1. ДЕФЕКТЫ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ИХ ОБРАЗОВАНИЕ

Дефекты и их влияние на свойства паяных соединений. Спо­собность паяных изделий сопротивляться воздействию внешнего силового и температурного полей, коррозионной среды и другим условиям эксплуатации определяется, в конечном счете, сопро­тивляемостью их наиболее «слабого звена». Таким слабым зве­ном паяных соединений чаще всего являются места расположе­ния дефектов.

В соответствии с особенностями формирования паяного со­единения различают следующие его зоны [12]: 1) паяный шов — зона, закристаллизовавшаяся при пайке и последующем охлажде­нии, состоящая из капиллярного и галтельных участков: 2) диф­фузионная зона основного материала рядом со швом, имею­щая измененный химический состав и возникающая в результате взаимной диффузии ее со швом, газовыми средами: 3) зона сплавления (спая) — поверхность между паяемым металлом и швом.

В шве паяного соединения могут образовываться дефекты в виде несплошностей. К ним относятся газовые и усадочные по­ры, раковины, трещины, эрозионные повреждения. Газовые поры возникают вследствие локальной несмачиваемости паяемого ма­териала флюсом и (или) припоем, или кратковременности терми­ческого цикла пайки в условиях выделения растворенных в жидком припое газов или паров компонентов припоя, паяемого материала и связующих паст с высокой упругостью испарения компонентов.

Образованию газовых пор способствуют узкие зазоры и го­ризонтальность их расположения, препятствующие дрейфу пор вдоль зазора к галтельным участкам шва. Газовые поры сущест­венно снижают радиотехнические свойства, электрическую про­водимость и теплопроводность паяных соединений. Характерной особенностью таких пор является их округлость и изолирован­ность.

Усадочные поры возникают вследствие объемной усадки при кристаллизация сплавов с широким интервалом твердожидкого состояния. Усадочные поры особенно резко развиваются в гал - гельных паяных швах или на стыках кристаллов твердого раст­вора в капиллярном участке швов. Они снижают механические свойства, герметичность, вакуумную плотность и электрическую проводимость паяных соединений. Характерной особенностью таких пор является их остроугольная форма.

Раковины — крупные газовые включения, образующиеся при пайке вследствие локального несмачивания паяемого материала жидким припоем, особенно при значительном его перегреве, или при использовании паяемого металла или припоя с высокой упругостью испарения их компонентов, а также при неравномер­ном зазоре.

Корольки припоя, предварительно уложенного у зазора, возникают вследствие избирательного испарения депрессантов при пайке или затекания в зазор легкоплавкой части широкоин­тервального припоя.

Флюсовые включения — застревающий в металле шва флюс, имеющий близкую или более высокую плотность, чем припой, обра­зуются в условиях быстрого охлаждения соединения, широкой на­хлестки, горизонтальности паяльного зазора, повышенной вязко­сти жидкого припоя. Флюсовые включения могут снижать корро­зионную стойкость паяных соединений после механической обработки шва и вскрытия пор, заполненных флюсом, или при расположении таких включений в открытых непропаях — свищах.

Кристаллизационные трещины возникают вследствие широкого интервала твердожидкого состояния сплава шва в условиях его затрудненной усадки или при смещении деталей в процессе кри­сталлизации, а также при большом различии коэффициентов ли­нейного расширения паяемых материалов в разнородных соедине­ниях с замкнутыми, например телескопическими, соединениями. Кристаллизационные трещины существенно снижают прочность, пластичность, герметичность, вакуумную плотность, физические и химические свойства паяных соединений.

В паяных соединениях во всех его зонах могут возникать такие несплошности, как диффузионная пористость, являющаяся результатом нескомпенсированной диффузии компонентов паяемо­го металла и припоя через границу паяного соединения. Разви­тию диффузионной пористости особенно интенсивно способствуют прослойки химических соединений вблизи спая. Такая пористость резко снижает прочность, вакуумную плотность и другие свой­ства паяных соединений.

Термические трещины возникают в шве или паяемом ма­териале из-за высокой скорости нарастания растягивающих на­пряжений в паяном соединении, достигающих временного сопро­тивления разрыву материала в одной из зон паяного соединения. Такие трещины резко снижают свойства паяных соединений.

