Установка “Луч-3″ предназначена для пайки трубчатых конструкций из высокоактивных металлов и сплавов с нагревом кольцевым электронным пучком, получаемым в высоковольтном тлеющем разряде при температуре ниже 2000 °С. На кольцевой алюминиевый катод нагревателя, размещенный изолированно между двумя дисковыми анодами, подается высокое напряжение отрицательной полярности относительно земли. В концах анода, образующих щель для прохождения пучка, расположены электромагнитные катушки, обеспечивающие отклонение пучка при настройке на место соединения. Разогрев в зоне пайки происходит локально. Мощность нагрева регулируется подачей плазмообразующего газа (аргона, гелия) в область горения тлеющего разряда, время регулирования не превышает 0,5 с.
Существенными недостатками способа нагрева электронным лучом являются сложность установок из-за наличия вакуума и управляющих устройств высокой точности и их высокая стоимость.
Оборудование для пайки в тлеющем разряде. Нагрев паяемых изделий в поле тлеющего разряда обусловлен превращением кинетической энергии положительных ионов в тепловую при бомбардировке катода. Нормальный тлеющий разряд осуществляется в вакуумных камерах в нейтральной или восстановительной атмосфере при давлении газа в камере 2,66…26,6 кПа и силе тока разряда 3…20 А. Как правило, камеру сначала откачивают до давления 13,3 Па, затем заполняют аргоном до давления примерно 133 Па и снова откачивают. Благодаря такой последовательности операций достигаются низкие парциальные давления составляющих воздух газов.
Устойчивый к коротким замыканиям источник питания тлеющего разряда с крутопадающей вольт-амперной характеристикой должен иметь: устройство блокирования случайно возникающих сварочных дуг; возможность регулирования напряжения на межэлектродном промежутке — 100… 1000 В; осуществлять точное и раздельное регулирование силы тока и разрядного напряжения при работе в режиме ПВ-100%.
Нагрев в тлеющем разряде эффективен при сравнительно простой форме изделий. При наличии острых углов, выступающих частей трудно добиться равномерного нагрева. Для этого применяются специальные меры, например, изменение формы анода. Основной проблемой при пайке в тлеющем разряде является опасность перехода тлеющего разряда в дуговой, особенно при появлении паров припоя.
Важнейшими преимуществами тлеющего разряда являются: эффективность не только в стадии нагрева изделия, но и в стадии очистки поверхности изделия и припоя, что позволяет активировать поверхности соединяемых материалов; снижение расхода энергетических и материальных ресурсов; уменьшение габаритных размеров, сложности и стоимости оборудования; повышение его надежности, универсальности, производительности и экономичности; возможность соединения широкого класса материалов и различных их сочетаний.
Оборудование для пайки лазером. Лазерный нагрев обеспечивает высокую концентрацию энергии на очень малой поверхности изделия и высокие скорости нагрева (при плотности 105 Вт/см2 скорость нагрева 104…105 °С/с; при импульсном режиме на границе круга 250 мкм градиент температуры 103…105 °С/см). Наиболее целесообразна пайка лазером разнотолщин-ных деталей при соотношении толщин 1 : 50 и более, особенно, если массивная деталь изготовлена из более легкоплавкого материала.
Лазерное излучение подвергается фокусировке простыми оптическими средствами, оно проникает сквозь прозрачные вещества (стекло, кварц и др.) и может быть непосредственно направлено к месту пайки изделия, находящегося в изолированном, например, стеклянном контейнере, наполненном аргоном, или вакуумированном до требуемой степени остаточного давления. Для управления интенсивностью лазерного излучения изменяют длительность воздействия, площадь пятна нагрева (фокального пятна), выходную энергию.
Лазерная установка представляет собой комплекс оптико-механических и электрических приборов, основным звеном которого является оптический квантовый генератор. Оптические системы в лазерных установках для обработки материалов выполняют разнообразные функции: передачу лазерного излучения в зону пайки и формирование светового пучка необходимых плотности, мощности и конфигурации; наводку излучения в заданный участок, контроль за ходом процесса, оценку результатов.
Оптическая система может содержать све-товолоконную оптику и голограммы, которые содержат информацию о числе элементарных лучей разложения пучка и о точках их фокусировки. Координатные устройства должны обеспечить фиксацию детали на рабочем столе и точность перемещения лазерного луча относительно детали с необходимой скоростью.
Лазерной пайкой получают мелкие конденсаторы, элементы печатных плат, бумажные конденсаторы, токопроводящие пластины, токоприемники на цоколе лампы, соединения контактов интегральных схем и др.
