Пайка в вакууме и в восстановительной атмосфере

Категория:
Пайка при индукционном нагреве


Пайка в вакууме и в восстановительной атмосфере

При нагреве металла до высоких температур в обычных условиях кислород воздуха окисляет его поверхность, образуя окалину. Наличие окислов затрудняет ведение процесса пайки. Для их удаления и очистки поверхности при пайке на воздухе приходится применять специальные флюсы. Однако пайка с флюсами, позволяя получать прочное соединение, не обеспечивает защиты всей поверхности детали от окисления; поэтому после пайки приходится подвергать детали очистке от флюса и окалины. Чтобы избежать этого, применяют способы изоляции нагреваемого изделия от воздушной среды, позволяющие вести безокислительные процессы пайки. К ним относятся пайка в вакууме и пайка в восстановительной атмосфере.

Пайка в вакууме. Как указывалось выше, одним из достоинств высокочастотной пайки является возможность паять в вакууме. Преимущество вакуумной пайки заключается в том, что при нагреве в среде, где отсутствует кислород, не происходит окисления металла, и для получения качественной пайки нет необходимости пользоваться флюсом. При правильном режиме нагрева в вакууме партии деталей и строго определенной выдержке времени можно быть уверенным, что качество пайки будет у всех деталей совершенно одинаковым.

Первое устройство для пайки в вакууме представляло собой круглый медный стол с отшлифованной поверхностью, на который могла устанавливаться подготовленная к пайке деталь. Деталь накрывалась стеклянным колпачком, плотно прилегавшим своими отшлифованными краями к поверхности стола. Для лучшего уплотнения поверхность стола смазывалась техническим вазелином. Через отверстие в столе из-под колпачка откачивался воздух. При разряжении около Ю-3 мм рт. ст., которое достигалось через несколько секунд, деталь была готова к пайке.

Расположенный над стеклянным колпачком индуктор при включении генератора передавал энергию высокой частоты в спаиваемую деталь так же интенсивно, как и при пайке на воздухе. На таком примитивном устройстве в лаборатории проф. В. П. Вологдина производились первые опыты по пайке в вакууме деталей и режущего инструмента медью и серебряными припоями.

Несколько позже там же был создан станок-автомат для пайки свечей зажигания двигателей внутреннего сгорания (рис. 1). В специальных гнездах на массивном медном поворотном столе, охлаждаемом водой, устанавливались спаиваемые детали, которые сверху закрывались стеклянными колпачками. При повороте стола пространство, находящееся под вновь установленным колпачком, соединялось при помощи специальной системы каналов с вакуумным насосами, которые и обеспечивали там вначале предварительна а датем и глубокий вакуум. Стол с деталями при помощи специальной приводной системы совершал вращательное движение, периодически, через определенные промежутки времени, поворачиваясь на некоторый угол. В определенном положении колпачок накрывался кольцевым индуктором и в тот же момент включался генератор. Деталь мгновенно начинала греться. После нагрева до необходимой температуры и расплавления припоя индуктор приподнимался, нагрев выключался и стол передвигался на следующую позицию, после чего начинался нагрев следующей детали. Таким образом, детали по очереди подходили к индуктору, где получали порцию энергии, необходимую для расплавления припоя и получения пайки. После нагрева детали охлаждались, передавая тепло в медный стол, интенсивно охлаждаемый водой. По окончании пайки пространство под колпачком еще некоторое время не соединялось с окружающим воздухом, так как, если снять колпачок раньше, чем деталь охладится до температуры 100—150 °С, поверхность ее окислится и потемнеет. Детали же, охлажденные в вакууме, имеют блестящую поверхность, как будто они только что прошли полировку. Качество пайки деталей в вакууме получается исключительно высоким.

Рис. 1. Схема станка-автомата для пайки деталей в вакууме: 1 — медный стол; 2 — стеклянный колпачок; 3 — индуктор; 4 — канал для водяного охлаждения стола; 5 — канал для откачивания воздуха; в — спаиваемые детали

Несмотря на ряд положительных сторон процесса высокочастотной пайки в вакууме, область его применения до настоящего времени еще очень ограничена.

