Образование паяного соединения происходит в результате раз­вития ряда процессов: теплового воздействия пайки на паяемый металл Мк, физико-химического взаимодействия Мк с припоем Мп и вспомогательными материалами А1ВСп; термического и хими­ческого взаимодействия Мк, Мп, Мвсп с окружающей газовой сре­дой и материалом оснастки и др. Все эти процессы влияют на свойства и качество паяных соединений и изделий. На протекание этих процессов существенно влияют также конструкция изделия и паяных соединений, масштабный фактор и масса изделий, а также особенности нагревательного оборудования и инструмента, режим и термический цикл пайки. Поэтому выбор оптимальной технологии пайки изделия весьма непрост и требует учета влияния всех этих факторов. В соответствии с этим проектирование тех­нологии пайки изделия должно состоять из ряда этапов, на каждом из которых должен быть произведен выбор очередных факторов технологии. Такой выбор прежде всего должен базироваться на теории процессов пайки и современном производственном опыте, достижениях в области технического оснащения процессов и опыте эксплуатации паяных изделий.

Для перехода от потока информации в этих областях к управ­лению качеством паяных изделий и эффективностью их произ­водства необходима информационная модель проектирования технологии пайки. Только на основе такой модели возможно управление качеством изделия. Такая модель должна отражать обоснованную последовательность этапов проектирования.

Проектирование технологии пайки изделий должно состоять из ряда этапов, на каждом из которых выбирают соответствующие факторы технологии. Последовательность выбора этапов основана на следующих требованиях.

1. Процесс пайки не должен воздействовать на свойства кон­струкционного материала в такой степени, чтобы он терял свои эксплуатационные свойства. Поэтому прежде всего должны быть выполнены температурные условия пайки: тепловое воздействие процесса пайки должно быть таким, чтобы механические, физи­ческие, физико-химические свойства паяемого материала после такого воздействия оставались в требуемых интервалах.

2. Процесс формирования паяного соединения и свойства при­меняемого припоя и способов пайки должны обеспечивать требуе­мые свойства паяного соединения и изделия в целом.

3. Выбранная технология должна быть оснащена соответст­вующим оборудованием, оснасткой, инструментом, средствами механизации, автоматизации и роботизации.

Только при указанной последовательности этапов проектиро­вания возможен выбор оптимальной технологии, так как каждый последующий этап проектирования базируется на данных, полу­ченных на предыдущем или предыдущих его этапах. Так, обору­дование можно выбирать только после того, как обоснованы тер­мический режим пайки и термический цикл пайки; последние могут быть выбраны только после того, как выбран припой и (или) способ пайки по формированию паяного шва и получению припоя, выбраны способы пайки по удалению оксидной пленки, а для этого прежде всего необходимо знать допустимые температуры плавле­ния припоя и пайки, т. е. интервалы нагрева паяемого материала, в которых он не теряет своих эксплуатационных свойств.

На этапах проектирования технологии пайки, на которых су­щественное влияние могут оказывать конструкция, масса и габа­риты изделия, необходимо учитывать возможность их влияния при заданных факторах соединений и изделия.

В основу поиска оптимальной технологии по входной ин­формации авторами был положен декомпозиционный алгоритм, реализуемый в 15 этапов (Z}—Z15). На каждом этапе происходит целенаправленное сужение областей допустимых решений с по­мощью соответствующих этапу ограничений (частных критериев К і /С15). В процессе поиска, при переходе от одного этапа к дру­

гому, предыдущие являются отправными для последующего этапа.

Графическая модель проектирования технологии пайки бази­руется на условиях обеспечения качества паяных изделий, зада­ваемых критерием качества 7(к, по которому необходимыми и до­статочными условиями на этапе подготовки производства явля­ются единство (взаимосвязь) и совместимость важнейших эле­ментов производственной системы: конструкции К, конструк­ционного материала Мк и оснащенной технологии пайки Т между собой и с эксплуатационными характеристиками Э изделия.

Высокая эффективность производства качественного изделия обеспечивается критерием эффективности Кэу по которому необ­ходимыми и достаточными условиями для этого являются со­вместимость Мк и Г с экономикой Эн, организацией и управлением ОУ, охраной окружающей среды ООС. Все эти элементы должны быть связаны между собой прямыми и обратными связями (см. рис. 12).

