Разработать технологический процесс пайки

Министерство образования и науки Украины Днепропетровский национальный университет им. О. Гончара Физико-технический факультет Курсовая работа На тему: «Разработать технологический процесс пайки»

Выполнила: ст. гр. ТЗ-13−1

Кабакова М. Д.

Проверила: проф. Манько Т. А.

Днепропетровск 2014 г.

1. Техническая характеристика объекта производства Технической характеристикой объекта производства, на который разрабатывается данный технологический процесс, является пайка.

Пайкой называется технологический процесс соединения металлических заготовок без их расплавления посредством введения между ними расплавленного промежуточного металла (припоя).

Припой — металл или сплав, применяемый при пайке для соединения заготовок, и имеет температуру плавления более низкую, чем температура соединяемых металлов, и заполняет зазор между соединяемыми поверхностями за счет действия капиллярных сил. При охлаждении припой кристаллизуется и образует прочную связь между заготовками.

В процессе пайки наряду с нагревом необходимо удаление окисных пленок с поверхности паяемых металлов. Флюс — вещества (чаще смесь) органического и неорганического происхождения, предназначенные для удаления оксидов с поверхности под пайку, снижения поверхностного напряжения, улучшения растекания жидкого припоя и/или защиты от действия окружающей среды.

Пайкой можно соединять любые металлы и их сплавы. В качестве припоя используются чистые металлы (они плавятся при строго фиксированной температуре) и их сплавы (они плавятся в определенном интервале температур).

Разница между температурами начала плавления и полного расплавления называется интервалом кристаллизации.

При осуществлении процесса пайки необходимо выполнение температурного условия:

t1 > t2 > t3 > t4

где t1 — температура начала плавления материала детали

t2 — температура нагрева детали при пайке;

t3 — температура плавления припоя;

t4 — рабочая температура паянного соединения;

Материалы для пайки Припои для пайки, заполняющие зазор в расплавленном состоянии между соединяемыми заготовками, должны отвечать следующим требованиям:

1) температура их плавления должна быть ниже температуры плавления паяемых материалов;

2) они должны хорошо смачивать паяемый материал и легко растекаться по поверхности;

3) должны быть достаточно прочными и герметичными;

4) коэффициенты термического расширения припоя и паяемого материала не должны резко различаться;

5) иметь высокую электропроводность при паянии радиоэлектронных и токопроводящих изделий.

Припои классифицируют по следующим признакам:

А) Химическому составу;

Б) Температуре плавления;

В) Технологическим свойствам;

По химическому составу припои делятся на свинцово-оловянные, серебряные, медно-фосфорные, цинковые, титановые и др.

Все припои по температуре плавления подразделяют на низкотемпературные (tпл<500оС), или мягкие припои, и высокотемпературные (tпл>500оС), или твердые припои. Припои изготовляют в виде прутков, проволок, листов, полос, спиралей, колец, дисков, зерен и т. д., укладываемых в место соединения.

К низкотемпературным, или мягким припоям относятся оловянно-свинцовые, на основе висмута, индия, кадмия, цинка, олова, свинца. К высокотемпературным или твердым припоям относятся медные, медно-свинцовые, медно-никелевые, с благородными металлами (серебром, золотом, платиной).

По техническим свойствам делятся на самофлюсующиеся (частично удаляют окислы с поверхности металла) и композиционные (состоят из тугоплавких и легкоплавких порошков, позволяющих производить пайку с большими зазорами между деталями).

Изделия из алюминия и его сплавов паяют с припоями на алюминевой основе с кремнием, медью, оловом и другими металлами.

Магний и его сплавы паяют с припоями на основе магния с добавками алюминия, меди, марганца и цинка.

Изделия из коррозионно-стойких сталей и жаропрочных сплавов, работающих при высоких температурах (>500оС), паяют с припоями на основе железа, марганца, никеля, кобальта, титана, циркония, гафния, ниобия и палладия. Припои используемые при монтаже печатных плат.

Флюсы применяют для очистки поверхности паяемого металла, а также для снижения поверхностного натяжения и улучшения растекания и смачивания жидкого припоя.

Флюсы должны соответствовать таким требованиям:

1. Не должны химически взаимодействовать с припоем (кроме реактивно-флюсовой пайки).

2. Температура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления припоя.

3. Флюс в расплавленном и газообразном состояниях должен способствовать смачиванию поверхности основного металла расплавленным припоем. Флюсы могут быть твердые, пастообразные, жидкие и газообразные.

