Учебник по Технологии

12–24 В. При таком низком напряжении работа с паяльником сравнительно безопасна.

Пайка горелкой

Пайка относительно массивных и крупногабаритных деталей, а также при использовании припоев со сравнительно высокой температурой плавления осуществляется с помощью нагрева газовой горелкой или паяльной лампой. В зависимости от температуры и количества необходимого тепла горячие газы (ацетилен, пропан, бытовой газ и др.) могут гореть в смеси с воздухом, со сжатым воздухом или кислородом. Как известно, пайка горелкой (или несколькими горелками) может быть механизирована и применена для массового производства.

Пайка горелкой может производиться последовательным способом вдоль шва или при одновременном разогреве всего места соединения. Смесь газов с кислородом и воздухом может давать различные величины температур пламени. Наиболее высокую температуру имеет ацетилено-кислородное пламя.

Газовые горелки применяются при пайке конструкционных и малоуглеродистых сталей, меди и никелевых сплавов и свинца. При пайке в пламени газовой горелки алюминия и его сплавов применяют газовые смеси кислорода с водородом, бутаном, пропаном.

Пайка горелками в последнее время используется с газовыми флюсами, вводимыми в горючую смесь из флюсоподателя, последовательно соединенного между баллоном с горючим газом и горелкой. В качестве газовых флюсов применяют раствор метилбората в метиловом спирте с ацетоном (например, флюс БМ-1). Газовые флюсы применяются для пайки меди, латуней и углеродистых сталей. Они непригодны при пайке нержавеющих сталей и при пайке серебряными припоями.

В процессе пайки соединяемые детали нагреваются до высокой температуры, что исключает возможность близкого расположения к месту шва деталей из органических диэлектриков или из других нетеплостойких материалов. Большие нагревы при больших перепадах температур могут привести к заметным короблениям элементов конструкции. Это особенно сильно будет проявляться при выполнении замкнутых швов. Часто для предотвращения такого коробления деталей прибегают к специальным зажимным приспособлениям, в которых их паяют и охлаждают. Однако это не устра-

300

няет деформации полностью. Поэтому при конструировании соединений, рассчитываемых на пайку газовой горелкой, нужно предусмотреть возможность деформаций и их дальнейшее исправление или учесть величину деформации в общей размерной цепи.

Технология пайки горелкой значительно сложнее пайки паяльником. Для производства такой пайки требуется специальное помещение (или отдельный производственный участок) с хорошей вентиляцией и всем необходимым оборудованием. Поэтому наряду с разработкой конструкции изделия следует вести и подготовку надлежащего производственного участка.

Пайка в печи

Пайка в печи находит особенно широкое применение в тех случаях, когда детали можно собрать совместно с припоем, помещаемым непосредственно в соединение или около него. Она дает хорошие результаты при пайке легкоплавкими припоями, когда поверхности соединяемых деталей могут быть облужены обильным количеством припоя и перед помещением в печь плотно механически соединены между собой. Способ пайки в печах относится ко второй группе паек, когда одновременно осуществляется пайка сразу всего соединения.

Особенности пайки в печах состоят в следующем:

∙во-первых, изделие в меньшей степени подвержено короблению, поскольку нагрев и охлаждение не являются местными, а все элементы изделия нагреваются одновременно. Однако это исключает возможность использования паяных соединений в узлах с нетеплостойкими деталями и с другими соединениями, например,

склепаными или винтовыми, которые при воздействии тепла могут ослабнуть;

∙во-вторых, детали, покрытые гальваническим способом некоторыми материалами, не могут выдержать сравнительно длительного нагрева в печах. Непокрытые металлы могут подвергнуться коррозии (если не применять специальных мер). Поэтому пайку в печах можно использовать для сравнительно ограниченной номенклатуры конструкций;

∙в-третьих, однородность получаемых соединений уменьшает разброс по их механическим свойствам.

Пайка в печах, как правило, позволяет получать высокую производительность. Она также дает возможность осуществлять

301

пайку в восстановительных или нейтральных средах. Использование электрических печей позволяет производить пайку при температуре от 1 000 до 1 300 ° С.

При пайке в печах используются припои в виде проволоки, фольги, металлических опилок, порошка, пасты и т.д. Паяемые изделия загружаются в печь партией или подаются к ней непрерывно по конвейеру. Характер загрузки в печь и особенность процесса пайки приводят к необходимости заботиться о достаточно хорошей фиксации взаимного расположения соединяемых деталей, что заставляет прибегать к тугой, прессовой посадке и к скользящей посадке при использовании дополнительных способов фиксации. Тугие посадки применяются при пайке медью. Иногда прессовая посадка с большим натягом приводит к недопустимой деформации деталей в результате растяжения ее в нагретом состоянии выше предела упругости, что приводит к раскрытию и ослаблению паяных швов. В муфтовом соединении простая и плотная посадки могут быть осуществлены при наличии прямой насечки на поверхности одной из деталей.

