и др., обладают повышенной активностью и успешно иопользуютоя при групповой и ручной пайке многослойных печатных плат. Однако требуется тщательная отмывка остатков флюса после пайки, поскольку они снижают изоляцию диэлектрика и вызывают коррозию проводников.
Преимуществами бесканифольных флюсов ФТС являются: стабильность химического состава, не зависящая от колебаний кислотного числа; повышенная активность; продолжительный срок хранения на рабочем месте - до двух-трех недель.
29
Таблица 2.3
Группа флюса	Наименование или марка флюса	Состав флюса	Температурный интервал активности, 1 к	
I	2	3	4		
Бескислотные	Канифоль	Канифоль натуральная -	423-573
	КСП	Канифоль - 30 $ 1 Спирт этиловый - 70 %	423-573
	КЭ	Канифоль - 24 % Стеарин - I % Спирт этиловый - 75	423-573
	Глицериноканифольный	Канифоль - 50 г Глицерин - 100 см3	453-573
		Денатурат - 850 см3	
Активированные	ЛТИ-120	Канифоль - 20-25 % Диэтиламин соляно-кислотный - 3-5 $	503-603
		Триэтаноламин - 1-2 % Спирт этиловый - 68-74 %	
	JiM-I	О^т^фосфорная кислота -	473-603
		Канифоль - 6 % Спирт этиловый - 62 %	
Органические	Ф-55	Гидразин солянокислый -	502-603
		Глицерин - 5 % Этиленгликоль - 30 % Этиловый спирт - 61	
	ФТСП	Триэтаноламин - 6 % Кислота салициловая - 6 $ Спирт этиловый - 24-28 % Вазелин - 61-60 %	473-573
	ФТС	Триэтаноламин - 1-1,5 % Спирт этиловый - 95-94 % Кислота салициловая - 4-4,5 %	498-098
	Прима 2	Хлористый аммоний - 4 % Хлористый цинк - 6 % Соляная кислота - 5 %	423-673
30		Вода - 85 %	
Окончание табл. 2.3
I	2	3.	4
	ФФ	Кислота ортофоофорная -84—85 % ^да^д|стиллированяая -	423-573
Для пайки волной припоя применяется водорастворимый флюс Ф-55, об-легчапций операцию отмывки.
Флюс ФТСП с успехом применяется для перепайки схем с плотным монтажом.
Очистные жидкости для отмывки деталей от остатков флюса после пайки должны растворять флюсы. Водорастворимые флюсы отмывают в проточной горячей (до 330 К) и холодной воде. Канифольные флюсы в процессе ручной пайки отмывают этиловым спиртом (изопропиловым).
Платы печатного монтажа по окончании ручной пайки о использованием смолосодержащих флюсов промывают в ванне со опиртобензино-вой смесью (1:1) щетками либо с применением ультразвуковых колебаний. При групповой пайке с водонераотворимыми флюсами применяется ультразвуковая очистка опиртобензиновой смесью, а также фреонами.
Способы нагрева и пайки
Низкотемпературная электромонтажная пайка производится о применением нагрева электрическим паяльником, погружением в расплавленный припой, волной припоя, инфракрасным и световым излучением.
Нагрев электрическим паяльником. Самым распространенным инструментом для пайки электромонтажных соединений является паяльник, нагрев которого осуществляется электрическим током.
Паяльник состоит из трех основных частей:
I)	медного стержня с заточенным концом, называемым жалом;
2)	обмотки нагревательного элемента, изолированной от медного стержня и заключенной в металлический корпус;
3)	ручки из теплоизоляционного материала, через которую проходит шнур для питания обмотки нагревательного элемента и включения паяльника в электрическую сеть.
Для пайки особо ответственных изделий используют электропаяльник, температура нагрева жала которого регулируется с помощью терморегулятора, управляемого термопарой, зачеканенной в жале паяльника. Интенсивность нагрева паяльника регулируется подбором мощности нагревательного элемента и диаметра медного стержня. Мощность
1	31
паяльника выбирается в зависимости от марки припоя и металлоемкости соединяемых деталей. Для монтажных соединений применяют паяльники мощностью от 20 до 150 Вт. Стержень паяльника изготавливается из меди марок MI, М2, М3, обладающей высокой теплопроводностью и стойкостью к эрозии расплавленными припоями.
Режимы пайки электрическими паяльниками определяются температурой и временем пайки. Рекомендуется пайку электромонтажных соединений оловянно-свинцовымиприпоями П0С-61М с флюсом ФКСп производить паяльником, нагретым до 553 К,
Для пайки термочувствительных элементов используют припой П0СК-50 с нагревом паяльника до 453 К, время пайки не должно превышать 3 о. В процессе пайки термочувствительных элементов используют обдув их газом или применяют специальные металлические теплоотводы. К недостаткам пайки электрическим паяльником следует отнести низкую производительность процесса и нестабильность качества паяных соединений из-за сложности обеспечения требуемого режима пайки.
Нагрев погружением в расплавленный,припой (рис. 2.3,а). При пайке методом погружения собираемый под пайку узел или изделие после очистки и обезжиривания погружают вначале в ванну с флюсом, а затем в ванну с расплавленным припоем. Обе ванны смонтированы чаще всего в специальную установку.
Рис. 2.3. Схемы механизированной пайки электрорадио-элементов на печатные платы:
а - погружением в припой; б - волной припоя
К основным преимуществам групповой пайки можно отнести строгое поддержание температуры и времени пайки, повышение производительности (от 4 до 40 раз), увеличение надежности соединений.
