Материалы для пайки методы пайки

Пайка представляет собой процесс соединения деталей из металлов, находящихся в твёрдом состоянии, посредством расплавленного припоя и имеющего температуру плавления, меньшую температуры плавления основного металла. Пайка схожа с сваркой плавлением, отличием пайки является отсутствие расплавления основного металла, который имеется при сварке плавлением. В процессе пайки главное значение имеют взаимное растворение и диффузия основного металла и припоя.

Поверхности присоединяемых частей должны быть тщательно очищены и обезжирены. Очистку соединяемых поверхностей производят при помощи напильников или шаберов, а их обезжиривание — растворителями: бензин, ацетон и уайт-спирит. Перед пайкой поверхности следует у соединяемых частей удалить соляной кислотой оксидную плёнку.

В процессе пайки положение соединяемых частей относительно друг друга следует закрепить. Для этого используют струбцины.

В некоторых случаях в процессе пайки может наблюдаться явление, когда припой превращается в шарик, вместо того чтобы растекаться по всему месту пайки и заполнять стык между соединяемыми частями изделия. Это обусловливается различными причинами, чаще всего силами поверхностного натяжения. Иногда причиной недостаточного смачивания является большое различие между структурами припоя и основного металла, а также наличие оксидных пленок и загрязнения на поверхности припоя или соединяемых пайкой частей изделия. Поверхность металлических деталей всегда имеет микронеровности, которые образованы следами предшествующей обработки. Припой в расплавленном состоянии должен заполнять все эти полости. Для предупреждения образования оксидной пленки в процессе нагрева применяют специальные вещества — флюсы, которые также обеспечивают повышение смачиваемости припоем поверхностей соединяемых частей изделия и лучшее заполнение шва расплавленным припоем.

Для выполнения этих задач флюсы должны отвечать следующим параметрам:

• температура, при которой флюс растворяет оксиды, должна быть несколько ниже рабочей температуры припоя;
• скорость растворения оксидов должна быть выше, чем скорость пайки;
• пайка должна производиться достаточно быстро, чтобы помешать появлению новых оксидов;
• флюсы должны иметь низкую вязкость и умеренное поверхностное натяжение;
• флюсы должны полностью отшлаковывать загрязнения и отводить их из зоны пайки.

Паяние мягкими припоями

Мягкие припои представляют собой сплав легкоплавких металлов на основе олова и свинца, их изготавливают в виде прутков, проволоки или трубки, заполненной флюсом, масса которого составляет 5% массы припоя. Оловянно-свинцовые припои обозначают буквами ПОС (припой оловянно-свинцовый) и цифрами, показывающими содержание олова в припое в процентах. Процентное содержание олова в припое определяет область его применения.

Прежде чем приступить к паянию необходимо тщательно подготовить поверхности соединяемых частей заготовки, это достигается очисткой поверхности от грязи и коррозии шабером, надфилем или напильником. При паянии заготовок из листовой стали место припаивания протравливают 20% раствором соляной кислоты. Некоторые варианты паяных швов показаны на рис. 1. При помощи кисточки на место спая наносят тонкий слой жидкого флюса. При использовании твердого флюса поверхность паяния предварительно прогревают паяльником. Флюсы, применяемые при паянии мягкими припоями, обладают способностью очищать место спая от оксидов, предотвращают образование оксидов в процессе пайки и снижают поверхностное натяжение припоя, обеспечивая его лучшую текучесть и более эффективное заполнение пустот между соединяемыми пайкой частями заготовки. В качестве флюсов при пайке мягкими припоями используют: хлорид цинка, нашатырный спирт, канифоль, стеарин, паяльную пасту, раствор соляной кислоты. Состав флюса выбирается в зависимости от материала соединяемых частей заготовки.

Рис. 1. Схемы паяных соединений различных типов:

а — встык; б — внахлестку; в — ступенчатый встык;

г — соприкасающееся; д — встык с накладками; е — в раструб

Пересекающиеся детали могут быть запаяны в тавр или в угол. При этом поверхность спая располагается под углом к осевой линии деталей или параллельно одной из них и перпендикулярно к другой.

Соприкасающиеся детали паяют вдоль линии касания или в точке соприкосновения. Поверхность спая во всех рассматриваемых типах соединений может быть плоской или криволинейной.

Косостыковое соединение применяют главным образом в тех случаях, когда требуется увеличить прочность шва при стыке; оно более прочно, чем стыковое, из-за большой поверхности шва, но технологически сложнее.

В изделиях, подвергающихся в процессе изготовления после пайки изгибу и штамповке или работающих при больших статических нагрузках, а также в условиях ударных нагрузок или сильной вибрации, стыковые паяные швы, не применяют, а паяют внахлестку.

Рис. 2. Паяльник непрерывного нагрева:

а — газовый; б — бензиновый; 1 — рабочая часть; 2 — стержень;

3 — хомутик; 4 — горелка; 5, 9 — краны; 6 — рукоятка; 7, 8 — штуцеры;

10 — сопло; 11 — бензиновая горелка; 12 — рукоятка-резервуар

Соединяемые части заготовки должны располагаться таким образом, чтобы шов находился сверху. Как только место, к которому прикасается паяльник, прогревается и припой начинает плавиться и растекаться, паяльник без отрыва от шва перемещают, давая возможность припою заполнить зазор в шве между соединяемыми частями заготовки. Припой следует наносить тонким равномерным слоем без припусков. После окончания пайки выступающие над швом приливы удаляют напильником, а поверхность зачищают наждачной шкуркой.