Флюсы классифицируют по признакам:

— Температурному интервалу пайки на низкотемпературные (t<4500C) и высокотемпературные (t>4500C);

— Природе растворителя на водные и неводные;

— Природе активатора на канифольные, галогенидные, фтороборатные, анилиновые, кислотные и т. д.;

— По агрегатному состоянию на твердые, жидкие и пастообразные Наиболее распространенными паяльными флюсами являются бура

(Na2B4O7) и борная кислота (H3BO3), хлористый цинк (ZnCl2), фтористый калий (KF) и другие галоидные соли щелочных металлов. Флюсы используемые при монтаже печатных плат.

По особенностям процесса и технологии пайку можно разделить на капиллярную, диффузионную, контактно-реактивную, реактивно-флюсовую и пайку-сварку.

Капиллярная пайка.

Припой заполняет зазор между соединяемыми поверхностями и удерживается в нем за счет капиллярных сил. На рис. 1 показана схема образования шва. Соединение образуется за счет растворения основы в жидком припое и последующей кристаллизации раствора. Капиллярную пайку используют в тех случаях, когда применяют соединение внахлестку. Однако капиллярное явление присуще всем видам пайки.

Диффузионная пайка.

Соединение образуется за счет взаимной диффузии компонентов припоя и паяемых материалов, причем возможно образование в шве твердого раствора или тугоплавких интерметаллов. Для диффузионной пайки необходима продолжительная выдержка при температуре образования паяного шва и после завершения процесса при температуре ниже солидуса припоя.

Контактно-реактивная пайка При пайке между соединяемыми металлами или соединяемыми металлами и прослойкой другого металла в результате контактного плавления образуется сплав, который заполняет зазор и при кристаллизации образует паяное соединение. На рис. 2 показана схема контактно-реактивной пайки.

Реактивно-флюсовая пайка.

Припой образуется за счет реакции вытеснения между основным металлом и флюсом. Например, при пайке алюминия с флюсом

3ZnCl2 + 2Al = 2AlCl3 + Zn

восстановленный цинк является припоем.

Пайка-сварка.

Паяное соединение образуется так же, как при сварке плавлением, но в качестве присадочного металла применяют припой.

Наибольшее применение получила капиллярная пайка и пайка-сварка. Диффузионная пайка и контактно-реактивная более трудоемки, но обеспечивают высокое качество соединения и применяются, когда в процессе пайки необходимо обеспечить минимальные зазоры. Качество паяных соединений (прочность, герметичность, надежность и т. д.) зависит от правильного выбора основного металла, припоя, флюса, способа нагрева, величины зазоров, типа соединения.

Способы пайки классифицируют в зависимости от используемых источников нагрева. Наиболее распространены в промышленности пайки в печах, индукционная, сопротивлением, погружением, радиационная, паяльниками.

Пайка в печах. Нагревают соединяемые заготовки в специальных печах: электросопротивления, с индукционным нагревом, газопламенных и газовых. Припой заранее закладывают в шов собранного изделия, на место пайки наносят флюс и затем помещают в печь, где это изделие нагревают до температуры пайки. Припой расплавляется и заполняет зазоры между соединяемыми заготовками. Процесс пайки продолжается несколько часов.

Этот способ обеспечивает равномерный нагрев соединяемых деталей без заметной их деформации.

Крупные детали паяют в камерных печах с неподвижным подом; большую партию мелких деталей — в печах с сетчатым конвейером или роликовым подом. Пайка в печах позволяет механизировать паяльные работы и обеспечивает стабильное качество изделий и высокую производительность труда.

Индукционная пайка. Паяемый участок нагревают в катушке-индукторе. Через индуктор пропускают т. в. ч., в результате чего место пайки нагревается до необходимой температуры. Для предохранения от окисления изделие нагревают в вакууме или в защитной среде с применением флюсов. Индуктор выполнен в виде петли или спирали из красной меди. Формы и размеры индуктора зависят от конструкции паяемого изделия. Различают две разновидности пайки с индукционным нагревом: стационарную и с относительным перемещением индуктора или детали.

Пайка сопротивлением. Соединяемые заготовки нагревают теплотой, выделяющейся при прохождении электрического тока через паяемые детали и токопроводящие элементы. Соединяемые детали являются частью электрической цепи. Нагрев сопротивлением можно осуществлять на контактных сварочных машинах. С нагревом в контактных сварочных машинах паяют при изготовлении тонкостенных изделий из листового материала или при соединении тонкостенных элементов с толстостенными.

Пайка с радиационным нагревом. Пайку выполняют за слет излучения кварцевых ламп, расфокусированного электронного луча или мощного светового потока от квантового генератора (лазера).