Оборудование для пайки инфракрасным излучением. Радиационные нагревательные установки обычно представляют собой объединенные в единую конструкцию рефлекторы и излучатели. В качестве источника излучения широко используются галогенные лампы (вольфрамовая спираль, размещенная в кварцевой трубчатой колбе). Электропитание ламп осуществляется переменным током промышленной частоты. Например, кварцевая трубчатая лампа накаливания НИК-220-1000 Тр заполняется аргоном под давлением 60 Па и йодом в количестве 1…2 мг. Наличие паров йода обеспечивает стабильность энергетического и светового потоков. Наряду с аргоноиодными лампами применяют лампы с ксеноно-иодным наполнением типа КИМ и КГТ.
Для наиболее полного использования мощности ламп используют водоохлаждаемые рефлекторы из коррозионно-стойкой стали, рабочая поверхность которых покрыта серебром или чистым алюминием, а также тугоплавкими и благородными металлами, включая золото.
Нагрев инфракрасным излучением пригоден для пайки металлов и сварки пластмасс и имеет следующие преимущества: не требуется соприкосновения с соединяемыми деталями; возможна точная дозировка подводимой теплоты; допускается использование любой атмосферы, в том числе инертных газов или вакуума; излучение может проходить через тонкий слой стекла или кварца без значительных потерь теплоты.
Интерес представляют установки для пайки сотовых панелей, в которых используются кварцевые лампы инфракрасного излучения. Известен метод пайки “нортобрейз”, основанный на комбинации радиационного нагрева кварцевыми лампами и электронного управления процессом. Цикл пайки программируется и контролируется с помощью термопар. Этот метод широко применяется для пайки сотовых панелей из коррозионно-стойких сталей, титана, ниобия, молибдена. Цикл нагрева составляет 2…5 мин вместо 3…15 ч при традиционном печном нагреве. Высокой эффективностью отличается применение нагрева инфракрасным излучением в электронике.
Для локального нагрева используют малогабаритные лампы типа КГМ и КИМ. На базе кварцевой галогенной лампы КГМ-220-1000 разработан малогабаритный паяльник. Фокусировка излучения осуществляется с помощью отражателя, имеющего медную зеркальную поверхность с защитной кремнийорга-нической пленкой. Корпус паяльника охлаждается водой. При мощности лампы 1 кВт отражатель позволяет получать плотность энергии 120 Вт/см2 и максимальную температуру в зоне пайки 1280 “С. С помощью этого паяльника можно осуществлять ручную высокотемпературную пайку в вакууме или в защитных газах через прозрачное окно контейнера или печи.
При пайке с нагревом инфракрасным излучением необходимо учитывать неблагоприятные воздействия паров легко испаряющихся компонентов припоев и флюсов (помутнение зеркала рефлектора и кварцевых колб ламп), вследствие чего ресурс ламп может сокращаться. По этой же причине недопустимо стека-ние излишков флюса на поверхность рефлектора. В этих случаях необходимо строго дозировать количество флюса или использовать сменные кварцевые пластины-экраны.
Физико-химическое оборудование. В этом случае тепловая энергия получается за счет реакции горения (углеводородного, водородного или иного вида топлива), экзотермических или конденсационных реакций. Такая пайка имеет ограниченную область применения.
При газопламенной пайке изделие нагревается при непосредственном контакте с раскаленными газами пламени. В зависимости от требуемой температуры и интенсивности нагрева применяют различные горючие газы в смеси с кислородом или воздухом (ацетилен, метан, пропан, бутан, водород, природный газ, пары бензина и др.). Очень широко используется ацетилено-кислородное пламя. Его получают с помощью обычных сварочных или специальных горелок, обеспечивающих более равномерный нагрев. В последнее время все больше применяют городской газ или пропан. В ряде случаев целесообразно использовать газовоздушную смесь, приготовленную централизованно, что позволяет упростить оборудование поста пайки и облегчить регулировку пламени.
Пламя до некоторой степени защищает нагреваемый металл от окисления, однако полностью предотвратить его не может. Поэтому при газовой пайке часто применяют флюсы в виде порошка или пасты. Газообразные флюсы подают непосредственно в пламя. Газовое пламя, обеспечивая достаточно высокие скорости нагрева, менее чувствительны к форме, различию материалов и толщин нагреваемых изделий, чем индукционный и электроконтактный нагрев.
Нагрев газовым пламенем применяют при пайке как легкоплавкими, так и высокотемпературными припоями. Несмотря на ряд недостатков, нагрев газовым пламенем остается незаменимым методом не только при ручной пайке в единичном производстве и при ремонте, но и в массовом механизированном производстве. В этом случае для газопламенного нагрева используют специализированные установки, например, карусельные и конвейерные. Карусельные установки для газопламенной пайки предлагают в широком ассортименте фирмы различных стран, в основном японские и японо-американские. Наиболее типичны двенадцатипорционные установки, хотя число порций может варьироваться широко. Так, установка для пайки алюминия на воздухе включает порции нанесения флюса и припоя, нагрева изделия под пайку и окисления. Движение карусели непрерывно.
