Нагрев паяемых деталей без доступа воздуха можно вести погружением их в расплавленные соли, припой или нагретое масло, выполняющие кроме их обычных функций также роль теплоно­сителя.

Нагрев паяемой детали происходит в результате теплообмена между металлом детали и жидкой средой, нагретой до рабочей температуры пайки. Скорость нагрева деталей при таком способе в 3—6 раз больше скорости нагрева этих же деталей в воздушных печах. Слой соли или припоя защищает паяемое изделие от окис­ления при охлаждении на воздухе после того как оно вынуто из ванны.

Длительность процесса пайки в жидких расплавленных солях или припоях редко превышает 2 мин. Этот способ высокопроиз­водителен, так как он допускает одновременную быструю пайку большого числа деталей и легко может быть механизирован.

Большая равномерность и скорость нагрева металлических деталей в жидких средах значительно снижает рост зерен, степень обезуглероживания и т. д. Число деталей, погружаемых одновре­менно в ванну, ограничено объемом ванны и снижением темпе­ратуры жидкой среды, происходящим в результате нагрева погру­жаемых деталей. Значительное преимущество пайки в соляных и флюсовых ваннах — возможность совмещения этого процесса с нагревом под закалку.

Этот способ пайки отличается высокой производительностью, а при достаточно большом отношении массы жидкой ванны к массе паяемого изделия позволяет поддерживать температуру расплава с точностью до 5 °С, обеспечивая минимальные тепловые дефор­мации паяемых деталей, а следовательно, высокую точность пая­ного изделия.

Пайка погружением имеет следующие недостатки: повышенный расход электроэнергии, связанный с потерей теплоты через зеркало жидкой ванны в результате излучения и конвекционного обмена;

создание дискомфортных условий вследствие теплоизлучения и испарения вредных для здоровья компонентов расплавов;

необходимость устранения наплывов припоев с изделия после пайки погружением в жидкий припой и большая трудоемкость опиловочных работ;

необходимость удаления воздушных «мешков» изделия, осо­бенно при горизонтальном расположении зазоров;

существенные остаточные деформации при пайке трубчатых телескопических узлов, например труб велорам;

низкая коррозионная стойкость декоративно-защитных покры­тий на изделиях, паянных погружением в расплавы солей; значительный расход солей (флюсов) и припоя; необходимость рафинирования расплавов жидких ванн от примесей.

Пайка погружением в расплавленные соли и флюсы. Пайка в ваннах с расплавленными солями происходит при температуре на 20—40 °С выше температуры плавления припоя. Для пайки сталей могут быть использованы ванны солей бария и хлоридов щелочных и щелочно-земельных металлов, применяемые обычно в терми­ческих цехах. При пайке стальных изделий латунью одновременно может быть осуществлено жидкостное цианирование и цемен­тация.

В связи с тем, что при быстром нагреве в соляных ваннах не успевает произойти обесцинкование латуни, вместо меди в ка-

честве припоя можно использовать латунь Л62 или Л60, т. е. паять при более низких температурах, что снижает степень короб­ления паяемого изделия и позволяет экономить медь и электро­энергию.

При этом способе вызывает трудности укладка припоя, кото­рый при ненадежном закреплении может быть сбит движущейся жидкой средой. Кроме того, невозможна пайка изделий, в кото­рых соль, заполнившая зазор между соединяемыми деталями, мешает заполнению его припоем. В этом случае в деталях создают дренажные отверстия для выхода воздуха и вытекания соли.

При пайке медью или латунью пользуются чаще всего солевы­ми смесями, состоящими из 20—30 % NaCl и 80—70 % ВаСЬ. Расплав поваренной соли NaCl, применяемый иногда для этой же цели, менее удобен из-за разъедающего действия и плотных густых паров, образующихся над солевой ванной при темпера­туре пайки.

Латунные и медные детали газовой аппаратуры, испарителей и холодильников при более низкой температуре (серебряными припоями ПСр 12М, ПСр 45 и ПСр 25) удобно паять в ванне из расплавленной соли.

