Затекание жидкого припоя в зазор при неизотермических условиях контакта начинается сразу же после его расплавления и смачивания соединяемых деталей у входа в зазор 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 и физическим свойствам материала детали даже в печи нагреваются неодновременно, что усиливает неизотермич - ность условий нагрева.

На поверхности паяемого металла, очищенного перед пайкой от оксидов, при последующем нагреве и недостаточной активно­

сти флюсов могут снова возникать окисленные участки, не смачи­ваемые припоем.

Такие участки тормозят процесс затекания припоя. Вблизи вы­хода припоя из зазора контактный угол смачивания увеличивает­ся, что обусловлено, по-видимому, снижением капиллярного дав­ления при выходе жидкой фазы из зазора. На этой стадии затека­ния в условиях расширяющегося зазора и резкого снижения капиллярного давления формируется галтельный участок паяного соединения. С понижением температуры пайки длительность заполнения зазора и углы смачивания и2 и щ 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 неизотермическими условиями сокра­щается почти на порядок, а величина углов смачивания и2 и щ уменьшается. При изотермическом контакте в температурном интервале активности флюса непропаи не образуются.

Галтельные участки швов — весьма ответственные участки, так как они подвергаются действию повышенных нагрузок при статических и динамических нагружениях. ОДнако наличие чрезмерно развитых галтельных участков приводит к дополни­тельному расходу припоев, увеличению массы изделия, а вслед­ствие большого объема жидкого металла в галтельных участках могут получить усиленное развитие локальная химическая эрозия прилегаемого паяемого материала, усадочная и газовая пори­стость, скопление хрупких структурных составляющих. При большом отношении объема припоя к объему капиллярного зазора (^500 %) и невысокой смачивающей способности при­поя галтельный участок может потерять свою плавность и стать выпуклым [15]. Слишком сильно растекающийся припой может, заполнив зазор, вслед за этим вытечь из него в результате ин­тенсивного растекания по нижней детали. Типичным примером этого является медь. Чтобы избежать вытекания припоя из за­зоров, изделие собирают с нулевыми зазорами или с нулевым натягом, что усложняет процесс сборки.

При заполнении жидким припоем неравномерного зазора ши­риной 0—0,5 мм со стороны узкой его части характер заполне­ния остается таким же, как и при равномерном капиллярном зазоре. Однако продолжительность такого заполнения в 2 раза со­кращается, а коэффициент пористости становится ниже, чем при заполнении зазора от широкой его части.

На высоту подъема жидкого припоя в вертикальном капилляр­ном зазоре при изотермическом контакте с паяемым металлом ре­шающее влияние оказывают 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 Л4П показало, что при неизотермическом контакте и увеличении шири­ны зазора заметно возрастает контактный угол смачивания о. 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.

Заполнение вертикальных или наклонных капиллярных зазоров на большую высоту, чем это обеспечивается действием капил­лярных сил, возможно под действием внешне приложенных сил: разреженного давления в герметизированных зазорах, давле­ния на поверхность жидкого припоя при пайке погружением в ванну, при действии электромагнитных сил и др.

Процесс заполнения капиллярного зазора под действием эле­ктромагнитных сил происходит в три стадии. На первой стадии возрастает мгновенная скорость затекания. На второй стадии происходит резкое уменьшение контактных углов смачивания и изменение мениска с выпуклого на вогнутый. При этом мгновен­ная скорость заполнения зазора резко снижается, хотя и остается отличной от нуля. На третьей стадии повторно увеличи­вается мгновенная скорость, но до значительно меньшей вели­чины, чем на первой стадии. Максимальное значение мгновенной скорости заполнения при этом тем больше, чем больше величина электромагнитного давления. Значение скорости заполнения ка­пиллярного зазора под действием электромагнитных сил на поря­док больше, чем при капиллярном его заполнении, и может регулироваться величиной электромагнитного давления.

При телескопическом типе соединения сборочный зазор меж­ду деталями из одинакового материала равен бо == (Do — do)/2 и может изменяться лишь при неравномерном нагреве. Если тем­пературный коэффициент линейного расширения соединяемых материалов не зависит от температуры и если наружная деталь будет нагреваться быстрее внутренней, то диаметр наружной детали Dt = D0(1 +a. ot) тогда диаметр внутренней детали будет d(2 = d()( - fao^). При условии, что t> t2, зазор между деталями (Dt—dv?) /2 будет возрастать, а если t<t2f т. е. внутренняя де­таль будет нагреваться быстрее, то зазор между соединяемыми деталями будет уменьшаться. По мере выравнивания температу­ры соединяемых деталей, когда температура их выровняется t=t2, зазор между деталями станет равным сборочному.

При пайке разнородных материалов в условиях равномерного нагрева зависимость диаметров dt и D, деталей от температуры будет иметь следующий вид: d, = do(l +at), Dt — Do(l +a2i), где осі и а2— температурные коэффициенты линейного расшире­ния внутренней и наружной деталей соответственно. Тогда ширина зазора между ними

_ Dt — dt Do{--<X2t)—do(-}-<xt) Do — do ( (D0OC2— doa)

,= _ = 2 = 2 1 2 =

, {D0a2 — d0a)

2 (18)

Уравнение (18) может быть упрощено, так как D() мало от­личается от do. Если положить, что D0~ do~ D, то зависимость ширины зазора между деталями из разнородных материалов от температуры будет иметь следующий вид:

haia2 = 6o+ (а2 — °и) • (19)

Если c*i> а2, то при нагреве зазор между деталями 6а, а-’ будет уменьшаться, а при аіСаг—возрастать.