Если требуется высокая прочность соединения, то перед пайкой целесообразно использовать накатку, керновку, развальцовку, рифление, заклепочные соединения и т.п.

Способ пайки в печи применяется при использовании низких температур, т.е. при легкоплавких припоях. Так, в печах с непрерывной подачей узлов паяют типовые стеклянные изоляторы к крышкам, предназначенные для герметичных корпусов, роторы и статоры подстроечных конденсаторов, в которых части пластин, ось колонки и швеллеры предварительно хорошо лудятся и соединяются между собой тугой посадкой.

В печах с успехом паяются и многие конструкции с керамическими деталями. Возможность строгого соблюдения режима пайки (температуры и времени) позволяет обеспечивать высокую надежность соединения, выполненного в печах.

Если проектируемое соединение рассчитано на массовый выпуск, то конструктору целесообразно принять все меры к тому, чтобы узел можно было выполнять путем пайки в печах. Это позволит увеличить производительность труда, улучшить качество и произвести нормализацию соединяемых деталей.

При конструировании деталей, предназначающихся для пайки в обычных печах при больших температурах, необходимо иметь в

302

виду, что детали узла могут покрыться после пайки окисной пленкой, которую придется удалять механическим или химическим путем. Поэтому применяемые материалы, размеры и допуски на отдельные элементы конструкции должны выбираться с учетом их возможных изменений.

Пайка при непосредственном разогреве соединяемых де-

талей электрическим током. Электрический ток может быть использован для разогрева паяемых деталей за счет их контактного сопротивления. Такой способ часто называют электроконтактной пайкой или пайкой сопротивлением.

В этом случае деталь или обе соединяемых детали будут входить в электрическую цепь. Припой в любой удобной форме может предварительно укладываться около соединения или присаживаться вручную с внешней стороны соединения в процессе пайки. При этом следует иметь в виду, что наличие флюса уменьшает электропроводность соединения.

Рассматриваемый способ пайки по используемому оборудованию и технологическим приемам очень во многом напоминает точечную электросварку. По своим особенностям этот способ относится к первой группе.

Для этого вида пайки могут быть использованы как точечные сварочные машины, так и роликовые машины. Кроме того, могут быть использованы и специальные сварочные клещи. Процесс нагрева места соединения и все его особенности аналогичны происходящим при точечной сварке, рассмотренной в гл. 4. Этим способом можно припаивать различные металлы. Особенность рассматриваемого способа пайки состоит в том, что его можно применять только для конструкций, отвечающих требованиям, предъявляемым к соединениям, предназначенным для контактной (шовной или стыковой) электросварки. В отличие от электросварки здесь, кроме медных электродов, могут быть использованы угольные (графитовые) марок ЭГ-2, ЭГ-8 и др., а также из жаростойких сталей и спла-

вов (ЭИ437, ХЗО, Х17Н25С, Х12М и т.д.).

Применение различных электродов (например, из графита и вольфрама) позволяет осуществлять нагрев металлов с различной теплопроводностью и сопротивлением в труднодоступных местах.

От электросварки рассматриваемый способ пайки отличается расположением электродов. При сложной форме изделия удобно производить пайку, подводя электрический ток к графитовой пла-

303

стине, на которой устанавливается паяемое изделие, присоединенное к другому проводу электрической цепи. При контакте паяемых частей детали ток проходит через место спая и пластину, нагревая их. Нагрев детали производится главным образом за счет передачи тепла от разогретой током графитовой пластины. Обжим места спая может быть произведен специальными прижимами, не включенными в общую электрическую цепь. Очевидно, что давление с соединения не должно сниматься до тех пор, пока расплавленный припой не затвердеет.

Рассматриваемым способом можно припаивать медь и ее сплавы, стали различных марок, молибден, вольфрам и в отдельных случаях даже титан.

Относительно большие ограничения форм соединяемых деталей и сравнительно небольшая производительность (по сравнению с точечной сваркой) являются препятствием для широкого использования способа пайки за счет контактного сопротивления. Этот способ иногда бывает целесообразен при пайке таких деталей, которые не могут быть успешно сварены контактным способом сварки.

