В чем заключается суть пайки в печах

Pereosnastka.ru

Обработка дерева и металла

Пайка ведется в специальных печах с электрическим обогревом в атмосфере газов, обладающих восстановительными свойствами по отношению к окислам основного металла. Часто в качестве восстановительного газа применяется водород, поэтому способ этот иногда называют пайкой медью в атмосфере водорода, или водородной пайкой. Способ, как правило, не требует применения флюса, что является важным его техническим преимуществом, удешевляющим пайку и снижающим трудоемкость процесса, так как не требуется операции нанесения флюса на место пайки и удаления остатков флюса по окончании процесса пайки.

Собранные детали с припоем, помещенным около шва, проходят через электрическую печь с восстановительной атмосферой, которая защищает металл от окисления, восстанавливает имеющиеся окислы и усиливает смачивание металла припоем. Расплавляющийся припой смачивает поверхность металла, расплывается по ней и действием капиллярных сил всасывается в шов, сплавляясь с основным металлом.. Затем детали поступают в камеру охлаждения с восстановительной атмосферой, где остывают до температуры, при которой деталь, выданная из печи, при соприкосновении с атмосферным воздухом не окисляется, цвет металла не изменяется, и паяные детали выходят из печи с чистой, светлой поверхностью.

Процесс пайки весьма экономичен, обеспечивает прочность и плотность соединений, точность размеров, хороший внешний вид и дает возможность прочно соединить металлы различных толщин, а в известных пределах — и разнородные металлы.

В массовом производстве применяются печи туннельного типа, часто с конвейерами, проходящими через печь. Собранные детали с припоем укладывают на конвейер и подают в камеру предварительного подогрева, где они постепенно нагреваются до температуры пайки. Затем детали поступают в рабочую камеру, где находятся столько времени, сколько необходимо для осуществления процесса пайки, полного расплавления припоя, восстановления окислов, всасывания припоя в зазор соединения и смачивания припоем всей поверхности пайки. На это требуется в общей сложности несколько минут. По окончании процесса пайки детали из рабочей камеры поступают в камеру охлаждения, где постепенно температура их снижается до температуры, позволяющей выдать их из печи без опасности окисления атмосферным воздухом. При пайке медью температура в рабочей камере поддерживается в пределах 1100—1200 °С (в среднем 1150 °С). Защитный газ подается в избытке и создает в печи некоторое избыточное давление, устраняющее возможность проникновения внутрь печи наружного атмосферного воздуха и опасность взрыва, избыток газа выходит через контрольные трубки и сгорает, соприкасаясь с наружным воздухом.

Припой для пайки в водороде может быть в виде проволоки, фольги, порошка или пасты. Чаще всего применяется проволока и фольга (рис. 241). Для стальных деталей припоем обычно служит чистая электролитическая медь марки Ml или М2. Электролитическая медь весьма жидкотекуча в восстановительной атмосфере, дает прочное чистое соединение, не требует применения флюса, за исключением некоторых плохо смачиваемых сортов стали.

Флюсы требуются при содержании в стали более 1—2% хрома марганца, кремния, ванадия и алюминия, образующих окисные пленки, не восстанавливаемые газовой атмосферой и ухудшающие смачивание. Никель, наоборот, усиливает смачивание и является желательным элементом в сталях для пайки. Иногда в качестве припоя используется латунь, которая обычно требует применения флюса для уменьшения окисления цинка и растворения образовавшейся окиси. В процессе пайки латунью может повышаться температура плавления ее вследствие испарения части цинка. С флюсом латунь растекается почти так же хорошо, как и чистая медь.

Для пайки меди, медных сплавов, нержавеющих сталей и чугуна, не допускающих значительного нагрева, применяются легкоплавкие серебряные или медные припои, причем припои для черных металлов не должны содержать фосфор.

Для пайки алюминия и алюминиевых сплавов применяются специальные алюминиевые припои с температурой плавления около 620 °С со значительным содержанием кремния в сочетании со специальными легкоплавкими флюсами. Нормально температура рабочей камеры печи превышает температуру плавления припоя на 50—80 °С. Для основного металла, на который перегрев не оказывает вредного действия, при тщательном контроле нагрева температуру можно повышать на 200—250 °С, что дает возможность значительно форсировать процесс и повысить производительность печи.

