Введение

Технология соединения металлов процесс соединения металлов.

Сплавка – это процесс соединения металлов, при котором два или более металлических элемента соединяются путем плавления и заполнения пространства между ними припоем, температура плавления которого ниже температуры плавления соединяемых металлов. Сплавка отличается от сварки тем, что не предполагает плавления соединяемых деталей. Сплавка отличается от пайки использованием более высокой температуры и более плотной подгонки соединяемых деталей. В процессе сплавки припой растекается в зазор между плотно прилегающими деталями за счет капиллярного эффекта. Припой нагревается немного выше температуры плавления (ликвидуса) в защитной атмосфере, обычно с использованием флюса. Затем он смачивает базовый металл и, после охлаждения, обеспечивает соединение деталей. Как правило, сплавка вызывает меньшую тепловую деформацию, чем сварка, благодаря равномерному нагреву изделия. Сложные и многокомпонентные сборки могут быть сплавлены экономически эффективно. Сварные швы иногда требуют шлифовки, что является дорогостоящей дополнительной операцией, не требуемой при сплавке, поскольку она обеспечивает чистое соединение. Дополнительным преимуществом является возможность нанесения защитных покрытий на сплавленные соединения. Наконец, сплавка легко адаптируется к массовому производству и легко автоматизируется, поскольку параметры процесса менее чувствительны к колебаниям. Основным недостатком является более низкая прочность соединения по сравнению со сварным, обусловленная использованием более мягких припоев. Прочность сплавленного соединения, как правило, ниже прочности базового металла, но выше прочности припоя. Другой недостаток заключается в том, что сплавленные соединения могут быть повреждены при высоких рабочих температурах. В некоторых операциях сплавки допускаются небольшие зазоры между деталями. Чистота поверхностей, подлежащих сплавке, также важна, поскольку любое загрязнение может привести к плохому смачиванию (растеканию). Два основных метода очистки деталей перед сплавкой – химическая и абразивная или механическая очистка. При механической очистке важно поддерживать надлежащую шероховатость поверхности, поскольку смачивание на шероховатой поверхности происходит легче, чем на гладкой поверхности той же геометрии. Существует множество методов нагрева для выполнения операций сплавки. Наиболее важным фактором при выборе метода нагрева является обеспечение эффективной передачи тепла по всему соединению с учетом теплоемкости используемых базовых металлов. Геометрия соединения также является важным фактором, как и требуемая скорость и объем производства. Самый простой способ классификации методов сплавки – группировка их по методу нагрева. Вот некоторые из наиболее распространенных:

Сплавка горелкой
Сплавка в печи
Индукционная сплавка
Сплавка погружением
Сплавка сопротивлением
Инфракрасная сплавка
Сплавка под флюсом
Электронно-лучевая и лазерная сплавка
Сварная сплавка

Эти методы нагрева классифицируются как локализованные и диффузные и предлагают преимущества в зависимости от конкретных областей применения.

Плавка факелом

Факельное паяние является наиболее распространенным методом механизированного паяния. Оно лучше всего подходит для небольших объемов производства или специализированных операций, а в некоторых странах на него приходится большая часть выполняемых работ по пайке. Существует три основные категории факельного паяния: ручное, машинное и автоматическое. Ручное факельное паяние – это процесс, при котором тепло подается с помощью газового пламени, направленного на соединение или вблизи него. Факел может быть как ручным, так и закрепленным в фиксированном положении, в зависимости от того, является ли операция полностью ручной или имеет определенный уровень автоматизации. Ручное паяние чаще всего используется при небольших объемах производства или в тех случаях, когда размер или конфигурация детали делают невозможным использование других методов паяния. Этот процесс также обеспечивает контролируемый тепловой цикл (что позволяет использовать детали, которые могут деформироваться при локальном нагреве) и отсутствие необходимости в очистке после паяния. Обычно используются следующие атмосферы: инертная, восстановительная или вакуумная, все из которых защищают деталь от окисления. Другие преимущества включают: низкую себестоимость при массовом производстве, точный контроль температуры и возможность одновременной пайки нескольких соединений. Печи обычно нагреваются электричеством, газом или мазутом в зависимости от типа печи и области применения. Однако к недостаткам этого метода относятся: высокая стоимость капитального оборудования, более сложные требования к конструкции и высокое энергопотребление. Вакуумное паяние часто проводится в печи, что позволяет одновременно выполнять пайку нескольких соединений, поскольку вся деталь достигает температуры паяния. Тепло передается посредством излучения, поскольку многие другие методы не могут быть использованы в вакууме.