Последовательность обеспечения частных совместимостей /С, Э, Мк, Т факторов устанавливается рядом предъявляемых требо­ваний к технологии пайки в отношении сохранения свойств Мк, образования бездефектных паяных швов и соединений, выбора способов пайки, припоя и вспомогательных материалов, конструк­ции паяных соединений и изделий, оптимизации свойств паяных соединений по параметрам технологического процесса пайки, по давлению, нагреву, материалу оснастки, нагревательному обору­дованию (инструменту), средствам механизации и автоматизации.

На качество изделий существенно влияет технология подго­товки поверхности Мк, Мп и Аївсп и обработки изделия после пай­ки, конструкционные факторы паяемого соединения и изделия.

Оснащение технологии пайки включает в себя нагревательное оборудование или инструмент, оснастку и средства механизации, автоматизации и роботизации.

На рис. 56 приведена графическая информационная модель проектирования технологии пайки изделия. На этой модели XN — входные данные о MKt способах пайки и их классификации, техно­логических и вспомогательных материалах, оборудовании, инстру­менте, материале оснастки, средствах механизации и автома­тизации; Кп — критерии выбора данных из табл. Тт.

На этапе Z по данным табл. Т о критических температурах и температурных интервалах нагрева паяемого материала Мк и по критерию К могут быть выбраны температурные области Atn и области допустимых скоростей его нагрева и охлаждения при пайке (рис. 57).

На этапе Z2 по данным табл. Т2 о допустимых интервалах нагре­ва паяемого материала Мк, полученных на этапе Zі, и по критерию К2 среди существующих припоев могут быть выбраны также МІ, температура пайки которых попадает в допустимые интервалы Atn (рис. 58).

На этапе Z3 поданным о выбранных основах припоев М'П9 полу­ченных на предыдущем этапе, по данным табл. Г3 о физико-хими­ческой совместимости паяемого металла Мк с выбранными на этапе Z2 основами припоев и по критерию Кз могут быть выбраны основы припоев, физико-химически совместимые с паяемым ма­териалом Мк (рис. 59).

На этапе Z4 по данным табл. Г4 о пригодных для паяемого ма­териала Мк припоях Мп, получаемых контактными способами пайки, и по критерию Ка выбирают способы СП Г, пригодные для получения выбранных на этапе Z3 припоев Мп (рис. 60).

На этапе Z5 по данным о пригодных для пайки материалов Мк способах пайки СП Г и по критерию Къ выбирают те из них СП1", которые пригодны для паяемого изделия с заданными при входе конструкционными факторами /Сфс и /С™ (рис. 61).

На этапе Z6 по данным о способах пайки СП Г', способах пайки по удалению оксидной пленки СП2, приведенных в табл. Т5, кри­терию /Сб и соответствующему алгоритму находят те способы

Рис. 56. Графическая информационная модель проектирования технологии пайки изделия

М'т йіп

Мк

 

6)

Рис. 58. Алгоритм выбора основ припоев Мп с температурой пайки в выбранных
по алгоритму (см. рис. 57) температурных интервалах:
а — решение; б — выходные параметры

легирующих элементов припоев ОСНОВЫ М п, по критерию ТС8 и соответствующему алгоритму находят окончательный состав припоев М і'' обеспечивающий требуемые эксплуатационные свойства припоев (паяных соединений).

На этапе Z9 проводят оптимизацию свойств паяных соединений по конструкционным факторам паяных соединений, термическому режиму пайки, термическому режиму давления, расходу припоя и вспомогательных материалов.