При пайке медью рекомендуются зазоры не больше 0,02—0,1 мм, где возможно следует применять плотную посадку соединяемых частей. При пайке легкоплавкими припоями рекомендуются зазоры в пределах 0,025—0,075 мм. При пайке низкоуглеродистой стали медью прочность соединения на растяжение составляет около 40 кГ/мм2; для сталей повышенной прочности могут быть достигнуты более высокие значения.

В зоне пайки происходит взаимная диффузия припоя в основной металл и основного металла в припой. Железо и медь имеют ограниченную взаимную растворимость, в пределах около 4% при температуре плавления меди. При понижении температуры растворимость меди в железе и железа в меди снижается. Железо выпадает в мелкодисперсном виде, часть же его после охлаждения остается в меди в виде переохлажденного твердого раствора. Количество железа, оставшегося в растворе, зависит от скорости охлаждения: чем выше скорость, тем больше железа остается в растворенном виде (в среднем 1—2%).

Наличие железа в растворе, а также в свободном мелкодисперсном состоянии повышает механическую прочность пайки и прочность сплава, образовавшегося в месте пайки, примерно в 2 раза превышает прочность чистого припоя — меди. Прочность пайки легкоплавкими медно-цинковыми или серебряными припоями на 10—15% ниже прочности пайки чистой медью. Для процесса пайки применяются электрические печи сопротивления с нихромовыми нагревателями, с автоматическим регулированием электрической мощности и температуры.

Источник

Пайка в печах

Описанные выше способы нагрева широко применяются при изготовлении ювелирных изделий. Однако они имеют ряд недостатков:

1. Паяльщик должен обладать определенным уровнем мастерства.

2. При использовании горелок трудно контролировать температуру и добиваться воспроизводимости результатов.

3. Неизбежны высокие затраты на оплату труда, особенно при массовом выпуске продукции.

Пайка в печах лишена этих недостатков и обладает рядом следующих положительных качеств:

1. Снижение фактора значимости мастерства исполнителя.

2. Снижение затрат на оплату труда и финишную обработку.

3. Достижение высокого качества соединений.

4. Высокая производительность и эффективность позволяют ускорить производственный цикл, что создает очевидные экономические преимущества, т.к. ускоряется оборот металла в производстве.

Однако для оправдания затрат на капитальное оборудование объем выпускаемой продукции должен быть довольно существенным. Наиболее предпочтительными печами для пайки являются конвейерные печи (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Конвейерная печь

Детали с разложенным на них припоем помещаются на сетчатом ленточном конвейере. Во время входа и во время пребывания изделий в зоне нагрева осуществляется постоянный контроль температуры. Перед снятием изделий с конвейера они проходят сквозь камеру, оснащенную охлаждающей водяной рубашкой.

Большим преимуществом метода является создание в камерах печей атмосферы из защитных газов, предотвращающих окисление деталей. Это особенно необходимо при пайке изделий из ювелирных сплавов невысокой пробы из-за склонности легирующих металлов к окислению. Чаще всего используется атмосфера из диссоциированного аммиака.

Аммиак (NH₃) расщепляется на составляющие его компоненты – 25% азота и 75% водорода. Это очень сухая атмосфера с крайне низким содержанием паров воды. Азот является неактивным газом, а водород обеспечивает восстановительные условия, предотвращающие окисление.

Пайка в печах с защитной атмосферой сводит к минимуму, а иногда и устраняет необходимость финишной обработки. При использовании защитной атмосферы нет необходимости использовать флюс. Кроме того, накопление остатков флюса может неблагоприятно сказаться на сроке службы печей.

Для получения хороших результатов необходимо правильно устанавливать рабочие параметры печи – температуру и скорость движения ленты конвейера. Рекомендуется исходно устанавливать температуру печи приблизительно на 40°С выше температуры течения припоя, скорость движения ленты конвейера – 25 см/мин. При использовании фиксирующих плит – на 65°С, для того чтобы компенсировать поглощение тепла плитами, скорость движения ленты конвейера – 20 см/мин. Крупные изделия и спаи требуют более продолжительного пребывания в зоне нагрева. Необходимо выполнять пробные прогоны и после осмотра соединений вносить коррективы в эти параметры [2].