В зависимости от требований, предъявляемых к соединяемым паянием мягкими припоями частям заготовки, паяные швы разделяются на три группы:

• прочные — необязательно герметичные, но обязательно обладающие определенной механической прочностью;
• плотные — сплошные швы, имеющие гарантированную герметичность, не допускающую протекания различных веществ;
• плотно прочные — обладающие и прочностью, и герметичностью.

Инструменты для паяния мягкими припоями. Главным инструментом для выполнения паяных швов является паяльник. В зависимости от способа нагрева рабочей части паяльника различают паяльники периодического нагрева, паяльники постоянного нагрева с использованием газовых или бензиновых нагревательных устройств и электрические паяльники, у которых рабочая часть нагревается электрическим током.

Паяльники периодического нагрева бывают двух типов: прямые и угловые. Разогрев паяльника осуществляется при помощи паяльной лампы или в кузнечном горне. Перед нагревом нос паяльника зачищается, а после нагрева очищается от оксидов, на него наносится флюс.

Паяльники непрерывного нагрева (газовые или бензиновые) обеспечивают постоянный нагрев рабочей части паяльника соответственно газовой или бензиновой горелкой.

Электрические паяльники (рис. 3) получили наиболее широкое распространение благодаря высокой надежности и простоте действия. Они выпускаются двух типов: прямые и угловые.

Рис. 3. Электрический паяльник:

а — прямой: 1 — электрический шнур; 2 — электрическая вилка;

3 — рабочая часть; 4, 7 — хомутики; 5 — кожух; 6 — нагревательный элемент;

8 — стержень; 9 — рукоятка; б — угловой

Печи сопротивления — это наиболее распространенный вид нагревательного оборудования, применяемого в пайке изделий. Печи сопротивления разделяют по следующим основным признакам:

• по роду работы и конструктивным признакам — на печи периодического и непрерывного действия;
• по атмосфере в рабочем пространстве — на печи с окислительной средой, с контролируемыми атмосферами и вакуумные;
• по рабочей температуре — на низкотемпературные (до 450℃), среднетемпературные (до 1100℃) и высокотемпературные (до 1600℃).

В электропечах периодического действия паяемое изделие через загрузочное окно помещают в рабочее пространство, в котором деталь неподвижна в течение нагрева и выдержки при температуре пайки.

В электропечах непрерывного действия паяемые изделия с помощью транспортирующего устройства передвигаются от загрузочного окна к разгрузочному, нагреваясь до заданной температуры. Печи непрерывного действия имеют большую производительность и их сравнительно просто компоновать в поточные и автоматические линии. Печи имеют несколько тепловых зон с автоматическим регулированием температуры, что позволяет с достаточной точностью выдерживать различные режимы нагрева детали. Печи непрерывного действия рассчитаны на работу в окислительной и контролируемых атмосферах. В последнем случае камеры нагрева и охлаждения выполнены герметичными, для чего они снабжены загрузочными и разгрузочными шлюзовыми камерами.

По типу транспортирующего устройства электропечи непрерывного действия подразделяют на конвейерные и карусельные.

Конвейерные печи применяют для пайки мелких и средних изделий массового производства. По плоскости перемещения изделий печи бывают горизонтальные и вертикальные. Вертикальные печи занимают меньшую площадь, но они не нашли широкого применения вследствие сложности обслуживания.

Преимущество карусельных печей заключается в возможности использования их при высоких температурах. В карусельных печах можно нагревать изделия сложной конфигурации без поддонов, что не всегда возможно в конвейерных печах. Недостатки карусельных печей заключаются в трудности механизации и неудобстве использования их в поточных линиях из-за того, что загрузочные окна расположены рядом.

Для нагрева изделий под пайку путем теплопередачи от нагретых жидкостей: масла, расплавленных солей и щелочей применяют электронагревательные ванны. В паяльном производстве наибольшее распространение получили соляные ванны цилиндрической или прямоугольной формы с внешним или внутренним обогревом. Внутренний обогрев осуществляется электродными или трубчатыми электронагревателями (ТЭН). Электронагревательные ванны обладают следующими преимуществами перед печами сопротивления:

• высокой равномерностью нагрева изделий вследствие значительно большей теплопроводности жидкости по сравнению с теплопроводностью газов;
• высокой скоростью нагрева изделия благодаря высоким значениям коэффициента теплоотдачи от жидкости к металлу;
• большой производительностью;
• защитой изделий от окисления;
• изделия в процессе нагрева и выдержки изолированы от воздушной среды и при извлечении из ванны покрыты тонким слоем соли или флюса.

К недостаткам нагрева в электронагревательных ваннах следует отнести:

• большой удельный расход электроэнергии из-за повышенных тепловых потерь зеркалом ванны;
• необходимость непрерывной эксплуатации из-за сложности и длительности разогрева до рабочего состояния;
• тяжелые и вредные условия труда;
• необходимость очистки изделий от соли или флюса;
• большой расход соли или флюса и необходимость предварительной сушки их перед загрузкой.

Ванны с внутренним обогревом по сравнению с ваннами с внешним обогревом меньше по габаритам, имеют меньшие тепло потери и меньший удельный расход электроэнергии. Кроме того, для селитровых ванн внутренний обогрев более безопасен, так как при этом менее вероятен перегрев дна ванны из-за загрязнения нижних слоев селитры. Недостаток такого обогрева состоит в малом сроке службы нагревательных элементов вследствие эрозии трубчатого кожуха нагревателя при высоких температурах.