Поддержание температуры припоя в ванне осуществляется регулятором и термопарным датчиком, а продолжительность контактирования
32
I о припоем задается реле времени. Глубина погружения платы на О,4-0,6 ее толщины обеспечивается ходом кронштейна, на котором устанавливается кассета с платой, и регулятором уровня припоя с поплавковым датчиком. Для предупреждения образования сосулек и наплывов припоя с печатной платы во время удаления платы из ванны на 0,5-1,5 с включают вибраторы промышленной частоты с амплитудой колебаний 1-2 мм. Недостатками пайки погружением является повышенное коробление платы из-за сильного термоудара и опасность перегрева при пайке полупроводниковых приборов с германиевыми кристаллами. Пайка погружением полупроводниковых приборов с германиевыми кристаллами возможна на режимах с максимальной температурой 533 ±5 К и временем пайки не более 3 с.
Пайка волной расплавленного припоя (рис. 2.3,6). В специальных установках жидкий припой с помощью различных устройств подается через сопло и образует волну, по гребню которой перемещается паяемая деталь. Жидкий припой находится вое время в движении, при этом создаются условия для его перемешивания и удаления оксидной пленки с гребня волны припоя и, следовательно, отпадает необходимость в очистке поверхности жидкого припоя от окислов и шлака.
Основными параметрами пайки можно считать следующие: ширину полосы припоя, контактирующего с платой, скорость конвейера, направленность волны, скорость фонтанирования, угол выхода изделия и температуру припоя. Чаще всего ширина полосы контактирования составляет 15-40 мм, скорость конвейера 0,8-1,2 м/мин, скорость фонтанирования подбирается опытным путем с учетом необходимости обеспечения ламинарного течения потока. На практике температуру припоя поддерживают постоянной (493 К), а ширину полосы растекания и скорость конвейера выбирают таким образом, чтобы время пайки (обычно от 1,2 до 2,5 с) было достаточным для формирования качественных соединений при выбранных зазорах.
При волновой пайке для улучшения паяемости платы предварительно должны подвергаться дополнительному покрытию, например, сплавом ПОСВ-33, П0СВ-50, а выводы - облуживаться ПОС.
Способ пайки волной припоя печатных плат позволяет снизить коробление диэлектрика и предотвратить перегрев радиоэлементов. Кроме того, непрерывное движение конвейера с паяемой платой создало предпосылки для разработки автоматизированных линий, осуществляющих полный комплекс процессов изготовления радиоэлектронного блока: установку элементов, обезжиривание, флюсование, подогрев, пайку, отмывку от флюса и сушку. Благодаря перечисленным преимуществам
33
этот способ в настоящее время стал ведущим в промышленности при монтаже электроэлементов со штыревыми выводами на печатные платы.
Нагрев световыми источниками энергии (рис. 2.4). Для механизированной пайки в промышленности находят применение различные свв' товые источники энергии: кварцевые лампы высокого давления, источники инфракрасного излучения и лазеры.
Рио. 2.4. Схемы нагрева световыми источниками энергии: а - инфракрасный на-гоев; б - нагрев кварцевой лампой высокого давления:
I - лампа; 2 - экран-отражатель; 3 - паяемый образец; 4 - припой
Пайка с помощью кварцевых ламп рекомендуется для плоских деталей, а также деталей, имеющих швы большой протяженности. В последнем случае можно перемещать кварцевую лампу вдоль шва. С помощью сфокусированного светового луча осуществляется пайка электрорадиоэлементов на печатные платы и присоединение плоского кабеля.
Лазерная пайка в настоящее время успешно конкурирует с механизированной пайкой паяльниками при монтаже микросхем с планарными выводами на печатные платы. Благодаря высокой скорости нагрева и минимальному значению используемой энергии паяные швы обладают более высокими механическими свойствами. Процесс лазерной пайки легко поддается автоматизации.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
I.	По заданию преподавателя спроектировать паяное соединение: рассчитать величину нахлестки по заданной нагрузке, выбрать припой, флюс. С учетом программы выпуска выбрать способ пайки. Принятое решение отразить на эскизе в соответствии с ГОСТ 2.331-82. Условное изображение (и обозначение неразъемных соединений.
34
2.	Используя паяльник мощностью 40 Вт, малосурьмянистый оловянно-свинцовый припой и ка-нифолевый флюс, спаять медные проводники в узлы по эскизу (рис. 2.5).
3.	Определить дефекты паяных швов и причины их образования. Результаты занести в табл. 1.2 (см. работу I).
Рис. 2.5. Возможный вариант объемного монтажа медных проводников
Работа 3. ОСОБЕННОСТИ ПАЙКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ
Цель работы - ознакомить студентов с методами и особенностями технологии пайки деталей из жаропрочных сплавов и факторами, влияющими на качество соединений; научить студентов конструированию паяных соединений с учетом обеспечения технологичности.
ОЩИЕ СВЕДЕНИЯ
В ракетных и реактивных двигателях летательных аппаратов целый ряд узлов работают при высокой температуре (800 - 1200 К), испытывая значительные механические нагрузки. Основными требованиями, которым должны отвечать материалы, применяющиеся для изготовления этих узлов, являются их жаропрочность и жаростойкость.