При пайке стальных изделий в ваннах, содержащих 25—50 % цианистого натрия, в результате цементации и азотирования на поверхности изделий образуется тонкий твердый слой, трудно поддающийся обработке резанием. Поэтому перед пайкой в ван­нах, содержащих цианистые соли, детали должны быть обрабо­таны до точных размеров. После пайки в низкотемпературных цианистых ваннах изделие охлаждается на воздухе или в масле.

Закалка после пайки допустима только после полного затвер­девания припоя, так как резкая закалка в воде деталей с не­затвердевшим припоем вызывает его разбрызгивание.

Углеродистые и конструкционные стали могут быть запаяны в соляных ваннах без применения флюса, если в качестве припоя применяются медь, латунь или бронза. При пайке серебряными припоями необходимо применять флюс, содержащий некоторое количество фтористых соединений. Для этого детали перед погру­жением в ванну для пайки обрабатывают флюсом или погружают сначала в расплавленный флюс или в водный раствор флюса с последующей просушкой, а затем в соляную ванну. Деталь после обработки в водном растворе флюса перед опусканием в ванну следует хорошо просушить до полного удаления влаги.

Перед пайкой серебряными припоями латунных или медных деталей последние необходимо флюсовать бурой вручную или погружением их на 3—5 с в кипящий насыщенный водный раствор буры. Подобное флюсование применяют иногда и при пайке сталь­ных деталей латунью, если подготовка поверхности недостаточно качественная и детали имеют значительную разностенность.

Изделия из черных металлов могут быть запаяны без пред­варительной зачистки поверхности в ваннах следующего соста - 204

ва (%): 1) 60—70 ВаС12, 30—40 буры; 2) 50 ВаС12, 40 NaCl и 10 буры; 3) 65 ВаС12 и 35 борной кислоты.

Для сохранения размеров изделие при пайке закрепляют в специальных приспособлениях. Резьба в таких приспособлениях нежелательна. В некоторых случаях для этой цели используют прихватку точечной сваркой, штифтовку, керновку, расчеканку и пр. Развальцовка не всегда удобна, так как она может препят­ствовать затеканию припоя в зазор.

Собранное изделие перед погружением в ванну для удале­ния с него влаги нагревают до температуры 120—150 °С и только после этого погружают в соляную ванну, нагретую до рабочей температуры пайки.

При пайке стали медью наилучшей рабочей температурой считают 1120—ИЗО °С; при пайке латунью или кремнемарган­цовистой бронзой 940—950 °С. При пайке медных и латунных де­талей серебряными припоями ПСр 12М, ПСр 72 и ПСр 45 рекомен­дуют следующие температуры пайки: 830—850 °С, 835 °С и 730— 780 °С соответственно.

Иногда перед полным погружением паяемого изделия в ванну необходимо нагреть место соединения до температуры расплав­ления припоя. Например, это целесообразно в том случае, если проволока припоя располагается снаружи у зазора и при полном погружении изделия в ванну припой может расплавиться раньше, чем место спая нагреется до температуры пайки, что приведет к стеканию его с детали. Предварительный подогрев места сое­динения в этом случае достигается частичным погружением соб­ранной детали на 1—2 мин в соляную ванну таким образом, чтобы припой оставался выше уровня ванны. Когда температура соеди­нения достигнет температуры пайки, деталь полностью погружа­ют в ванну. Если припой в виде фольги располагается в зазоре между соединяемыми деталями, то изделие можно сразу погру­жать в ванну.

Паять лучше при полном погружении, чтобы подогрев изде­лия был равномерным и не происходило окисление части детали, не погруженной в ванну. Длительность пайки устанавливается с помощью реле времени.

В серийном производстве процесс пайки часто механизируют. Например, собранные узлы подвешивают на подвесках карусель­ной установки и опускают в соляную ванну с помощью пневмати­ческой педали. После пайки и остывания до температуры 200— 250 °С деталь промывают в горячей воде для удаления остатков соли и затем просушивают в сушильных шкафах. Детали, под­вергаемые после пайки закалке в воде, последующей промывке не подвергают.