К причинам, препятствующим широкому использованию его в промышленности, следует отнести:
1) относительно низкую производительность процесса вследствие штучного нагрева деталей и длительного периода охлаждения их в вакууме;
2) ограниченную область применения. Процесс пригоден, в основном, для пайки малогабаритных деталей цилиндрической формы в массовом производстве;
3) сложность создания станков-автоматов для вакуумной пайки и эксплуатации вакуумного оборудования.

Пайка в восстановительной среде. Широко известен процесс пайки медью в восстановительной среде, который проводится в специально оборудованных электрических печах.

Существенными недостатками его, при наличии ряда положительных сторон, являются высокая стоимость оборудования и его дефицитность. Печи, в которых производится пайка, требуют длительного времени нагрева и охлаждения.

Ввиду того, что специальные печи с восстановительной средой дефицитны, в отдельных случаях производят пайку деталей в специальных контейнерах, которые загружают в обычные термические печи, имеющие высокую температуру.

Контейнеры представляют собой ящики, изготовленные из жаростойкой стали. Они имеют вваренные трубки, по которым во время пайки поступают и удаляются восстановительные газы. Для изоляции находящихся в контейнере деталей во время пайки от кислорода воздуха контейнер имеет специальный песчаный затвор или замазывается глиной. По истечении времени, за которое детали прогреваются до нужной температуры, контейнеры извлекают из печи и охлаждают, не прекращая подавать восстановительную среду до тех пор, пока детали не остынут.

Такой способ пайки весьма несовершенен, так как требует длительного времени и позволяет пропускать очень малое количество деталей при большом расходе энергии.

Более производительным процессом является пайка в контейнерах с нагревом токами высокой частоты (рис. 2). Эта разновидность пайки лишь условно может называться высокочастотной, так как в отличие от того, что наблюдается при всех других способах высокочастотного нагрева, здесь токи почти не индуктируются в самой детали, а нагревают контейнер, который уже, в свою очередь, передает тепло в деталь через теплопроводность восстановительной среды. При этом теряется одно из преимуществ высокочастотного нагрева — возможность разогревать только нужную зону детали.

Цикл пайки деталей в контейнере с высокочастотным нагревом может быть сокращен по сравнению с циклом пайки в печах в несколько раз. Это позволяет применять в качестве припоев не только медь, но и латуни. При существовавших же способах пайки в восстановительной среде нельзя было применять в качестве припоя латуни, так как длительный нагрев отрицательно сказывался на их свойствах.

Рис. 2. Схема контейнера для высокочастотной пайки в восстановительной среде с косвенным нагревом деталей: 1 — корпус контейнера; 2 – слой теплоизоляции; 3 — индуктор; 4— крышка контейнера; 5 — трубка для подачи и отвода восстановительной среды; 6 — гнездо для термопар; 7 — спаиваемая деталь; 8 — подставка

Контейнер с высокочастотным подогревом изготовляется путем сварки из жаропрочной листовой стали в виде бочонка, который устанавливается на теплоизолирующее основание. Контейнер помещается в многовитковый индуктор. Между индуктором и контейнером прокладывается теплоизолирующий слой для уменьшения потерь энергии на излучение. Дно контейнера делают с несколь-ними гофрами для предохранения его от разрушения из-за термических напряжений во время многократных нагревов и охлаждений. Через верхнюю массивную крышку вводят и удаляют восстановительные газы, в качестве которых лучше всего использовать диссоциированный аммиак.

Во время нагрева под пайку и охлаждения контейнера в него должен непрерывно поступать газ. Для исключения возможности взрыва в помещении вследствие образования взрывоопасной смеси водорода с кислородом воздуха, на выходе из контейнера, после вытеснения воздуха, газ поджигают; при этом он горит желтоватым пламенем.

В верхнюю крышку, кроме трубок для подачи газа, следует вварить чехлы для термопар, с помощью которых производится контроль температуры нагрева деталей; на дно контейнера кладется специальная подставка для размещения деталей. Нагрев стенок контейнера все время контролируется термопарой, которая в случае необходимости может управлять включением и выключением установки. Нагрев удобнее всего вести периодическим включением и выключением генератора.

Качество деталей, получаемых при высокочастотной пайке в контейнерах, нисколько не уступает качеству пайки деталей, изготовленных в специальных печах с восстановительной атмосферой.

