Вакуумные насосы для паяльника
Большинство неблагородных металлов, обычно паяемых в вакуумных печах, имеют естественное оксидное “покрытие”, которое может препятствовать протеканию присадочных металлов при пайке. Поэтому используют вакуумные насосы для паяльника.
Особенности использования вакуумных насосов для паяльника
И наоборот, сплавы, содержащие значительное количество реакционноспособных элементов, таких как алюминий и титан, имеют тенденцию образовывать оксиды при высоких температурах, которые препятствуют протеканию присадочного металла для пайки. Многие суперсплавы на основе никеля попадают в эту категорию, и серьезность проблемы варьируется в зависимости от состава сплава. Эти материалы следует паять при высоком уровне вакуума 2 x 10-4 мбар или выше. Существует несколько надежных методов улучшения паяемости труднообрабатываемых материалов. К ним относятся никелирование поверхностей соединений щеткой, методы химического травления для удаления алюминия и титана из неглубокого слоя на поверхности соединения и использование специальных агрессивных присадочных металлов для пайки с характеристиками самофлюсования. Оксиды менее реакционноспособных металлов, таких как железо, никель и кобальт, имеют тенденцию диссоциировать (разрушаться) при низком давлении и высокой температуре. Поэтому такие сплавы, как нержавеющие стали серий 300 и 400, углеродистые стали и многие инструментальные стали, можно успешно паять в вакууме при относительно высоких давлениях (от 0,001 до 0,06 мбар).
Сплавы на основе титана и циркония могут быть подвергнуты вакуумной пайке с использованием специально разработанных присадочных металлов для пайки. Из-за их склонности к загрязнению даже небольшим количеством кислорода или влаги эти сплавы необходимо паять при высоком вакууме в чистой печи. Алюминий и многие из его сплавов также можно паять в вакууме. Однако алюминиевые сплавы обычно используются в специальных печах, предназначенных для обеспечения максимальной однородности температуры при температурах менее 650 градусов Цельсия . Выделение магния в виде газов при пайке многих алюминиевых сплавов быстро загрязняет печное оборудование и грузы, которые впоследствии обрабатываются при более высоких температурах. По этим причинам настоятельно рекомендуется выполнять вакуумную пайку алюминия только в специальных печах.
Вакуумная пайка разнородных металлов может быть легко выполнена при условии учета различий в тепловом расширении. Если элемент из основного металла с высоким коэффициентом теплового расширения окружает элемент с более низким коэффициентом, зазоры в соединении, которые являются удовлетворительными для капиллярного потока при комнатной температуре, могут стать слишком большими при температуре пайки. Может также произойти обратное, когда затяжка соединения при температуре пайки предотвращает протекание сплава внутрь. Расчеты теплового расширения должны быть выполнены для всех соединений типа “кольцо в заглушке” с использованием разнородных металлов. Для сложных конфигураций также может потребоваться проведение предсерийных испытаний для определения надлежащих зазоров в соединениях.
Принцип работы пайки под вакуумом
Пайка включает в себя соединение двух или более компонентов из основного металла путем вплавления тонкого слоя присадочного металла в пространство между ними.
Склеивание происходит в результате тесного контакта, возникающего при растворении небольшого количества основного металла в присадочном металле, без расплавления основного металла. Пайка отличается от сварки, при которой соединение образуется путем плавления основного металла. Сварка похожа на пайку, но, по определению, выполняется при более высоких температурах. При пайке присадочный металл может быть размещен внутри соединения в виде фольги или поверх соединения в виде пасты или проволоки. Зазоры в соединениях должны очень тщательно контролироваться и обычно не превышают 0,12 мм. Капиллярное действие втягивает расплавленный присадочный металл в соединение и удерживает его там. Компоненты из основного металла должны быть сконструированы таким образом, чтобы усилить капиллярное действие. Пайка - это процесс, который был хорошо адаптирован к методам вакуумного нагрева.
Равномерное капиллярное действие произойдет только тогда, когда вся смазка, масло, грязь и оксиды будут удалены как из припоя, так и из основного металла перед пайкой. Продолжительность времени, в течение которого очистка остается эффективной, зависит от используемого материала, атмосферных условий, методов хранения и количества операций, которые могут потребоваться. Рекомендуется выполнять пайку как можно скорее после очистки материала. Выбор метода очистки зависит от природы загрязняющего вещества, используемых неблагородных металлов и конструкции соединения. Те же методы очистки, которые используются для вакуумной термообработки (например, ручная очистка, обезжиривание паром и т.д.), применимы и для вакуумной пайки.