При нагреве никеля и его сплавов в соляных ваннах необходи­мо следить за тем, чтобы в расплаве солей не было даже следов серы, так как никель и его сплавы склонны к образованию трещин в ее присутствии. Для удаления следов серы из расплавов солей в ванну при температуре пайки погружают стружки или обрезки никелевого сплава (на 2 ч).

В процессе пайки соляные ванны загрязняются примесями, главным образом медью и цинком. При повышенном содержании меди в расплаве (до 0,2 %) изделие в процессе пайки может по­крыться тонким налетом меди. Поэтому при систематической загрузке ванну следует подвергать очистке раз в сутки путем вычерпывания части жидкого солевого расплава и пополнения ванны чистой солью.

Вследствие чрезмерного повышения температуры ванны часто наблюдается почернение поверхности стального изделия и силь­ное «покраснение» латуни. При снижении температуры ванны ниже установленного предела паяные швы могут не иметь галтель - ных участков. При загрязнении ванны припой сворачивается в капли; поверхность стальных изделий не имеет характерного серебристого цвета.

При перепайке изделие снова травят и пассивируют в течение 4—5 с в водном растворе состава (%): 30—35 фосфорной кисло­ты (75 %-ной), 2 этанола, 5 бутанола, 1 гидрохинона, остальное вода. После этого следует просушка, укладка припоя, флюсование и пайка в ванне. Обычно допускается только одна перепайка.

Изделие, вынутое из ванны, покрыто тонким слоем соли, кото­рую смывают водой. Соль расходуется не только в результате ее уноса из ванны на паяемых изделиях, но также и от угара. Угар соли за месяц работы достигает примерно 5,5 % массы соли; рас­ход соли в результате механического уноса за 8 ч работы дости­гает 4—5 % массы соли. Угар солей может быть предотвращен путем засыпки на поверхность ванны слоя графита или угольного порошка. Для предохранения соли от испарения ванну накрывают крышкой с керамической подкладкой изнутри. Паяемые детали погружают в ванну через окно в крышке.

Стальные изделия, паянные в соляных ваннах медью или ла­тунью, характеризуются хорошей прочностью и отсутствием следов перегрева.

Пайка алюминия и его сплавов во флюсовых ваннах. Для

флюсовых ванн необходимы тигли керамические или из коррози­онно-стойкой стали, никеля и его сплавов (инконеля и монеля). Все инструменты, фиксаторы и приспособления для пайки должны быть изготовлены из этих материалов во избежание загрязнения флюсовой ванны железом или медью.

При работе с флюсами тигли для ванны изготовляют из ли­стового алюминия или сплава АМц толщиной 3—5 мм. Флюсовые ванны удобнее всего обогревать электронагревательными элемен­тами, расположенными снаружи тигля и хорошо изолированными от действия паров флюсов. Для нагрева могут быть использованы обычные тигельные электропечи, в которые устанавливают тигель с флюсом. Флюсовые ванны должны обязательно работать под тягой.

При пайке сложных изделий, таких, как радиаторы или слои­стые конструкции, припой (силумин) применяют в виде плакиро­ванного слоя. Толщина такого слоя при толщине листа больше 1,6 мм составляет 5 %, при толщине листа менее 1,6 мм — 10% толщины паяемого металла. Зазор между соединяемыми деталями составляет 0,05—0,12 мм, но не более 0,25 мм; минимальная нахлестка не менее 6 мм или около шести толщин наиболее тонкой части паяного изделия. Для фиксации паяемых деталей могут быть применены обычные способы крепления, а также точечная сварка.