На этапе Zi0 по данным об оптимальном термическом режиме пайки и способах пайки СП4 по осуществлению давления при пайке, по критерию Ко и соответствующему алгоритму выбирают

~)
те из способов СП4', которые пригодны для получения паяно­го соединения с заданными свойствами Э. На этапе Z\ по данным о ТРД, данным табл. Тю о су­ществующих способах нагрева при пайке СПЗ, критерию Ки и. соответствующему алгоритму выбирают пригодный для за­данного изделия способ пайки СПЗ'. На этапе Z12 по полученному на предыдущем этапе способу Нет
11 Шаг невозможен Ввиду отсутствия данных од Мк
(F
	J
Мн м'„, йі„ (прим.) Мм йі% (прим.)
S)
Рис. 59. Алгоритм выбора основ припоев Мп, физико-химически совместимых с паяемым материалом: а — решение; б — выходные параметры

Конец

ч)

пайки СПЗ' с учетом кон­струкционных особенно­стей паяемого изделия Кфи и допустимых скоро­стей нагрева и охлажде­ния Мк (^н, ^охл), найден­ным на этапе Zі, по крите­рию К12 и соответствую­щему алгоритму находят допустимый термический цикл пайки изделия ТЦП.

На этапе Z!3 по данным о термическом цикле пай­ки изделия ТЦП и данным таблицы о возможности контактного плавления Мк, Моей И Мп, по критерию /Сіз и соответствующему алгоритму определяют со­став материала оснастки для пайки.

На этапе Z!4 по найден­ному на этапе Z12 ТЦП паяемого изделия и спо­собу пайки СПЗ', найден­ному на этапе Zn, а также по данным о существую­щем нагревательном обо­рудовании (табл. Ти), по критерию Кі4 и соответст­вующему алгоритму вы­бирают необходимое обо­рудование Обд' для пайки изделия.

На этапе Z15 по вы­бранному на этапе Zu на­гревательному оборудова­нию и данным о средствах механизации, автоматиза­ции, приведенным в табл. Т14, по критерию Къ и соответствующему алгоритму выбирают сред­ства механизации, авто­матизации, пригодные для пайки изделия при за данном типе производства. Критерии выбора данных

Начала

j ^ ВВод конструктивных факторов J

©

графической модели проектирования техно­логии пайки описаны ниже.

Критерий К (тем - пературный). Темпера­турный интервал пайки должен находиться ни­же температуры соли - дуса паяемого матери­ала Мк и вне критиче­ских температурных ин­тервалов пайки, скоро­стей нагрева и охлажде­ния, в которых происхо­дит недопустимое ухуд­шение его структуры и свойств или распайка ранее выполненных паяных швов.

Рис. 61. Алгоритм вы­бора способа СП І, при­годного для получения ОСНОВЫ припоя М п, совместимого С АфИ и /Сфс:

а — решение; б — выход­ные параметры; К-Р — контактно-реактивная пайка; ДИ — диффузи­онная пайка; К-Т — контактно-твердогазовая пайка; Р-Ф — реактивно­флюсовая; ПВ — пайка готовым припоем с вве­дением припоя в зазор при пайке

Критерий К2 (выбора основы припоя). Температура пайки припоем на выбранной основе должна находиться в интервалах, выбранных по критерию 1, а основа припоя должна обеспечивать эксплуатационные характеристики паяных соединений.

Критерий Кз (физико-химической совместимости). Среди основ припоев, удовлетворяющих критерию 2, для пайки пригодны те, которые физико-химически совместимы с паяемым материа­лом, т. е. образуют бездефектные паяные соединения.

Критерий Ка (выбора способа пайки СП1). Выбранный способ пайки СП1 должен обеспечивать возможность получения припоя М„ и его реализацию при пайке изделия.

' Критерий Къ (совместимости способа СП1 с конструкционными факторами Кф и /Сфи). Выбранный способ пайки СП1 должен быть технологически совместимым с конструкционными факто­рами соединения (/СфС) и изделия (/СфИ) .

Критерий Кб (выбора способа активирования). Выбранный способ активирования паяемой поверхности Мк при пайке припоем Мп должен обеспечивать их физический контакт.

Критерий Ki (выбора вспомогательного материала). Вспомо­гательный материал для пайки должен быть пригоден для выпол­нения его функции — введения Мк и МП в физический контакт или ограничения растекания припоя по паяемой поверхности и обес­печивать требуемую коррозионную стойкость паяных соединений в условиях производства, хранения и эксплуатации изделий.

Критерий Кг (специального легирования основы припоя). При условной совместимости основы припоя с паяемым материалом ujfh необходимости обеспечения специальных свойств паяного соединения осуществляется специальное легирование припоя.