Источник

Pereosnastka.ru

Обработка дерева и металла

Этот метод пайки применяют главным образом в условиях массового и крупносерийного производства для соединения деталей из черных и цветных металлов. Пайка в печах является наиболее производительной и экономичной.

Изделия после пайки в печах имеют минимальное коробление, а при использовании защитной атмосферы при пайке поверхность изделия не окисляется. Этот метод позволяет производить пайку изделий в труднодоступных местаЗс, а также накладывать несколько швов одновременно.

Пайку осуществляют в электрических печах — камерных, конвейерных, с роликовым подом и др. Тип печи выбирают в г зависимости от масштаба производства, веса и размеров деталей, подвергаемых пайке, а также требуемой производительности.

Электропечи подробно описаны в главе «Инструменты, приспособления и нагревательные устройства».

Различают пайку в печах без защитной атмосферы (среды), с восстановительной (защитной) атмосферой, в вакууме и в: контейнерах.

Пайка в печах без защитной атмосферы осуществляется путем нагрева в печи соединяемых деталей, на которые предварительно

нанесены флюс и припои. Этот способ пайки обеспечивает равно- ‘ мерный прогрев больших по размерам и сложных по конфигурации деталей и позволяет получить достаточно прочные паяные соединения.

Восстановительная среда раскисляет припой и предохраняет детали от окисления при температурах пайки, т. е. выполняет функции флюса.

При нагреве припой расплавляется и под действием калиллярных сил заполняет зазоры соединения, прочно скрепляя при этом детали узла. После пайки узлы перемещают в холодильник, наполненный также восстановительной атмосферой.

Выгружают изделия из холодильника при температуре около 40 °С, чтобы предотвратить окисление их поверхности.

Указанным способом можно паять конструкционные и инструментальные углеродистые стали, а также большинство конструкционных легированных сталей и твердые сплавы с использованием меди как припоя.

В качестве восстановительной среды, выполняющей роль флюса, используют водород, диссоциированный аммиак, генераторный газ и некоторые другие горючие газы.

Наилучшими восстановительными свойствами при пайке обладает водород. Однако вследствие высокой стоимости и взрывоопасное, в смеси с воздухом его следует применять только

Рис. 1. Схема установки для получения защитной атмосферы путем диссоциации аммиака:
I — жидкий аммиак, II — газообразный аммиак, III — диссоциированный аммиак, IV —воздух

для пайки небольших по размерам деталей в печах с малым рабочим пространством.

Вместо водорода с успехом используют аммиак, который перед подачей в печь разлагают на водород и азот в специальных аппаратах-диссоциаторах. Получаемая при этом газовая смесь,, состоящая из 75% водорода и 25% азота, практически пригодна для большинства случаев пайки в печах.

Использование тщательно осушенного диссоциированного аммиака почти полностью исключает возможность окисления поверхности спаиваемых в печах деталей.

Из баллона под давлением 7—8 ат жидкий аммиак поступает в испаритель высокого давления, где, нагреваясь, переходит в газообразное состояние. Пройдя через редуктор, газ под сниженным до 1000 мм вод. ст. давлением поступает в реторту диссоциатора.

Газообразный аммиак в реторте, заполненной катализатором, при нагреве до температуры 700—900 °С разлагается на водород и азот. Из диссоциатора горячий газ проходит по змеевику испарителя, отдавая свое тепло жидкому аммиаку, который переходит в газообразное состояние.

Охлажденный до 2—5 °С диссоциированный аммиак поступает в адсорбер, состоящий из двух попеременно работающих колонок, заполненных силикогелем или алюмогелем. Проходя через слой адсорбента, холодный газ освобождается от влаги и осушенный поступает в печь.

Выбор припоя. При пайке в печах стальных изделий широко применяют псипой из чистой меди, так как он хорошо смачивает сталь, растекается по ней в условиях восстановительной атмосферы и под действием капиллярных сил проникает в очень малые зазоры между соединяемыми поверхностями.

