Смачивание припоем соединяемых материалов — непременное усло­вие пайки. Только при смачивании паяемого материала обеспечи­вается растекание и затекание припоя в зазор.

Возможность смачивания металла жидким припоем при обра­зовании адгезионной связи между ними в равновесных условиях оп­ределяется соотношением межфазных поверхностных энергий и оце­нивается по краевому углу смачивания (условия равновесия жид­кой капли на твердой поверхности): От-г—От-ж—Ож—rCOS 6 — 0.

Чем лучше способность жидкости к смачиванию твердой по­верхности, тем меньше краевой угол смачивания.

Реальные процессы растекания и затекания припоя в зазор до­статочно сложны и только приближенно описываются с помощью теоретических представлений об изотермическом растекании н за-

теканин припоя в зазор, не учитывающих физико-химического взаи­модействия припоя с паяемым материалом и температурных усло­вий контакта.

Характеристикой способности припоя к растеканию по паяемо­му материалу может служить величина контактного угла в, а так­же площадь под растекшимся припоем или толщина слоя растекше­гося припоя. Сопоставление результатов возможно только при ис­пытании по одинаковой методике. Судить о способности жидкого припоя к смачиванию паяемого материала припоем при растекании на образцах, охлажденных до комнатной температуры, можно лишь в известном приближении. Для более точной оценки контактного

{гла смачивания необходимо измерять его при температуре пайки

271-

В поверхностном слое паяемого материала всегда имеются по­верхностные дефекты, выходы дислокаций, которые могут явиться местами активирования смачивания паяемого металла жидким при­поем. Поэтому процесс смачивания при пайке начинается в местах активирования поверхностного слоя. Такие места могут существо­вать до начала контакта или возникать при пайке. Как показали исследования, процесс растекания припоя по паяемому материалу

B,d

Рис. 13. Схема измеиеиия контактного £ угла смачивания в и условного диа­метра капли d во времени при расте­кании припоя по паяемому материалу в В условиях изотермического и иензотер - мического контакта при слабом (/) и сильном (2) химическом воздействии мк н Мп:

61 — угол при входе припоя в зазор; £

62 — угол заполнения зазора припоем; ,

63 — угол при выходе припоя из за - » зора; 04 — контактный угол галтели 1

и процесс затекания его в зазор в зависимости от температурных условий контакта не различаются по характеру, однако различа­ются по кинетике.

При изучении кинетики процессов изотермического н нензотер - мнческого растекания н затекания припоев в зазор методом кино­съемки на примере меди и легкоплавких припоев при флюсовании было установлено [3, 22], что в условиях иеизотермического кон­такта паяемого металла и химически активно взаимодействующего с ним припоя последний после расплавления смачивает паяемую поверхность лишь спустя некоторое время п начинает растекаться по поверхности паяемого образца в процессе дальнейшего нагрева. Контактный угол смачивания Є при этом резко снижается. При нагреве образца до температуры пайки н последующем охлаждении краевой угол смачивания остается постоянным, а перед затверде­ванием припоя может несколько возрастать (рис. 13). При расте­кании припо. я, активно взаимодействующего с паяемым металлом, наблюдается образование ореола нз компонентов припоя н вытес­ненного из флюса металла, а непосредственно перед фронтом при­
поя движется жидкая блестящая кайма легкоплавкой части жид­кой фазы, облегчающая ее растекание.

Припой, химически слабо взаимодействующий с паяемым ме­таллом, после расплавления сразу же смачивает паяемую поверх­ность и растекается по ней. Контактный угол смачивания по мере повышения температуры образца неравномерно уменьшается до некоторой его величины и при дальнейшем нагреве до температуры пайки и охлаждении остается неизменным. Краевой угол смачива­ния немного уменьшается лишь при затвердевании, что может быть связано с увеличением при этом поверхностного натяжения жидкой фазы.

Температура начала смачивания Мн жидким припоем зависит также от состава флюса. При применении реактивных флюсов эта температура может быть ниже температуры ликвидуса припоя, что, по-внднмому, обусловлено плавлением последнего в контакте с вы­тесненным из флюса металлом.

Растекание припоев по механически полированной и протрав­ленной поверхности Мк происходит почти концентрически, а по по­верхности, зачищенной механически — вдоль направления рисок, на­несенных при зачистке. При растекании-припоя иногда наблюдается неравномерное снижение контактного угла смачивания, связанное с локальной несмачиваемостью.

