Лекция 7 Припои и флюсы для радиомонтажа

Пайкой называется технологический процесс образования неразъемного соединения металлических деталей путем нагрева (ниже температуры их автономного расплавления) и заполнения зазора между ними расплавленным припоем, образующим после кристаллизации (застывания) прочный механический спай (шов).

В зависимости от температуры в зоне соединяемых материалов пайка подразделяется на низкотемпературную и высокотемпературную. Зазор между деталями устанавливают в зависимости от соединения: для низкотемпературных припоев он составляет 0,05... 0,08 мм, для высокотемпературных - 0,03...0,05 мм.

По способу нагрева соединяемых деталей и припоя различают пайку паяльником, токами высокой частоты, в печах, горелкой, в жидких средах, ультразвуком. Название способа пайки зависит от инструмента (оборудования) или среды нагревания.

Кроме того, в зависимости от характера окружающей среды различают пайку в вакууме, нейтральных газах и восстановительной среде.

По способу введения припоя выделяют следующие виды пайки: заливкой, с предварительной укладкой припоя к месту соединения (шва); с предварительным избыточным обслуживанием поверхностей соединяемых деталей; с введением припоя паяльниками; с применением палочных или трубчатых припоев.

Припой должен обладать следующими качествами: хорошо растворять основной металл, смачивать его, иметь хорошую жидкотекучесть и достаточную механическую прочность. Температура плавления припоя должна быть ниже температуры плавления основного металла.

В качестве припоев используют цветные металлы и их сплавы, которые в зависимости от температуры плавления подразделяются на низкотемпературные (мягкие) с температурой плавления до 350 °С и высокотемпературные (твердые) с температурой плавления 350...1850 °С. В соответствии с ГОСТ 21 930-76 и ГОСТ 21 931-76 припои характеризуются температурой начала и конца плавления.

При монтажной пайке применяют серебряные и оловянно-свинцовые припои. Серебряные припои по сравнению с оловянносвинцовыми обеспечивают более высокие прочность и эксплуатационную надежность соединения. Легкоплавкость серебряных припоев способствует более экономичному их использованию, поэтому, несмотря на дефицитность серебра, для пайки ответственных конструкций применяют в основном серебряные припои. Надежность паяных соединений зависит от состояния соединяемых поверхностей и их конструкций, температуры пайки и применяемого флюса.

При подготовке поверхностей деталей, подлежащих пайке, производится удаление механическим или химическим способом загрязнений, ржавчины, оксидных и жировых пленок. В простейшем случае поверхности деталей промываются бензином или спиртом.

Пайка может выполняться либо в защитной атмосфере, либо с использованием флюсов, предохраняющих поверхности соединяемых деталей от возможного окисления при повышенной температуре.

Перед горячим лужением или пайкой подготовленные поверхности деталей покрывают флюсом, который выбирается в зависимости от применяемого припоя и соединяемых металлов, а также от способа пайки. Температура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления припоя для обеспечения его жидкого состояния и равномерного растекания по основному металлу.

Флюсы способствуют образованию жидкой или газообразной защитной зоны, предохраняющей поверхность металла и расплавленного припоя от окисления, а также растворяют и удаляют пленки оксидов с поверхности.

Технологический процесс пайки включает в себя лужение, которое предшествует пайке и заключается в покрытии поверхностей соединяемых деталей тонкой пленкой припоя. При лужении происходит сплавление припоя с основным металлом. После лужения производится пайка деталей, для чего припой наносят в места соединения деталей и прогревают до его полного растворения, сохраняя детали в сжатом состоянии до полного затвердевания припоя. Правильно спроектированное соединение должно быть удобным в сборке и надежно работать в условиях эксплуатации РЭА и приборов. Основные типы паяных соединений установлены ГОСТ 19 249-73.

Высокая механическая прочность паяного соединения может быть обеспечена только при тщательном соблюдении технологии пайки. Недостаточно тщательная очистка деталей перед пайкой, неправильная конструкция паяного шва, несоблюдение температурного режима пайки и другие нарушения технологического процесса неизбежно приводят к появлению различного рода дефектов в паяном шве и ослаблению паяного соединения.

Основными дефектами при пайке являются:

1) наличие трещин в паяном шве в результате быстрого охлаждения деталей после пайки или значительной разницы в коэффициентах теплового расширения припоя и металла;

2) наличие пор в шве за счет высокой температуры пайки или интенсивного испарения флюса;

3) несмачивание припоем поверхности деталей из-за большой их загрязненности.

Контроль качества готовых паяных соединений обычно проводится или без разрушения изделий одним из физических способов (внешний осмотр, рентгеноскопия), или с разрушением изделий (на отрыв, на срез, на разрыв).