Более перспективным является второй вариант пайки, при котором одна из деталей подвергается нагреву проходящим через нее током. В последнее время этот вариант пайки иногда применяется при соединении деталей некоторых конструкций миниатюрных блоков радиотехнических аппаратов. В этом случае серебряные пазы керамических деталей, представляющие собой выводы отдельных элементов, предварительно хорошо (обильно) облуживаются припоем ПОС-61. Дополнительному облуживанию подвергается и медный луженый провод, который используется для соединения указанных выше выводов деталей. После укладки заготовок проводников в пазы керамических деталей с некоторым небольшим усилием за счет своеобразной тугой посадки к ним подводится напряжение от специального трансформатора, которое и создает в каждом из проводников ток, нагревающий их до требуемой температуры. Время пайки и величину температуры в местах соединения можно регламентировать, применяя для этой цели специальные реле времени и устройства, формирующие импульс тока. Таким способом можно припаивать не только детали микроминиатюрных блоков, но и любые другие детали малых передних размеров, которые могут быть нагреты током.

304

Пайка индукционным нагревом

Способ пайки индукционным нагревом состоит в том, что при его использовании тепло получается от электрического тока, индуктирующегося непосредственно в подлежащих пайке деталях, поэтому этот способ иногда называют индукционной пайкой. При этом соединяемые детали располагают около или внутри специальных индукторов, питающихся энергией от специальных высокочастотных агрегатов. Точного расчета индукторов не существует, и поэтому приходится экспериментальным путем подбирать как его форму, так и расположение по отношению к паяемому шву. Наиболее удобными (с точки зрения создания местного нагрева) являются петлевые, а не спиральные индукторы. (Все устройство аналогично используемому для нагрева деталей токами высокой частоты.) Припой обычно укладывается у места соединения перед пайкой. Хорошо сконструированное соединение и правильно выполненный индуктор обеспечивают одновременный нагрев всех соединяемых деталей до необходимой температуры.

Рассматриваемый способ пайки относится ко второй группе, но при использовании его для соединения очень больших деталей можно производить и последовательную пайку шва.

Преимущества индукционной пайки состоят в том, что при ней можно обеспечить быстрый нагрев соединения, что способствует уменьшению возможного окисления деталей. Используя индукторы специальной формы, можно обеспечить местный нагрев сравнительно больших площадей. Быстрый и избирательный разогрев только мест соединения позволяет пользоваться этим методом пайки для узлов с изоляционными деталями, которые находятся на таком расстоянии от места соединения, при котором исключается нагрев теплочувствительных деталей за счет теплопроводности.

Индукционная пайка хорошо поддается регулировке, чем обеспечивается определенная стабильность режима. Она может быть приспособлена для непрерывной конвейерной пайки массовых изделии.

Рассматриваемый способ пайки не является универсальным, так как не все геометрические формы конструкций соединений могут им выполняться. Поэтому в практике только конструктор определяет необходимость или возможность применения этого способа пайки. Часто это обусловливается необходимостью более полной загрузки имеющихся на предприятии высокочастотных печей.

305

Следует иметь в виду, что по сравнению с обычными электрическими печами при высокочастотном нагреве расходуется меньше электрической энергии. Использование высокочастотных печей позволяет при меньшей площади получить больший съем продукции, а процесс пайки легче поддается машинизации и автоматизации.

Обычно для индукционного нагрева металлов используются ламповые плавильно-закалочные высокочастотные генераторы с выходной мощностью 10–60 кВА и частотой 200–600 кГц.

При индукционном нагреве места соединения прежде всего нагреваются внешние поверхности (деталей и припоя), а нагрев у зазора происходит в результате теплопроводности и поэтому более медленно. Применение генераторов мощностью более 30 кВА при пайке не рекомендуется из-за возможности оплавления поверхности детали, раннего расплавления припоя вследствие теплопроводности.

При разработке паяного соединения, предназначаемого для индукционного нагрева, необходимо знать максимальные и минимальные размеры индукторов, которые могут быть применены с имеющимся генератором. Увеличение зазора между индуктором и местом шва уменьшает скорость нагрева. Обычно этот зазор колеблется в пределах от 2 до 20 мм. При пайке тонкостенных деталей удобны небольшие зазоры. Для создания более равномерного нагрева разностенных или сложных изделий и предотвращения оплавления в них выступов и острых кромок пользуются зазорами больше 20 мм.

Пайку в индукторе удобнее всего производить при вертикальном или наклонном положении паяемой поверхности детали. При сложной форме деталей при нагреве их рекомендуется непрерывно вращать со скоростью 20–30 об/мин. В конструкции таких узлов необходимо предусматривать специальное предварительное крепление.

Припой размещается в месте зазора или около него в виде фольги, проволочных колец, порошка, стружки, пасты, зерен и т.п. Обычно припой помещают в верхней части зазора, для чего целесообразно предусмотреть в деталях специальные неглубокие канавки. Подходящими формами соединительных швов (изделий относительно больших размеров) будут круглые и прямоугольные с малым отношением сторон.

