Способы пайки по удалению окисной пленки

Наличие окисных пленок на поверхностях основного металла и расплавленного припоя препятствует их взаимодействию. Толщины пленок в зависимости от условий окисления колеблются в пределах от 2•10^-6 до 5•10^{-4 мм. Взаимодействие же атомов возможно на расстоя­ниях не более 10-6 мм. Поэтому для обеспечения активного взаимодействия паяемых поверхностей с расплавленным припоем и образования металли­ческих связей между ними необходимо уда­лить них с окисные пленки. Окисные плен­ки удаляются с соединяемых поверхностей перед пайкой посредством, обычно, механической или химической обработкой. Однако за отрезок времени между очисткой и пайкой она образуется вновь. Так, на алюминии в первую же секунду после очистки толщина окисной пленки достигает 1,2•10-6 мм, на меди за 2 часа - пленка толщиной 2,4•10-6 мм.}

Для удаления окисных пленок в процессе пайки применяют флюсы, контролируемые газовые среды, вакуум, физи­ко-механические средства и другие средства.

Флюсовая пайка

Для удаления оксидов с поверхности паяемых металлов и припоя, а также для предупреждения образования новых оксидов при нагреве в процессе пайке применяются паяльные флюсы.

Флюсы могут быть твердыми (порошкообразные смеси различ­ных солей), жидкими (водные растворы хлористых солей или спир­товые растворы органических соединений), а также газообразными. Флюсы различаются по степени коррозионного воздействия твёрдых остатков на паяное соединение флюсы: некоррозионные (за­щитные), слабокоррозионные (промежуточные) и коррозионные (ак­тивные). Следует отметить, что существуют припои, отдельные компоненты которых исполняют роль флюсов – их называют самофлюсующими припоями. Использование самофлю­сующих припоев упрощает технологию пайки.

Интенсивность воздействия флюсов на окисную пленку ограниче­на их температурным интервалом активности. Нижний предел этого интервала - это минимальная температура, при которой флюс вступает во взаимодействие с окислами. С повышением температуры активность флюса возрастает. По достижении верхнего предела - максимальной температуры - активность флюса значительно снижается из-за выгора­ния, испарения или улетучивания отдельных его компонентов.

Механизм воздействия флюса на окислы металлов сложен, многообразен и включает в себя:

- растворение окисной пленки основного металла и припоя во флюсе;

- химическое взаимодействие флюса с окисной пленкой, в ре­зультате чего образуются легкоплавкие шлаки;

- химическое взаимодействие флюса с основным металлом, в ре­зультате чего происходит постепенное разрушение окисной пленки, отрыв ее от основного металла и перевод в шлак;

- восстановление окисной пленки.

Так, например, при низкотемпературной пайке с применением кислотных флюсов механизм воздействия их на окисную пленку основан на взаимодей­ствии кислоты (например, соляной) с окислами металлов

Me + 2HCl = MeCl₂+ H₂.

Соединения MeCl₂ растворимы в воде и легко удаляются с поверх­ности паяемых металлов.

Рис.3.8 Классификация паяльных флюсов

Недостатки флюсовой пайки - агрессивность ряда флюсов; не­возможность достаточно надежно удалять поверхностные окислы не­которых металлов (например, окислы титана); экологические пробле­мы - загрязнение атмосферы и сточных вод. С этой точки зрения пред­почтительной следует считать пайку без флюсов - в контролируемых атмосферах, которые по механизму воздействия на окислы можно разделить на активные, нейтральные (инертные) и вакуум.

Пайка в активной газовой среде (в восстановительной атмосфере).

В качестве восстановительной газовой среды применяют водород либо его заменители: окись углерода, азотно-водородную смесь (получается в результате диссоциации аммиака при нагреве выше 535 °С: 2NH₃ = N+3H₂).

Восстановление окисленного металла идет по схеме

MeO + H₂ = Me + H₂ O

Иногда в водородной печи используют и флюсы, или для улучшения смачивания на поверхность деталей в мес­тах пайки наносят медные или никелевые покрытия.

Вследствие взрывоопасности водород применяют редко и, в основ­ном, в печах малого размера.

Пайка в нейтральной газовой среде.

В качестве нейтральных газовых сред используются аргон, гелий, азот. Инертные газы предохраняют паяемый металл и припой от окисления в процессе пайки. Если же в пространство печи или контейнера, в которых ведется пайка, газ подавать под некоторым давле­нием, т.е. пайку вести в проточном нейтральном газе, то часть кисло­рода вместе с воздухом вытесняется, и парциальное давление его становится меньше. Тем самым создаются условия для непрерывно­го самопроизвольного распада окислов - диссоциации. Чтобы акти­визировать нейтральные газы, в них часто добавляют газообразные флюсы: фтористый водород HF, трехфтористый бор (BF₃) и другие, которые, взаимодействуя с оксидной пленкой, способствуют их уда­лению.