Существуют полностью автоматизированные и даже роботизированные установки с программируемыми циклом передвижения горелок к изделию и ориентированные по нему, зажиганием горелки, выполнением всего цикла пайки, отключением горелок и возвращением их в исходную позицию. Эти установки очень эффективны в условиях единичного и мелкосерийного производства.
При экзотермической пайке нагрев, а иногда и образование припоя, осуществляется в результате экзотермической реакции или агрегатного превращения специальных твердых, жидких или газообразных веществ. Экзотермическая смесь может быть внесена при сборке в виде таблеток, пластинок или нанесена на паяемую поверхность как краска. Смесь, продукты реакции которой образуют припой, затекающий в зазоры, обычно состоит из порошков металлов, оксидов и галогенидов щелочных металлов и др. Недостаток этого способа — сильное коробление паяемого металла при малой его толщине после нагрева теплотой экзотермической реакции.
Термитные шашки (табл. 2.6) [2] применяют для пайки телескопических соединений трубопроводов из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т диаметром 6… 12 мм с толщиной стенки 1 мм. Для концентрации теплоты в процессе горения термитной шашки и защиты обслуживающего персонала от воздействия лучистой энергии применяют специальное теплозащитное устройство, состоящее из разъемного тонкостенного кожуха, футерованного изнутри теплозащитным материалом, обладающим повышенной теплостойкостью и прочностью при многократном нагреве, а также образующим активную среду для пайки. Теплозащитное устройство имеет ввод, через который вставлен воспламенитель термитной смеси (нихромовая спираль, либо электрический запальник). Термитная смесь поджигается дистанционно током низкого напряжения (12…36 В), подаваемым на спираль или воспламенитель.
В устройстве предусмотрен также ввод для подачи аргона, защищающего наружные поверхности трубопровода и припоя в процессе нагрева от окисления. С целью устранения непосредственного воздействия продуктов сгорания шашки на соединяемые поверхности трубопроводов установлен металлический экран в виде толстостенной муфты.
При конденсационной пайке нагрев деталей происходит в результате выделения скрытой теплоты испарения. На рис. приведена одна из схем установки, в которой происходит конденсационная пайка.
На дно установки заливают специальную жидкость с низкой температурой испарения. Жидкость химически инертна по отношению к материалам, контактирующим с ней, и химически стабильна (не разлагается) при пайке. Количество теплоты, выделяемой при конденсации паров жидкости на поверхности деталей, достаточно для расплавления припоя, но недостаточно для ухудшения свойств паяемого материала. Жидкость не имеет запаха, не токсична и не воспламеняется при пайке, плотнее воздуха и не вытекает из камеры пайки, имеет ту же температуру, что и кипящая жидкость. Такими свойствами обладает пер-фтортриамиламин (флюоринерт ГС-70) с температурой кипения и конденсации 215 °С. Нагрев паяемых деталей происходит быстро, без изменения их размеров и формы. Простые мелкие детали нагреваются за 10… 15 с, а массивные (до 10 кг) за 30…90 с. Размер зоны с рабочим паром по высоте фиксируется расположением охлаждающего змеевика, конденсирующего пар на заданном уровне.
Для снижения потерь рабочего пара ГС-70 в результате диффузии или конвенции над зоной пайки располагают пар другого инертного вещества — трихлоротрифлуоретана (Р113) с температурой плавления 88 °С и более низкой плотностью, чем рабочий пар. В зоне пайки содержание воздуха настолько мало, что окисление паяемого материала не происходит. Однако при необходимости возможна пайка с достаточно легкоплавким флюсом.
Для получения неразъемного соединения керамических материалов применяют различные технологические процессы пайки, из которых наибольшее распространение получили: пайка расплавленного (размягченного) стекла с твердым металлом; высокотемпературными припоями с предварительной металлизацией керамики (многоступенчатый способ); адгезионно-активными припоями. Пайку неметаллических материалов осуществляют на том же оборудовании, что и пайку металлов, в частности, в печах сопротивления и индукционных печах с контролируемой атмосферой — нейтральной, восстановительной и в вакууме. В установках с индукционным нагревом, который не позволяет проводить прямой нагрев диэлектрических керамических материалов, все варианты оснастки содержат тонкостенный цилиндрический экран из молибдена, графита или другого тугоплавкого материала. Экран служит для нагрева излучением расположенных внутри него керамических деталей. Для каждого конкретного узла необходимо подбирать индуктор и оснастку с экранами, настраивать генератор, что не всегда обеспечивает равномерный нагрев изделия. Для керамических материалов наиболее перспективны установки с радиационным нагревом, как обеспечивающие более равномерный нагрев одновременно большого числа деталей и регулирование температуры и имеющие источник питания низкой стоимости.