Жаропрочность - это способность материала сохранять повышенную прочность и сопротивляемость пластическим деформациям при высоких температурах. В летательных аппаратах в качестве жаропрочных материалов используются стали и никелевые сплавы. Эффективное увеличение жаропрочности сталей достигается за счет легирования элементами, увеличивающими температуру рекристаллизации V,Cr,Ni. В результате сложного легирования жаропрочные стали приобретают необходимую прочность и сопротивление упругим и пластическим деформациям при рабочих температурах 800-1200 К. Помимо жаропрочности, к большинству деталей авиационных двигателей предъявляется требование жаростойкости.
Жаростойкость - это способность материала противостоять газовой коррозии в области высоких температур.
35
Высокая жаростойкость обеспечивается образованием на поверхности сплавов плотных защитных пленок окислов, для чего сталь легируют элементами, которые при высоких температурах окисляются интенсивнее, чем железо, образуя плотные пленки окислов. Такими элементами являются Cr.Si ,TL , Трудность пайки жаропрочных сталей и сплавов обусловлена наличием на поверхности деталей прочных, плотных окисных пленок, препятствующих омачиванию металла припоями, и сложностью обеспечения требуемой жаропрочности и жаростойкое ти паяных соединений.
Поэтому для получения надежных паяных соединений жаропрочных сталей необходимо правильно подготовить детали под пайку, правильно выбрать состав припоя, флюс и метод пайки.
Рассмотрим особенности технологии пайки жаропрочных сплавов, знание которых позволит конструктору обоснованно выбрать способ пайки и припой для разрабатываемой конструкции.
Припой
Припой при пайке жаропрочных сплавов должен иметь высокие механические свойства при низких и высоких температурах и хорошо сопротивляться окислению при высоких температурах. Виесте о тем припои должны иметь меньшую, чем основной металл, температуру плавления, хорошо его смачивать в расплавленном состоянии, заполнять зазоры и минимально растворять паяемый металл.
При пайке жаропрочных сплавов применяются сложно легированные припои на основе никеля, меди, марганца, реже - припои на основе серебра и, в исключительных случаях, припои с золотом и палладием.
Низкотемпературную пайку выполняют припоями на основе олова.
Никелевые припои. Никелевые припои обеспечивают высокую жаропрочность паяемых соединений. Они нашли широкое применение при пайке жаропрочных сталей и сплавов. Пайку этими припоями производят в печах с контролируемой атмосферой и в вакууме. Основные марки, химический состав и физико-механические свойства никелевых припоев приведены в табл. 3.1.
36
Таблица 3.1
Марка припоя	Химический состав, % ( л/t - остальное)						Температура расплавления, К	Прочность 6а , МПа.			
	Си	Мп.	5i	Ге	Тг	Другие элементы					
№ 20	14-18	20-25	-	-	1,5- 2,5	0,1В	1453	150	при	Т=П73	К
ПЖ45	9-10	25-35	—	-	—	—	1593	130	при	Т=П73	к
ВПрП	14-16	-	4-5	3-5		0,1-IAt	1223	270	при	Т=1223	к
Nt-P	—	—	—	-	-	7-IIP	-	120	при	Т=1073	к
		-	-	—	—	39 Jn	—	115	при	Т=1073	к
Припои ПЖ45 и Л 20 системы Mi_-Сг-Ип.являются наиболее пластичными среди жаропрочных припоев, их можно использовать в виде фольги и штампованных деталей. Основной компонент этих припоев - хром, он придает им жаростойкость и жаропрочность. Марганец вводят для снижения температуры плавления. Титан в припое № 20 способствует повышению жаропрочности и жаростойкости припоя, а бор улучшает его смачивающие свойства, поэтому припой № 20 более технологичен, чем припой ПЖ45, и используется для более ответственных конструкций. Кратковременная жаропрочность соединений, паянных припоями М 20 и ПЖ45, при 1173 К составляет соответственно 150 и 130 МПа.
Отечественный припой ШрИ и разработанный в США припой "Кольманой 6" являются сплавами системы Nl-Cr-Si. В отличие от предыдущих припоев, эти припои являются хрупкими и используются в виде порошков или паст, приготовленных на органической связке. В качестве связки служит акриловая смола, которая сгорает в процессе пайки, не оставляя шлака. Припой ШрИ широко используют для пайки деталей авиационных двигателей, изготавливаемых из жаропрочных никелевых сплавов ЖС6К и ВЖ98. Кратковременная жаропрочность соединений, паянных припоем ШрИ, при 1223 К составляет 270 МПа. Чаще для пайки жаропрочных сплавов припой ШрИ используется в смеси с порошком никеля. В этом случае в паяльную пасту входит 60 $ порошка припоя и 40 % сплава никель - бор - кремний (1,8-2,2 0,6 4 1.2 и 96,4 - 97.8NI ). В качестве связующего применяют Юй-й раствор акриловой смолы БМК-5, разведенной в растворителе Р5. Припой обеспечивает качественную пайку никелевых сплавов. Наличие в припое наполнителя (порошка никеля) с более высокой температурой плавления позволяет производить пайку изделий с зазором до 1,5 мм, 37
что расширяет технологическую область применения припоя и снижает требования к сборке деталей под пайку. Кратковременная жаропрочность соединений, паянных этим припоем, при 1173 К составляет 220-240 МПа.
