Пайка является уникальным процессом, позволяющим осуществлять соединение всех применяемых в технике металлических и многих неметаллических материалов при различных температурах, в различных средах, с применением разнообразных технологических способов, припоев и т. д.
Естественно, что среди множества технологических факторов, позволяющих обеспечить высокое качество соединения, особое место занимает нагревательное оборудование, обеспечивающее необходимый температурно-временной режим пайки. Передача тепловой энергии от носителя к паяемому изделию может осуществляться теплопроводностью, конвекцией, излучением или комбинацией этих способов. Нагрев соединяемых деталей может быть общим или локальным, поверхностным или объемным. Все это обусловливает наличие широкой гаммы методов нагрева паяемого изделия, а следовательно, огромное разнообразие устройств, позволяющих реализовать эти способы на практике.
Наиболее широкое распространение в промышленности нашло универсальное оборудование. Прежде всего, это различные паяльники, устройства для газопламенной и индукционной пайки, печи, обеспечивающие протекание процесса пайки на воздухе и в защитных средах, соляные ванны и др. Промышленное применение находит и более специализированное оборудование, позволяющее вести нагрев соединяемых деталей электронным или световым лучом, лазером, дуговым разрядом и др. Следует отметить, что и универсальность, и специализация оборудования варьируются в широких пределах. Выбор конкретного типа оборудования, степени его универсальности или специализации зависит от применяемых технологических процессов, припоев и программы выпуска изделий.
Оборудование для пайки можно классифицировать по разным критериям, основным из которых является способ получения тепловой энергии.
Электротермическое оборудование (ЭТО), применяемое для пайки, преобразует электрическую энергию в тепловую, а физико-химическое (ФХО) — в тепловую другие виды энергии.
В ЭТО сопротивления тепловая энергия выделяется при прохождении электрического тока через твердые или жидкие тела. При прямом нагреве паяемого изделия теплота выделяется в паяемых деталях, непосредственно включенных в электрическую цепь. При косвенном нагреве теплота выделяется в специальных нагревателях, включенных в электрическую цепь, и передается от них паяемому изделию по законам теплопередачи. Последняя может осуществляться за счет радиационного нагрева, конвекции газа (воздуха, защитного газа и др.), жидкости (расплавленного металла, флюса, соли и др.), теплопроводности в твердом теле и др.
В дуговом ЭТО тепловая энергия выделяется электрической дугой. При прямом нагреве дуга горит между электродом и паяемым изделием, теплота в основном выделяется в дуге; при косвенном дуга горит между электродами, а теплота к изделию передается излучением; при смешанном дуга горит между электродом и паяемым изделием, но значительная часть тепловой энергии выделяется в нагреваемом теле (расплав, шихта); при плазменном нагрев осуществляется в факеле плазмы, образованной при прохождении газа через дуговой разряд; при оптическом дуговом световая энергия дуги, горящей между электродами, передается к нагреваемому телу посредством оптических систем.
В индукционных ЭТО нагрев паяемого изделия происходит в результате выделения энергии высокочастотного электромагнитного тока. Индукционные ЭТО могут быть с магнито-проводом и без него. В первом случае нагреваемое тело охватывает замкнутую магнитную систему, образуя вторичный виток трансформатора, первичная обмотка которого включена в электрическую цепь. В индукционных ЭТО без магнитопровода паяемое изделие помещено непосредственно в электромагнитное поле катушки (индуктора), включенной в электрическую цепь, а нагрев происходит за счет индицирования вихревых токов.
В ионных ЭТО тепловая энергия выделяется при бомбардировке в вакууме паяемого изделия потоком ионов.
В электронно-лучевых ЭТО тепловая энергия выделяется при бомбардировке в вакууме паяемого изделия потоком электронов, эмитируемых катодом.
В лазерных ЭТО выделение теплоты в нагреваемом теле происходит при воздействии на последнее лазерных лучей.