Причиной ослабления паяных соединений может быть дефект­ная структура — прослойки химических соединений по границе шва и основного материала, участки слаболегированного твердо­го раствора в области совместной кристаллизации (эпитаксии) паяного шва с паяемым материалом, участки паяного соединения, обедненные легкоиспаряющимися компонентами. В зоне термичес­кого влияния пайки могут развиваться структурные изменения, приводящие к снижению механических, физических и химических свойств паяных соединений, например, их пластичности или коррозионной стойкости. В основном материале рядом со швом могут развиваться дефекты структуры, обусловленные появлением общей или локальной химической эрозии, межзеренной и меж­блочной химической эрозии.

Общая химическая эрозия возникает в результате фронталь­ного плавления и растворения паяемого металла в жидком при­пое. Она приводит к утонению паяемого материала.

Локальная химическая эрозия образуется в результате по­вышенной растворимости паяемого металла в жидком припое в местах скопления жидкого припоя при пайке или в местах плас­тической деформации материала конструкции. Такая эрозия локально уменьшает рабочее сечение паяемого материала и поэтому искажает форму деталей и снижает механические свой­ства паяных соединений.

Межзеренная и межблочная химическая эрозия образуется в результате плавления паяемого материала в контакте с жидким припоем по границам зерен и блоков вследствие повышенной раст­воримости паяемого металла в припое и незначительной раство­римости припоя в паяемом металле. Такая химическая эрозия сни­жает механические свойства паяемого материала вследствие ос­лабления границ зерен и блоков после проникания по ним припоя.

Вопрос о допустимости дефектов, выявленных при испыта­ниях паяных соединений или визуальном осмотре, может быть решен с помощью эталонов на такие дефекты, но с обязательным учетом мест их расположения в паяном соединении, особенностей конструкции изделия и условий его эксплуатации. Расположение дефектов существенно влияет на вибрационную прочность сопротивления усталости соединений и их коррозионную стойкость. При вибрационных нагрузках поверхностные дефекты более опасны, чем дефекты, расположенные внутри паяного соединения. Сопротивление усталости зависит больше от плотности паяного шва, чем от прочности основного материала. При этом особенно опасны такие дефекты, как открытые непропаи, неспаи, свищи, трещины и подрезы.

Допустимость дефектов зависит от места их расположения и от условий работы изделия. В изделиях, работающих при повышен­ных температурах, решающее значение могут иметь максимальные размеры дефектов, а не их средние размеры. Например, поданным А. В. Орлова, дефекты, занимающие площадь более 10 % площади паяемого шва, при телескопическом соединении труб с фланцами из стали 08Х18Н10Т приводят к недопустимому снижению прочности паяных соединений.

На границе шва и паяемого материала могут образовы­ваться такие дефекты, как непропаи, неспаи, релаксационные трещины.

Непропаи возникают в результате полного и частичного не - заполнения паяльного зазора жидким припоем вследствие плохой смачиваемости паяемого материала флюсом или его низкой ак­тивности, плохой смачиваемости паяемого металла жидким припо­ем, увеличения или неравномерности паяльного зазора, не­достаточного количества жидкого припоя, вытекания его из слиш­ком широких зазоров или перетекания в расположенные ниже участки зазора, застревания воздуха в зазорах («воздушные мешки»), неправильной укладки припоя при сборке, ухудшения жидкотекучести припоя при растворении в нем паяемого матери­ала. Непропаи могут возникать также в результате большей скорости формирования галтельных участков швов, чем капил­лярных участков («своеобразное обегание» припоя по периметру нахлестки до заполнения зазора припоем). Другими причинами непропаев могут быть неблагоприятный температурный градиент (припой обычно течет в сторону повышения температуры), харак­тер физико-химического взаимодействия паяемого материала с жидким припоем (например, образование прослоек химических соединений), способ введения припоя в зазор (припой с широким интервалом кристаллизации лучше помещать в зазор, а с узким — у зазора).

Неспаи образуются в местах отсутствия межатомной связи основного материала с припоем вследствие слишком широких за­зоров или плохой смачиваемости припоем паяемого материала. Не­пропаи и неспаи снижают все свойства паяных соединений.

Релаксационные трещины в паяемом материале возникают при контакте его с жидким припоем при наличии внутренних и внешних растягивающих напряжений, вследствие снижения по­верхностного натяжения на границе паяемого металла и припоя или развития межзеренной, межблочной химической эрозии паяемого металла. Такие трещины понижают прочность и пластич­ность паяных соединений.