Припои системы никель-фосфор и никель-индий пластичны и применяются при диффузионной пайке никелевых сплавов. Содержание фосфора в паяном шве в процессе пайки резко уменьшается вследствие интенсивной диффузии фосфора в паяемый материал. Соединения, выполненные диффузионной пайкой этими припоями, имеют температуру рас-пая на 200 К выше температуры пайки и высокую жаропрочность в интервале 293-1073 К, обусловленную диффузией хрома из паяемого металла в шов. Кратковременная жаропрочность припоев сиотемы fjt-Ри Nt-jp. при температуре 1073 К имеет соответственно значения 120 МПа и 115 МПа.
Медные припои. Чистая медь в качестве припоя для жаропрочных сталей применяется редко из-за сильной ее диффузии в сталь и плохой растекаемости. Высокое качество паяных соединений обеспечивают припои на основе меди, легированные никелем, марганцем и другими элементами. Припои на основе меди пластичны и могут применяться в виде фольги и штампованных деталей. Пайку этими припоями осуществляют, используя все способы нагрева. Химический состав, температура плавления и прочность на срез при высоких температурах наиболее широко применяемых медных припоев приведены в табл. 3.2.
Таблица 3.2
Марка	Содержание элементов, % (Си-ос таль ное )					Температура рас-плавле-  НИЯ, К	Прочность Тед , . МПа	г	
	Мп.	All	Si	.... Fe	Другие элементы			
							Т=293 К	Т=823 К
HIpI	-	27-30	1,5- 2,0	До 1,5	0,1- 0,3 В	1353-1393	363-490	88-150
Шр2	22-26	5-6	-	0,8-1,2	0,15- 0,25 Li	1233-1253	245-294	II7-I23
ВПр4	27-30	28-30 *	0,8- 1,2	1,0- 1.5	4-6 Со 0,3 LL 0,2 к	I2I3-I253	323-392	I27-I4I
Припой Шр4 благодаря введению небольших количеств кобальта, калия и лития обладает самофлюсующими свойствами, хорошо затекает в зазоры и образует плотные швы при использовании газообразных флюсов. Все медные припои обеспечивают получение пластичных и жаро-38
прочных соединений, надежно работающих при температуре до 823 К, при более высоких температурах эти припои неработоспособны.
Серебряные припои. Припои на основе серебра применяют при пайке жаропрочных сплавов в строго обоснованных и экономически оправданных случаях. Ввиду большой пластичности серебряных припоев их целесообразно использовать в узлах, испытывающих динамические нагрузки. Припои применяются в виде фольги, проволоки и штампованных деталей. Пайку серебряными припоями производят, .используя все способы нагрева. Химический состав, температура плавления наиболее широко применяемых припоев и кратковременная прочность соединений приведены в табл. 3.3.
Таблица 3.3
Марка (система)	Содержание элементов					Температура расплавления, К	Прочность ба, . МПа	
							Т=293 К	Т=823 К
		Си	Cd	Zn.	PcL			
ПСр 72	72	28	—	-	-	1052	310	96
ПСр 40	40	17	26	17	-	830	370	35
Др-Сц-Pd.	54	21	-	-	25	1223	420	115
Серебряные припои типа ПСр 72 и ПСр 40 применяют для конструкций узлов, работающих соответственно при температурах 773 и 623 К. При использовании припоя ПСр 72 необходимо предварительно нанести на паяемый участок детали барьерное покрытие из никеля, чтобы припой не проникал по границам зерен и не образовывал трещины в паяемом металле. Припой ПСр 40 обладает гораздо меньшей проникающей способностью, поэтому он используется без барьерных покрытий.
Для пайки узлов, работающих при температуре 873 К, может быть использован серебряный припой с палладием. Этот припой имеет высокую коррозионную стойкость, пластичность, обладает хорошей смачивающей способностью и не растворяет паяемый металл, позволяя выполнять пайку тонкостенных изделий.
Припои на основе серебра и меди не могут обеспечить кратковременную жаропрочность соединений, работающих при температуре 973 К и выше.
Палладиевые и золотые припои, ^сокая коррозионная стойкость, пластичность, растекаемость обусловили, в исключительных случаях, применение палладиевых припоев при изготовлении ответственных узлов из жаропрочных сплавов. Это припой следующего состава:
39
20 % Р4. - 30 % NL - 45 % Sti- 5 $Sl. Температура плавления припоя - 1290 К. Припой обеспечивает жаропрочность соединений, рабо-
тающих при температурах 273-1023 К.
В ракетостроении для пайки изделий, работающих при повышенных температурах, когда к электропроводности, теплопроводности, механи ческим и жаропрочным свойствам паяных соединений предъявляются повышенные требования, в исключительных случаях применяют золотые припои. Наиболее высокие свойства обеспечивает припой, содержащий 6% хрома и 22 4 никеля с температурой плавления 1200-1273 К. Пайка этим припоем обеспечивает жаропрочность паяных соединений при температурах 273-873 К и требуемые физические свойства.
Низкотемпературные припои. Для низкотемпературной пайки жаропрочных сталей используют оловянно-свинцовые припои. Пайку производят по предварительно нанесенному покрытию никеля или меди. Соединения, выполненные низкотемпературными припоями, не обеспечивают работу изделий при повышенных температурах. Они используются для образования герметичных швов в местах соединения вспомогательных систем (охлаждения, вентиляции). В процессе эксплуатации эти швы не испытывают воздействия высоких температур. Основные марки припоев, используемых для пайки, их химический состав и прочность при испытании на срезТСр приведены в табл. 3.4.
Таблица 3.4
Марка (система)	Содержание элементов				Температура расплавления, К	Прочность Тер , .МПа '	
						Т=293 К	Т=353 К
		Ре		Cd.			