Собранное изделие перед опусканием в расплавленный флюс хорошо просушивают и подогревают в воздушной печи до ~400 °С. При этом подогрев может быть не слишком длительным (5— 15 мин), чтобы не произошло сильного окисления поверхности, препятствующего растеканию припоя. Иногда из расплавленного флюса предварительно удаляют растворенные газы путем поме­шивания расплава алюминиевым прутиком или опусканием в него алюминиевого листа. Если перемешивание флюса сопровождается шипением и выделением пузырьков газа (Н2), перемешивание продолжают до тех пор, пока прекратятся эти явления. Затем в ванну погружают подогретую деталь. Выдержку в ванне под пайку подбирают в каждом случае опытным путем в пределах от 30 с до 3 мин в зависимости от толщины и массы изделия. Коле­бания температуры в ванне не должны превышать ±5 °С.

Оксид алюминия, оседающий на дно тигля, периодически удаляют; ванну пополняют свежими солями.

Низкотемпературная пайка в ваннах с расплавленным припоем. Известны две разновидности способа пайки погружением в ванны с расплавленным припоем: погружением в покоящийся жидкий припой и погружением в подвижный жидкий припой. При пайке погружением изделие должно находиться в ванне до полного прогрева его до температуры пайки и затекания припоя в зазор. При опускании в ванну плоских изделий в горизонтальном положении под ними могут образоваться пары флюса, что приво­дит к появлению несмоченных мест в соединении, поэтому такие изделия погружают под некоторым углом к зеркалу ванны (рис. 37).

После удаления паяного изделия из ванны не стекший с него припой удаляют химическим или механическим путем, например, металлическими вращающимися щетками или войлочными кру­гами, что снижает производительность такого способа. При необ­ходимости предотвращения смачивания отдельных мест поверх­ности детали предварительно покрывают лаковыми, графитовыми, меловыми покрытиями или бумажными масками. Такие защитные покрытия перед пайкой просушивают, а после удаляют струей воздуха, щетками; меловые покрытия растворяются в уксусной или соляной кислоте.

При пайке погружением деталей, собранных с узкими зазора­ми, пригодны припои с узким или нулевым интервалом кристал-

лизации; при широких капиллярных зазорах подходят припои с более широким интервалом затвердевания, лучше удерживаю­щиеся в них. Существенный недостаток этого способа пайки — сравнительно быстрое загрязнение жидкого припоя компонентами паяемого металла. Загрязнение припоя цинком, алюминием, кадмием ухудшает качество паяных изделий, и попадание этих металлов в ванну недопустимо.

Хотя небольшие примеси меди в припоях Sn—Pb замедляют образование оксидной пленки на поверхности зеркала ванны, с повышением содержания меди более 0,5 % в этих припоях увеличивается их температура плавления и вязкость. Загрязнение железом приводит к появлению на облуженной поверхности шероховатости и образованию темно-серых пятен.

Рафинирование ванн с оловом и оловянно-свинцовыми припоя­ми от примесей железа проводят углем. Для этого в ванну с рас­плавленным припоем вводят мелкий древесный уголь и переме­шивают ванну мешалкой в течение 20—30 мин. Железо, растворен­ное в припое, науглероживается, образуются карбиды, всплываю­щие на поверхность припоя, легко удаляемые деревянной ло­паткой.

Для уменьшения растворения меди в ваннах с жидкими припоя­ми рекомендуют добавлять в них в небольших количествах сурьму. Олово и оловянно-свинцовые припои рафинируют от меди с помо­щью серы, смеси канифоли и древесного угля и сухих чистых древесных опилок. Серу, канифоль и древесный уголь применяют в виде порошков. Для полного удаления меди из припоя в ванну вводят серу в количестве 50—100 % массы меди, содержащейся в ванне, в смеси с 70 % канифоли с древесным углем (1:3 к мас­се серы).