Припои и флюсы

К припоям предъявляются конструктивные и технологические требования.

К конструктивным относятся: достаточная механическая прочность при нормальных, высоких и низких температурах; хорошие электро- и теплопроводность; герметичность; стойкость против коррозии.

К технологическим относятся: жидкотекучесть при температуре пайки; хорошее смачивание основного металла; определенные для данного припоя температура плавления и температурный интервал кристаллизации.

Припои, имеющие температуру плавления до 350 °С, называются мягкими, а припои, имеющие температуру плавления свыше 350 °С, - твердыми.

В качестве мягких припоев применяют различные сплавы на основе свинца и олова, содержание которых определяет свойства припоев. Некоторые мягкие припои содержат присадки сурьмы, серебра, висмута и кадмия, придающие припою специальные свойства. Серебро и сурьма повышают температуры плавления и затвердевания, а висмут и кадмий понижают их. Серебро препятствует снижению прочности припоя, но делает его хрупким и ухудшает растекание его на меди. При пайке цинка или цинковых сплавов сурьма, входящая в состав припоя (до 2,5%), способствует образованию хрупких сурьмяно-цинковых соединений, поэтому в таких случаях содержание сурьмы в припое не должно превышать 0,25 %.

При сборке радиоаппаратуры применяют следующие мягкие припои: оловянно-свинцовые; малооловянистые; безоловянистые, легкоплавкие; трубчатые.

Оловянно-свинцовые припои (ПОС) представляют собой сплавы олова и свинца с присадкой 0,15...2,5 % сурьмы. Механическая прочность припоев повышается с увеличением содержания олова. Прочность паяного соединения не всегда соответствует прочности применяемого припоя, так как при малых зазорах шов заполняется не припоем, а сплавом припоя с основным металлом, который, естественно, обладает иными механическими свойствами. При нормальной температуре механическая прочность паяных соединений, выполненных встык, выше, чем паяных соединений, выполненных внахлест.

Механические свойства оловянно-свинцовых припоев с повышением или понижением температуры ухудшаются. При низких температурах (от -30 до -60 °С) наблюдается резкое уменьшение ударной вязкости этих припоев, особенно при большом содержании олова. В указанном интервале температур в олове происходят различные превращения, приводящие к увеличению хрупкости. При повышении температуры до 100 °С уменьшение ударной вязкости происходит медленно, а после 100 °С - быстро.

Электропроводность оловянно-свинцовых припоев зависит от содержания олова и составляет 8... 14% от электропроводности чистой меди. Электропроводность таких припоев обратно пропорциональна содержанию олова.

Коррозионная стойкость припоев в различных агрессивных средах зависит от содержания олова. С увеличением его содержания коррозионная стойкость в кислотах повышается, а в щелочах - понижается.

Герметичность паяных соединений зависит от температурного интервала кристаллизации, который в свою очередь зависит от состава припоя. Припои с широким интервалом температуры кристаллизации способствуют получению пористых, негерметичных соединений, что связано с медленным затвердеванием припоя. Применение припоя с небольшим температурным интервалом кристаллизации (например, около 7 °С у ПОС-61) приводит к уменьшению продолжительности пайки, а применение припоя, у которого точки плавления и затвердевания совпадают, затрудняет получение гладких швов.

Таблица 15. Области применения оловянно-свинцовых припоев

Для пайки монтажных соединений в электро- и радиоприборах наиболее широко применяются припои ПОС-ЗО и ПОС-40. Для пайки тонких монтажных и обмоточных проводов, деталей и узлов, не допускающих нагрева свыше 200°С, вакуумной пайки стеклянных и керамических проходных изоляторов, а также для ступенчатой пайки близко расположенных деталей используется припой ПОС-61. Он обладает более низкой температурой плавления, небольшим температурным интервалом кристаллизации и более высокой коррозионной стойкостью.

Малооловянистые и безоловянистые припои применяют с целью уменьшения расхода олова. Малооловянистые припои, содержащие свинец, олово и сурьму, лишь немногим уступают высоко-оловянистым припоям по прочности, но являются более хрупкими. Безоловянистые припои очень вязкие, но имеют более высокую температуру плавления, что усложняет процесс пайки. Основным недостатком малооловянистых и безоловянистых припоев является широкий температурный интервал кристаллизации, достигающий иногда 100°С и резко увеличивающий время, необходимое для охлаждения соединения, в течение которого спаиваемые детали должны быть неподвижны.

Вместо припоев, содержащих 40...50% олова и применяемых для пайки монтажных соединений, рекомендуется использовать припой с присадкой серебра следующего состава, %: Олово - 19,5...20,5; Серебро -1,35...2,5; Сурьма - 1,25...1,75; Висмут - не более 0,75; Свинец – остальное. Этот припой обладает большей прочностью при растяжении по сравнению с припоями, содержащими 40...50 % олова, но имеет более высокую (на 30...35°С) температуру плавления, что требует увеличения мощности паяльников почти вдвое. Он позволяет производить пайку нелуженой и луженой меди с использованием канифолевого флюса, а остальных деталей - кислотных флюсов. Этот припой может применяться для выполнения большинства монтажных соединений, однако он не пригоден для пайки кожухов конденсаторов, трансформаторов и других герметичных деталей, так как способствует образованию пористости шва. Следует отметить, что уменьшение содержания олова в припоях не всегда экономически целесообразно, так как в ряде случаев это приводит к усложнению пайки и повышению расхода припоев.

Легкоплавкие припои (сплавы олова, свинца, висмута и кадмия) применяются в тех случаях, когда пайка выполняется при пониженной температуре из-за опасности перегрева деталей, а также при ступенчатой (вторичной) пайке. При затвердевании эти припои дают незначительную усадку, а некоторые (например, сплав Вуда) даже несколько расширяются. Механическая прочность легкоплавких припоев незначительна (например, висмутовые припои очень хрупкие). Предварительное лужение оловянно-свинцовым или висмутовым легкоплавким припоем способствует некоторому повышению прочности соединения.

Таблица 16. Состав и температура плавления легкоплавких припоев

Трубчатые припои. Для пайки соединений при монтаже радиоаппаратуры широко применяется так называемый трубчатый припой, представляющий собой пустотелую трубку небольшого диаметра, изготовленную из оловянно-свинцового сплава и заполненную канифолевым флюсом.

Основными преимуществами трубчатых припоев являются: возможность наложения припоя и флюса на место пайки за один прием; улучшение качества пайки; резкое увеличение производительности труда на монтажных операциях, а также облегчение пайки в труднодоступных местах; существенное уменьшение потерь припоя и флюса, которые при работе кусковым или проволочным припоем и отдельно флюсом весьма значительны (около 20 % припоя и 50 % флюса); обеспечение подачи к месту пайки надлежащего количества флюса, дозировка которого определяется конструкцией и типом припоя; возможность плавления припоя в момент, когда флюс уже подогрет и находится в более активном состоянии; исключение возможности случайного загрязнения флюса.

Простейшая конструкция трубчатого припоя представляет собой трубку с круглой сердцевиной из флюса, расположенной в центре (рис. 32). Недостатками такой конструкции являются перерывы в подаче флюса при наличии пустот в припое, а также преждевременное вытекание 'и испарение флюса во время расплавления довольно толстых стенок трубки, что приводит к уменьшению подачи флюса к месту пайки и, следовательно, к понижению ее качества.

Рис. 32 Трубчатые припои

Вероятность перерывов в подаче флюса уменьшается при более сложной форме сердцевины. На пример трубчатые припои с фасонными сердцевинами или с пятью каналами, заполненными флюсом. Эти припои имеют более тонкие стенки, в результате чего обеспечивается быстрое плавление припоя и, следовательно, быстрое освобождение флюса и подача его к месту пайки в наиболее активном состоянии.

Большое значение имеет дозировка флюса (независимо от формы сердцевины). При изготовлении трубчатого припоя соотношение количества флюса и припоя тщательно контролируется. Для электромонтажных паек применяют трубчатые припои, в которых сердцевина из флюса составляет 2...3 % общей массы припоя. Правильно спроектированный трубчатый припой и тщательная подготовка деталей к пайке являются надежной гарантией высокого качества пайки монтажных соединений.

Диаметр трубчатого припоя определяется характером соединений. Применение меньших диаметров во многих случаях способствует экономии припоя. Размеры наружных диаметров трубчатых припоев составляют: 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5 мм, а внутренних соответственно вдвое меньше. По наружному диаметру допускается отклонение ± 3%.

Для успешного осуществления пайки и получения качественного соединения применяются активные вещества - флюсы. По своему состоянию флюсы могут быть твердыми (канифоль чистая), мягкими (различные пасты на основе канифоли) и жидкими (составы кислот или спиртовые флюсы на основе разведенной канифоли).

Флюсы должны обеспечивать своевременное и полное растворение оксидов основного металла, равномерное покрытие поверхности металла у места пайки и предохранение его от окисления в продолжение всего процесса пайки.При электромонтажной пайке РЭА в основном применяют флюс ФКСп (30...40% -й раствор канифоли в этиловом спирте).