Длительность процесса пайки в жидких расплавленных солях или припоях кратковременная. Этот способ эффективен, так как он предполагает одновременную быструю пайку большого числа изделий и легко может быть механизирован. Число деталей, погружаемых одновременно в ванну, ограничено объемом ванны и снижением температуры жидкой среды, происходящим в результате нагрева погружаемых деталей. Значительное преимущество пайки в соляных и флюсовых ваннах — возможность совмещения этого процесса с нагревом под закалку.

Этот способ пайки отличается высокой производительностью, а при достаточно большом отношении массы жидкой ванны к массе паяемого изделия позволяет поддерживать температуру расплава с точностью до 1℃, обеспечивая минимальные тепловые деформации паяемых деталей, высокую точность паяного изделия.

Низкотемпературная пайка в ваннах с расплавленным припоем

Распространены два способа пайки погружением в ванны с расплавленным припоем: погружением в покоящийся жидкий припой и погружением в подвижный жидкий припой. При пайке погружением изделие должно находиться в ванне до полного прогрева его до температуры пайки и затекания припоя в промежутки и щели. При опускании в ванну плоских изделий в горизонтальном положении под ними могут образоваться пары флюса, что приводит к появлению несмоченных мест в соединении, поэтому их погружают под углом к зеркалу ванны.

После удаления паяного изделия из ванны не стекший с него припой удаляют химическим или механическим путем. При необходимости предотвращения смачивания отдельных мест поверхности детали предварительно покрывают лаковыми, меловыми покрытиями или бумажными масками. Такие защитные покрытия перед пайкой просушивают, а после удаляют струей воздуха, щетками, уксусной или соляной кислотой.

Существенный недостаток этого способа пайки — сравнительно быстрое загрязнение жидкого припоя компонентами паяемого металла. Загрязнение припоя цинком, алюминием, кадмием ухудшает качество паяных изделий, и попадание этих металлов в ванну недопустимо.

Индукционные нагревательные установки

При индукционном нагреве нагрев паяемых деталей происходит в результате выделения энергии высокочастотного электромагнитного поля. В результате быстрого нагрева поверхность паяемой детали окисляется меньше, чем при нагреве в пламени горелок или электропечах с обычной атмосферой. Быстрый нагрев предотвращает также интенсивный рост зерна и рекристаллизацию паяемого металла.

При индукционном нагреве металл, помещаемый в магнитное поле контура, по которому протекает переменный электрический ток, нагревается индуцированными вихревыми токами Фуко.

По частоте питающего тока различают установки промышленной частоты, питающиеся от сети 50 Гц или через специальные понижающие трансформаторы

По принципу действия установки могут быть методические и садочные. В методических установках изделие нагревается по мере его продвижения через индуктор. В садочных установках все участки изделия, помещенного в индуктор, нагреваются до заданной температуры одновременно. Электрические параметры этих установок в процессе нагрева изделия могут меняться в зависимости от изменения физических характеристик изделия при повышении их температуры.

Правила выполнения работ при пайке мягкими припоями электрическим паяльником

При пайке мягкими припоями электрическим паяльником необходимо соблюдать следующие правила:

• Необходимо проверить исправность паяльника, а также электропровода и электрической вилки;
• Следует обеспечить плотное прилегание друг к другу соединяемых пайкой частей заготовки;
• Необходимо протравливать очищенное место спая раствором соляной кислоты и покрывать слоем флюса;
• Паяние следует выполнять только хорошо прогретым и залуженным паяльником;
• Запрещается перегревать паяльник;
• При паянии длинного шва следует использовать прутковый припой, подводя его к месту паяния и перемещая вместе с паяльником.

Проверку качества паяния следует осуществлять:

• внешним осмотром, не допуская не пропаянных мест;
• наплывов припоя на шве;
• на герметичность;
• перегибом.

Паяние твердыми припоями

Паяние твердыми припоями обеспечивает более прочное соединение спаиваемых частей заготовки. Высокая пластичность и ковкость припоя, глубоко проникающего в основной металл, позволяет выдерживать значительные механические напряжения в спаиваемых местах при последующей обработке полученных заготовок как методами резания, так и методами пластического деформирования.

Подготовка места спая к паянию

Из-за того, что припой и материал заготовки имеют значительно меньшую разность температур плавления, этот способ паяния требует выполнения подготовительных операций в большем объеме, чем при паянии мягкими припоями.

Очистка поверхности. Нужно обеспечить абсолютную чистоту того места, где будет производиться паяние. Негативное влияние на процесс пайки оказывают не только оксидные пленки, но и жировые и масляные загрязнения на поверхности заготовки, поэтому они должны быть удалены.

Пригонка. Все соединяемые паянием части заготовки должны быть отожжены, иначе может возникнуть перекос соединяемых паянием частей заготовки. Все спаиваемые пустотелые детали должны иметь отверстия для выхода воздуха, так как при нагреве может произойти вспучивание или разрыв поверхности соединяемых частей изделия. При паянии твердым припоем должен быть выдержан определенный зазор между соединяемыми частями заготовки для его заполнения расплавленным припоем.

• стальная проволока при нагревании расширяется значительно меньше, чем фиксируемые ею заготовки;
• при нагревании железная окалина может восстановиться, что приведет к диффузии железа в металл соединяемых заготовок, поэтому изменятся физико-механические свойства соединяемых заготовок.

Часто приваривают обмоточную проволоку к поверхности соединяемых заготовок.

Нанесение флюса и припоя. При пайке твердыми припоями флюсы выполняют ту же функцию, что и при пайке мягкими припоями. Выбор флюса зависит от материала соединяемых заготовок. К твердым припоям относятся медно-цинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСр). В обозначении марок припоев цифры показывают процентное содержание меди или серебра.