306

Изделия малого размера могут паяться одновременно по нескольку штук одним индуктором. Пайка в спиральных индукторах может одновременно выполняться с деталями различной формы, но производительность ее будет сравнительно небольшой.

Пайка индукционным нагревом может производиться в вакууме или в восстановительной среде. При пайке в восстановительной среде соединяемые детали помещаются в контейнер из нержавеющей стали, стенки и дно которого изолированы от внешней среды. Контейнер нагревают в наружном многовитковом индукторе. При пайке в контейнере, нагреваемом в высокочастотном индукторе, скорость процесса пайки увеличивается в 5–10 раз по сравнению с пайкой в обычных электрических печах с восстановительной средой, так как при нагреве в индукторе прогрев контейнера длится всего несколько минут; для прогрева же печей с восстановительной средой необходимо обычно несколько часов. В крупносерийном и массовом производствах часто используют автоматическую пайку с непрерывной подачей деталей в индуктор.

4.3.2.Факторы, определяющие смачиваемость

ипаяемость печатных плат

Смачивание основного металла расплавленным припоем и растекание последнего, обеспечивающее хорошую адгезию припоя к основному металлу и их взаимную диффузию, возможно только при отсутствии окисных и жировых пленок, а также других загрязнений на поверхности основного металла. Образование прочного соединения припоя с основным металлом происходит лишь в том случае, если поверхности спаиваемых деталей абсолютно чисты. Для удаления окислов и загрязнений детали перед пайкой зачищают. При этом механически наносят сеть капиллярных канавок, обеспечивающих лучшее смачивание.

Смачиваемость – способность паяемого материала (в нашем случае медной фольги) образовывать с припоем надежный механический и электрический контакт при застывании последнего.

Паяемость – способность конструкций, подвергаемых пайке успешно выдерживать физико-химические нагрузки, возникающие во время и после пайки.

Факторы, влияющие на смачиваемость и паяемость, сведены в рис. 62 и 63 соответственно.

307

Смачиваемость

Состояние		Приме-		Качественный		Температура		Время
поверхности		няемый		и количественный		пайки		пайки
КП ПП		флюс		состав припоя
и выводов
ЭРЭ

Рис. 62. Факторы, определяющие смачиваемость

Паяемость

Устойчивость		Конструктивные		Ограничения		Технологические
к пайке		факторы		в выборе флюса		параметры
компонентов		(форма КП)				пайки
и ПП

Рис. 63. Факторы, определяющие паяемость

Для защиты поверхностей спаиваемых деталей от интенсивного окисления в результате нагрева место пайки покрывают флюсом, который образует жидкую и газообразную преграду между поверхностями спаиваемых деталей и окружающим воздухом. Флюсы также очищают поверхности спаиваемых деталей от загрязнения, растворяют окисные пленки и способствуют лучшему затеканию расплавленного припоя в зазоры между деталями.

4.3.3. Групповая пайка элементов с радиальными выводами

Групповая пайка может быть осуществлена различными способами. Определяющим в выборе способа пайки является расположение элементов на плате.

308

При групповой пайке с односторонним расположением навесных ЭРЭ применяется пайка погружением, пайка волной и избирательная пайка (рис. 64).

Методы групповой пайки

	Погружением	Летучим	Концентрированными
		теплоносителем	потоками энергии

В расплавленный припой

Протягиванием по поверхностиприпоя

В нагретую

жидкость

Вволнуприпоя

Горячим газом

Парами жидкости

Ультразвуковая

Высокочастотная

Инфракрасная

Лазерная

Электронным и

ионным лучом

Односторонняя

волна

Двусторонняя

волна

Вторичная волна

Дельта-волна

Плоская волна

Ламбда-волна

Омега-волна

Рис. 64. Классификация методов групповой пайки

При пайке погружением плату с установленными ЭРЭ закрепляют в приспособление, устанавливают на головку-вибратор и погружают в ванну с расплавленным припоем (рис. 65). Глубина погружения 0,5–0,7 толщины печатной платы обеспечивается ходом кронштейна, на котором устанавливается плата, и регулятором уровня припоя с поплавковым датчиком. После 2–3 с выдержки включают вибратор с амплитудой колебаний 0,1–0,3 мм при частоте 100 Гц. Вибрация обеспечивает удаление газов, возникающих при соприкосновении участков платы, покрытых флюсом, с расплавленным припоем, улучшает проникновение припоя в отверстия платы, а также способствует правильному оформлению пайки.

309