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 электросопротивлением. Это группа оборудования наиболее разнообразна и доминирует в практическом использовании. Основной принцип, заложенный в оборудовании, состоит в том, что электрическая энергия превращается в тепловую за счет падения напряжения в основном на участке цепи с высоким сопротивлением. Оборудование для нагрева током широко применяется в серийном производстве, как правило, мелких изделий. Этот способ может быть осуществлен как при прохождении тока перпендикулярно паяемому зазору, так и параллельно ему (рис. 2.2). Нагрев паяемых деталей током, проходящим поперек зазора, .происходит, главным образом, вследствие возникновения переходного электросопротивления на границе паяемых деталей и припоя и может быть более неравномерным и труднорегулируемым. Для такого нагрева наиболее пригоден ток малого напряжения и большой силы, получаемый, например, от сварочных трансформаторов электроконтактных машин.
Переходное электросопротивление при одинаковых силе тока и времени нагрева зависит от площади и плотности прилегания электроконтактов, а следовательно, от давления на детали. После расплавления припоя переходное электросопротивление резко снижается, и дальнейший нагрев происходит за счет электросопротивления материала деталей и жидкого припоя.
Если электрический ток течет параллельно паяльному зазору и металл соединяемых деталей нагревается только теплотой от нагретого электрода, то создаются наиболее стабильные условия для пайки. При этом давление на паяемые детали не оказывает особого влияния на их нагрев. При такой разновидности пайки электросопротивлением можно использовать переменный ток небольшого на- пряжения (2,4… 10 В). Плотность тока при этом зависит от площади поперечного сечения нагреваемой детали: с увеличением площади поперечного сечения плотность тока снижается.
Пайку на контактных сварочных машинах, когда вследствие высокой скорости нагрева припой, зажатый между паяемыми поверхностями, не успевает окислиться, можно проводить без использования флюса. В массовом производстве паяных изделий машины для контактной точечной сварки комплектуются специальными электродами для пайки электросопротивлением. В зависимости от свойств паяемых материалов и размеров соединяемых элементов подбирают соответствующие электроды. Наибольшее распространение получили угольные электроды марок ЭГ-2, ЭГ-8, а также электроды из вольфрама и жаростойких сплавов.
Пайка электросопротивлением с помощью клещей применяется в монтажных условиях, а также при невозможности перемещения изделия к стационарному нагревательному оборудованию и в случае необходимости соединения элементов в труднодоступных местах. Например, клещи типа УП-8001-Т предназначены для пайки высокотемпературными припоями наконечников к стержням обмоток турбогенераторов электроконтактным нагревом. Клещи имеют графитовые электроды размером 52 х 40 х 15 мм, которые закреплены в медных электрододержателях, самоустанавливающихся по поверхности паяемых деталей. Перемещаются электроды пневмоприводом. Ниже приведены технические данные установки УП-8001-Т. Для массового производства изделий используют специальные установки для пайки электросопротивлением. Так, установка типа УП-501-Т предназначена для пайки высокотемпературными припоями коллекторных петушков, а также медных полос сечением менее 100 мм2 внахлестку. Пайка осуществляется электроконтактным нагревом графитовыми электродами. Техническая характеристика установки УП-501-Т приведена ниже.
Оборудование для пайки погружением. Основным элементом такого оборудования является специальная ванна, в которой размещается жидкий теплоноситель (соль, флюс, припои, масло и др.). Футеровка ванны должна обеспечивать возможность длительной работы в контакте с жидким теплоносителем. Разогрев теплоносителя в ванне производится с помощью размещенных в ней электродов или элементов футеровки, используемых в качестве нагревателей. Заданная температура в ванне, как правило, поддерживается автоматически.
Нагрев паяемой детали происходит в результате передачи теплоты от жидкой среды, нагретой до температуры пайки. Скорость нагрева деталей при таком способе в 3…6 раз больше, чем в воздушных печах. Слой соли или припоя защищает паяемое изделие от окисления как в процессе нагрева в ванне, так и при охлаждении на воздухе после того, как оно вынуто из ванны.Наиболее распространен способ пайки в жидких расплавленных солях, флюсах или припоях. Такой способ высокопроизводителен, так как допускает одновременную быструю пайку большого количества деталей и легко может быть механизирован. Число деталей, погружаемых одновременно в ванну, ограничено объемом ванны и снижением жидкой среды вследствие нагрева погружаемых деталей. Значительное преимущество пайки в соляных и флюсовых ваннах — возможность совмещения этого процесса с нагревом под закалку. Длительность процесса редко превышает 2 мин и обычно контролируется реле времени. Большая равномерность и скорость нагрева значительно снижает рост зерен и степень обезуглероживания. Характеристика соляных ванн приведена в табл.