Рафинирование проводят при температуре 240—260 °С следую­щим образом. В ванну вводят малыми порциями серу в течение 10—15 мин при непрерывном перемешивании расплава механиче­ской мешалкой. Смесь канифоли и древесного угля вводят после всплывания на поверхность припоя сульфидов меди. Эта смесь необходима для предотвращения поверхности ванны от окисления. Затем ванну нагревают до 320—350 °С и выдерживают при этой температуре в течение 30 мин при постоянном перемешивании, после чего на поверхности ванны образуется сухой черный поро­шок, не смачиваемый оловом, удаляемый скребком или шумовкой. Вслед за этим поверхность ванны покрывают слоем древесных опилок, которые поджигают в нескольких местах. Толщина слоя опилок должна быть не менее 3—4 мм. После сгорания рафини­рование считается законченным. Качество рафинирования контро­лируется последующим химическим анализом припоя на содер­жание меди.

При другом способе удаления меди в расплав припоя, пере­гретый до 900 °С, вводят алюминий и затем медленно охлаждают до температуры 400 °С. Алюминиевая фаза, плавая на поверхности припоя, адсорбирует из него медь. При введении сплава А1—Mg с более низкой температурой плавления из ванны одновременно удаляют медь и сурьму (образуется Mg3Sb2 с высокой темпера­турой плавления и малой плотностью). При этом на поверхности жидкого припоя образуется слой Mg3Sb2 и эвтектики А1—Си; содержание меди в жидком припое понижается с 0,45 до 0,001 %, а сурьмы с 1 до 0,01 %.

В результате разности плотностей свинца и олова в ванне с оловянно-свинцовыми припоями наблюдается их ликвация. Верхние слои ванны обогащаются оловом, а нижние свинцом. Погружаемые в ванну детали обычно облуживаются и паяются в верхних слоях ванны, вследствие чего средний припой обедня­ется оловом и обогащается свинцом. На луженой поверхности детали может появиться шероховатость, возникающая в резуль­тате осаждения на ней кристалликов избыточного свинца. Поэтому при работе с такими ваннами необходимо постоянно их переме­шивать, тщательно проверять их состав и при необходимости проводить рафинирование и корректирование состава. При не­обходимости в ванну вводят недостающее количество олова.

Для очистки ванны припоя Sn—Pb от скапливающихся в ней кристаллов химического соединения Cu3Sn5 припой в ванне охлаж­дают до температуры £ликв+Ю°С; при этом кристаллы Cu3Sn5 выпадают на дно.

По данным Т. Шинделла, при изготовлении ванн из низколе­гированной стали или литого железа через шесть дней работы ванны при температуре 450 °С в ее донной части на границе раз­дела сталь — припой образуются отдельные игольчатые хрупкие кристаллы FeSri2. Ванны из хромоникелевой стали типа 18—8 таких интерметаллидных зон не имеют.

Технологический процесс пайки в ваннах с припоем ПОС 40 состоит из следующих операций: перед опусканием в ванну с при­поем ПОС 40 облуживаемую или паяемую деталь флюсуют в вод­ном растворе хлористого цинка и хлористого аммония соста­ва (%): 15 хлористого цинка, 5—7 хлористого аммония, осталь­ное — вода. При этом содержание свободной соляной кислоты во флюсе должно быть 0,6—0,8 %.

Деталь погружают в раствор флюса на требуемую глубину. Длительность флюсования 3—5 мин. Затем деталь выдерживают над ванной с флюсом 1—2 мин для стекания последнего. Перед погружением детали в ванну с жидким припоем с поверхности припоя деревянной лопаткой снимается оксидная пленка. Поверх­ность расплавленного припоя должна быть блестящей, с золоти­стым или сине-зеленым оттенком, без кристаллических сгустков или крупинок. Перед опусканием детали в ванну припой нагре­вают до 330—360 °С. Глубина погружения детали должна быть равна глубине разделки. Выдержка в ванне с припоем ПОС 40 составляет примерно 1 мин. Вынутую из ванны деталь выдержи­вают над ней 30 с для стекания лишнего припоя.