Инструменты для нагрева места спая. Нагрев заготовок при паянии твердыми припоями осуществляется газовыми и бензиновыми горелками, в муфельных печах, соляных ваннах. Для создания газового и бензинового пламени используют — горелки.

Основные правила паяния твердыми припоями. При паянии твердыми припоями необходимо соблюсти следующие правила:

• проверить работоспособность и исправность источника нагрева места спая;
• проверить чистоту поверхности мест спая, плотность пригонки спаиваемых поверхностей;
• протравить место пайки раствором соляной кислоты;
• припой или место спая с прикрепленной пластиной припоя нужно нагреть в пламени горелки или в муфельной печи до температуры, близкой к температуре плавления припоя;
• припой следует расположить в месте спая смазать его флюсом и продолжать разогрев места спая до полного расплавления припоя и заполнения им швов паяного соединения.

Правила безопасности труда при паянии. При паянии необходимо выполнять следующие правила безопасности:

• Запрещается пользоваться неисправными инструментами и приспособлениями;
• Запрещается прикасаться к неисправным инструментам и нагретым частям инструмента для паяния;
• Нельзя наклоняться близко к месту паяния;
• Работу следует выполнять под вытяжкой;
• Для удерживания спаиваемого изделия необходимо использовать плоскогубцы;
• При пайке тугоплавкими припоями нужно работать в перчатках и защитных очках;
• Следует тщательно мыть руки с мылом после окончания работ.

Специальные методы паяния. Наиболее производительной является низкотемпературная пайка погружением в расплавленный припой. Паяние таким способом выполняется на специальных установках, на которых смонтированы ванны с флюсом и расплавленным мягким припоем. Детали предварительно очищают и обезжиривают, потом погружают в ванну с флюсом, а затем с расплавленным припоем, после чего вынимают и охлаждают на воздухе до комнатной температуры. Заданную температуру припоя контролируют и поддерживают при помощи специального устройства с термопарой, помещенного в ванну.

Кроме описанного метода паяния для улучшения качества паяных соединений применяют пайку в защитных газах, вакууме и активной газовой среде. Основная особенность этих методов паяния состоит в том, что они выполняются без применения флюсов.

Лужение — процесс покрытия поверхностей деталей тонким слоем расплавленного оловянно-свинцового сплава. Лужение осуществляется для защиты деталей от коррозии и окисления, подготовки поверхностей заготовок и инструмента к паянию мягкими припоями. Перед лужением поверхность заготовки тщательно очищается и обезжиривается.

Паяные соединения обозначают по ГОСТ 2.313 — 82 условным знаком, который наносят на линию-выноску сплошной основной линией. На чертежах паяные соединения изображают, как показано на рис. 4.

Рис. 4. Условное изображение паяного шва на чертеже:

а — паяного шва; б — по замкнутому контуру

Преимущества и недостатки пайки

К технологическим преимуществам пайки относятся:

• возможность одновременного соединения нескольких узлов сложной геометрической формы или деталей со значительной протяженностью паяных швов, в том числе и в труднодоступных местах;
• получение высокого качества соединений, часто независимо от субъективных факторов;
• достижение более высокой производительности;
• снижение себестоимости продукции по сравнению с другими методами соединения. При общем нагреве изделия для пайки не имеют существенного значения площадь соединения и количество пересекающихся швов, отсутствует проблема напряжений и деформаций при соединении однородных материалов. Процессы легко поддаются механизации и автоматизации.

При соединении многих металлических материалов не допускается их перегрев выше определенной температуры во избежание потери ими структуры и свойств. Такой перегрев всегда можно исключить при пайке, выбирая соответствующие припои и способы.

К недостаткам пайки обычно относят низкую прочность паяного соединения, необходимость тщательной подгонки соединяемых поверхностей, использование в припоях дорогих и дефицитных металлов. Более низкая, чем у основного металла, коррозионная стойкость.

Пайка — это процесс соединения двух или более металлических поверхностей путем подачи расплавленного металла в место соединения. Расплавленный металл имеет более низкую температуру плавления, чем соединяемые детали, чтобы предотвратить их расплавление.

Хотя пайка является одним из самых старых методов соединения, она по-прежнему используется сегодня по веской причине.

Что такое пайка?

Пайка соединяет металлические поверхности вместе с помощью присадочного металла, имеющего низкую температуру плавления. В процессе используется капиллярное действие, при котором однородный жидкий поток присадочного материала соединяется с основным металлом.

Уникальное качество процесса пайки заключается в том, что он сохраняет механические свойства металлов, что полезно в таких областях, как пайка серебра или других подобных металлов.

Процесс пайки

Одним из наиболее важных этапов процесса соединения металлов является очистка поверхности основного металла. Наждачная бумага или проволочная щетка являются отличными инструментами для удаления загрязнений.

Операция пайки начинается с правильного позиционирования, необходимо рассчитать зазоры между швами, чтобы жидкий присадочный металл достиг поверхностного натяжения с заготовкой. Обычно используется горелка для медленного нагрева металлической поверхности заготовки и присадочного металла до температуры пайки.

По мере того как присадочный металл расплавляется, капиллярное действие позволяет ему проходить через узкие пространства, образуя таким образом связь между поверхностями основных металлов.

Паяные соединения формируются по мере остывания вместе со сборкой.

Вот металлы, которые часто соединяются пайкой:

• Алюминий;
• Чугун;
• Магний;
• Медь и медные сплавы;
• Серебро.

