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.
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.