Конструкцию, подлежащую пайке, помещают в специальный контейнер, в котором создают вакуум. После вакуумирования контейнер заполняют аргоном и помещают в приспособление, с двух его сторон устанавливают для обогрева кварцевые лампы. После окончания нагрева кварцевые лампы отводят, а приспособление вместе с деталями охлаждают. При применении лазерного нагрева сосредоточенная в узком пучке тепловая энергия обеспечивает испарение и распыление окисной пленки с поверхности основного металла и припоя, что позволяет получать спаи в атмосфере воздуха без применения искусственных газовых сред. При радиационном способе пайки лучистая энергия превращается в тепловую непосредственно в материале припоя и паяемых деталей. Этот способ пайки непродолжителен.

Пайка паяльниками. Основной металл нагревают и припой расплавляют за счет теплоты, аккумулированной в массе металла паяльника, который перед пайкой или в процессе ее подогревают. Для низкотемпературной пайки применяют паяльники с периодическим нагревом, с непрерывным нагревом, ультразвуковые и абразивные. Рабочую часть паяльника выполняют из красной меди. Паяльник с периодическим нагревом в процессе работы периодически подогревают от постороннего источника теплоты. Паяльники с постоянным нагревом делают электрическими. Нагревательный элемент состоит из нихромовой проволоки, намотанной на слой асбеста, слюды или на керамическую втулку, устанавливаемую на медный стержень паяльника. Паяльники с периодическим и непрерывным нагревом чаще используют для флюсовой пайки черных и цветных металлов мягкими припоями с температурой плавления ниже 300−350оС.

Ультразвуковые паяльники применяют для бесфлюсовой низкотемпературной пайки на воздухе и для пайки алюминия легкоплавкими припоями. Окисные пленки разрушаются за счет колебаний ультразвуковой частоты.

Абразивные паяльники. Такими паяльниками можно паять алюминиевые сплавы без флюса. Окисная пленка удаляется в результате трения паяльника об обрабатываемую поверхность. Абразивный паяльник в отличие от электропаяльника имеет рабочий стержень, изготовленный прессованием из порошка припоя и измельченного асбеста.

заготовка припой соляной шов

2. Анализ технологичности Технологичной называется конструкция, которая при минимальной себестоимости наиболее проста в изготовлении.

Технологичная конструкция должна предусматривать:

1. Максимально широкое использование унифицированных узлов, стандартизованных и нормализованных деталей и элементов деталей.

2. Возможно меньшее количество деталей оригинальной, сложной формы различных наименований и возможно большую повторяемость одноименных деталей.

3. Создание деталей наиболее рациональной формы с легкодоступными для обработки поверхностями и достаточной жесткостью с целью уменьшения трудоемкости и себестоимости обработки при изготовлении всего прибора.

4. Рациональным должно быть назначение класса точности и шероховатости поверхности.

5. Наличие на деталях удобных базирующих поверхностей.

6. Наиболее рациональный способ получения заготовок с размерами и формами возможно более близкими к готовым деталям, то есть обеспечивающими наиболее высокий коэффициент использования материала и наименьшую трудоемкость обработки.

7. Полное устранение или возможно меньшее применение слесарно-приборочных работ при сборке путем изготовления взаимозаменяемых деталей.

8. Упрощение сборки и возможность выполнять параллельно во времени и пространстве сборки отдельных сборочных единиц.

9. Конструкция должна легко собираться и разбираться, а так же обеспечить доступ к любому механизму для регулировки настройки и ремонту.

Разрабатываемая конструкция является технологичной, поскольку пайка, являясь универсальным способом соединения материалов, позволяет:

1. Соединять металлы в любом сочетании.

2. Соединять металлы в любом температурном интервале начиная от комнатной до температуры плавления паяемого металла.

3. Соединять металлы с неметаллическими материалами.

4. Получать соединения без внутренних напряжений и без коробления изделий

5. Получать легкоразъемные паяные соединения.

6. Выдерживать более точно размеры и форму изделий, что достигается отсутствием оплавления основного металла в зоне соединения.

7. Паять одновременно (за один прием) большое число изделий и, таким образом, наиболее полно отвечать условиям массового производства.

8. Обеспечивать высокую культуру производства при полной механизации и автоматизации технологического цикла получения паяного изделия.

9. Пайка в соляных ваннах является технологичной, поскольку не требует нанесения флюса, содержимое ванны является припоем и флюсом одновременно.

3. Технологический маршрут процесса пайки в соляных ваннах Процесс пайки в соляных ваннах состоит из ряда последовательных технологических операций:

1. Подготовительная

2. Комплектация

3. Подготовка деталей к пайке;

4. Сборка в узлы с одновременной закладкой дозированных заготовок припоя;

5. Предварительный нагрев;

6. Пайка погружением в соляную ванну;

7. Удаление остатков солей;

8. Контроль качества пайки.