Рис. 2. Печи для пайки в висстановительнон среде водорода:
а — туннельная непрерывного действия, б — колпаковая периодического действия

Однако, кроме меди, при пайке в печах применяют припои на основе серебра, медно-фосфорные и др. Следует подбирать припой таким образом, чтобы температура пайки этим припоем была ниже точки плавления основного металла на 60— 100 °С.

Пайка в восстановительной среде водорода твердыми припоями без применения флюсов является наиболее прогрессивным способом.

Применяют два вида водородных печей: туннельную непрерывного действия и колпаковую периодического действия. Туннельную печь предварительно нагревают до температуры плавления припоя. Выдержка в печи узла зависит от его массы и колеблется от 5 до 15 мин. По истечении времени выдержки спаянный узел перемещают в холодильник. После охлаждения (примерно до 40 °С) узел вынимают.

Этот процесс выгодно отличается от других тем, что пайка всех соединений узла, независимо от сложности и количества входящих в него деталей выполняется одновременно.

Наличие восстановительной (защитной) атмосферы в печи позволяет вести процесс пайки без применения флюсов. Узлы, паянные в среде водорода, выходят блестящими, очищенными от окислов и налетов. Необходимость химической

очистки от окислов и окалины путем травления отпадает. При точной дозировке припоя паяный шов получается плотным, без наплывов и непропаянных мест, поэтому не требуется дополнительной механической зачистки. Кроме того, значительно экономится припой, что имеет важное значение при использовании припоев на основе серебра.

Практика показала, что экономия в пересчете на чистое серебро при пайке описанным способом составляет около 40% против расхода при пайке с нагревом ацетилено-кислородной горелкой.

Пайка в вакууме в печах производится в том случае, когда при соединении ответственных деталей недопустимо окисление поверхности, а защита всего изделия при помощи флюсов невозможна. Для обеспечения надежной защиты металла от окисления из камеры пайки откачивают вакуумным насосом воздух.

Рис. 3. Контейнер для пайки

Для пайки используют специальные вакуумные печи, рабочее пространство которых соединено с вакуумными насосами, создающими необходимое разрежение.

Этим способом паяют изделия из стали, меди, медных сплавов, жаропрочных и других сплавов.

Пайка в контейнерах. Для пайки небольших деталей в электрических печах применяют контейнеры, представляющие собой ящики, изготовленные из стали, в которые, вмонтированы патрубки для ввода и вывода во время пайки газа-восстановителя.

Контейнер вместе с помещенными в него деталями устанавливают в печь и нагревают до температуры пайки. После окончания пайки контейнер извлекают из печи и охлаждают. При этом подача в него восстановительной атмосферы не прекращается.

Конструкция контейнера приведена на рис. 3. Он состоит из корпуса с бортом, крышки. Восстановительный газ поступает в контейнер через трубки. Газ из контейнера выходит через песочный затвор и частично через трубу.

Источник

Парофазная пайка, или как паяют на производствах

Первоначально статья планировалась, как небольшая история о том, как мы паяли муравьиной кислотой в парофазной печи.

Специально для этого проекта мы переделали нашу парофазку (парофазная или конденсационная печь), с возможностью подачи муравьиной кислоты вместе с перфторполиэфиром. К сожалению, часть результатов является коммерческой тайной, и фотографий результатов не будет.
Но к этой небольшой статье пришлось написать много комментариев. Я не думаю, что каждый знаком с данным способом пайки, и поэтому этот проект мы пока оставим и расскажем обо всем по порядку.

Современные технологии пайки, и оборудование, которое изготавливается по данным технологиям можно представить следующей таблицей:

Основное распространение нашли конвекционные печи из-за своей простоты и универсальности.

Парофазные печи менее популярны ввиду своего специфического применения.Тут стоит отметить несколько пунктов. Первый – это защита от перегрева. Вторая причина, почему потребитель может выбрать данную печь, это возможность использования вакуума. Это дает возможность пайки без пустот, что, по-сути, есть наработка на отказ прибора, или скрытый дефект, если качество выпускаемой продукции — приоритет. Третий, но не менее распространённый – это пайка металлов и сплавов, подверженных быстрому окислению. Ярким примером являются коннекторы из меди. Четвертый, набирающий популярность по запросам в последнее время, это объемные и массивные изделия. Как пример, коннектор из меди, весом 22кг.