Заплавка в воде

Припойное бразирование особенно подходит для пайки алюминия, поскольку исключается доступ воздуха, что предотвращает образование оксидов. Соединяемые детали фиксируются, а припойная паста наносится на соединяемые поверхности, как правило, в виде суспензии. Затем сборки погружают в ванну с расплавленной солью (обычно NaCl, KCl и другие соединения), которая выполняет функции как теплоносителя, так и флюса. Многие изделия, полученные методом припойного бразирования, используются в теплообменных устройствах для аэрокосмической промышленности.

Поток

Если операции пайки не проводятся в инертной или восстановительной атмосфере (например, в атмосфере азота), то для предотвращения образования оксидов при нагревании металла требуется флюс, такой как бура. Флюс также служит для очистки любых загрязнений на паяемых поверхностях. Флюс может применяться в различных формах, включая флюсопасту, жидкость, порошок или готовые паяльные пасты, сочетающие флюс с порошком припоя. Флюс также можно наносить с использованием паяльных прутков с флюсовым покрытием или с флюсовым сердечником. В любом случае, при нагревании соединения флюс растекается по нему и вытесняется расплавленным припоем, заполняющим зазор. Избыток флюса следует удалять после завершения цикла, так как оставшийся в соединении флюс может привести к коррозии, затруднить контроль качества соединения и помешать дальнейшей обработке поверхности. Фосфорсодержащие припои могут быть самофлюсующими при соединении меди с медью. Флюсы обычно выбираются исходя из их эффективности для конкретных основных металлов. Для эффективной работы флюс должен быть химически совместим как с основным, так и с припойным металлом. Самофлюсующиеся фосфорсодержащие припои образуют хрупкие фосфиды при использовании на железе или никеле.

Атмосфера

Поскольку при пайке требуются высокие температуры, происходит окисление металлической поверхности в атмосфере, содержащей кислород. Это может потребовать использования атмосферной среды, отличной от воздуха. Обычно используемые атмосферы:

Воздух – простой и экономичный. Многие материалы подвержены окислению и образованию окалины. Для удаления окисления после работы можно использовать кислотную промывку или механическую очистку. Флюс противодействует окислению, но может ослабить соединение.

Сжигаемый топливный газ – низкое содержание водорода, AWS типа 1, "экзотермически генерируемые атмосферы". 87% N2, 11–12% CO2, 5–1% CO, 5–1% H2. Для серебра, меди с фосфором и припоев на основе цинка меди. Для пайки меди и латуни.

Сжигаемый топливный газ – обезуглероживающий, AWS типа 2, "эндотермически генерируемые атмосферы". 70–71% N2, 5–6% CO2, 9–10% CO, 14–15% H2. Для меди, серебра, меди с фосфором и припоев на основе цинка меди. Для пайки меди, латуни, никелевых сплавов, моноля, среднеуглеродистых сталей.

Сжигаемый топливный газ – высушенный, AWS типа 3, "эндотермически генерируемые атмосферы". 73–75% N2, 10–11% CO, 15–16% H2. Для меди, серебра, меди с фосфором и припоев на основе цинка меди. Для пайки меди, латуни, низконикелевых сплавов, моноля, средне- и высокоуглеродистых сталей.

