www.mexanik.ru

ВВЕДЕНИЕ

Пайка — один из наиболее древних методов создания неразъемных соединений твердых тел путем плавления. Не случайно в конце девятнадцатого столетия Н. Н. Бенардосом сварка плавлением была названа вначале пайкой. Создание разных видов сварки плавлением на некоторое время затормозило развитие пайки. Состояние вопроса о пайке к двадцатым годам текущего столетия дало основание считать пайку «делом не хитрым».

Общим у паяных и сварных соединений является то, что их составные части нельзя разъединить или без изменения формы или физического состояния металла.

В процессе сварки плавлением сварной шов нагревается до температур выше температуры ликвидуса основного металла. В условиях пайки температура нагрева должна быть всегда ниже, чем температура солидуса соединяемых металлов.

Участие жидкой фазы и нагрев соединяемых твердых тел ниже температуры солидуса — необходимое и достаточное условие выполнения процесса пайки. Отсюда вытекает определение пайки как процесса создания неразъемного соединения металлов без их расплавления путем заполнения зазора жидким припоем. Существенные преимущества технологии пайки перед технологией сварки плавлением при создании неразъемных соединений— нагрев паяемых деталей ниже температуры солидуса и расход меньших удельных мощностей тепловой энергии. В результате детали меньше коробятся, создаются благоприятные условия для соединения тонкостенных деталей, деталей, сильно отличающихся по толщине, а также для получения конструкций весьма сложной формы, часто невыполнимых сваркой

Существует способ изготовления неразъемных соединений, имеющий одновременно характерные особенности сварки плавлением и пайки, при котором достаточно одну из соединяемых деталей нагреть выше температуры солидуса (расплавить) и одну из них нагреть ниже температуры солидуса (не расплавить). Такая технология необходима при непосредственном соединении металлов или сплавов, сильно отличающихся по температурам плавления (например, при соединении стали с медью), и особенно при соединении металлов или сплавов, температура плавления одного из которых выше температуры кипения другого (например, при соединении ниобия с медью).

Способ получения соединений, при котором один из соединяемых металлов нагревается выше температуры плавления, естественно назвать сварко-пайкой в отличие от пайко-сварки (типичной пайки), при которой подготовка соединяемых кромок перед пайкой производится так же, как и перед сваркой, а жидкий припой заполняет зазор между соединяемыми деталями без заметного участия капиллярных сил. Прочное сцепление между соединяемыми деталями достигается при контакте материалов с одинаковыми типами связи.

Не исключена, конечно, возможность создания неразъемных соединений между материалами с разными типами связи. Но это не чистая пайка, а образование соединений только с участием процессов пайки (например, пайка стекла, силикатов или полупроводников с металлом). Применяемые способы вжигания серебра в керамику имеют сложную, пока полностью не выясненную природу; на поверхности создается слой, который удается соединить с металлом методами пайки. Известно, что стекло можно соединить с металлом, применяя припой, содержащий индий (50% In —50% Sn).

Вплоть до начала двадцатого столетия известны были две разновидности пайки металлов и сплавов, отличающиеся применяемыми припоями. Существовали две группы припоев: 1) легкоплавкие припои из сплавов в основном олова, свинца, кадмия и цинка с температурой плавления, не превышающей 350° С, и 2) припои из сплавов серебра, меди, кадмия, цинка или меди и цинка (латуни) с температурой плавления выше 600° С.

Первая группа припоев называлась мягкими припоями, вторая — твердыми. В Германии и России процессы с применением таких припоев называли соответственно мягкая и твердая пайка. В Англии и США эти разновидности пайки имели названия: Soldering и Brazing. Когда появились припои с температурой плавления между 350 и 600° С, были сделаны попытки установить температурную границу между мягкой и твердой пайкой (425, 450, 550°С и т. д.). В некоторых работах американских исследователей и даже в некоторых документах Международного института сварки в качестве такой граничной температуры была принята температура 800° по Фаренгейту (425°С). Условность такой граничной температуры становится очевидной. В последнем издании справочника по металловедению «Metals Handbook» за 1961 г. эта граничная температура между двумя видами пайки (800° F) названа произвольной. Тем более произвольно относить припои с температурой плавления (солидуса или ликвидуса) ниже 245 или 450° С к мягким (как, например, сплавы системы Zn —A1), выше 425° С —к твердым. Эта классификация постепенно отмирает.

Некоторый смысл имеет классификация разновидностей пайки по естественно выбранным температурным интервалам ликвидуса применяемых групп припоев.

Разделение пайки по способам нагрева паяемых деталей, способам удаления окисной пленки и способам образования паяного шва объективно отражает особенности технологии изготовления паяных соединений, указывает перспективу ее развития и логически вытекает из анализа процесса пайки.

О природе прочности паяных соединений существуют два противоположных высказывания: 1) сцепление между паяным швом и основным металлом создается в результате растворения элементов между ними с обязательным участием диффузионных процессов; 2) растворение и диффузия элементов между паяным швом и основным металлом не обязательны для связи между ними.

Первая точка зрения представлена в известном американском справочнике «Metals Handbook», причем в первом издании справочника (1948 г.) указывалось, что связь в паяных соединениях создается слабым процессом диффузии из припоя в основной металл и поверхностным легированием основного металла и припоя. В последнем, восьмом, издании (1961 г.) указывается, что связь в паяных соединениях возникает в результате растворения малых количеств основного металла в жидком припое без расплавления основного металла.

Представители второй точки зрения исходят в основном из известных случаев пайки металлов припоями, между которыми нет взаимной растворимости. Известно, что при пайке стали серебром, алюминия — кадмием, молибдена, вольфрама, ниобия и тантала — серебром и медью создаются более или менее прочные паяные соединения, тогда как растворимость между паяемым металлом и припоем мала или ничтожна. Существуют даже категорические высказывания, что между этими парами металлов нет никакой растворимости ни в жидком, ни в твердом состоянии. Некоторые считают, что при пайке алюминия легкоплавкими припоями нет взаимной диффузии атомов, т. е. между ними нет сцепления (когезии), а происходит склеивание (адгезия) [204]. Исходя из такой точки зрения, было предложено процесс пайки разделять на две группы: 1) с участием обратимых физических процессов и 2) с участием необратимых реактивных процессов.

Аргументация представителей второй точки зрения лишена достаточных оснований. Существующие данные о растворимости между металлами, которым приписывают полную нерастворимость, как правило, противоречивы [121].
Несомненно, что скорость диффузии зависит от температуры и времени; пайка некоторых металлов при повышенных температурах и малой длительности контакта между паяемым металлом и припоем может не обеспечить достаточно прочной когезии (особенно, когда этому препятствуют инородные включения, например окислы) с другой связью, но при этом не исключается возможность создания прочной связи при более высокой температуре и большей длительности пайки. Кроме того, следует учитывать наличие примесей в технических металлах — припоях, что может иметь решающее значение для сцепления между нерастворяющимися металлами.

Назад, на страницу описания