Пайка в вакууме

Производится в разреженной до ~ 10-3…10-4 мм рт.ст. (10-1…10-2 Па) атмосфере.

Очистка паяемых поверхностей от окисных пленок при нагреве в вакууме может происходить в результате

-их диссоциации,

- растворения в паяемом металле,

- диффузии атомов металла в окисную плёнку и постепенной её металлизации.

В вакууме обычно паяют медь, никель, вольфрам, титановые сплавы, высоколегированные и жаропрочные стали, тугоплавкие металлы, керамику.

Ультразвуковая пайка.

Способ ультразвукового разрушения окисной пленки применяется при низкотемпературной пайке некоторых металлов, например, алюминия. С помощью жала специального паяльника в расплав припоя, находящийся на паяемой поверхности, вводятся упругие механические колебания ультразвуковой частоты, которые при прохождении через жидкий припой вызывает появление т. н. кавитационных пузырьков. Периодически исчезая, они вызывают в расплавленном припое сильные ударные волны, под действием которых происходит разрушение окисла.

Абразивная пайка. Осуществляется при помощи шабера, абразива, которые удаляют окисную пленку с нагретой детали под слоем расплавленного припоя.

Способы пайки по кинетике кристаллизации металла шва

Рис.3.9 Классификация припоев по температуре плавления

Пайка, при которой припой образуется в результате контактного плавления соединяемых металлов называется контактно-реактивной. Она основана на способности некоторых металлов образовывать в месте контакта сплавы (эвтектики или твердые растворы), температу­ра плавления которых ниже температуры плавления любого из соединяемых металлов. Например, температура контактного плавления меди и алюминия составляет 540…550 °С, тогда как температура [автономного] плавления меди – 1080°С, алюминия – 660 °С.

В ряде случаев, когда соединяемые металлы не образуют подобного типа сплавы, для контактно-реактивной пайки используют промежуточную прослойку или наносят покрытие на соединяемые поверхности на­пылением, гальваническим либо каким-то другим способом. Металл прослойки или покрытия подбирается так, чтобы он взаимодействовал с каждым из соединяемых металлов, образовывая более легкоплавкие сплавы. К таким более легкоплавким сплавам относятся эвтектические сплавы или сплавы - твердые растворы с минимумом на диаграмме состояния.

Если в результате контактного плавления и последующей кристаллизации в соединении формируется хрупкая структура, применяются меры, направленные на ограничение жидкой фазы при контактном плавлении. Например, посредством регули­рования толщины наносимого на детали покрытия или укладываемой металлической фольги (не более 10-50 мкм).

При контактно-реактивной пайке детали сдавливают. Это создает лучший физический контакт между ними и способствует выдавливанию из избытка жидкой фазы. Вместе с избытками жидкости удаляются частицы окислов, присутствие которых в паяном шве снижает их прочность. Следует отметить, что жидкая прослойка, образующаяся при контактно-реактивной пайке, более актив­на, чем вносимый в зазор готовый припой: она лучше смачивает основной металл и более интенсивно его растворяет.

Контактно-реактивную пайку широко применяют для соединения:

1) разнородных металлов, например, титана со сталью, алюминия
с медью;

2) металлов с керамикой;

3) тугоплавких металлов.

При увеличении времени пайки удается благодаря диффузии повысить температуру распая соединений при сравнительно низкой температуре самой пайки.

Реактивно-флюсовой пайкой называ­ется способ пайки, при котором припой образуется в результате восстановле­ния металлов из компонентов флюса.

Типичным примером такой пайки является пайка алюминия флюсом из хлористого цинка, основан­ная на способности алюминия вытеснять цинк из расплавленной со­ли при температуре 400°С по реакции:

3ZnCl₂ + 2Al = 2AlCl₃ + 3Zn.

Образовавшийся цинк является припоем, соединяющим детали из алюминия.

В ряде случаев продукт взаимодействия основного металла с флю­сом не является припоем, однако он покрывает поверхность в месте пайки и улучшает смачиваемость дополнительным припоем, который вводится в зазор. Например, с помощью флюса AgCl можно осуществ­лять реактивно-флюсовое лужение (покрытие) титана серебром:

Ti + 4AgCl = TiCl₄ + 4Ag.

При температуре 350-400°С хлорид титана в виде газа улетучивается с поверхности титана, разрушая при этом оксидную пленку ТiO₂, а восстановленное серебро покрывает чистую поверхность титана, которую затем подвергают пайке другими методами.