Затекание жидкого припоя в зазор при неизотермнческнх усло­виях контакта начинается сразу же после его расплавления н сма­чивания соединяемых деталей и может быть закончено до того, как будет достигнута заданная температура пайки (например, в печи). Только после'смачивания соединяемых деталей в зазоре образуется симметричный мениск жидкого припоя с постоянным контактным углом. Различные по массе, размерам н физическим свойствам ма­териала детали даже в печн нагреваются неодновременно, что уси­ливает нензотермнчность условий нагрева.

На поверхности паяемого металла, очищенного перед пайкой от окислов, при последующем нагреве и недостаточной активности флюсов могут снова возникать окисленные участки, иесмачнваемые припоем.

Такие участки тормозят процесс затекания припоя. Вблизи вы­хода припоя нз зазора контактный угол смачивания увеличивается, что обусловлено, по-видимому, снижением капиллярного давления при выходе жидкой фазы нз зазора. На последней стадии затекания в условиях расширяющегося зазора и резкого снижения капилляр­ного давления формируется галтельный участок паяного соединения (рис. 14).

С понижением температуры пайки длительность заполнения за­зора и углы 02 н 04 возрастают. При изотермическом контакте при­поя и паяемого металла общий характер изменения контактного угла смачивания при затекании припоя в зазор сохраняется, но дли­тельность его заполнения по сравнению с нензотермическими усло­виями сокращается почти на порядок, а величина углов смачива­ния 02 и 04 уменьшается. При изотермическом контакте в темпера­турном интервале активности флюса непропаи не образуются.

Галтели паяных соединений — весьма ответственные участки шва, так как они подвергаются действию повышенных нагрузок при статических н динамических нагружениях. Однако чрезмерно раз­витые галтели приводят к дополнительному расходу припоев, уве­личению массы изделия, а вследствие большого объема жидкого

металла в галтельных участках швов может получить усиленное развитие локальная химическая эрозия паяемого материала, усадоч­ная й газовая пористость, скопление хрупких структурных состав­ляющих. При большом отношении объема припоя к объему капил­лярного зазора (>500%) н невысокой смачивающей способности припоя галтель может потерять свою плавность н стать выпуклой.

При заполнении жидким припоем неравномерного зазора (0,0— 0,5 мм) со стороны узкой его части характер заполнения остается таким* же, как н при равномерном капиллярном зазоре. Однако продолжительность такого заполнения в два раза сокращается, а коэффициент пористости становится ниже, чем при заполнении за­зора рт широкой его части. Поэтому при пайке деталей, собранных с неравномерным зазором, для сокращения длительности его за­полнения припоем и предупреждения возникновения пористости в швах припой следует располагать со стороны узкой части зазора.

Рис. 14. Схема изменения контактного угла смачива­ния в, длины I зазора (гори­зонтальный зазор), запол­ненного припоем, во време­ни; <„ и tB — температуры нижней и верхней половины образца — соответственно.

На высоту подъема жидкого припоя в вертикальном капилляр­ном зазоре при изотермическом контакте с паяемым металлом ре­шающее влияние оказывает ширина зазора и смачивающая способ­ность припоя; с уменьшением ширины зазора и улучшением сма­чиваемости припоя высота его подъема в зазоре возрастает. При прочих равных условиях максимальная высота подъема припоя в зазоре тем больше, чем меньше плотность припоя.

Сравнение кинетики заполнения вертикального зазора жидким припоем в различных условиях температурного контакта Мк и Мп показало, что при нензотермическом контакте и увеличении ширины зазора заметно возрастает контактный угол смачивания 0. Приме­нение менее активных флюсов также приводит к увеличению этого угла и снижению высоты подъема припоя.

Затекание припоя в вертикальные зазоры сверху, без технологи­ческой стенки, возможно только при использовании припоев, ак­тивно взаимодействующих с паяемым металлом. Технологическая стенка при затекании припоя в вертикальный зазор сверху оказы­вается необходимой лишь для слабо взаимодействующих с паяемым металлом припоев [3].

При определении совместимости Мк И Мп прежде всего необхо­димо установить'температурно-временные области смачивания и за­текания в зазор. Методы определения смачиваемости материалов

3. во.

припоями приведены в ГОСТ 23904—79, а методы оценки способ­ности припоя к затеканию в зазор — в ГОСТ 20485—75 н в рабо­те [24].