Оборудование для плазменно-дуговой пайки. Этот метод пока не получил распространения. Перспективно его применение для микроплазменной пайки, которая использует стандартное оборудование, например МПУ-4Ж. С использованием микроплазменного нагрева успешно паяются тонкостенные конструкции (в основном тела вращения) из углеродистой и коррозионно-стойкой стали, титана и др. Пайка осуществляется плазменной дугой обратной полярности при напряжении 15… 17 В и силе тока 10… 12 А.
Большие возможности у микроплазменного нагрева при ремонтной пайке. Этот процесс может осуществляться с присадкой припоя или без него, если припой имеется вокруг дефектного места. Так, при пайке пластинчато-ребристых теплообменников часто появляются дефекты в местах соединения угловых элементов с матрицей, а также разделительных пластин с проставками. Обычно эти дефекты устраняются газопламенной пайкой с использованием припоя ПСр. При этом изделие часто бракуется. Применение этого метода позволяет устранить многие наружные дефекты теплообменника без распайки соседних мест и без изменения внешнего вида изделия. Процесс чаще всего проводится без дополнительной присадки припоя.
Оборудование для пайки световым лучом. Нагрев концентрированным световым лучом в настоящее время широко используется для низко- и высокотемпературной пайки благодаря бесконтактному подводу теплоты, возможности проводить процесс пайки в требуемой атмосфере независимо от электрических и магнитных свойств материалов, легкости управления теплопоступлением и контролем, возможности механизации и автоматизации.
Установка для пайки световым лучом состоит из модуля лучистого нагрева, источника питания, координатного стола, систем управления и контроля, системы охлаждения.
Модуль лучистого нагрева представляет собой эллипсоидный отражатель 2, в одном фокусе которого располагается источник излучения 1. В качестве источника излучения используют дуговые ксеноновые лампы с воздушным охлаждением типа ДКСШ мощностью 0Д…1 кВт и комбинированным (воздушным и водяным) охлаждением типа ДКСР мощностью до 10 кВт.
Дуговая ксеноновая лампа выполнена в виде шарового баллона из кварца, в котором расположены два вольфрамовых электрода.-Лампа заполнена ксеноном под давлением 0,4… 1 МПа. При работе лампы давление в ней возрастает до 1…3 МПа, что приводит к сжатию дуги и формированию высококонцентрированного источника излучения. Спектр излучения лежит в интервале длин волн 0,2…2,4 мкм. Большая часть энергии (50…60%), подведенной к лампе, преобразуется разрядом в излучение, спектр которого состоит из 10% излучения ультрафиолетовой области, 35% — видимой области и 55% — инфракрасной. Такой спектр более эффективен для нагрева металла, чем излучение ламп накаливания, так как коротковолновая часть спектра лучше поглощается.
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.
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.
Установка для сварки изделий из порошковых материалов модернизирована и изготовлена на основе установки СДВУ, работает в комплекте с высокочастотным генератором мощностью 60 кВт. Стойки имеют свободное перемещение по направляющим рамы, что позволяет с помощью обычных болтовых соединений осуществлять жесткое крепление кварцевой трубы любой длины нанаправляющей. Втулки, подготовленные к сварке, собирают последовательно (по длине) друг за другом на стержень, стягивают гайками-упорами и (для облегчения центрирования).
Собранные элементы помещают внутрь кварцевой трубы и упорами прижимают к толкателю Один из концов собранной трубы удерживается сферической частью упора в крышке . Крышка уплотняется резиновым кольцом и прижимается эксцентриком . На другом конце кварцевой трубы смонтирован сильфонный вентиль для поджатая свариваемых деталей. После загрузки в пневматическую камеру через регулятор давления, обеспечивающий регулировку давления (до 60 МПа), подводится сжатый воздух, который с помощью толкателя передает давление на свариваемую трубку из порошкового материала. Усилие сжатия поддерживается в процессе сварки постоянным. Нагрев зоны шва осуществляется токами высокой частоты через одно-витковый индуктор , расположенный на внешней стороне кварцевой трубы. После окончания сварки одного шва стойки передвигаются с помощью маховика механизма подачи относительно индуктора на следующий шов.
Установки П133 и П114 предназначены для диффузионной сварки в вакууме секционированных трубок из порошкового материала электронных ускорителей диаметром 200…350 мм. Эти установки содержат печи сопротивления с экранной теплоизоляцией, безмасляные средства откачки, системы сжатия с электромеханическим и гидравлическим приводами, системы управления работой установок в ручном и полуавтоматическом режимах. Конструктивная особенность установок состоит в том, что элементы печи сопротивления (нагреватели, экраны и токоподводы) смонтированы на двух открывающихся боковых дверях вакуумной камеры. Благодаря этому обеспечивается свободный доступ ко всем внутренним элементам вакуумной камеры, упрощается процесс сборки и проверка качества сборки свариваемых деталей и оснастки, их фиксация между опорными элементами системы сжатия.
Для диффузионной сварки силовых полупроводниковых приборов создан конвейерный комплекс УДС-5. Основными элементами комплекса являются рабочая и две шлюзовые вакуумные камеры, проходная электропечь, гидравлический пресс, холодильник, механизмы перемещения свариваемых деталей, системы откачки воздуха, водяного охлаждения и измерение основных параметров сварки. Сварочный цикл комплекса автоматизирован полностью.
Соединение неметаллических тугоплавких материалов между собой и с металлами может быть осуществлено и другими известными способами сварки: дуговой и электронно-лучевой сваркой (с подогревом керамического или узла из порошкового материала до температуры, при которой материал становится электропроводным и нечувствительным к термоудару), сваркой трением (преимущественно через пластичную алюминиевую прослойку). В этих случаях используют соответствующее сварочное оборудование, оснащенное специальными устройствами, источниками нагрева, оснасткой и др. Для сварки керамических материалов перспективно применение также энергии излучения СВЧ, лазера, электрического взрыва проводника, взрывного компактирова-ния, самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и пр.
— 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.