После тщательной очистки паяемых материалов наносится припойный сплав. Правильному нанесению припоя лучше всего научиться на практике, но здесь применимы несколько общих правил. Следует избегать чрезмерного нанесения припоя, особенно при пайке тонких профилей агрессивными наполнителями. Следует тщательно учитывать объем применяемого припоя, особенно при использовании припоя в виде пасты. Пасты могут содержать более 50% связующего, поэтому размер нанесенного валика по сравнению с фактическим количеством поставляемого припоя может вводить в заблуждение. Хотя припой будет течь “в гору” из-за капиллярного действия, его следует располагать над соединением, чтобы по возможности использовать гравитационные силы. Во время нанесения паст швы не должны быть полностью герметизированы. Во время откачки вакуумной печи необходимо обеспечить вентиляцию каждого соединения. Запорные краски можно использовать для ограничения попадания припоя в нежелательные участки. Однако для некоторых применений может потребоваться дополнительная очистка для удаления оксидов. Механические методы очистки, такие как шлифование, чистка проволокой, механическая обработка или струйная обработка, часто используются для удаления оксидов или других нежелательных состояний поверхности. Они также могут быть использованы для придания шероховатости поверхностям соединений, что может способствовать текучести припоя. Необходимо следить за тем, чтобы на поверхностях соединений не оставалось остатков чистящего средства.
Компоненты, соединяемые пайкой, должны быть собраны в фиксированном положении относительно друг друга, и это положение должно сохраняться на протяжении всего цикла пайки. Во время сборки следует позаботиться о том, чтобы также сохранялись надлежащие зазоры между соединениями. По возможности детали должны быть сконструированы таким образом, чтобы они были самофиксирующимися. Если это непрактично, следующей лучшей альтернативой является прихваченная сварка. Однако для некоторых узлов может потребоваться дополнительная фиксация. Следует использовать фиксирующие материалы с коэффициентами теплового расширения, аналогичными основному металлу. Вспомогательные приспособления должны быть маломассивными и простыми по конструкции.
Следует избегать использования винтов или болтов. Резьбовые крепежные детали имеют тенденцию спекаться при высоких температурах, и их трудно снять. Если требуются пружины или зажимы, они должны выдерживать температуры, которым они будут подвергаться во время пайки. При использовании металлических креплений все точки соприкосновения с паяным узлом должны быть замаскированы стопорными красками. Наконец, перед использованием приспособления следует очистить и запечь в вакууме, чтобы удалить все источники загрязнения
Требования к процессу вакуумной пайки
Существует несколько факторов, которые необходимо учитывать при выборе присадочного металла для пайки или припойного сплава для конкретного применения. Температуры плавления основного металла и припоя, пожалуй, наиболее важны. Чистые металлы переходят из твердого состояния в жидкое (расплавляются) при одной температуре. Однако многие металлические материалы легируются путем добавления других элементов для получения определенных желаемых характеристик. Вместо того чтобы полностью плавиться при одной температуре, большинство сплавов плавятся в определенном диапазоне температур. Температура, при которой они начинают плавиться, известна как температура солидуса. Температура, при которой они полностью расплавляются, называется температурой ликвидуса. В то время как при температурах в диапазоне плавления между солидусом и ликвидусом присутствуют как твердая, так и жидкая фазы. При выборе припоя важно убедиться, что диапазон плавления припоя не перекрывает диапазон плавления основного металла. Как правило, солидус основного металла должен быть по крайней мере на 55ºC выше, чем ликвидус припоя. Для пайки нержавеющих сталей и материалов, предназначенных для использования при высоких температурах, существует большое разнообразие коммерчески доступных сплавов для пайки, которые отвечают этим критериям. Некоторые составы разработаны с узкими диапазонами плавления для удобства использования в тех случаях, когда зазоры в соединениях должным образом контролируются. Другие имеют более широкие диапазоны плавления и могут использоваться для заполнения больших зазоров в швах.
Необходимо также учитывать совместимость припоя с основным металлом. Почти всегда существует некоторое взаимодействие между припоем и основным металлом, степень которого варьируется в зависимости от состава и термического цикла. При определенных условиях расплавленный сплав для пайки может растворять неблагородные металлы, создавая нежелательное состояние, известное как эрозия. Компоненты припоя также могут диффундировать в основной металл, вызывая изменение свойств основного металла, таких как охрупчивание. Это может быть особенно вредно, если основной металл тонкий. Всякий раз, когда вероятно чрезмерное растворение основного металла, пайку следует выполнять за как можно более короткое время и при как можно более низкой температуре. Должно присутствовать достаточное количество припоя, чтобы полностью заполнить соединение, но следует избегать чрезмерных количеств.