Профиль пайки такого изделия:

Мы проводили эксперимент, по пайке высоких изделий. Высота составляла 100 мм.К каждой пластине крепили термопару.

Разбор в пиковой температуре от 228,4°C до 232,9°C.

Парофазные печи для промышленности — явление не новое.

Технология пайки в парогазовой камере опубликована в 1975 R.C. Pfahl и H.H. Ammann.
Переход агента в жидкое состояние из газообразного высвобождает тепловую энергию для пайки
Если совсем просто, то:

И выглядело это схематично следующим образом:

Была некоторая емкость в которую опускали изделие, происходил процесс пайки, и затем держатель с печатными платами поднимали.

Компания приобрела патент на данную установку, купленную у француза в 2005 г. Она представляла собой другое техническое решение, с герметичной камерой. Несколько доработав её (на это ушло «несколько» лет), на выходе получилось оборудование, нашедшее спрос по всему миру. И так, что же это из себя представляет данная технология пайки.

Средой для пайки является Перфторполиэфир (PFPE). Несмотря на то, что материал упоминается в книгах, датированных 1975 г. широкую мировую известность нашел Galden. Будучи инертным, и имея точку кипения от 150 °C до 270 °C в своей линейке, нашел широкую известность у производителей оборудования. На текущий момент я не встречал оборудование (европейское, с китайскими слабо знаком) подобного класса, работающие на PFPE от других производителей.

Разумеется, использование жидкости как теплоносителя, на практике всегда будет означать потери, и каждый старается их минимизировать. Многое зависит от устройства рабочей камеры, о том, как выводиться и фильтруется теплоноситель. Это значит каждый цикл пайки будет иметь конечную стоимость. Цена гальдена (при его плотности, он, разумеется, продается по кг) достаточно высокая. Результаты, которые я видел, реально поставленного эксперимента с датчиками и в периодичности несколько сотен циклов составляли порядка 1 грамма в цикл, при этом рабочая площадь камеры составляла 650×650 мм. Особое вопрос — это оседание флюса на дно рабочей камеры, это вызывает ряд проблем в «классической» системе и приводит к затратам на техническое обслуживание.

Следующим моментом является вопрос о вакууме. Применение подобного класса оборудования без вакуума на моей практике находит применения только для объемных и массивных деталей.
Внимательный читатель обратит внимание на тот факт, что будет происходить загрязнение маслом. Нет, это не случится, так как вакуумный насос также работает на перфторполиэфире.
Разумеется, основное применение вакуума при достижении точки ликвидуса припоя – откачиваем пустоты из паянных соединений. Тут можно было бы показать видео (установка, совмещенная с рентгеном), но к сожалению, им я поделиться не могу.

Результаты представлены ниже.

Второе применение, это использование предварительного вакуума, с целью гомогенизации среды в закрытой камере. Если вы не уверены в качестве припоя, то это тоже своеобразное решение этой задачи. И конечно, при пайки быстроокисляющихся изделий, например меди.

Если использовать все шаги, то получается так:

Следующим интересным моментом, на который стоит обратить внимание — это то, как осуществляется задание профиля. Тут нет привычного управления температурой, температуры стенок камеры задаются и калибруются на заводе, и не меняются пользователем. К каждой стенке подводятся термопары, осуществляя контроль их работоспособности. Регулирование температур происходит за счет количества подаваемого PFPE. Температура печатной платы растет до тех пор, пока вся жидкость не перейдет в пар. Таким образом, вы можете нагреть плату до определенной температуры и выдержать, например, её. Кроме того, это дает широкий разброс градиентов. Поэтому на предыдущей картинке было 2 инъекции теплоносителя. Да, их может быть и больше, но как показывает практика этого достаточно.

Различные градиенты показаны на картинке.

Последним этапом является охлаждение. Существуют несколько реализаций этого процесса. На мой взгляд очень важно, чтобы при расплаве, не было никакого движения продукции, это может привести к дефектам. В этот момент весь теплоноситель откачивается из камеры, и через некоторое время, когда припой достиг точки солидуса, происходит подача приточного воздуха для охлаждения. В некоторых разработках это может быть подача азота.