Требования к присадочному металлу

• После застывания расплавленного флюса и присадочного металла паяное соединение должно обладать ожидаемыми механическими свойствами.
• Температура пайки должна эффективно обеспечивать надлежащий поток жидкости из расплавленного припоя в соединение.
• Присадочные металлы должны иметь надлежащие условия смачивания для создания прочных связей.

В целом, техника пайки в каждом из данных случаев практически идентична. Единственное исключение состоит в том, что используя при пайке мягкие припои, следует придерживаться температуры не более отметки в 450 градусов Цельсия. Тогда, как производя пайку припоем твердой категории, эта температура существенно превышает 450 градусов, в некоторых случаях эта цифра может быть даже удвоена или утроена, с целью получения качественных и прочных соединений.

При сварке помимо присадочного металла расплавляются заготовки. Это позволяет создавать более прочные соединения, чем при пайке. Такие процессы, как сварка TIG, MIG и электродуговая сварка, работают при гораздо более высоких температурах.

Пайкосварка является разновидностью сварки MIG/MAG. Разница заключается в температуре плавления присадочной проволоки, которая значительно ниже, чем основной металл. Присадочный металл осаждается, чтобы заполнить зазоры посредством капиллярного действия. При этом не происходит значительного сплавления основного металла, но оно может происходить в ограниченном количестве.

Различные методы пайки

При пайке используются различные методы нагрева для различных целей и применений. Тепло может быть приложено либо непосредственно к соединению (локализованный), либо ко всей заготовке (диффузный нагрев).

Методы локализованного нагрева:

Пайка с нагревом пламенем — горючий газ образуется при сжигании ацетилена, пропана или водорода с воздухом для нагрева и расплавления присадочного металла. При использовании этой техники требуется флюс для защиты соединения, которое впоследствии необходимо зачистить. Пайка с нагревом пламенем в основном используется для небольших производственных узлов, где вес металла неравномерен.

Индукционная пайка — высокочастотный переменный ток подается в катушку для достижения температуры пайки, которая нагревает заготовку и расплавляет присадочный материал.

Пайка сопротивлением — тепло выделяется за счет электрического сопротивления паяемого сплава, что идеально подходит для высокопроводящих металлов. Этот метод нагрева лучше всего подходит для создания простых соединений между металлами.

Техники диффузного нагрева:

Пайка в печи — Для доведения печи до нужной температуры используется газовый обжиг или нагревательные элементы. Присадочный металл наносится на соединяемые поверхности, затем весь узел помещается в печь и доводится до температуры пайки. Пайка в печи позволяет точно контролировать циклы нагрева и охлаждения металлов. Процесс часто выполняется в вакууме для защиты паяемого сплава от атмосферных условий. При этом также отпадает необходимость в защите флюсом.

Пайка погружением — деталь или узел погружается в ванну с расплавленным присадочным металлом. Для предотвращения окисления на детали наносится паяльный флюс.

• Можно соединять разнородные металлы, в отличие от большинства методов сварки.
• Высокая производительность.
• Потребляет меньше энергии, чем сварка.
• Получение более чистых соединений по сравнению с большинством сварочных процессов.
• Цветные металлы не плавятся, сохраняя свою форму и механические свойства.

• Более слабые результаты по сравнению со сварными соединениями.
• Невозможно соединить компоненты, работающие при высоких температурах.
• Требуются плотные, равномерные зазоры между швами для достижения капиллярного эффекта.
• Нечистые или загрязненные металлы могут стать причиной негерметичности соединений.

Что мы знаем о групповой пайке волной? При упоминании этого процесса у большинства предприятий в первую очередь возникают негативные ассоциации: пенный флюсователь флюсует всю нижнюю поверхность печатного узла; нужно загружать много припоя; с поверхности припоя необходимо удалять шлам; если речь о платах, на которых присутствуют SMD-компоненты на обеих сторонах узла, приходится разрабатывать защитные паяльные маски под каждый тип изделия, а это дорого и трудозатратно. И так далее и тому подобное. В силу этих и других соображений укрепилось представление, что групповая волна оправдана только на серийных проектах. Поэтому среди российских производителей, осуществляющих автоматизированный монтаж в отверстия, всё более проявляется склонность к технологии селективной пайки мини-волной, а классическая пайка волной всё чаще остается «за бортом».

В первой части рассматриваемой темы попробуем разобраться, насколько эта тенденция оправдана, рассмотрев оборудование для обоих техпроцессов и сравнив их по стоимости владения и производительности.

Олег Вахрушев — Глобал Инжиниринг, Россия.
Печатная версия статьи «Вторая жизнь технологии пайки волной – часть I»
представлена в журнале «Электроника: Наука I Технология I Бизнес» № 9 2021

Технология пайки штыревых компонентов волной припоя была разработана в Европе в 1950‑х годах и используется в основном для монтажа в отверстия компонентов, расположенных на одной стороне платы. В настоящее время в мире для пайки штыревых компонентов широко применяются две технологии — ​групповой пайки волной и селективной пайки мини-волной припоя, которая, в свою очередь, появилась сравнительно недавно — ​в 1990‑х годах. Существуют также такие экзотические процессы, как селективная пайка лазером или горячим газом.

Оборудование для селективной пайки мини-волной

В России оборудование селективной пайки мини-волной широко представлено автоматизированными установками немецких компаний SEHO и Kurtz Ersa, которые, в общем, имеют одинаковую идеологию построения.

Автоматы включают в себя три модуля: флюсования, предварительного нагрева и, собственно, пайки.