При достаточно большом соотношении масс жидкой ванны и паяемого изделия этот способ позволяет поддерживать температуру расплава с точностью до ±5°С, обеспечивая минимальные тепловые деформации паяемых деталей, а следовательно, высокую точность паяемого соединения.
Иногда перед полным погружением паяемого изделия в ванну необходимо нагреть место соединения до температуры расплавления припоя. Например, если проволока припоя располагается снаружи у зазора и при полном погружении изделия в ванну припой может расплавиться раньше, чем место спая нагреется до температуры пайки, что приведет к сте-канию его с детали. Предварительный подогрев места соединения в этом случае достигается частичным погружением собранной детали на 1…2 мин в соляную ванну таким образом, чтобы припой оставался выше уровня ванны. Когда температура соединения достигает температуры пайки, деталь полностью погружается в ванну. Если припой в виде фольги располагается в зазоре между соединениями деталей, то
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.
Для обеспечивания более равномерного нагрева между индуктором и паяемой деталью иногда помещают металлический экран, приближенно повторяющий контур детали. В этом случае вихревыми токами нагревается экран, который затем отдает теплоту паяемой детали. Роль экрана может выполнять и герметичный контейнер.
С помощью индукционного нагрева возможна пайка на воздухе, в вакууме, в восстановительной или инертной среде (в печах, стеклянных, кварцевых ампулах или при косвенном нагреве в металлическом контейнере)
В ИЭС им. Е. О. Патона разработаны установки высокочастотного нагрева П141А и П156 для пайки изделий из алюминия с коррозионно-стойкой сталью на воздухе. Установка П141А поворотного типа предназначена для пайки слоя из алюминия технической чисто- ты к корпусу кастрюли из коррозионно-стойких сталей . В состав установки входят: поворотный стол, обеспечивающий сборку, возвратно-поступательное перемещение (поворот на 180°) одновременно двух изделий в горизонтальной плоскости по циклу; механизмы перемещения собранных деталей в зону нагрева, пайки, охлаждения; два блока ВЧ — нагрева собранных изделий; пульт и блок управления работой установки. Установка обеспечивает одновременную пайку двух изделий, обслуживается одним оператором.
Универсальная установка П156 ВЧ-нагре-ва карусельного типа предназначена для сборки и пайки алюминиевых деталей к корпусу фритюрницы из алюминия марки АД0О, а также сборки и пайки корзинки (сетки к обручу) изготовленных из коррозионно-стойких сталей для загрузки пищевых продуктов. В состав установки входят: многопозиционный стол, обеспечивающий сборку, фиксацию и перемещение деталей изделий по циклу; пульт и блок управления. В установке реализован цикл изготовления однотипных (алюминиевых или стальных) паяных изделий. Переход от одного типа изделий к другому осуществляется несложной переналадкой установки. При этом для каждого типа изделий предусмотрены соответствующие нагревательные блоки ВЧ-нагрева и механизмы перемещения деталей в технологическом цикле его изготовления. Установку обслуживает один оператор.
В качестве источника для нагрева и пайки изделий в установках П141А использован высокочастотный ламповый генератор типа ВЧ. Возможно использование ламповых ВЧ-генерато-ров другого типа с потребляемой мощностью более 60 кВт.
Оборудование для пайки электронным лучом. Процесс нагрева электронным лучом основан на использовании кинетической энергии электронов, быстро движущихся в глубоком вакууме. Сжатый в магнитных и электростатических фокусирующих линзах, поток электронов перемещается с большой скоростью от катода к аноду в сильном электрическом поле. Кинетическая энергия электронов при соударении с поверхностью детали-анода превращается в тепловую, что приводит к ее нагреву. Нагрев под пайку электронным лучом осуществляется в специальных вакуумных камерах. Для пайки, как правило, применяют сканирующий или расфокусированный пучок электронов.
Процесс пайки на электронно-лучевых установках характеризуется высоким КПД процесса. Концентрация энергии в луче позволяет предельно сократить продолжительность взаимодействия расплавленного припоя с паяемыми материалами, не повлияв на их свойства. Пайку изделий из керамики и тугоплавких металлов с местным нагревом (с фокусированным электронным лучом) производят с применением электронно-лучевых установок с пушкой типа У50А. Для пайки узлов медицинского инструмента с нагревом сканирующим потоком электронов применяют установку ЭЛУ-4 с пушкой ЭЦ-60/10. Для исключения перегрева и оплавления кромок изделия, а также равномерного прогрева зоны соединения, электронный пучок колеблется в результате подачи импульсов синусоидальной или пилообразной формы от генератора НГПК-ЗМ на отклоняющую систему пушки.
Сканирующим электронным лучом паяют также трубки теплообменников с трубной доской из коррозионно-стойкой стали никелевыми припоями или припоем ВПр2 на установке ЭЛН. Так можно нагревать лишь поверхность трубной доски и концы трубок, что предотвращает стекание припоя в межтрубную полость.