Физико-химическое оборудование позволяет производить нагрев паяемого изделия за счет теплоты, выделяемой при протекании химических (горение) и экзотермических реакций, за счет энергии, освобождаемой при конденсации жидкости и др. Оборудование, применяемое для пайки, можно классифицировать по следующим признакам: по способу защиты поверхности соединяемых деталей от кислорода воздуха — в вакууме, защитных газах, под флюсом, в жидких теплоносителях и др.; по виду нагрева — поверхностный или объемный, локальный или общий.
Нагревательные устройства для пайки являются крупными потребителями электроэнергии. Наибольшее распространение для пайки получили электропечи сопротивления. Мощность их колеблется от долей киловатта до нескольких сотен киловатт. Печи мощностью свыше 20 кВт обычно выполняются трехфазными и подключаются к сетям напряжением 220, 380 и 500 В непосредственно или через трансформаторы. В этом случае коэффициент мощности близок к единице, распределение нагрузки по фазам в трехфазных печах симметричное.
Режим нагрузки зависит от технологического процесса и типа электропечи: в электропечах непрерывного действия непрерывный, в электропечах периодического действия цикличный. Чтобы обеспечить заданный температурный режим, мощность периодически снижают, иногда на очень короткое время, частично или полностью отключая нагрузку. Печи для процессов чувствительных к небольшим колебаниям температуры оснащают стабилизаторами напряжения. Внезапные пере- рывы в питании печей ведут к несоблюдению термического режима пайки. Кроме того, возможны серьезные повреждения агрегата. Вопрос о возможности отключения электропечей сопротивления в часы пик и при аварийных режимах решается с учетом технологического процесса и типа электропечи.
Установки для нагрева в электролите. Пайка в электролитах основана на явлении нагрева катода, погруженного в электролит, при прохождении через него электрического тока. При этом происходит электролиз водного раствора с выделением водорода на катоде. При достижении оптимального напряжения и температуры катода между ним и окружающим тонким слоем водорода и газов устанавливается стационарный электрический режим. Слой газов начинает светиться. Ионы водорода бомбардируют катод (паяемое изделие), их кинетическая энергия вызывает сильный его нагрев. Режим нагрева в электролитах зависит от их состава и температуры, напряжения и плотности тока и времени нагрева.
В качестве электролитов используют водные растворы солей, кислот и щелочей. В качестве электролита используют, например, 10…15%-ные водные растворы Na2C03 при температуре 50…70°С, обеспечивающие стабильный процесс нагрева катода и не вызывающие коррозии нагреваемых стальных деталей.
Для нагрева детали (катода) в электролите плотность тока на ее поверхности должна быть больше, чем на поверхности анода. Следовательно’, площадь поверхности нагреваемой детали должна быть несколько меньше площади поверхности анода. В электролитах могут нагреваться твердые проводники: сталь, чугун, латунь, алюминий, графит и др. На условия нагрева металлов в электролитах влияет их теплопроводность и не влияют магнитные и электрические свойства. Для нагрева стали, алюминия и латуни необходимо достаточно большое напряжение и плотность постоянного тока, т. е. большая мощность генераторов. Так, для нагрева до температуры 800°С стального цилиндра с площадью поверхности 100 см2 необходим генератор постоянного тока мощностью 400 кВ-А при напряжении 380 В и массе 400 кг.
При нагреве в электролите плотность тока распределяется неравномерно, особенно при наличии в детали острых кромок и выступающих частей, которые перегреваются и даже оплавляются. Для устранения этого выступающие части детали экранируют. Экран изготавливают из огнестойкого и электроизолирующего материала, например, из огнеупорного кирпича. При этом экран может находиться на расстоянии 2…3 мм от поверхности изделия. Пайка в электролите имеет ряд преимуществ: позволяет соединять разнородные материалы, осуществляется без флюса, легко механизируется, обеспечивает высокую производительность процесса, хорошее качество изделий.
Оборудование с пропуском тока через изделие очень эффективно, но его использование ограничено изделиями простой формы ввиду необходимости равномерного распределения температуры по изделию. Доминирует оборудование, основанное на использовании теплоты специального нагревателя, которая передается изделию излучением, конвекцией или теплопередачей в твердом теле.
