125647 (717626), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

рис. 5. Схема лазерной пайки

В обычном состоянии поверхность металлов покрыта оксидными пленками. Нагрев основного металла и расплавленного припоя приводит к тому, что их активность снижается вследствие взаимодействия с кислородом воздуха и ростом оксидных пленок на поверхности. Удаление оксидных пленок в процессе пайки является необходимым условием получения качественных паяных соединений.

Константа равновесия реакции окисления металла К_р зависит от давления паров кислорода в окружающей среде при данной температуре:

,

где Р_Ме, , — давление паров металла, кислорода и оксида соответственно.

Уменьшив парциальное давление кислорода и увеличив температуру среды, можно сместить равновесие реакции в сторону разложения (диссоциации) оксида. Однако полное разложение оксидов металла (например, олова, меди) происходит при очень низком давлении (10^–6—10^–8 Па) и температуре 600—700 С.

При нагреве металлов в активных (восстановительных) газовых средах, в качестве которых используют азотно-водородную смесь или добавку оксида углерода, происходит восстановление оксидов металлов активными компонентами газовых сред по реакциям:

, .

Недостатком такого процесса является взаимодействие водорода с расплавленным припоем, что приводит в ряде случаев к появлению водородной хрупкости, образованию пор, трещин и других дефектов.

Суть механического удаления оксидных пленок с паяемой поверхности заключается в их разрушении под слоем жидкого припоя с помощью режущего или абразивного инструмента, при этом припой защищает паяемую поверхность от воздействия кислорода воздуха и вступает с ней в физический контакт. В качестве режущего и абразивного инструмента используют металлические щетки, сетки, а в качестве материалов — порошки из твердых материалов, асбест, вводимые в припой в мелкоизмельченном виде. Недостатки метода — низкая производительность, неравномерность удаления оксидных пленок, загрязнение припоя частицами абразива.

Самым распространенным способом удаления оксидов в процессе пайки является флюсование. Флюс как химический реагент имеет два основных назначения: очистить поверхность металла от оксидов; уменьшить поверхностное натяжение припоя и угол смачивания. Типичные представители активных флюсов содержат в качестве растворителя воду или спирты, активаторами являются неорганические и органические кислоты либо их соли, например соляная или фосфорная кислота, неорганические соли (ZnCl₂, NH₃Cl, SnCl₂, CuCl и др.). При взаимодействии хлористого цинка и воды образуется соляная кислота, которая растворяет оксиды на поверхности металла:

В результате образуется хлористая медь, которую ввиду ее хорошей растворимости в воде необходимо удалять с поверхности детали. Поскольку флюс на основе хлористого цинка обладает высокой активностью, его остатки оказывают коррозионное воздействие и должны тщательно удаляться.

Самофлюсование заключается в том, что в состав припоев вводят раскислители (бор, фосфор, литий, калий, натрий), обладающие восстановительными свойствами:

.

Примером являются припои систем Сu—P, Cu—Mn—Ni—B (ВПр4), которые используются при пайке сталей в нейтральных газовых средах или вакууме.

Ультразвуковое удаление оксидных пленок основано на введении упругих механических колебаний частотой 18—45 кГц в расплавленный припой и создании в нем кавитации, а также ряда сопутствующих явлений: звукового давления, микро- и макропотоков. Кавитацией называется явление возникновения, развития и захлопывания газовых полостей в жидкой среде. Реальные жидкости и расплавы содержат нерастворимые примеси, на поверхности которых в трещинах и углублениях могут находиться нерастворенные пузырьки газа размером 10^–6—10^–7 м. При введении в расплав УЗ-колебаний интенсивностью 10⁴ Вт/м² эти зародыши кавитации начинают пульсировать с частотой колебаний. Их количество увеличивается за счет образования разрывов в жидкой среде при интенсивностях ультразвука более 2·10⁴ Вт/м².

При захлопывании пузырька сконцентрированная в ничтожно малом объеме кинетическая энергия трансформируется частично в силовой импульс и частично в тепловую энергию. Из центра захлопнувшегося пузырька распространяется ударная сферическая волна, давление в которой на расстоянии, равном 10R₀ (по расчетным данным), составляет 150 Па, а температура — 1000 С и выше. Захлопывание кавитационных полостей и создание микропотоков в расплавленном припое приводят к удалению оксидных пленок с поверхности металла, что позволяет осуществлять пайку и лужение труднопаяемых металлов: алюминия, магния и никеля, тугоплавких металлов и сплавов на их основе.

Генерация упругих механических колебаний УЗ-частоты осуществляется магнитострикционными и пьезоэлектрическими преобразователями с частотой колебаний 22 и 44 кГц и амплитудой колебаний 10—25 мкм. Преобразователи встраиваются в ванны и паяльники, излучающие поверхности которых изготавливаются из кавитационно-стойких материалов (нержавеющие стали, титановые сплавы). Электрическая мощность установок для УЗ-пайки не превышает 0,4—2,5 кВт. Время пайки или лужения составляет 5—10 с, скорость перемещения излучателя паяльника (0,8—1,6)·10^–2 м/с, а оптимальный зазор между торцом излучателя и паяемой поверхностью 0,2—3,0 мм (рис. 7).