Модуль флюсования представляет собой каплеструйный электромагнитный флюсователь (рис. 1), который перемещается по плоскости и работает по принципу мелкодисперсного распыления. Флюс наносится только в область пайки вывода компонента с заданной дозировкой, что позволяет избегать загрязнения соседних компонентов и значительно снижать содержание флюсового тумана. Применяемый флюс должен удовлетворять следующим требованиям:

• тип флюса — ​спиртовой или на водной основе
• содержание твердых веществ не более 5%, что связано с диаметром калиброванного отверстия в форсунке распылителя, составляющим несколько десятков микрометров

Модуль предварительного нагрева (рис. 2) реализуется на базе нескольких кварцевых излучателей, работающих в ИК-диапазоне и располагающихся под печатной платой. Опционально оборудование может оснащаться ИК-излучателями также и с верхней стороны. Число одновременно включенных излучателей, мощность и длительность излучения регулируются программно. Целями предварительного нагрева являются:

• активация флюса для более интенсивного удаления окислов с паяемых поверхностей
• предотвращение термоудара печатной платы при пайке.

Основной модуль пайки — ​«сердце» всей установки. Рассмотрим его более подробно. Он представляет собой ванну с припоем, рассчитанную обычно на загрузку 15–20 кг, и прецизионного электромагнитного насоса, который обеспечивает стабильную высоту мини-волны. Пополнение ванны происходит в автоматическом режиме — ​с катушки проволочного припоя с диаметром проволоки 2 или 3 мм. Мини-волна формируется на так называемых волнообразователях (насадках), которые делятся на смачиваемые и несмачиваемые (рис. 3).

Смачиваемые насадки — ​это насадки, которые смачиваются припоем равномерно по всей их поверхности. Они позволяют осуществлять пайку штыревого компонента при перемещении мини-волны в любом направлении.

Внутри ванны припоя и вокруг волнообразователя создается защитная среда инертного газа — ​азота с чистотой 10–20 ppm (по остаточному кислороду). Наличие «шапки» из чистого азота позволяет снизить образование шлама в ванне с припоем, а также увеличить ресурс волнообразователя. При снижении чистоты азотной среды до 80–100 ppm обычно начинают возникать множественные дефекты паяных соединений, повышается расход припоя (так как увеличивается шламообразование) и сокращается срок службы волнообразователя (если применяется смачиваемый тип). Средний объем азота, потребляемого одной ванной припоя, составляет 2–4 м3/ч.

Средний ресурс работы волнообразователя смачиваемого типа в круглосуточном режиме работы (три смены по 8 ч.) на свинцовом припое составляет порядка 1–2 мес., после чего его необходимо менять. Пайка бессвинцовыми материалами, которые требуют большей рабочей температуры, чем свинцовые припои, и низкая чистота азота сокращают и без того небольшой ресурс работы волнообразователя, стоимость которого составляет от 150 до 250 долл. за штуку.

Для увеличения производительности установки селективной пайки мини-волной оборудуют комплектом из двух связанных между собой ванн припоя. Возможно также расширение до двух-трех таких комплектов в одной установке, то есть суммарно до шести ванн припоя, и более. Взаимосвязь между собой двух ванн, работающих в паре, может накладывать свои ограничения по минимальным и максимальным размерам групповой заготовки печатных плат и их количеству в заготовке.

Оборудование для групповой пайки волной

Оборудование групповой пайки волной в течение прошедших 70 лет не стояло на месте, а совершенствовалось и развивалось (рис. 4). Современные системы построены на тех же базовых принципах, что и установки селективной пайки мини-волной. Они включают в себя модуль флюсования, модуль предварительного нагрева и модуль пайки волной. Более прогрессивное оборудование позволяет проводить пайку в так называемом азотном туннеле. В этом случае расход азота составляет от 15 до 20 м3/ч.

Модуль флюсования представляет собой струйный распылитель — ​форсунку. На простых установках объем флюса регулируется вручную. В отличие от флюсователей на установках селективной пайки мини-волной, у большинства установок групповой пайки волной флюсование происходит по всей поверхности печатной платы или ее части, если пайка производится в технологических палетах со вскрытыми местами пайки. Но также существуют системы для селективного нанесения флюса, которые представляют собой отдельную единицу оборудования.

Модуль предварительного нагрева разбит на индивидуально программируемые зоны. Его длина может варьироваться от 0,8 до 3,3 м, что позволяет сформировать температурный профиль, необходимый для активации нанесенного на печатную плату флюса путем задания скорости конвейера, которая может достигать 2 м/мин и более. Современные установки групповой пайки волной (например, от компании SEHO) могут оснащаться нагревателями типа Pulsar, обладающими высокой плотностью энергии и быстрым откликом (рис. 5). Модуль пайки часто оснащается двой­ной волной припоя (двумя насадками). Различными комбинациями типов двух используемых насадок решаются разные задачи: пайка SMD-компонентов, монтаж многослойных плат большой толщины, пайка при высокой скорости конвейера и т. п. Если стоит задача за один проход припаять на волне и чип-компоненты, зафиксированные с помощью клея, и штыревые компоненты, то, как правило, используется комбинация насадок, формирующих ламинарную и турбулентную волны.

Волна создается нагнетанием расплавленного припоя крыльчаткой электродвигателя, частота вращения которого контролируется программно. Также установки пайки волной оборудуются системами автоматического измерения и корректировки высоты волны (рис. 6).

Насадки для пайки волной

Не углубляясь в детали, отметим, что насадок существует огромное множество. На рис. 7 приведены варианты насадок от компании SEHO.

Помимо хорошего внешнего вида галтелей штыревого монтажа, не стоит забывать и о качественном заполнении припоем монтажного отверстия, для чего при подготовке к пайке волной, кроме правильно подобранного флюса и качественного прогрева изделия, необходимо позаботиться о выборе подходящих насадок с учетом скорости конвейера над волной, требуемого времени контакта припоя с платой и прочих аспектов.