При облуживании деталей в ваннах с припоем ПОС 18 необ­ходимо принимать меры против окисления зеркала ванны и облу - живаемой поверхности при охлаждении детали на воздухе. Для этого поверхность жидкого припоя перед опусканием детали в ванну посыпают хлористым аммонием и через 2—3 мин зеркало ванны очищают деревянной лопаткой. При переворачивании де­тали в ванне поверхность жидкого припоя посыпают нашатырем.

Вынутую из ванны деталь встряхивают и освобождают от остатков припоя, посыпают нашатырем и быстро обтирают в го­рячем состоянии паклей для получения равномерного гладкого слоя полуды. Облуженная поверхность должна быть чистой, без темных и ржавых пятен, плен, пузырей и надрывов.

Собранное из облуженных деталей изделие паяют в ванне с жидким припоем в том же порядке: флюсуют в ванне с водным раствором хлористого цинка и хлористого аммония и погружают в ванну с жидким припоем. Для стряхивания лишнего припоя с изделия, вынутого из ванны, иногда применяют специальную центрифугу, в которую помещают изделие. При вращении центри­фуги с частотой 1100 мин-1 лишний припой отрывается от детали и оседает в специальном сборнике.

Облуженная поверхность изделия после пайки не должна иметь шероховатостей, налипания или натеков припоя. Перепайка изделия при необходимости может быть выполнена без флюса не позднее чем через 10 мин после пайки. При перепайке темпе-' ратура ванны должна быть в пределах 340—360 °С.

После пайки с изделия удаляют остатки флюсов промывкой в ванне с проточной горячей водой, нагретой не ниже 70 °С. Промытое изделие просушивают при температуре 100 — 120 °С в сушильном шкафу, оборудованном вентиляцией.

При пайке в ваннах с жидкими легкоплавкими припоями в паяном шве иногда остается флюс или оксидные пленки. В неко­торых случаях наблюдается образование на изделии натеков и сосулек припоя. Эти дефекты особенно нежелательны при пайке печатных плат, так как они могут нарушать порядок соедине­ния выводов деталей с печатными проводниками схемы. Подобных недостатков не имеет способ пайки волной или струей припоя (разновидность способа пайки погружением).

Сущность этого способа заключается в том, что пайка про­исходит при соприкосновении места будущего спая с припоем, фонтанирующим над поверхностью жидкой ванны. Волна или струя жидкого припоя, попадая к месту будущего спая, смы­вает флюс.

При этом улучшаются условия нагрева места пайки, поверх­ность припоя становится чистой от оксидов и загрязнений. Для предотвращения образования натеков припоя в виде мостиков и сосулек изделию при пайке сообщают некоторую вибрацию.

При пайке таким способом плату с определенной скоростью (0,7—1,2 м/мин) передвигают над поверхностью ванны. Расход припоя в ванне восполняется путем постепенного погружения питающего слитка в ванну с помощью поплавкового регулятора.

Последнее поколение машин для пайки волной припоя, появив­шееся в 80-х годах, отличается простотой в эксплуатации, эко­номичностью и высокой производительностью труда. Так, напри­мер, настольная установка с шириной волны 250—350 мм осна­щена новой модульной линией для пайки, устройством для про­мывки, транспортной системой, устройством для обезжиривания и бесконтактной кодировочной системой, обеспечивает автомати­ческое управление параметрами пайки [47].

При пайке припоем с температурой плавления 200 °С жидким теплоносителем может служить силиконовое масло, нагретое до 250 °С. Масло прокачивается через трубку, припаянную к листу; припой укладывается в виде ленты над трубкой. Масло насосом подается под некоторым давлением и из трубки поступает в спе­циальный сборник.

При пайке погружением в нагретый глицерин необходимо учитывать, что он имеет температуру вспышки 177 °С. Поэтому при его использовании выше этой температуры необходимо защи­щать глицериновую ванну, например, с помощью атмосферы СО2 и встроенной противопожарной системой.

При пайке электросопротивлением необходимо учитывать, что глицерин снижает на 50 % поверхностное электросопротивле­ние подложки и вследствие перегрева выделяет токсичный акромин.