Физическая сущность процесса пайки. Совместимость паяемого металла и припоя

В настоящее время технология пайки является высокоразвитой технологией изготовления изделий различного назначения из разнообразных металлов и сплавов. Пайка находит использование в разных отраслях для соединения как мельчайших деталей, например, в электронных приборах, так и узлов крупногабаритной техники в ракетостроении, энергетике и других отраслях.

В создании новых материалов, оборудования и технологий пайки значительный вклад сделали ученые ведущих научных школ, которые образовались в научно — исследовательских институтах, учебных заведениях, отраслевых лабораториях разных стран. В Украине материалы и технику пайки разрабатывали и продолжают разрабатывать в Институте электросварки имени Е.О.Патона и Институте проблем материаловедения имени И.М. Францевича, в других научно–исследовательских институтах и лабораториях и учебных заведениях, в том числе и в Киевском политехническом институте на кафедре сварочного производства.

Пайка становится в настоящее время практически единственным способом получения надежного соединения между материалами, которые обладают малой пластичностью или не могут быть нагреты до высокой температуры. Речь идет о соединении полупроводниковых кристаллов, керамики, стекла и сочетаний металлов, образующих при нагреве интерметаллические соединения, либо обладающих резко отличающимися температурой плавления (например, соединения алюминий — сталь, медь — титан, цирконий — алюминий) и коэффициентами термического расширения.

Пайка — процесс получения неразъемного соединения материалов в процессе нагрева ниже температуры их автономного расплавления, при локальном контактном плавлении соединяемых материалов, при смачивании, растекании и заполнении зазора между ними расплавленным припоем и сцеплении их при кристаллизации шва с образованием спая.

В отличие от автономного плавления — одностадийного процесса, который протекает в объеме при температуре, равной или выше температуры солидус соединяемых материалов, контактное плавление того же материала протекает при контактном равновесии по поверхности контакта с твердым, жидким или газообразным телом, иным по составу; это многостадийный процесс, при котором на различных этапах происходит смачивание, растворение, диффузия, испарение компонентов паяемого металла и припоя; жидкая фаза при контактном плавлении твердого тела образуется ниже его температуры солидус.

Преимущества пайки как технологического процесса и преимущества паяных соединений обусловлены главным образом возможностью формирования паяного шва ниже температуры автономного плавления соединяемых материалов.

Такое формирование шва происходит в результате неавтономного, контактного плавления паяемого металла в жидком припое, который может быть внесен в соединительный зазор извне, либо быть восстановленным из солей флюса, или образовываться при контактно-реактивном плавлении металлов, контактирующих прослоек или паяемых металлов с прослойкам. Поэтому возникает возможность осуществлять общий нагрев паяемого узла или всего изделия до температуры пайки, а это позволяет получать соединения в скрытых и малодоступных узлах конструкции и изготавливать сложные конструкции за один прием, сокращая их металлоемкость, повышая коэффициент использования материала.

Технологические процессы пайки позволяют соединять при необходимости детали не по контуру, а одновременно по всей поверхности, обеспеченивая высокую производительности процесса и прочность соединений. При пайке возможно соединять разнородные металлические и неметаллические материалы, возможно предотвращать развитие значительных термических деформаций и обеспечивать получение изделия без нарушения его формы, осуществлять групповую пайку, широкую механизацию и автоматизацию процесса. Еще одним преимуществом пайки является возможность разъединения при необходимости деталей и узлов путём их распайки ниже температуры автономного плавления паяемого материала и ремонтировать изделия в полевых условиях.

Для получения прочных, бездефектных и работоспособных в условиях продолжительной эксплуатации паяных соединений следует учитывать следующие факторы: физико-химические, технологические, конструкционные, эксплуатационные.

К физико-химическим факторам относятся физико-химические характеристики паяемого металла и припоя; характер физико-химического взаимодействия припоя и паяемого металла на границе раздела фаз; влияние флюсующих сред на припой и паяемый металл; условия и характер кристаллизации при пайке. Физико-химическое взаимодействие паяемого металла и расплава припоя — это многостадийный процесс, который сопровождается изменением состава и свойств жидкой и твердой фаз.