4. Детальное описание операций Рассмотрим более детально операции, перечисленные в технологическом маршруте.

1) Подготовительная.

Подготовка материалов и инструментов к работе на рабочем месте.

В помещении, т. е. на рабочем месте, непосредственно должно быть антистатическое покрытие, также специальная одежда. Материалы и инструменты должны быть очищены.

2) Комплектация.

Содержание операции является комплектация основных и руководящих материалов согласно комплектовочной ведомости и укладки их в технологическую тару для работы.

Для предотвращения загрязнения транспортировку обезжиренных деталей на участок пайки производят в закрытой таре.

3) Подготовка деталей к пайке.

1. Механическая обработка (подгонка деталей друг к другу и создание шероховатости с помощью шкурки)

2. Обезжиривание поверхностей, подготавливаемых для пайки (едким натром (5−10 г/л), углекислым натрием (15−30г/л), тринатрийфосфатом (30−60 г/л), эмульгатор ОП-7 (0,5 г/л)). Детали в растворе выдерживают при температуре 50−600С в течение 15−20 минут. После обработки щелочью детали последовательно промывают горячей и холодной водой, а затем сушат.

4) Сборка в узлы с одновременной закладкой дозированных заготовок припоя.

Сборка деталей в узлы и закладка припоя производится на соответствующих приспособлениях, свободных от влаги, жира и остатков солей. На рабочих столах, где производится сборка, не должно быть металлической стружки, мелких опилок тяжелых металлов и других загрязнений.

Припой в виде дозированных заготовок закрепляют между паяемыми поверхностями или накладывают непосредственно на швы. Для предупреждения смещения припоя, уложенного на стыках паяемых деталей, применяют прихватку с помощью сварки, а в ряде случаев и подвязку тонким шнуром из асбеста или стеклоткани.

5) Предварительный нагрев.

Предварительный нагрев приспособления с установленными на них паяемыми деталями осуществляется в электрических печах Н-15, ПН-31Б и других подобных типах печей, которые устанавливаются в непосредственной близости от печи-ванны. Температура предварительного подогрева деталей составляет 400 — 500° для алюминия и 500 — 600° С для латуни, а время на подогрев, зависящее от массы загружаемого металла и температуры в печи, определяется для каждого типоразмера деталей и оснастки опытным путем

6) Пайка погружением в соляную ванну.

После подогрева детали быстро переносятся и погружаются в расплав солей (Соляная смесь обычно состоит из 55% KCl и 45% HCl), рабочая температура которого должна лежать в интервале 560 — 620° для пайки алюминия и 800 — 860° для пайки меди и ее сплавов. Время выдержки деталей в ванне обычно не превышает одной-трех минут, и для каждого конкретного случая его оптимальное значение легко определить опытным путем. Соляная ванна предохраняет место пайки от окисления. Поверхности, не подлежащие пайке, предохраняют от контакта с припоем специальной обмазкой из графита с добавками небольшого количества извести.

7) Удаление остатков солей.

Узлы, извлекаемые из расплава до стока излишка солей, выдерживают 10 — 20 сек. над ванной, а затем охлаждают на воздухе, снимают с приспособлений и, погрузив в горячую проточную воду с температурой 60 — 90 °C, производят тщательное удаление остатков. Так же происходит удаление остатков обмазки, предохраняющей поверхности, не подлежащие пайке. Использованные приспособления сразу же после снятия паяных узлов также подвергаются отмывке от остатков солей

8)Контроль качества пайки.

Контроль качества паяных швов производят внешним осмотром, испытанием на герметичность под давлением воздуха или жидкости и другими методами, которые обычно оговариваются в технических условиях на данные узлы. Паяные швы по всему периметру должны иметь чистые и ровные галтели без каплевидных наплывов, непропая, газовых и шлаковых включений, эрозии и проплава основного металла. Обычно при выявлении в паяных швах таких дефектов, как негерметичность соединений, непропай, неравномерность галтелей припоя по периметру швов, исправление их производят в соляной ванне путем повторной пайки узлов.

В отличие от других способов сам процесс пайки в соляных ваннах не требует от исполнителя высокого мастерства и одновременно с этим обеспечивает получение паяных соединений высокого качества.

Используемая литература

1. Дальский А. М., Арутюнова И. А., Барсукова Т. М. Технология конструкционных материалов. Учебник для технических вузов. М., «Машиностроение», 1977.

2. Манько Т. А. «Технология сборки интегральных микросхем», 1991.

.ur