На этом статью можно закончить, отметив тот факт, что мы будем проводить семинар по пайке, где расскажем подробнее о пайке, дефектах и как это решается на современных производствах.

Источник

Конвекционная пайка в печи: какие нагреватели и технологии используются?

Пайку можно осуществлять разными способами. Один из них – пайка оплавлением, когда процесс происходит за счет конвекции разогретого воздуха. Такую пайку можно проводить в конвекторных или камерных печах. В каждом случае процедура несколько отличается, а на температурный профиль влияет ряд факторов.

Различия агрегатов для проведения процедуры

Конвекционную пайку проводят в конвекторных или камерных печах. В первом случае паяльная паста движется внутри печи, проходя разные температурные зоны:

Для того, чтобы пайка произошла, в каждой зоне устанавливается определенная температура воздуха. При пайке в камерных печах материал находится в одном и том же месте, но в каждый промежуток времени температура изменяется.

Справка. Камерные печи используются при мелкосерийном и штучном производстве, а конвекторные – для массового производства.

Как осуществляется процесс: какие нагреватели используются?

Оба процесса состоят из одних и тех же этапов, для которых нужна такая температура.

Оптимальное охлаждение – около 3-4 градусов за 1 секунду. В результате температура должна опуститься ниже 130 градусов. После того, как этот порог пройден, скорость уже не имеет значения, поскольку она не влияет на электронные компоненты или качество паяных соединений.

Выбор режимов должен проводиться в зависимости от материалы и конструкции, плотности и количества компонентов на детали, типа паяльной пасты.

Также нужно принимать во внимание, что реальная и заданная температуры в печи будут отличаться. А разница зависит от конструкции агрегата.

В камерную печь загружается только одна партия. После ее загрузки оператор печи настраивает нужную температуру и спирали нагреваются. После того, как один этап процесса заканчивается, температура изменяется.

Важно. В конвекторных печах процесс происходит проще, чем в камерных. Данная печь позволяет решить много проблем. Она обеспечивает эффективные режимы.

Поступающий в камеру печи горячий воздух позволяет деталям равномерно нагреваться, что дает возможность составляющим не повреждаться. Также не нарушаются электронные компоненты.

Какие факторы влияют на формирование температурного профиля?

Основные факторы, которые влияют на температурный профиль, следующие:

Когда температура начинает превышать 90 градусов, смола (канифоль), которая входит в состав паяльной пасты, размягчается. Это приводит к тому, что вязкость пасты уменьшается. Если же испарятся растворитель, то вязкость увеличивается. Первый процесс возникает вследствие повышенной скорости увеличения температуры. В таком случае паста расползается, в результате возникают бусинки припоя на деталях.

Если нагрев слишком быстрый, то влага, которую поглощает подложечный материал, быстро испаряется. Поскольку пайка происходит быстро, то пары не успевают выйти из объема. Отсюда внутреннее давление, которое разрывает подложку. Поэтому детали перед пайкой нужно высушить и держать их в вакуумной упаковку или сухом боксе.

Зазоры имеют длину меньше миллиметра (от сотых до десятых долей). Они находятся в прямой зависимости от основного металла и припоя, а также от способа пайки.

Важно. В процессе пайки основной металл растворяется в жидком припое. В результате меняется его жидкотекучесть. Различие в зазорах оказывает влияние на паяные соединения. Это влияет на состав металла шва и структуру.

Если предварительный нагрев осуществляется с нарушением технологии, то могут возникать такие дефекты:

Профиль пайки основан на анализе причин появления дефектов. Если температура возрастает медленно, то это может способствовать минимизации расползания пасты. Тогда не появляются перемычки, компоненты не сдвигаются, нет бусинок и шариков припоя. Если минимизировать стадию стабилизации, то это поможет избежать:

Также снижается возможность отслоения припоя. Следовательно, оптимальный профиль должен предусматривать медленный рост температуры, затем постепенное наращивание ее, а далее – быстрое повышение и такое же охлаждение.

Пайка металлов в конвекторных и камерных печах осуществляется по одинаковой технологии. Отличается только процесс: в камерных печах температуры постепенно изменяется, а в конвекторных детали проходят через несколько температурных зон. Первый вариант применяется для мелкосерийного производства, а второй – для массового.

Источник