При пайке одного изделия (одной рамки-­носителя) может быть настроено до 16 индивидуально программируемых секторов (рис. 8).

Виды флюсователей

Сегодня вряд ли можно найти на рынке установку для групповой пайки волной, оборудованную флюсователем пенного типа. Классическая установка имеет спрей-­флюсователь (рис. 9), который наносит флюс снизу на всю поверхность печатной платы.

Однако отдельного внимания заслуживает внешний координатный флюсователь (рис. 10), выполняющий непрерывное селективное (избирательное) нанесения флюса в процессе движения изделия по конвейеру без его остановки.

Применение координатного флюсователя в совокупности с использованием паяльных масок — ​оснастки, обеспечивающей нанесение флюса и контакт волны припоя только в определенных областях печатной платы — ​позволяет уменьшить расходы флюса до 80%, а также существенно сократить частоту отмывки масок и рамок-­носителей (оснастки).

Отметим, что термин «паяльная маска» широко используется для обозначения неудаляемых резистов на поверхности плат, в которых вскрыты окна над контактными площадками. В данной статье под паяльными масками (или просто масками) понимается именно оснастка для пайки волной. Подробнее паяльные маски рассмотрены в отдельном разделе статьи ниже.

Головки флюсователей серии SelectFlux (рис. 11) оборудованы насадками одновременно нескольких типов для решения широкого спектра задач.

Со скоростью селективного нанесения флюса могут быть связаны следующие опасения. На волне выгодно паять изделия с большим количеством точек пайки в пределах рамки-­носителя, в которой может быть установлена одна или несколько плат. А при большом количестве точек пайки установка пайки волной будет простаивать, пока селективный флюсователь наносит флюс. Поэтому установки пайки волной продолжают комплектоваться встроенным флюсователем спрей-типа, благодаря чему всегда имеется возможность выстроить производственный процесс наиболее эффективным способом: когда точек пайки много и нужна максимальная производительность, плата проходит селективный флюсователь в режиме bypass, а нанесение флюса выполняется спрей-­флюсователем; в противном случае применяется селективный флюсователь, а встроенный модуль флюсования проходится в режиме bypass.

Cравнение технологий групповой пайки волной и селективной пайки мини-волной

В табл. 1 приведен вариант расчета стоимости владения для технологии групповой пайки волной на примере оборудования компании SEHO.

Таблица 1.
Расчет стоимости владения для технологии групповой пайки волной на примере оборудования компании SEHO
(значения носят иллюстративный характер)

Обобщенное сравнение систем пайки волной и селективной пайки мини-волной с точки зрения стоимости владения приведено в табл. 2.

Таблица 2.
Обобщенные сравнительные данные для оценки стоимости владения оборудованием.

* – зависит от количества ванн припоя.
** – значения для работы в три смены по 8 ч.
*** – не учитывается настройка режимов: подбор скорости конвейера, настройки флюсователя и групповой волны.

При использовании оборудования селективной пайки от компании Kurtz Ersa необходимо также применять адипиновую кислоту и флюс-гель в шприцах, а для оборудования SEHO — ​УЗ-очистку и специализированные карандаши.

В табл. 2 не учтены затраты на так называемое азотное кольцо, которое применяется в некоторых установках селективной пайки (в частности, компании Kurtz Ersa). При работе в три смены его замена необходима каждые 2–3 мес., а его стоимость составляет порядка 300 долл.

Производительность

Сравнение ежедневных объемов выпуска электронных модулей на установке селективной пайки и групповой пайки волной приводится в табл. 3 на примере одного из ведущих производителей электроники в России.

Сравнение технологий по стоимости владения и производительности

Как видно из табл. 2, стоимость владения при применении селективной пайки мини-волной существенно выше. Эта технология требует периодической замены волнообразователей, обязательного наличия азота с чистотой 10–20 ppm, наличия у персонала квалификации для программирования оборудования. При этом табл. 3 показывает, что производительность систем пайки групповой волной более чем в два раза выше, чем у систем селективной пайки (в данном примере — ​с четырьмя ваннами) и практически не зависит от сложности печатного узла и от количества изделий на групповой заготовке.

Таблица 3.
Сравнительные данные для оценки стоимости владения оборудованием.

* – Установка селективной пайки на базе четырех ванн и четырех смачиваемых волнообразователей.

Так в чем же причина растущей популярности дорогих систем селективной пайки? Вызвана ли она желанием российских производителей электроники быть максимально гибкими? Где та грань, за которой стоит отдать предпочтение волновой пайке? И чем нужно руководствоваться отдавая предпочтение той или иной технологии?

Применение паяльных масок

Среди недостатков групповой пайки волной наиболее часто называется необходимость маскирования непаяемых областей печатной платы.

Давайте обратимся к конструкциям печатных плат, а именно — к расположению на них компонентов поверхностного монтажа и штыревых компонентов. Как правило, конструкторы печатных плат проектируют их, используя один из типов размещения компонентов, приведенных в табл. 4.

Таблица 4.
Типы размещения компонентов на печатных платах.

Последний тип — ​двусторонний смешанный с поверхностным монтажом с двух сторон — ​преобладает над остальными типами размещения компонентов.