П0С-40	40	60		—	5II	22,7	19,8
П0СК-50	50	31-33	-	17-19	418	-	-
ПСр 2,5	29-31	61-64	2,2-2,8	4,5-5,5	578	-	-
Введение в оловянно-свинцовые припои кадмия и серебра увеличивает коррозионную стойкость припоя. Наиболее широкое применение получили припои ПСр 2,5, обладающие высокой пластичностью, хорошими технологическими свойствами и имеющие большую термостойкость, чем оловянно-свинцовые.
40
Способы подготовки поверхности деталей из жаропрочных сплавов под пайку
Поверхность жаропрочных сплавов покрыта прочной пленкой окролов хрома, титана, алюминия и других элементов. Эти окисные пленки обладают высокой термической и химической стойкостью.
Подготовка деталей к пайке начинается с механической очистки поверхности от окислов напильником, наждачным крутом или пескоструйной обработкой. После механической зачистки детали обезжиривают.
Простейшим и эффективным способом обезжиривания в единичном и мелкосерийном производстве паяных изделий является обработка этих изделий венской известью, представляющей собой смесь СаО и МдО.
В условиях серийного и массового производства применяют обезжиривающие щелочные растворы и пары растворителя, например, трихлорэтилена, ацетона, четыреххлористого углерода. Обезжиривание считается законченным, если поверхность детали полностью смачивается водой.
Остатки окисной пленки удаляют химическим травлением, основанным на способности кислот и щелочей растворять окислы некоторых металлов. Во избежание перетравливания в травильный раствор добавляют ингибиторы (КС, ПБ-5), которые замедляют растворение металла в кислотах, способствуют получению светлой поверхности. Детали из хромокалиевых сталей травятся в растворе соляной кислоты (500-550 г,/л), азотной кислоты (70-80 г/л) и присадки КС (1,8-2,2 г/л) в течение 3-5 мин при температуре ванны 313-323 К.
В ряде случаев жаропрочные стали покрывают слоем никеля, меди или серебра. При этом облегчается процесс пайки труднопаяемых жаропрочных сталей и сплавов, так как припой хорошо растекается по этим покрытиям. Обычно покрытия наносят гальваническим способом. Толщина покрытия~10 мкм.
Флюсы
Для удаления окислов с поверхности паяемого материала и предотвращения их образования в процессе пайки жаропрочных сталей широко применяют флюсы. Выбор флюса производится после выбора припоя и способа пайки. Основные марки флюсов для пайки жаропрочных сталей приведены в табл. 3.5.
41
Таблица 3.5
Марка	Компоненты	Содержание (массовые доли), %	Температурный интервал активности, К
ПВ-200	Бура (No^O?) Окись бора (В2О3) Фтористый кальций (CaFp)	18-20 65-67 14-16	1073-1473
П В-201	Бура (Na2B^07) Окись бора (Вр03) Фтористый кальций (KF) Лигатура ( fl£48 %; Си. 48 %-, Мд 4 %)	II-I3 76-78 9,5-10,5 0,9-1,1	1073-1473
ПВ-209	Калий фтористый (KF) Окись бора (Вр03) Тетрофторборат калия (КВГ4)	4,1-43 34-36 22-24	973-1173
ПВ-284Х	Борная кислота Гидрат окиси калия Фтористоводородная кислота (HF)	29-31 25-27 43-45	—
Рассмотрим основные свойства флюсов.
Бура при пайке выделяет борный ангидрид (BjOg), который, соединяясь с основными окислами металлов, образует легкоплавкий шлак всплывающий на поверхность шва и предохраняющий его от вторичного окисления. Для пайки сплавов, содержащих хром, титан, молибден и другие элементы флюсующего действия, буры недостаточно, поэтому в таких случаях для удаления окислов используются фтористый калий (KF), фтористый кальций (CoF) - флюс ПВ-200, фторидно-бориднне соединения и тетрафторборат калия (КВГ4) - флюс ПВ-209. Во избежание коррозии остатки этих флюсов после пайки необходимо удалить. Актив ность флюсов, содержащих соединения бора и фториды, заметно повышается, если в их состав ввести металлы, вступающие в реакцию заме щения с окислами труднопаяемых металлов. Например, при пайке высо-кохромистых сплавов во флюс вводят лигатуру, состоящую из алюминия меди и магния, - флюс-201. В результате этого протекают реакции восстановления окиси хрома на поверхности паяемой детали:
42
Сг^. Oj t 2. Аг = O3 + O2 03 * Z Hg = 3MgO + 2Cr
Несмотря на то, что окисли алюминия и магния химически более стойки, чем окись хрома, они лучше растворяются во фторидах щелочных и щелочноземельных металлов, очищая поверхность.
Для высокотемпературной пайки жаропрочных сталей и сплавов широко используются газообразные флюсы: аргон с фтористым водородом или аргон с трехфтористым бором при температуре пайки 1323 К. Фтористый водород и трехфтористый бор эффективно взаимодействуют с поверхностными окислами, восстанавливая их Использование газовых флюсов обеспечивает высокую надежность восстановления окислов по всей паяемой поверхности и избавляет от необходимости отмывки деталей от остатков флюса.
Жсокотемпературную пайку по никелевым и медным покрытиям, а также пайку самофлюсующимися припоями производят без флюса. В этом случае пайка выполняется в вакууме 10_<- Па или аргоне, тщательно осушенном от остатков влаги с помощью перекиси бария или фосфоритного ангидрида.