Печи. Нагрев в печи имеет ряд преимуществ: равномерность нагрева и возможность точного контроля и регулирования температуры; сравнительную легкость механизации и автоматизации процесса; высокую экономичность при условии непрерывной работы. Экономические и технологические преимущества нагрева в печах особенно очевидны при массовой пайке мелких изделий (причем в ряде случаев пайка совмещена с термообработкой), при пайке изделий с большим числом труднодоступных соединений, например, разного рода теплообменников и изделии сложной формы, требующих равномерного нагрева.
В настоящее время для пайки применяют электрические и газопламенные печи, причем явно доминируют электрические печи самых разнообразных конструкций и назначений: камерные, шахтные, карусельные, с шагающим или выдвижным подом и т. д. По способу преобразования электрической энергии в тепловую различают электрические печи сопротивления и индукционные. В печах сопротивления, которые наиболее часто используются в промышленности, нагрев паяемого изделия осуществляется, главным образом, за счет радиационного нагрева.
Максимальная температура нагрева печи зависит в основном от типа используемых нагревателей. Так, металлические нагревательные элементы из жаропрочных и жаростойких сплавов позволяют поддерживать в печи температуру ниже 1100°С, некоторые специальные сплавы обеспечивают нагрев до 1200°С. Существенно повысить температуру нагрева при этом не удается даже при применении защитной атмосферы, так как температура плавления этих сплавов недостаточно высока. Применение силитовых и карборундовых нагревателей позволяет повысить температуру нагрева до 1300°С. Нагрев до 1600…2500°С можно осуществить, применяя нагреватели из тугоплавких металлов (молибдена и вольфрама) или графита. Однако использование этих материалов возможно только в вакууме или инертной среде, так как при нагреве на воздухе они быстро окисляются и разрушаются.
Высокотемпературные нагреватели из ди-силицида молибдена осуществляют нагрев на воздухе до температуры 1600°С. Нагреватель, представляющий собой молибденовый стержень, покрытый слоем дисилицида бора и жаростойкой эмали, выдерживает на воздухе температуру 1900°С в течение 15 ч.
На практике применяют печи с восстановительной, нейтральной и разреженной атмосферой. При выборе восстановительной среды необходимо иметь в виду следующее: активность среды, т. е. способность восстанавливать оксиды, определяется концентрацией газа-восстановителя (главным образом водорода) и влаги; активность газовой среды должна быть тем больше, чем химически прочнее оксид, покрывающий основной металл и припой; взрывоопасность среды возрастает с увеличением содержания в ней водорода. Наибольшей взрывоопасностью обладает чистый водород, значительно менее опасен диссоциированный аммиак и, наконец, практически безопасен продукт частичного сжигания диссоциированного аммиака; чистый водород, особенно очищенный и осушенный, имеет значительно большую стоимость, чем другие газовые среды; в случаях, когда применение газовой среды достаточно высокой активности невозможно или нецелесообразно для данного паяемого металла и припоя, можно сочетать газовую среду с применением флюса.
Водородные печи (в частности, конвейерные) широко применяют в радиотехнической, электронной и электротехнической промышленности. В других отраслях шире используют специальные печи для пайки в атмосфере диссоциированного аммиака, например, малоуглеродистой стали медью. Такие печи часто снабжают конвейером для непрерывного или периодического перемещения паяемых деталей.
Создание разрежения и применение аргона при пайке позволяют снизить парциальное давление кислорода и других активных газов и практически полностью избежать окисления основного металла и припоя, а в ряде случаев вызвать разрушение имеющихся оксидов. При пайке в вакууме высокотемпературными припоями этому способствует испарение многих оксидов и основного металла.
Вакуумные печи обеспечивают стабильные условия для пайки различных материалов. Они имеют водоохлаждаемую герметичную камеру (с “холодными стенками”), воспринимающую внешнее давление при создании внутри печи разрежения и во многих случаях внутреннее избыточное давление при впуске в печь инертного газа. Вакуумная камера может сочетаться с различными системами откачки воздуха, в которые могут входить диффузионные, адсорбционные или турбомо-лекулярные насосы (табл. 2.1). Промышленные печи обычно имеют остаточное давление 1 • 10″2…1 • 1(Г3 Па.