Припойные сплавы, содержащие значительное количество летучих элементов, возможно, потребуется паять под парциальным давлением газа, такого как водород или аргон. Типичными примерами являются сплавы для пайки на основе меди и сплавы, содержащие цинк, кадмий и марганец в качестве средств для снижения температуры плавления. Некоторые припойные сплавы на основе серебра и даже никеля также требуют использования парциальных давлений для предотвращения испарения ключевых легирующих элементов.
При выборе сплава для пайки важно учитывать способ, которым сплав будет вводиться в соединение, и форму, в которой он доступен в продаже. Пластичные металлы, такие как сплавы для пайки на основе меди, серебра и золота, выпускаются в виде проволоки, прокладки, листа и порошка. Прокладку и лист можно предварительно поместить непосредственно в стык во время сборки паяемых компонентов. Припойные сплавы на основе никеля являются хрупкими и обычно поставляются в виде порошка. Их можно смешать со связующими для получения пасты, которая легко наносится на шов. Конструкция соединения оказывает некоторое влияние на то, какая форма припоя предпочтительнее. Для толстых соединений может потребоваться предварительное нанесение припоя, чтобы обеспечить полное заполнение соединения. Кроме того, различные сплавы для пайки часто требуют различных зазоров в соединении для эффективного капиллярного потока.
Факторы, влияющие на процесс вакуумной пайки
Существует ряд факторов, которые влияют на развитие цикла пайки. К ним относятся такие факторы, как состав основного металла и тормозного сплава, а также масса узла и конструкция соединения.
Однако каждый цикл состоит из ряда общих сегментов. На рисунке ниже показан типичный профиль для цикла вакуумной пайки. Во время первоначальной откачки водяной пар, адсорбированный деталями и печью, отводится. Для большинства применений пайки рекомендуется откачка перед нагревом до уровня вакуума 8 x 10-4 мбар или выше. Для обеспечения достижения этого уровня в цикле должна быть запрограммирована вакуумная блокировка безопасности. После откачки начальная скорость нагрева не должна превышать 15ºC в минуту. Более высокие скорости могут привести к откалыванию паяного сплава или деформации сборки. Нагрев продолжается до температуры выдержки примерно на 25ºC ниже температуры солидуса припоя. Затем груз пропитывается при этой температуре, чтобы обеспечить равномерность температуры и восстановить уровень вакуума. Обычно достаточно времени выдержки в течение 30 минут, хотя может быть желательно включить вторую вакуумную блокировку в программу цикла пайки.
В конце процесса используется более высокая скорость нагрева 15-25 °С в минуту, чтобы достичь температуры пайки. Скорость должна быть достаточно высокой, чтобы предотвратить “разжижение” припоя, когда компоненты с более низкой температурой плавления начинают плавиться отдельно. Низкая скорость нагрева также снижает риск эрозии основного металла.
Температура пайки должна быть как можно ниже в рекомендуемом диапазоне. Для многих сплавов для пайки минимальная температура пайки будет по крайней мере на 25ºC выше температуры ликвидуса. Минимальные температуры пайки необходимы при использовании сыпучих припойных сплавов, при попытке запаять большие зазоры и при пайке тонких материалов. При более низких температурах расплавленный сплав для пайки будет более вялым и менее реактивным с основным металлом. Время при температуре пайки должно быть достаточным для того, чтобы все участки детали и все детали в нагрузке достигли желаемой температуры. Обычно это время составляет от 5 до 10 минут, но при больших нагрузках может быть больше. Когда выдержка при пайке завершена, можно начинать цикл охлаждения. Если не требуется специальная термическая обработка, настоятельно рекомендуется, чтобы груз был охлажден до температуры по крайней мере на 25ºC ниже температуры солидуса припоя, прежде чем начинать газовую закалку. Это гарантирует, что расплавленный припой повторно затвердеет и не будет выдуваться из соединения во время закалки.
Несмотря на принятие всех необходимых мер предосторожности, иногда будут возникать дефекты. К счастью, дефекты часто можно устранить повторной пайкой. Из-за диффузии и смешивания компонентов между сплавом для пайки и основным металлом большинство сплавов имеют тенденцию к более высокой температуре повторного расплава после первоначальной пайки. Вместо того, чтобы пытаться устранить дефект соединения путем повторного расплавления существующего соединения, лучше нанести небольшое количество дополнительного сплава на дефектную область. Чтобы предотвратить переплав существующего соединения, предпочтительна температура предварительной пайки ниже, чем та, которая использовалась при первой пайке, особенно если речь идет о широких зазорах в соединении. Дефектная область должна быть повторно проверена на чистоту перед нанесением дополнительного припоя. Затем цикл пайки можно повторить, как и прежде, с изменением температуры пайки.
- Комментарии