Для низкотемпературной пайки жаропрочных сталей и сплавов припоями на основе олова по барьерному гальваническому покрытию никеля и меди применяют флюс JIM-I, представляющий собой раствор канифоли в спирте, с добавкой ортофосфорной кислоты (канифоль - 6 %, ор-тофосфорная кислота - 32 %, этиловый спирт - 62 %). При низкотемпературной пайке жаропрочных сталей без покрытия применяют 30 $-й водный раствор хлористого цинка с добавкой соляной кислоты, имеющий интервал температурной активности в диапазоне 500-623 К. Во избежание коррозии остатки флюса после пайки следует удалить.
Способы нагрева и пайки
При выборе способа пайки жаропрочных сталей прежде всего необходимо предусмотреть возможность удаления окислов с поверхности паяемого материала и припоя с использованием флюсов, восстановительных сред. При пайке можно использовать печной нагрев с контролируемой атмосферой или в вакууме, индукционный нагрев, нагрев газопламенными горелками, погружение в расплавленный припой и нагрев электрическим паяльником. При нагреве всеми перечисленными способами зона паяного шва должна нагреваться до температуры, на 50-100 К превышающей температуру плавления выбранного припоя.
Рассмотрим основные способы пайки жаропрочных сталей, нашедшие широкое применение в промышленности.	43
Печной нагрев в контролируемой атмосфере наиболее широко применяется для пайки изделий из жаропрочной стали в производстве летательных аппаратов. Пайка ведется в герметичных контейнерах из коррозионно-стойкой стали, где создается контролируемая газовая атмосфера или вакуум. Сами контейнеры нагреваются в печах с воздуш ной атмосферой. Схема пайки в контейнере приведена на рис. 3.1.
-/
Рис. 3.1. Схема пайки в контейнере:
I - герметичный контейнер; 2 - термопара;
3 - металл; 4 - дисооциатор; 5 - баллон с аммиаком
Детали, собранные в соответствии с рекомендациями, приведенными в лабораторной работе I, загружают в камеру с дозированным количеством припоя. Пайка никелевыми припоями № 20, HIpII и "Кольма-ной^б" производится в атмоофере водорода, при вакууме не ниже ТО-* Па или в защитно-восстановительных средах Дг +	? Ду + |-\F,
Пайку жаропрочных сплавов, содержащих flF.Tl.b > рекомендуется производить в водородной среде с добавкой фторированной атмосферы HF , которая образуется в результате разложения помещенного в контейнер фтористого аммония (NH^F).
Пайку припоем HIpII в смеси с порошком никеля производят в печи в среде аргона с трехфтористым бором (BF3).
Для пайки припоями на основе меди Шр! и Я1р2 используется печной нагрев в среде аргона с флюсами ПВ-200 и ПВ-201. Пайку медным припоем В1р4 производят с применением печного нагрева в среде аргона с фтористым водородом или аргона с трехфтористым бором при температуре 1323 К.
йгсокотемпературную пайку жаропрочных сталей серебряными припоями с содержанием серебра не менее 72 % производят в вакуумных печах или печах о аргоном. Предварительно на поверхность детали наносится слой никеля или меди.
44

Рве. 3.2. Схема индукционного нагрева: I - детали; 2 -припой; 3 - индуктор
Индукционный нагрев (рис. 3.2) используется при пайке жаропрочных сталей медными припоями HIpI, Н1р2 и серебряными припоями о содержанием серебра менее 72 %. Пайка производится о применением буры, борной кислоты и их смесей - флюсов ПВ 209 и ПВ284Х. Индукционный нагрев обеспечивает высокую производительность процесса пайки. Он используется при пайке деталей типа втулок, валов и труб. Не допускается его применение при пайке детали сложной формы с ребрами жесткости ввиду вероятности их оплавления и трудности изготовления индукторов сложной формы.
Зона пайки нагревается индуктором, питаемым от лампового или машинного генератора высокой частоты (20 кГц). Индуктор представляет собой медную трубку, охлаждаемую водой.
Электрический ток, проходя через индуктор, создает переменное электромагнитное поле, под действием которого в деталях возникают токи Фуко, нагревающие их.
Диффузионная пайка жаропрочных сплавов обеспечивает получение равнопрочных соединений. Пайку производят припоями системы |\|t-Р и Ni-Зпв контейнерах в среде аргона. Ввиду испарения индия и фосфора производить пайку в вакууме этими припоями не следует. Пайку производят при температуре плавления припоев II73-II83 К. Изделие выдерживается при температуре пайки, пока в результате диффузии из соединения удаляется jn- и Р . Время пайки определяется экспериментально. Получаемое диффузионной пайкой соединение обладает такими же жаропрочностью и жаростойкостью, как и основной металл, однако этот способ малопроизводителен и его нельзя использовать при пайке деталей сложных форм.
Нагрев газопламенными горелками при пайке жаропрочных, сталей применяется при использовании медных припоев и серебряного припоя ПСр 40, серебряного припоя с палладием и низкотемпературных припоев. В качестве горючего газа можно использовать ацетилен, метан и пропан, однако целесообразнее использовать ацетилено-кислородное пламя, обеспечивающее наиболее высокую температуру нагрева - 3273 К. К преимуществам данного способа нагрева относятся возможность пайки крупногабаритных конструкций, универсальность и простота оборудования. Однако ручная пайка газопламенной горелкой требует высокой квалификации паяльщика и не гарантирует качества ввиду сложности заме-45
ра температуры нагрева детали и сильного окисления паяемых деталей.