Однако при групповой пайке волной таких печатных узлов возникают сложности. Компоненты поверхностного монтажа, расположенные со стороны волны, должны быть защищены от соприкосновения с ней, что, как правило, выполняется с помощью специальных маскирующих материалов. Нанесение таких материалов — ​достаточно времязатратная процедура. При селективной пайке подобная защита не требуется, и это, как было сказано ранее, часто становится аргументом в пользу этой технологии. Однако данный недостаток групповой пайки волной может быть устранен путем применения паяльных масок (рис. 12). Еще раз подчеркнем, что под паяльными масками здесь понимается не резист на поверхности платы, а специализированная оснастка.

Компания «Глобал Инжиниринг» предлагает использовать для этих целей новейший материал Durostone (Дюростон), представляющий собой армированный специальным волокном пластик и обладающий прекрасными электроизоляционными и термоизоляционными характеристиками. Из данного материала легко получить маски под все перечисленные в табл. 4 типы монтажа с гарантированной стойкостью 10 тыс. и более циклов контакта с волной припоя. Маски из материала Durostone подойдут для работы с крупно- и среднесерийными изделиями, а также сложными и теплоемкими печатными платами.

Когда печатная плата размещена на паяльной маске, сверху может находиться специализированная быстросъемная крышка, посредством которой могут удерживаться легкие штыревые компоненты. Существует большое количество приспособлений, позволяющих фиксировать компоненты с помощью данной крышки.

Применение групповой пайки волной с использованием защитных паяльных масок из материала Durostone позволяет достигать более высокого качества и повторяемости в сравнении с селективной пайкой мини-волной, в том числе при обработке теплоемких, массивных и габаритных плат по следующим причинам:

• поверхность соприкосновения с волной намного больше, чем у единичного сопла; как следствие, обеспечивается более эффективная передача тепловой энергии;
• установки пайки волной, как правило, имеют несколько зон преднагрева (с нагревом только снизу или в комбинации с модулями верхнего нагрева), поэтому возможен более эффективный прогрев плат за более короткий промежуток времени, а также регулирование прогрева путем варьирования скорости конвейера в зоне преднагрева;
• селективная пайка требует большего предварительного нагрева платы. При большом количестве точек пайки рабочие свойства флюса со временем вырабатываются, и его активность может снизиться, даже если в зоне пайки используется дополнительный нагрев сверху, не позволяющий плате остывать.

Также можно отметить, что с помощью рамки-­носителя (рис. 13) с паяльной маской или без нее можно легко устранить проблему провисания крупногабаритного изделия или групповой заготовки. На правильно подобранной рамке при наличии в изделии технологических отверстий есть возможность обеспечить дополнительное крепление платы за счет верхней опоры типа «мостового крана». При размещении изделия на паяльной маске дополнительные приспособления для устранения провисания не требуются в принципе.

Выводы

Групповая пайка волной — ​хорошо отработанная технология для изготовления серийной продукции, обладающая более высокой производительностью и, в целом, меньшей стоимостью владения, чем селективная пайка мини-волной. Современное оборудование позволяет устранить проблему нанесения флюса на всю поверхность платы. Благодаря применению оснастки в виде паяльной маски также можно избежать необходимости в индивидуальном маскировании непаяемых областей, а современные материалы позволяют легко изготавливать паяльные маски для различных типов изделий. В то же время групповая пайка волной обладает преимуществами с точки зрения качества получаемых паяных соединений, в особенности при сборке массивных плат.

Всё это указывает на то, что данная технология, продолжая развиваться, остается предпочтительной для множества задач, прежде всего для серийного изготовления крупногабаритных и теплоемких печатных плат, в том числе смешанного монтажа.

Во второй части статьи рассмотрим более подробно организацию процесса групповой пайки волной с использованием современных решений.

Возврат к списку статей

Пайка металлов довольно широко используется в быту и производстве, особенно там, где не требуется особая прочность соединения или есть необходимость в последующем разъединении деталей. Процесс пайки несложен, но имеет свои особенности, без учета которых невозможно получить качественный стык.

Пайка металлов выполняется разными способами, не только паяльником (как часто происходит в быту). В нашей статье мы расскажем о плюсах и минусах этой процедуры, рассмотрим ее варианты и опишем технологию пайки металлов.

Пайка металлов — это технологическая операция, в результате проведения которой образуется неразъемное соединение металлов, находящихся в твердом состоянии. Проводится эта операция с помощью специального присадочного материала — припоя, температура плавления которого ниже, чем температура плавления материалов, подлежащих обработке. Процесс пайки имеет некоторые общие черты с процессом сварки методом плавления, но в данном случае растворение и диффузия наблюдаются не только у припоя, но и у спаиваемого металла.

Соединение, образовавшееся в процессе пайки металлов, должно соответствовать служебным свойствам изделия и условиям его эксплуатации. Исходя из этого, особые требования могут предъявляться к степени герметичности, коррозионной стойкости, вакуум-плотности, способности противостоять перегрузкам и термоударам, уровню электросопротивления и т. д.

В процессе пайки основной материал растворяется в жидком припое. Образуются эвтектик и твердые растворы. Между припоем и металлом возникает взаимная диффузия компонентов, завершающаяся кристаллизацией жидкой прослойки.

Степень прочности соединения, образовавшегося в процессе пайки, зависит от нескольких факторов. Прежде всего, это химический состав материалов, находящихся в работе. Он определяет выбор температуры и времени продолжительности пайки, характер физико-химических и диффузионных процессов, протекающих между основным материалом и припоем.

Показатели механической прочности будут тем выше, чем больше степень взаимной диффузии между расплавленным припоем и металлом. Повлиять на прочность пайки может и величина зазора. Его минимальные размеры обеспечат возможность качественного и быстрого затекания припоя в имеющиеся полости, в результате чего значение временного сопротивления паяного соединения окажется больше значения временного сопротивления самого припоя.