Поданным радиографического контроля, дефекты по возраста­нию влияния на вакуумную плотность паяных соединений можно расположить в следующий ряд: мелкие газовые поры, непропаи, сообщающаяся газовая и усадочная пористость, трещины. В та­ком же порядке указанные дефекты ухудшают и герметичность паяных соединений.

Дефекты, ухудшающие прочность паяных соединений, можно, в свою очередь, расположить в следующем, по возрастанию влия­ния, порядке: мелкая газовая пористость, крупные газовые по­ры, непропаи, неспаи, прослойки химических соединений, под­резы, трещины. Существенное значение имеет также форма дефек­тов. Дефекты округлой формы (поры), по данным О. А. Бакши, снижают прочность соединений с мягкой прослойкой на 10 %, а остроугольные дефекты (непропаи, неспаи) на 25 %.

Влияние температурно-временных условий охлаждения жидко­го припоя и шва при затвердевании на образование в нем дефек­тов. При охлаждении сплавов из жидкого состояния до нормаль­ной температуры происходит их объемная и линейная усадка. Пол­ная усадка е = єж-тЄт-тЄсл, где вж — объемная усадка в жидком состоянии; ет — линейная усадка в твердом состоянии; есл — усад­ка в температурном интервале между солидусом и ликвидусом.

Для температурного интервала твердожидкого состояния характерна объемная усадка жидкой фазы в виде раковин. Для твердожидкого состояния характерна как линейная усадка кар­каса из сросшихся дендритов, так и локальная объемная усадка жидкой фазы в микрообъемах между их осями. Линейная усадка каркаса дендритов на порядок меньше, чем объемная усадка жид­кой фазы. В условиях затрудненной линейной усадки каркаса из дендритов исчерпание пластичности в отдельных его участках при слабой подвижности оставшейся жидкой фазы, локализован­ной между осями дендритов и поэтому неспособной к залечиванию мест разрыва каркаса, может привести к возникновению кристал­лизационных трещин. Таким образом, наибольшей склонностью к развитию рассеянной пористости и кристаллизационных трещин обладают сплавы с достаточно широким температурным интерва­лом твердожидкого состояния. Ширина такого интервала опреде­ляется не только составом сплава, но и скоростью охлаждения его из жидкого состояния. С увеличением скорости охлаждения в ре­зультате развития в этих условиях междендритной ликвации уси­ливается дендритный рост первичных кристаллов твердого раст­вора и расширяется температурный интервал твердожидкого состояния.

При затвердевании сплавов происходит перераспределение их компонентов между твердой и жидкой фазами. Так, для двойных сплавов А—В состав жидкой фазы Хж и состав твердой фазы Xt при температурах tx между солидусом и ликвидусом опреде­ляются точками пересечения изотермы tx с линиями ликвидуса и солидуса и отличаются от состава исходного сплава X (рис. 47). Ко­личественно такая разница оцени­вается коэффициентом распреде­ления Кр = С/С2, где С — кон­центрация примеси компонента В в твердой фазе; С2 — концентра­ция ее в жидкой фазе при той же температуре.

Объемная усадка в виде рако­вин в шве возможна преимуще­ственно в достаточно развитых галтельных его участках. В капил­лярных участках вследствие быст­рого протекания физико-хими­
ческого взаимодействия паяемого материала с припоем и достижения при этом температуры ликвидуса объемная усадка в паяном шве практически не происходит, а межзеренная слабо выражена.

Обнаружено, что зональная ликвация в слитках с широким интервалом кристаллизации припоев, приводящая к неоднороднос­ти распределения их компонентов в заготовке припоя, затрудня­ет процесс пайки. М. И. Дубровиным и В. С. Тереховым на приме­ре припоя ПСрМНц38 показано, что снижение зональной ликвации в слитках припоя возможно при полунепрерывной их отливке че­рез подогреваемые ультразвуковые распределительные устройст­ва, устанавливаемые на кристаллизаторе литейной машины.

Для снижения зональной ликвации в припоях применяют ультразвуковую обработку расплава в разливочной воронке, что уменьшает степень обратной ликвации в слитке до значений, удов­летворяющих ГОСТу. Основной вклад в механизм снижения зо­нальной ликвации дают измельчение структуры и улучшение усло­вий подпитки мест усадки при затвердевании.