Пайка жаропрочных сталей газопламенной горелкой производится только с флюсами. В качестве флюса при пайке с использованием медного сплава Шр4 и серебряного припоя, легированного палладием, применяются флюсы ПВ 209 и ПВ 284Х, при пайке с использованием серебряного припоя ПСр 40 используется флюс JJM-I, а при пайке с использованием низкотемпературного припоя применяется ЗС$-й раствор хлористого цинка.
После пайки необходимо тщательно удалить остатки флюса с паяемых деталей.
Нагрев погружением в расплавленный припой и электрическим паяльником используют при пайке жаропрочных сталей низкотемпературными припоями. В случае, когда пайку ведут по барьерному покрытию никеля или меди, применяют флюс ЛМ-1.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
I.	Ознакомиться о инструкцией по технике безопасности и с настоящим описанием работы.
2.	Подготовить образцы из стали к пайке по заданию преподавателя.
3.	Выбрать припой, способ пайки, тип соединения, рассчитать его геометрические размеры для пайки изделия по техническому заданию, выданному преподавателем.
4.	Определить необходимое количество припоя, флюс. Собрать образцы и спаять их по выбранной технологии.
-5. Попытать паяные образцы на прочность при Т = 293 К. Определить предел прочности на срез. Результаты испытаний свести в таблицу.
6. Определить дефекты в паяных швах и занести их в табл. 1.2 (см. работу I).
Работа 4. ПАЙКА МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ УЗЛОВ
Цель работы - ознакомить студентов с процессом вакуумной пайки керамики с металлами.
ОБЩИЕ сведения
Успехи, достигнутые за последние годы, позволили поднять технологические и эксплуатационные температуры на металлокерамических узлах (МКУ) до 500 - 700°С при сохранении высоких вакуумных и термомеханических свойств конструкций.
46
Способами соединения МКУ являются диффузионная сварка и пайка. Но из-за большого разнообразия сочетаний материалов применяется в основном пайка, так как при этом могут быть использованы различные композиции припоев с целью получения надежных и работоспособных швов.
При получении спаев керамики с металлами необходимо учитывать следующие особенности:
а)	трудности смачивания керамики припоями;
б)	различие коэффициентов термического расширения и других теплофизических свойств паяемых металлов, которое является причиной возникновения внутренних напряжений в паяных соединениях;
в)	относительно низкую прочность и хрупкость керамики;
г)	трудность механической обработки деталей из керамики и их доводки до точных размеров;
д)	необходимость тщательного соблюдения режимов нагрева, выдержки и охлаждения при пайке.
Состав и физические свойства керамики, применяемой в МКУ, приведены в табл. 4.1. Физические и механические свойства металлических материалов, соединяемых с керамикой, указаны в табл. 4.2.
Пайка керамики производится в основном двумя способами: по предварительно нанесенному в местах, подлежащих пайке, слою металла и без металлизации, с использованием активных припоев, способных смачивать керамику.
Для металлизации керамики применяют порошки: молибдено-марган-цевый, молибденовый, смесь молибдена с карбонильным железом, вольфрамовый и др.
При применении молибдено-марганцевого порошка металлизация керамики включает следующие операции:
а)	нанесение на подлежащие металлизации поверхности пасты, состоящей на 75$ из порошка (90$ молибдена и 10$ марганца с размером частиц не более 3 мкм) и 25$ из связующего (раствор нитроцеллюлозы в амилацетате);
б)	вжигание порошка при температуре, на 20-90°С меньшей температуры обжига керамики, в атмосфере влажного водорода (точка росы 15-20°С);
в)	гальваническое нанесение слоя никеля (3-10 мкм) по образовавшемуся в результате вжигания металлическому слою для улучшения смачивания. В результате вжигания происходят следующие процессы: окисление марганца, взаимодействие окислов марганца и алюминия с образованием марганцевой шпинели |Чп ДегОц> образование МпО в стек~
47
Таблица 4.1
48
лофазе керамики, миграция стеклофазы керамики в металлизационный слой и спекание зерен молибдена металлизационного слоя.
Металлизированную керамику обычно паяют серебряными припоями. При использовании других припоев необходимо учитывать их взаимодействие о металлическим покрытием, чтобы не допускать растворения покрытия в припое.
Пайка металлизированной керамики осуществляется обычными способами, с учетом особенностей, отмеченных в табл. 4.3.
Пайка неметаллизированной керамики высокотемпературными припоями "активным" методом основана на введении в припой активных металлов - титана или циркония, что дает возможность смачивать керамику с целью получения работоспособных соединений.
Пайку неметаллизированной керамики активными припоями рекомендуется применять в следующих случаях:
а)	керамика (/7^^ и др.) трудно поддается металлизации;
б)	необходимо использовать припои, растворяющие металлическое покрытие;
в)	свойства соединений металлизированной керамики не удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям;
г)	активация припоя достигается за счет легирования паяемым материалом, как при пайке керамики с титаном или цирконием.
Пайка активным методом производится в вакууме или в среде дополнительно очищенного аргона.
Пайку легкоплавкими припоями производят с предварительным облуживанием. При этом способе процесс включает следующие операции: а) нанесение на поверхность, подлежащую пайке, водного раствора окисла молибдена (Мо(^);
б)	сушку и нагрев изделия до 800-850°С в атмосфере водорода с точкой росы 40-50°С для восстановления молибдена;
в)	облуживание восстановленной поверхности оловом или припаями на его основе в водороде, аргоне или вакууме;
г)	пайку обычными для легкоплавких припоев способами.