Нагреватели в вакуумных печах с радиационным нагревом изготавливаются из нихрома, графита, ниобия, молибдена, тантала, вольфрама. При использовании двух последних из названных металлов температура печи может достигать 2500 °С. Следует отметить, что весьма перспективно использование для этих целей некоторых новых графитизированных материалов (графитовая ткань и др.).
Вакуумные печи имеют преимущественно однокамерное исполнение. Они различаются по способу нагрева (радиационной, высокочастотной, проходящим током, кварцевыми лампами, в тлеющем разряде и др.), по максимальной температуре нагрева, наличии системы приложения усилия сжатия к паяемым изделиям и др. Техническая характеристика печей приведена в табл. Следует отметить, что большинство печей имеет радиационный нагрев и максимальную рабочую температуру в пределах 1100…1150°С. Последнее серьезно ограничивает их возможности по пайке жаропрочных материалов на различной основе. Основной недостаток однокамерных вакуумных печей — низкая производительность, обусловленная небольшой скоростью охлаждения в нижнем (менее 600°С) интервале температур. Иногда этот недостаток устраняется за счет продувки через камеру инертного газа. Однако большой расход последнего и необходимость его очистки делает в большинстве случаев эту операцию нерентабельной.
Существенное увеличение производительности может быть достигнуто за счет использования двухколпаковых печей, имеющих совмещенную вакуумную систему. Однако наиболее радикальное решение — разделение зон нагрева и охлаждения. Обычно идут по пути создания многокамерных печей, которые могут быть проходными и карусельными. Проходные вакуумные печи применяют, например, в поточной линии для производства испарителей автомобильных воздушных кондиционеров. Каждая печь конвейерного типа включает входной отсек. Процесс полностью автоматизирован за исключением операции снятия изделий с салазок, на которых оно перемещается в печи. Цикл изготовления испарителя в печи составляет 6 мин. Проходные печи — наиболее производительные вакуумные установки. Однако они не получили широкого распространения из-за сложности конструкции и большой площади, необходимой для их размещения.
Более компактны и надежны карусельные вакуумные печи. Карусельная печь показана на рис. Загрузка и выгрузка изделия производится на позиции 7, которая имеет индивидуальную систему откачки, в камерах 2 и 3 производится нагрев, а на позициях 4, 5 и 6 — охлаждение изделия. Очередной ход карусели осуществляется по достижении температуры пайки, т. е. по сигналу термопары на позиции 3. Для увеличения производительности нагрев в печи производится на двух позициях, что в 2 раза сокращает время пребывания изделия на каждой позиции. Если время пребывания на позициях охлаждения изделий недостаточно, предусмотрено охлаждение изделия инертным газом.
Нагрев в печах с воздушной атмосферой применяется, главным образом, при низкотемпературной пайке, когда не происходит интенсивное окисление металла. При высокотемпературной пайке нагрев изделия, как правило, осуществляется в контейнерах, герметизован-ных сваркой, песчаным затвором и др. В большинстве случаев они продуваются инертным газом, однако известно применение вакууми-рованных контейнеров. Ввиду относительной простоты и доступности метода пайка в контейнерах получила широкое распространение в промышленности.
Паяльники. Основное назначение паяльника — нагрев до температуры пайки паяльных материалов и соединяемых деталей или их частей. Основные элементы паяльника — нагреваемый наконечник (стержень или брусок), имеющий заточку (”жало”), обеспечивающую удобство нанесения припоя и хороший тепловой контакт с нагреваемой поверхностью, и теплоизолирующая ручка. На ручке могут монтироваться: устройства для нагрева наконечника, регуляторы нагрева, устройства подачи и дозирования припоя, устройства отбора припоя с места пайки, устройства, обеспечивающие проведение специфических манипуляций при пайке и др.