При определенной температуре происходит пережим деталей (при Gti> а2) и зазор перестает существовать. Температура, при которой зазор исчезает при нагреве, определяется по уравнению (19) при условии, что 6?'а2=0:

(а2 — он) D

Например, если внутренняя деталь изготовлена из аустенит­ной стали, а наружная из ферритной при ширине сборочного за­зора между ними 0,05 мм и разнице а2 — oti =4-10-6 °С-1 при температуре 500 °С паяльный зазор исчезает. В этих условиях жидкий припой с температурой плавления 500 °С в зазор не за­течет. Кроме того, в результате обжима в деталях могут произойти значительная пластическая деформация и последующий процесс рекристаллизации. Если зазор исчезает при температуре ниже температуры рекристаллизации, то в контакте пластически дефор­мированного материала с жидким припоем может развиваться хрупкое разрушение.

В паяных соединениях телескопического типа, в которых на­ружный (охватывающий) элемент изготовлен из материала с бо­лее высоким температурным коэффициентом линейного расшире­ния, ширина зазора при пайке возрастает по сравнению с шири­ной сборочного зазора, а при охлаждении — уменьшается. При этом паяный шов подвергается сжатию, под действием которого он может упрочняться. Сжатие препятствует также возникновению и развитию микротрещин в шве при циклических изменениях температуры, что обеспечивает надежную работу трубопроводов в условиях теплосмен и тепловых ударов. Это подтверждено при пайке трубопроводов из алюминиевых и медных труб, в которых наружная алюминиевая труба была покрыта слоем никеля, нане­сенного химическим способом, а внутренняя медная труба при­паивалась к ней легкоплавкими припоями.

Для активирования заполнения зазора припоем при бесфлюсо - вой пайке иногда используют его подвод через металлическую губку. По данным Г. А. Яковлева, низкотемпературная пайка ме­таллов: меди, никеля, молибдена, алюминия и других, а также по­лупроводников (кремния, германия) припоями на основе свинца и олова в водороде возможна с применением никелевой ленты (губ­ки) толщиной 140 мкм, катаной и спеченной из карбонильных по­рошков с пористостью 75 % и линейным размером капилляров 3 — 10 мкм. Ленту предварительно укладывают в зазор, а на ее свобод­ный выступ припой. Паяемые материалы обезжиривают и травят (химически): пайку проводят в пружинных кассетах, обеспечи­вающих прижим соединяемых деталей под давлением от 0,5 до 5 МПа. При впитывании в металлическую губку жидкий припой, по-видимому, очищается от кислорода и распространяется по губке, достигая поверхности паяемого материала. Полное смачива­ние соединяемых деталей меди свинцом при использовании медной губки происходит при температуре 420 °С, а при никелевой губке — при температуре 330 °С. При смачивании свинцом на поверхности меди образуется прослойка твердого раствора никеля. Губка положительно влияет на смачивание меди и снижает темпе­ратуру пайки, если она изготовлена из металла, образующего с медью непрерывный ряд твердых растворов.

Эксперименты по пайке в космосе показали, что в условиях микрогравитации никаких изменений в металле на атомном уровне (диффузия, поверхностное натяжение, химическая реакция) не происходит. Изменения проявляются на макроскопическом уровне (массо - и теплоперенос, механизмы роста кристаллов и т. п.).

В условиях невесомости (летающая космическая лаборатория) установлено, что в противоположность наземным условиям зазоры стыков заполняются жидким припоем равномерно, без провисания: смачивание паяемого материала жидким припоем и растекание по­следнего по основному материалу происходит под действием ка­пиллярных сил и межатомных сил сцепления: диспергирующие частицы основного материала в расплаве припоя распределяются равномерно, по объему и в шве отмечается склонность к мелко­зернистому строению: возможно получение пайкой качественных стыковых, нахлесточных соединений и скруток проводников, про­ведение ремонта отверстий путем припайки заплат [13]. Пайка в космосе отличается от пайки на земле отсутствием удельного веса у припоя из-за ничтожно малого ускорения, отсутствия кон­векции в шве из-за очень низкого остаточного давления: стрем­ления жидкого припоя к сферической форме.

Источником теплоты при пайке в космосе является солнечная энергия (мощность 1,7—2 кВт). На высоте 100 км остаточное давление в окружающем пространстве 1,33(10“4 — 10“5) Па. В паяных швах отсутствуют гелий, водород, атомарный азот и кислород. Радиус галтельного участка паяного шва уменьшается: припой принимает форму капли с приплюснутой вершиной. Пайка в космосе требует минимальных зазоров. В паяных соединениях наблюдается меньше дефектов, связанных с усадкой сплавов: швы менее окислены.