Процессы восстановления и облуживания могут быть совмещены в одной операции нагрева. Облуживание керамики без предварительной ее металлизации производится в ультразвуковых ваннах припоем П200А. (Sn.- IO%Za) с последующим горячим лужением более легкоплавкими припоями (ПОС-61, П0СК-50). Пайка производится этими же припоями.
Для пайки неметаллизированной керамики, как указывалось выше, применяют активированные припои с добавками титана. Содержание титана в припоях зависит от способа введения титана, режима пайки
49
Таблица 4.3
Ввкомевдуе-	£ т> 3 i 1	0,015-0,08 0,02-0,05 —- к — 0,005-0,02 0,05-0,07 — II —	
Темпера-	Ленин, ос	Ю S g	8	8	8	8	8 от f-	i>	о	от	от	см >ч	ы	
Химический состав (% вес.)	Другие элементы	и	см	йсммм * !	1	1	* * * * • °	Ч? Т????	7	
	Со	1,1 '3 а	
	«Л	I,2-8,0 I 1	
		111 ч " ю см	
		02 *	•	Еч со о о	но	| 02	02	О	О	О м	о	
	1«2_	1 1 .W 22-26 28-30 35	
		ill	II	।	
		О lull	1	
		99,9 72 62,8	
Марка припоя		00 » СО	1 txi и § s 53 О'--ОТ CM S кв 2? С: „ л 2 “ см -Ч!	г- ОТ О, О, ЧОГИ Q) Д	Q, S'8 В 13 g Й Й	Й	
50
и колеблется в пределах от 15 до 25 $ мае. Припой с титаном используется в виде:
а)	порошка, полученного предварительным оплавлением отдельных компонентов.;
б)	механической смеси порошков;
в)	биметаллической проволоки о сердцевиной из титана (либо проволоки из ПСр 72);
г)	титановой либо никелевой фольги с гальваническим покрытием;
д)	фольги из припоя и титана.
Припои для пайки неметаллизированной керамики о добавлением титана приведены в табл. 4.4.
Таблица 4.4
Припой	Т пайки, °C	Припой	Т пайки, °C
ПСр 72 + TL ПСр МИН 63 + К T-L -Си	9S0-9B0 820-850 950-1050 (в зависимости от состава)	ЕПр4 + Т£ ЕПр7 + Титан ВТ-1	1120 1200-1220 1700
При проектировании металлокерамических узлов следует обращать внимание на коэффициенты термического расширения металлов и кера-
мики. Пренебрежение этим может привести к большим напряжениям в спае и растрескиванию керамики. Рекомендуется применять телескопические спаи (рис. 4.1), так как керамика на сжатие работает значительно лучше, чем на растяжение.
У
Рис. 4.1. Вариант конструкции металлокерамических соединений: I - металл;
2 - керамика
51
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
I.	Ознакомиться о инструкцией по технике безопасности и о настоящим описанием работы.
2.	Получить образцы у учебного мастера и подготовить их под пайку.
3.	Собрать паяемые образцы и установить их в печи.
4.	Произвести пайку металлокерамических узлов под контролем учебного мастера.
5.	Провести механические испытания МКУ.
6.	Полученные данные представить в виде отчета.
ЛИТЕРАТУРА
I.	Фетисов Р.П. Сварка и пайка в авиационной промышленности. - М.: Машиностроение, 1983.
2.	Справочник по пайке. - М.: Машиностроение, 1984.
3.	Г о в а р д Г. Пайка и припои^ Материалы, конструкции, технология и методы расчета: Пер. о англ.- М.: Машиностроение, 1968.
4.	Лопатко А.П., Никифорова З.В. Новые методы сварки и пайки. - М.: ВЫ стлан школа, 1979.
5.	Петрунин И.Е., Лоцманов С.А., Николаев Г.А. Пайка металлов. - М.: Металлургия, 1973.
6.	Г р и ш и н В.П. Особенности пайки металлокерамических узлов медно-титановыми припоями // Сварочное производство. - 1987. -Л 3. - С. 12-13.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ................................................. 3
Работа I. Физические основы пайки. Конструирование и контроль качества соединений ............................ 4
Работа 2. Электромонтажная пайка при производстве злектро- и радиоаппаратуры летательных аппаратов ............. 22
Работа 3. Особенности пайки деталей из жаропрочных сплавов ...............................................        35
Работа	4. Пайка металлокерамических узлов ..........46
Литература .............................................. 53
Тем. план 1989, поз.127
Гольцов Владимир Аркадьевич
Крутилин Вячеслав Михайлович
Семин Виктор Васильевич
Тазетдинов Рустем Галятдинович
Фетисов Геннадий Павлович
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ
ПО ТЕХНОЛОГИИ ПАЙКИ В АВИАЦИОННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Редактор Е.Л, Мочина
Техн.редактор Н.Б. Карякина
Корректор А.А. Степанова
Л 35429. Подписано к печати 1.08.89
Бум.офсетная. Формат 60x84 I/I6. Печать офсетная
Усл.печ.л. 3,25; уч.-изд.л. 3,3 Тира» 1000
Зак, ^510 /2595. Цена 10 к.
Типография издательства МАИ
I2587I, Москва, Волоколамское шоссе, 4