Сжигаемый топливный газ – высушенный, обезуглероживающий, AWS типа 4. 41–45% N2, 17–19% CO, 38–40% H2. Для меди, серебра, меди с фосфором и припоев на основе цинка меди. Для пайки меди, латуни, низконикелевых сплавов, средне- и высокоуглеродистых сталей.

Аммиак – AWS типа 5, также называемый формирующим газом. Диссоциированный аммиак (75% водорода, 25% азота) может использоваться для многих типов пайки и отжига. Недорогой. Для меди, серебра, никеля, меди с фосфором и припоев на основе цинка меди. Для пайки меди, латуни, никелевых сплавов, моноля, средне- и высокоуглеродистых сталей и хромовых сплавов.

Азот + водород – криогенный или очищенный (AWS типа 6A). 70–99% N2, 1–30% H2. Для меди, серебра, никеля, меди с фосфором и припоев на основе цинка меди.

Азот + водород + монооксид углерода – криогенный или очищенный (AWS типа 6B). 70–99% N2, 2–20% H2, 1–10% CO. Для меди, серебра, никеля, меди с фосфором и припоев на основе цинка меди. Для пайки меди, латуни, низконикелевых сплавов, средне- и высокоуглеродистых сталей.

Азот – криогенный или очищенный (AWS типа 6C). Неокисляющий, экономичный. При высоких температурах может реагировать с некоторыми металлами, например, с некоторыми сталями, образуя нитриды. Для меди, серебра, никеля, меди с фосфором и припоев на основе цинка меди. Для пайки меди, латуни, низконикелевых сплавов, моноля, средне- и высокоуглеродистой стали.

Водород – AWS типа 7. Сильный деоксидант, обладает высокой теплопроводностью. Может использоваться для пайки меди и отжига стали. Может вызывать водородное охрупчивание некоторых сплавов. Для меди, серебра, никеля, меди с фосфором и припоев на основе цинка меди. Для пайки меди, латуни, никелевых сплавов, моноля, средне- и высокоуглеродистых сталей и хромовых, кобальтовых, вольфрамовых сплавов и карбидов.

Неорганические пары – различные летучие фториды, AWS типа 8. Специального назначения. Может смешиваться с атмосферами AWS 1–5 для замены флюса. Используется для серебряной пайки латуней.

Благородный газ – обычно аргон, AWS типа 9. Неокисляющий, дороже азота. Инертный. Детали должны быть очень чистыми, газ должен быть чистым. Для меди, серебра, никеля, меди с фосфором и припоев на основе цинка меди. Для пайки меди, латуни, никелевых сплавов, моноля, средне- и высокоуглеродистых сталей, хромовых сплавов, титана, циркония, гафния.

Благородный газ + водород – AWS типа 9A.

Вакуум – требует откачки рабочей камеры. Дорогой. Не подходит (или требует особой осторожности) для металлов с высоким давлением пара, например, серебра, цинка, фосфора, кадмия и марганца. Используется для получения соединений наивысшего качества, например, для аэрокосмических применений.

Предварительные формы

Преформа для пайки – это высококачественная, прецизионная металлическая штамповка, используемая в различных процессах соединения при производстве электронных устройств и систем. Типичные области применения преформ для пайки включают в себя крепление электронных схем, корпусирование электронных устройств, обеспечение хорошей тепло- и электропроводности, а также создание интерфейса для электронных соединений. Квадратные, прямоугольные и дисковые преформы для пайки обычно используются для крепления электронных компонентов, содержащих кремниевые кристаллы, к подложке, такой как печатная плата. Прямоугольные преформы в форме рам часто требуются при изготовлении электронных корпусов, а шайбообразные преформы для пайки обычно используются для крепления выводных проводов и герметичных выводов к электронным схемам и корпусам. Некоторые преформы также применяются в диодах, выпрямителях, оптоэлектронных устройствах и при корпусировании компонентов.

Безопасность

При пайке возможно воздействие опасных химических паров. Национальный институт охраны труда и здоровья в Соединенных Штатах рекомендует контролировать воздействие этих паров на уровне ниже допустимого предела воздействия.