Критерий К9 (выбора плана эксперимента при оптимизации свойств паяных соединений). При оптимизации свойств паяных соединений по конструкционным и технологическим факторам необходимо пользоваться:

а) при числе факторов 3—4-полным факторным экспери­ментом;

б) при очень большом числе факторов для обеспечения ми­нимального числа опытов — симплексным методом;

в) при количественных и качественных (смешанных) факто­рах — методом сложных совмещенных планов.

Критерий Ко (выбора способа осуществления давления СП4 при пайке). Способ СП4 должен обеспечивать режим давления (РД) и термический цикл давления (ТЦД), выбранный при опти­мизации на этапе Z9.

Критерий К\ (выбора способа по источнику нагрева). Способ пайки по источнику нагрева должен обеспечивать термический режим пайки соединений в соответствии с результатами его опти­мизации на этапе Z9 графической модели проектирования тех­нологии пайки.

Критерий К2 (выбор термического цикла пайки изделия). Вы­бор термического цикла пайки изделия должен основываться на предварительном анализе конструкционных факторов паяемого изделия, теплофизических характеристиках паяемого материала, данных об оптимальных скоростях нагрева и охлаждения паяного соединения и основного материала, полученных на стандарт­ных лабораторных образцах, и режиме пайки, выбранном на этапе Z9.

Критерий Къ (выбора материала оснастки). Выбранный мате­риал оснастки должен сохранять высокий предел упругости при температуре пайки и не вступать в физико-химическое взаимо­действие с паяемым материалом, жидким припоем, вспомогатель­ными материалами, компонентами и парами припоя.

Критерий /(м (выбора нагревательного оборудования). Нагре­вательное оборудование для пайки изделий должно быть совме­стимо с его конструкционными факторами (Кф и Кфи); выбран­ными при оптимизации режимами и циклом пайки, а также спо­собами СП1, СП2, СПЗ и СП4 и требуемой производительностью процесса.

Критерий Къ (выбора средств механизации и автоматизации процесса пайки). Средства механизации, автоматизации и робо­тизации процесса пайки должны воспроизводить операцию пайки в соответствии с выбранными термическим циклом, циклом дав­ления и способами пайки.

Температурные области Д/п ниже температуры плавления наиболее легкоплавкого из паяемых металлов расположены вне критических областей обоих материалов М'к и М".

Критерий /Сз должен учитывать степень химического сродства М'к и Мк и интенсивность их массопереноса через жидкую фазу; при этом температура пайки должна находиться вне температур­ных интервалов недопустимой химической эрозии, роста хими­ческих прослоек, развития диффузионной пористости и охрупчи­вания М'к и Мк в контакте жидкого МП с обоими материалами. При большой разнице коэффициентов линейного расширения необхо­димо избегать образования несогласованных спаев, применяя композиционные припои или высокопластичные припои, широкие зазоры. Критерий Къ должен быть дополнен требованием целе­сообразного расположения деталей при пайке с замкнутыми спаями: снаружи следует располагать деталь с большим коэф­фициентом линейного расширения. Критерий Кь должен быть дополнен требованием применимости СП2 одновременно для обоих паяемых материалов, а критерий Кі — условием, чтобы температура пайки одновременно находилась в температурно­временном интервале активности Мъсп для обоих паяемых мате­риалов М'к и М". Критерии на остальных этапах дополняются аналогично с учетом свойств обоих паяемых материалов.

Для обеспечения эффективности производства паяных изделий при выборе припоев и вспомогательных материалов необходимо учитывать их стоимость и дефицитность, а также токсичность. Это особенно важно в условиях массового и крупносерийного произ­водства. При этом необходимо использовать заменители дорого­стоящих и токсичных припоев и вспомогательных материалов, шире применять пайку в вакууме.

По мере развития теории, технологии и техники пайки и на­копления опыта эксплуатации паяных изделий содержание крите­риев и таблиц фактического обеспечения должно пополняться, а классификация совершенствоваться.

При учете факторов, влияющих на качество паяемых изделий, в производстве и при ремонте необходимо соответственно учиты­вать также качество исходных материалов, условия хранения го­товых изделий, соблюдение технологической дисциплины на произ­водстве и степень износа изделий при эксплуатации (перед ре­монтом).