Конструкционные факторы: тип паяного соединения, его геометрические параметры и расположение паяных соединений в изделии. Основными технологическими факторами являются: подготовка поверхности соединений к сборке и пайке; способ обработки поверхности перед пайкой и в процессе пайки; способ и режим нагрева; обработка соединений после пайки. К эксплуатационным факторам относятся условия эксплуатации соединений и характер нагружения изделия. Возможность образования спая между паяемым материалом и припоем характеризуется паяемостью, т.е. способностью паяемого материала вступать в физико-химическое взаимодействие с расплавленным припоем и образовывать паяное соединение.

Практически пайкой можно соединить все металлы, металлы с неметаллами и неметаллы между собой. Необходимо только обеспечить такую активацию их поверхности, при которой стало бы возможно установление между атомами соединяемых материалов и припоем прочных химических связей. С точки зрения физико-химических процессов паяемость определяется типом связей, образующихся между твердым и жидким металлом, и зависит от природы паяемого металла и припоя.

С точки зрения технологии паяемость – это реакция соединяемых материалов и припоя на основные процессы, происходящие при пайке: нагрев, плавление, смачивание, капиллярное течение, растворно-дифузионное взаимодействие, кристаллизация, охлаждение нагретого металла, деформация, взаимодействие металлов с газами, флюсами, шлаками. Отсутствие паяемости или плохая паяемость с этой точки зрения характеризуется отсутствием или слабой связью в зоне спаев, нежелательными изменениями физико-химических свойств паяемого металла в зоне паяного соединения, склонностью паяемого металла к образованию горячих и холодных трещин.

Итак, паяемость зависит не только от физико-химической природы соединяемых материалов и припоя, но и от способа и режима пайки, от флюсующих сред, условий подготовки поверхности под сборку и пайку.

Паяемость того или иного материала нельзя рассматривать как способность его подвергаться пайке различными припоями. Можно рассматривать только конкретную пару паяемый металл и используемый припой, и в конкретных условиях пайки. При физической возможности образования спая (физической паяемости) уже в какой-то мере гарантирована паяемость с технологической точки зрения при обеспечении соответствующих условий проведения процесса пайки.

Паяное соединение – это элемент паяной конструкции, в который входит паяный шов и диффузионные зоны при общем нагреве изделия, и паяный шов и зоны термического влияния – при локальном нагреве изделия. Паяный шов — это участок паяного соединения с литой структурой, который кристаллизуется в процессе пайки.

Участок паяного шва, который образуется у края зазора на внешних поверхностях соединяемых деталей под действием капиллярных сил, называется галтелью паяного шва.

Диффузионная зона – это участок паяного соединения с измененным химическим составом, который образуется в результате диффузии компонентов припоя и паяемого материала.

Зона спая – переходной слой на границе основной металл — паяный шов, состоящий из диффузионной зоны и прикристаллизованого слоя, образовавшегося в результате выделения из расплава тугоплавкой составляющей.

Характеризуя физико-химическую совместимость паяемого металла и припоя, необходимо обратится к диаграммам состояния, которые, с учетом кинетического фактора, позволяют прогнозировать направление развития физико-химических процессов на границе контакта твердой и жидкой фаз и в паяном соединении как при пайке, так и в процессе эксплуатации паяных соединений.

Наибольшее число двойных систем, которые могут характеризовать паяемый металл и припой и имеют в настоящее время практическое значение, это системы с неразрывным рядом твердых растворов и системы с образованием эвтектики, в том числе и с неконгруентным химическим соединением.

Если сплавы взаимодействуют с образованием химических соединений (интерметаллидов), то в контакте паяемого металла А с жидким припоем В может образоваться прослойка химического соединения, что приводит к охрупчиванию и понижению прочности паяных швов.

В настоящее время для изготовления паяных изделий и конструкций используются конструкционные материалы, имеющие сложные физико-химические характеристики. Для обеспечения специальных свойств паяных соединений и совместимости с паяемым металлом используют комплексно легированные припои сложного состава.