1  окисел; 2  припой; 3  излучатель паяльника; 4  кавитационный пузырек; 5  шлак; 6  металл

Рис. 7. Схема ультразвуковой пайки

С помощью УЗ-металлизации удается соединять непаяемые материалы — керамику, стекло, ферриты и др. Однако это требует специальных припоев, объективного контроля режимов процесса (амплитуды и частоты колебаний), а также специальных мер против повышенного окисления припоя.

Плазмохимический способ заключается в использовании энергии потока ускоренных ионов активных газов, получаемых в вакууме при ионно-плазменном или магнетронном распылении. Воздействие ионного луча на поверхность металла приводит к испарению оксидной пленки в зоне обработки. Недостатком является необходимость высокого вакуума, сложного технологического оборудования, что ограничивает применение метода.

Взаимодействие на границе "основной металл — жидкий припой" связано с процессами смачивания и растекания припоя по паяемой поверхности. Процесс смачивания основного металла припоем состоит в замене межатомных связей, возникших между металлами в твердой фазе, на металлическую связь атомов на границе раздела между ними. При этом взаимодействие сил поверхностного натяжения определяет контактный угол смачивания (рис.6.11). Условию равновесия капли на поверхности отвечает минимум свободной поверхностной энергии Е_п, под которой понимают избыток энергии поверхностных атомов вследствие несбалансированности сил связи в решетке. При этом изменение поверхностной энергии описывается уравнением Юнга:

,

Из этого выражения следует, что

.

Величина cos служит параметром для количественной оценки степени смачивания:

1) полное смачивание при cos = 1, = 0;

2) ограниченное смачивание при 0 < cos 1 (0 90^o, σ_2,3 σ _1,3);

3) несмачивание при –1 cos < 0 (90^o < 180^o, σ _2,3 > σ _1,3).

Работа сил адгезии W_а связана с образованием межфазной границы с энергией σ _2,3 вместо единичных поверхностей с энергиями σ _1,2 и σ _1,3:

.

Для преодоления сил сцепления частиц внутри самой жидкости (сил когезии) необходимо затратить работу сил когезии по образованию двух единичных поверхностей жидкости с энергиями σ _1,2, т. е.

.

С учетом приведенных выражений можно получить формулу

.

Жидкие металлы и сплавы обладают более высоким поверхностным натяжением, чем неметаллические жидкости. Так, для припоя типа ПОС 61 σ_1,2 = 0,5 Н/м, что на порядок превышает поверхностное натяжение воды. В этом случае образование связи под действием сил Ван-дер-Ваальса не может обеспечить смачивание. Для выполнения при пайке условия смачивания на межфазной границе должны образовываться высокоэнергетические межатомные связи химической природы с большой работой сил адгезии W_а (металлические, металло-ковалентные и др.). Реальные пути улучшения смачивания заключаются в применении защитных газовых сред (снижение σ_1,2) и более тщательной очистке контактирующих поверхностей твердой и жидкой фаз от оксидных пленок (снижение σ_2,3).

1  газ; 2  припой; 3  основной металл

рис.8. Схема равновесия сил поверхностного натяжения

При рассмотрении условий равновесия системы "припой—основной металл" во флюсовой среде вместо σ_1,2 вводят σ_2,4 (межфазное натяжение на границе "флюс—основной металл"). При этом σ_2,4< σ_1,2, σ_3,4< σ_1,3, а уравнение для краевого угла имеет вид

.

Для реализации условия смачивания в данном случае необходимо вытеснение припоем прореагировавшего флюса по мере удаления оксидной пленки с поверхности основного металла, что выполняется при σ_2,3 < σ_3,4. При достаточном химическом сродстве компонентов основного металла и припоя энергия _2,3 мала, а работа W_а велика. В этом случае реализуется второе условие смачивания: W_а > σ_{2,4 .}

1  газ; 2  флюс; 3  припой; 4  основной металл

рис. 9. Схема равновесия сил поверхностного натяжения во флюсовой среде

Растекание припоя по поверхности основного металла происходит в результате взаимодействия сил поверхностного натяжения и сопровождается сближением жидкой и твердой фаз. Коэффициент растекания определяется из условия разности работ сил адгезии и когезии:

.

При смачивании и растекании припой заполняет зазоры между соединяемыми деталями, образуя мениски вблизи вертикальных стенок и проявляя тем самым капиллярные свойства. Разность давлений, действующих на искривленную поверхность жидкости, называют капиллярным давлением p_к, которое определяется уравнением Лапласа:

,

где p₁, p ₂ — давление жидкости для выпуклой и вогнутой поверхностей соответственно; R₁, R₂ — радиусы кривизны рассматриваемого элемента поверхности.

Для выпуклой поверхности Р_к считают положительным и направленным внутрь жидкости, для вогнутой поверхности Р_к отрицательно и направлено наружу от поверхности жидкости. При малом диаметре D капилляра свободная поверхность жидкости имеет форму сферы (рис. 10) радиусом

.

Подставив значение радиуса мениска в уравнение Лапласа, получим

.

Разность давлений p₁ – p ₂ уравновешивается столбом расплавленного припоя высотой h:

.

Из уравнений видно, что высота подъема припоя в капилляре круглого сечения прямо пропорциональна его поверхностному натяжению и смачивающей способности и обратно пропорциональна диаметру капилляра и плотности припоя:

.

Характеристики

Список файлов реферата