В производстве электровакуумных приборов применяют конвейерные вакуумно-водо-родные электропечи с шлюзованием паяемых изделий. Например, печь типа ИО.59.012 обеспечивает производительность 20 изделий/ч. Другие вакуумно-водородные электропечи предназначены для проведения совмещенных процессов спекания керамических материалов и их пайки с металлической арматурой. Для пайки высокоточных и сложных по конструкции изделий применяют специальную оснастку. В результате создаются условия для сохранения геометрических размеров паяемых изделий.
Несмотря на всевозможные технологические и конструктивные преимущества, пайка не всегда обеспечивает требуемые свойства соединений неметаллических материалов. Неравномерный по толщине и составу слой припоя может вносить дополнительные внутренние напряжения, что существенно снижает термостойкость соединения. Напыление компонентов припоя на диэлектрические материалы вызывает снижение электрической прочности и связанные с этим утечки или пробои паяных узлов из порошкового материала.
Значительную часть изделий, содержащих элементы из неметаллических материалов, выполняют с помощью диффузионной сварки [4, 10]: полупроводников, стекла, керамики с металлами и сплавами. Они отличаются большей надежностью и качественностью соединений, высокими эксплуатационными характеристиками. Диффузионную сварку керамики с металлом применяют в основном для торцовых соединений. Параметрами, определяющими процесс сварки, являются температура нагрева изделий, давление, время сварки и среда, в которой производят сварку (вакуум, водород, формиргаз). В технологическом цикле сварки последовательно выполняют следующие операции: получение в камере заданного вакуума (газовой среды) и контроль за его состоянием; нагрев свариваемых деталей с заданной скоростью и выход на заданную температуру сварки при заданном предварительном сжатии свариваемых деталей; создание заданного сварочного давления и поддержание его в процессе изотермической выдержки и охлаждения; проведение изотермического нагрева и поддержание его на заданном уровне; охлаждение свариваемых деталей с заданной скоростью.
Для диффузионной сварки керамических материалов используют универсальные и специализированные сварочные установки, а также различное оборудование для горячего и изостатического прессования. Установка СДВУ-50/006 предназначена для диффузионной сварки изделий любой формы размером 200 х 250 х 400 мм из различных металлических и неметаллических материалов. На установке предусмотрено применение индукционного, радиационного и контактного способов нагрева соединяемых деталей. Установка оснащена электромеханической передачей усилия сжатия до 100 кН.
— Основное направление развития оборудования для пайки — механизация и автоматизация технологических процессов. Для газопламенной и индукционной флюсовой пайки можно добиться высокой степени автоматизации всех технологических операций: нагрева, нанесения припоя и флюса (чаще всего пасты, включающей оба компонента), очистки после пайки и др. Все большее распространение получат установки с программным управлением. Основной род установок — конвейерные и карусельные. Перспективны разработки установок как широкого профиля, так и узкоспециализированных, например, установок для газопрессовой пайки.
— Перспективно развитие компактных источников для получения кислородно-водородного пламени за счет электролиза воды. Кроме замены дефицитного ацетилена можно существенно изменить процесс газопламенной пайки, ввиду более легкого программного дозирования количества теплоты. Такие источники могут быть применены для деталей различных размеров, в том числе миниатюрных. Эффективно применение новых источников теплоты: светового, лазерного, инфракрасного излучения, причем как при высокотемпературной, так и при низкотемпературной пайке. Программное управление технологическим процессом при этом легко реализуется.
— Автоматизированные технологические линии с использованием низко- и высокотемпературной пайки как ведущего технологического процесса, например для узлов радио и электронной промышленности, различного рода теплообменников (например, автомобильных и тракторных радиаторов и др.) должны быть оснащены оборудованием не только для пайки, но и для подготовительных и вспомогательных операций.
— При увеличении производства изделий из новых материалов, в том числе неметаллических, значительно возрастает потребность в оборудовании для пайки в различных защитных средах, особенно в вакууме. Перспективно применение установок со сложными технологическими процессами, например, с ионной очисткой изделий перед пайкой, нанесением после этого покрытий и др. оборудования для пайки как на воздухе, так и в вакууме. В частности, большие перспективы имеют карусельные вакуумные установки (типа У-925, П-126).
— Большие возможности имеются в разработке вспомогательного оборудования: для нанесения припоев, очистки поверхности изделий перед пайкой и после нее для получения порошков припоев, аморфных лент, паяльных паст и др. Унификация узлов и агрегатов позволит компоновать новые установки из имеющихся компонентов. Одной из неотложных задач являются стандартизация и создание банка данных по оборудованию на современном уровне, когда эти данные можно анализировать с помощью компьютера.