Кроме пайки в контейнерах, в лабораторных условийх легко и просто применять высокочастотную пайку в восстановительной среде, используя непосредственный нагрев одновременно одной или нескольких однотипных деталей в электромагнитном поле индуктора. При этом индуктор с паяемыми деталями помещается в специальный сосуд — кожух из цветного металла, через который во время пайки пропускается водород. Сосуд, в случае необходимости, изготовляется с водяным охлаждением. В месте ввода индуктора в сосуд делается изоляционное уплотнение, защищающее внутренюю полость сосуда от проникновения воздуха, а индуктор от замыкания выводов. Детали в индуктор загружаются через отверстие, которое перед пропусканием газа герметически закрывается крышкой со смотровым окном (рис. 3).

Заполнение сосуда газом и обращение с ним производится так же, как и при применении для пайки контейнеров с восстановительной средой. Нагрев деталей при пайке следует производить на отработанном режиме с определенной выдержкой времени, полученной экспериментальным путем. Подача газа прекращается после охлаждения деталей до температуры ниже 100—120 °С, после чего они могут быть заменены следующими. При этом процессе может быть применен водород, получаемый в условиях лаборатории в аппарате Киппа действием кислот на цинк с последующей очисткой и отнятием влаги. Расход газа и его давление в сосуде могут быть незначительными, однако они должны быть достаточными для того, чтобы непрерывно поддерживать горение газа на выходе. На выходную трубку следует надеть стеклянный наконечник, наполнений медной стружкой. Его назначение — воспрепятствовать вспышке водорода в сосуде и тем обеспечить безопасные условия работы. Существенным недостатком водорода в качестве восстановительной среды является его способность образовывать с кислородом воздуха взрывчатые смеси, что требует при работе большого внимания и точного соблюдения инструкций по обращению с водородом.

Несмотря на свою малую производительность и ограниченные возможности, пайка с непосредственным нагревом деталей является значительно более совершенным процессом, чем пайка с нагревом деталей в контейнерах.

Рис. 3. Схема устройства для высокочасточной пайки в восстановительной среде с непосредственным нагревом деталей: 1 — сосуд; 2 — изоляционное уплотнение; 3 – индуктор со спаиваемой деталью; 4 — трубка для подачи газа; 5 – крышка сосуда; 6 — предохранительный наконечник; 7 — медная стружка; 8 — трубка для отвода газа; 9 — охлаждающая трубка

К сожалению до сего времени высокочастотная пайка деталей в вакууме и восстановительной среде не нашла себе широкого применения, хотя эти процессы являются прогрессивными технологическими процессами, заслуживающими большого внимания.

В устройствах подобного рода можно также производить пайку в среде нейтрального газа, например аргона. Аргон защищает детали во время нагрева от окисления, создает более благоприятные условия для смачивания припоем основного металла и затекания его в зазоры. Желательно применять аргон, содержащий минимальное количество примесей, особенно кислорода. Пайка в аргоне лучше пайки на воздухе, но хуже пайки в водороде, так как требует некоторого количества флюсов и дает менее красивые соединения. Аргон плотнее воздуха, сам не горит и горения не поддерживает, поэтому с ним удобно обращаться при пайке. Можно также легко осуществить пайку в аргоне мелких деталей под стеклянными колпачками, подобно тому, как это производят в случае пайки в вакууме (рис. 4). Такой процесс целесообразно применить тогда, когда детали имеют внутренние полости, требующие защиты от окисления при пайке. В этом случае подача газа может осуществляться специальным распределительным устройством, расположенным в поворотном столе, через отверстие под паяемой деталью, с последующим вытеканием газа через носок в верхней части стеклянного колпачка.

Рис. 4. Схема устройства для пайки деталей в среде аргона: 1 — медный стол; 2 — стеклянный колпачок; 3 — индуктор; 4 — носок колпачка с отверстием для выхода газа; 5 — спаиваемые детали; 6 — трубка для продувки газа

Для тех же целей при пайке некоторого рода деталей на воздухе можно продувать аргон через внутренние полости деталей, например, при высокочастотной пайке ответственных топливных трубок высокого давления. Если позволяют условия работы и конструкция детали, при соответствующих мерах предосторожности, вместо аргона можно применить водород, который обеспечивает более надежную защиту от окисления внутренней поверхности детали.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум