Пайка, история ее развития и роль в условиях современного производства

Раздел 1. ВВЕДЕНИЕ

Пайка один из древнейших способов соединения материалов известных человечеству. Многовековая история развития пайки указывает на высокий уровень этого ремесла, позволившего решить многие проблемы производства предметов домашней утвари, оружия и особенно украшений из драгоценных материалов.

Несколько тысячелетий тому назад в Риме, Египте, Китае применяли пайку для изготовления украшений и предметов домашнего обихода. При раскопках древнего Вавилона были найдены золотые сосуды с припаянными ручками, а в древнем Риме были обнаружены водопроводные системы из свинцовых труб, паянных оловянно-свинцовыми припоями. Видные российские ученые-паяльщики (Лоцманов С.Н., Петрунин И.Е., Фролов В.П.) считают, что знаменитая шапка Мономаха изготовлена из нескольких тысяч золотых деталей различной формы и размеров, соединенных между собой пайкой за один цикл нагрева.

Согласно ГОСТ 17325-79, пайка – процесс получения неразъемного соединения с межатомными связями путем нагрева соединяемых материалов ниже температуры их плавления, смачивания их припоем, затекания припоя в зазор и последующей его кристаллизации.

До изобретения электрической сварки плавлением, пайка, наряду с кузнечной сваркой, была основным технологическим приемом соединения металлических конструкций. В известной степени электрическая сварка плавлением, с ее широкими технологическими возможностями, задержала развитие пайки из ремесла в современный технологический процесс. Лишь с развитием таких отраслей промышленности как авиастроение, радиотех­ника и электроника, автомобилестроение и, особенно, ракетно-космическая техника резко повысился интерес и объемы применения пайки в про­изводстве сложных конструкций машиностроения и приборостроения. Ее при­менение оказалось целесообразным, а в некоторых случаях единственно возможным при изготовлении целого ряда деталей и узлов этих отраслей техники.

Преимущества пайки как технологического процесса и пре­имущества паяных соединений обусловлены, главным обра­зом, возможностью формирования паяного шва ниже темпера­туры автономного плавления соединяемых материалов. При этом стано­вится возможным общий нагрев паяемого узла или изделия до температуры пайки. Этими особенностями и определяются основные преимущества пайки по срав­нению с другими способами соединения:

– осуществлять групповую пайку, широкую механизацию и автоматизацию, обеспечивающих высокую производительность процесса;

– получать соединение деталей в скрытых или малодоступных местах конструкции, а следовательно, изготавливать сложные конструкции за один прием, сократить их металлоемкость, повысить коэффициент использования материала;

– паять не по контуру, а одновременно по всей поверхности соединения, что наряду с обеспечением высокой производи­тельности процесса позволяет широко варьировать прочность соединений;

– ограничиваться при пайке на порядок меньшим давлениями, чем при сварке давлением в твердой фазе, когда для со­единения деталей необходим непосредственный их контакт. При пайке физико-химический контакт деталей обеспечивается при смачивании и заполнении зазора припоем, а давление необходимо лишь для сохранения зазора, компенсации усадки припоя и выдавливания лишней жидкой фазы;

– соединять разнородные металлические и неметаллические материалы и с большой разностенностью, т. е. обеспечить уни­версальность процесса;

– выбирать температуру пайки в зависимости от необходи­мости сохранения механических свойств материалов в изделии, для совмещения нагрева под пайку и термическую обработку и для выполнения ступенчатой пайки;

– предотвратить развитие значительных термических дефор­маций и обеспечить получение изделий без нарушения его формы и размеров, т. е. с высокой прецизионностью;

– в условиях формирования паяных швов при смачивании и растекании припоя по паяемому материалу обеспечивать высо­кую плавность галтелей, а следовательно, высокую прочность, надежность и долговечность в условиях вибрационных и зна­копеременных нагружений;

– разъединять детали и узлы путем их распайки ниже тем­пературы автономного плавления паяемого материала и ре­монтировать изделия в полевых условиях.

Эти преимущества приобретают особое значение в условиях резкого повышения цен на конструкционные и технологические материалы. Широкое применение пайки, при рациональном конструировании машин и приборов, позволяет широко применять прогрессивные технологии изготовления соединяемых деталей (штамповка, литье, прессование порошка) с высоким коэффициентом использования, материала и наиболее полно использовать физико-химические и механические свойства конструкционных материалов.

Вместе с тем, применение при пайке припоев, более легко­плавких, чем паяемый материал, и поэтому часто менее проч­ных, обуславливает ряд традиционных недостатков паяных со­единений:

– неравнопрочность паяного шва с паяемым материа­лом при статических испытаниях на разрыв, причиной чего явля­ются более низкая прочность и пластичность большинства припоев по сравнению с паяемым металлом (рис. 1), литая структура в шве, высо­кое химическое сродство компонентов припоев с основой или ком­понентами паяемого материала, приводящее к росту прослоек химических соединений, развитие в паяном соединении диффузион­ной пористости, слабая активность газовых сред и флюсов при температуре пайки, нетехнологичность конструкции паяемых сое­динений и изделий, развитие остаточных паяльных напряжений в элементах и паяных соединениях и др., что накладывает ограничения на применение пайки в высоконагруженных конструкциях;

Т1 – температура плавления припоя, Т2 – температура плавления паяемого металла. Для большинства систем: σв(Т1)<σв(Т2), где σв(Т1) – предел прочности припоя, σв(Т2) – предел прочности паяемого металла.

Рис. 1. Условная зависимость прочности металлов
от их температуры плавления

– необ­ходимость точной сборки с малыми зазорами, что удорожает себестоимость узлов и изделий;

– применение в припоях дорогих и дефицитных металлов.

Эти недостатки паяных соединений во многих случаях мо­гут быть устранены при использовании новых прогрессивных способов пайки и новых паяльных материалов.

Потенциальные возможности повышения прочности паяных швов достаточно велики в связи с малым объемом литого металла в паяном соеди­нении, развитием новых способов пайки и в первую очередь диф­фузионной пайки, при которой обеспечивается равнопрочность паяных швов и паяемого материала, в том числе и в стыковых соединениях, достижениями в области интерметаллидного упрочнения сплавов в литом состоянии специальным легированием и термообработкой. Появившиеся в последние годы возможности в области повы­шения пластичности и прочности припоев до значений, близких к теоретическим при отсутствии в них ликвации и зерен в резуль­тате быстрого охлаждения и кристаллизации или кристаллизации в условиях отсутствия гравитации (в космосе), указывают на принци­пиальную возможность повышения прочности шва также путем создания определенных условий охлаждения.

Кроме того, существенное значение на прочность паяных соединения оказывает конструкция стыка, так благодаря применению рациональ­ных сочетаний паяемых материалов и припоев и использованию конструкций с оптимальной площадью нахлестки на­дежность паяных соединений для самоле­тов в 4 раза выше, а для космических ап­паратов в 25 раз выше, чем сварных.

Использование металлокерамической пайки композиционными припоями, при которой возможна сборка и пайка с некапиллярными зазора­ми, позволяет снизить требования к точности изготовления заготовок и сборки их под пайку.

В свою очередь, при контактно-реактивной пайке, при которой припой образуется в результате контактно-реактивного плавления, может быть рез­ко снижен расход дорогостоящих и дефицитных металлов.

В настоящее время трудно представить себе какую либо отрасль про­мышленности, где в той или иной степени не применялась бы пайка. К изделиям, изготавливаемым в различных отраслях машиностроения и приборостроения, относится различные теплообменные аппараты, трубопроводы, электродвигатели, уз­лы и детали реактивных двигателей и двигателей внутреннего сгорания, сотовые и слоистые панели и оболочки, печатные платы и гибридные схемы, сантехническое и отопительное оборудование, режущие и меритель­ные инструменты, консервные банки и многое другое.

Развитие техники привело к необходимости применения в конструкции машин и приборов новых металлов и сплавов: высокоактивных (титан, цирконий), легких (алюминий, бериллий, магний), тугоплавких (вольфрам, молибден, ниобий), жаропрочных (никелевые, кобальтовые, железные сплавы), драгоценных (золото, серебро, платина), композитных материалов, а так же различных неметаллических материалов – керамик, графита, полупроводников, стекла и т.д. Технологии пайки таких материалов, как в однородных, так и в разнородных сочетаниях обеспечивают прочностные, коррозионные, электрические и другие характеристики с заданной надежностью, долговечностью, ремонтопригодностью в условиях эксплуатации.

На рисунке 2 приведены некоторые представители машиностроительных конструкций изготовленных пайкой.

Рис. 2. Паяные конструкции.

Дисциплина «Теоретические основы пайки» является первой в специализации «Оборудование и технология пайки», и имеет целью сформировать у студентов комплекс знаний и умений для обоснования и выбора наиболее эффективных инженерных решений в области паяльного производства.

В учебном пособии широко использованы результаты научных исследований, выполненных под руководством Перевезенцева Б.Н. на кафедре «Оборудование и технология пайки»» аспирантами и сотрудниками Соколовой Н.М., Краснопевцевым А.Ю., Уполовниковым Ю.Н., Уполовниковой Г.Н., Федоровым А.Л., Шашкиным О.В., Тюниным Ю.Н. и др.