Technologie I. Pájení
Pájení Pájením se nerozebíratelně metalurgickou cestou působením vhodného TU v zdroje Liberci tepla, spojují stejné nebo různé kovové materiály (popř. i s nekovy) pomocí přídavného materiálu tzv. pájky, která má odlišné chemické složení a nižší bod tavení než základní (pájený) materiál. Při pájení nedochází v místě spoje k natavení spojovaných materiálů Ohřívá se buď jen pájené místo, nebo celá součást Spojení nastává nejčastěji v důsledku vzájemné difuze a rozpustnosti pájky a základních materiálů Spoj vzniká spojením tří materiálů: základního, pájky a tavidla Pro pájení se používá pájedlo (nástroj, který umožňuje natavit přídavný materiál) a pájka (přídavný materiál) Pájka Pájedlo: vykazuje značně nižší teplotu než pájený materiál má jiné chemické složení než pájený materiál elektrická odporová (pro pájení měkké) kyslíko-acetylenový plamen (pro pájení tvrdé) dříve se používala benzinová pájedla pájedla nahřívaná plamenem
Použití pájení v praxi Technologie pájení se využívá hlavně v těchto oblastech: TU v Liberci Elektrotechnický průmysl Přesné strojírenství Chladírenský průmysl Spotřební průmysl Energetický průmysl Využívají v případech, kde je požadovaná těsnost, elektrická vodivost, pěkný povrchový vzhled spoje, mechanická pevnost. Rozdělení procesu pájení: má tří fáze Příprava pájení Ohřev na pájecí teplotu: vytvoření pájeného spoje Chladnutí: dokončení procesu, po ztuhnutí nabývá spoj požadované pevnosti
Výhody pájení Menší spotřeba energie, větší pracovní rychlost TU v Liberci Možnost spojování všech kovů a slitin (jinak nespojitelných), lze kombinovat železné i neželezné materiály Možnost mechanizace a automatizace procesu Velká rozměrová přesnost Menší vnitřní pnutí v materiálu, menší strukturní změny v základním materiálu Vysoká produktivita Jednoduší zařízení Lze svařovat tenkostěnné i tlustostěnné součásti Pájka vyplňuje celý průřez spoje V některých případech nahrazuje svařování Nevýhody pájení Menší pevnost spojů Nevhodnost pro dlouhé spoje Složitější tvar a náročnější příprava spojů Přítomnost dalšího materiálu ve spoji může zhoršit odolnost proti korozi
Dělení pájení Podle teploty tavení pájky: TU v Liberci Pájení měkké: teplota solidu pájky je do 450 C Pájení tvrdé: teplota solidu pájky je nad 450 C Podle použitého zdroje T tav (tavidla) < T tav (pájky) < T tav (základního materiálu) Podle způsobu spojení a tvaru pájeného spoje Podle prostředí Podle způsobu nanesení pájky na stykové plochy: Na kapilární: mezera je < 0,25 mm Na nánosové: Pracovní teplota u kapilárního způsobu je 20-100 C nad teplotou likvidu pájky. U nánosového se rovná pracovní teplota teplotě smáčení základního materiálu.
TU v Liberci
Požadavky na pájky: Nižší bod tání než základní materiál: T tav (pájky) < T tav (základního materiálu) Interval tavení má být úzký (nejlépe eutektické složení pájky) TU v Liberci Pájka má jiné složení než základní materiál a musí mít nízký obsah nečistot Nesmí s základním materiálem vytvářet křehké intermediální fáze Musí obsahovat prvky s malým rozdílem elektrochemického potenciálu ve styku s základním mat. (kvůli korozi) Musí mít dobré pájecí vlastnosti (smáčivost, roztékavost, kapilarita): v roztaveném stavu nízká viskozita Mechanické a fyzikální vlastnosti musí odpovídat požadavkům provozu (pevnost, el. vodivost, porézita) Umísťuje se co nejblíže ke spoji
Forma pájky: Jsou ve formě polotovaru: TU v Liberci Prášky Dráty Trubičky Tyčinky Pásky Pasty
Interakce pájky a základního materiálu TU v Liberci Adhézní spoj: nedochází k vzájemné rozpustnosti pájky a základního mat. (není změně chemického složení základního mat.). Spoje mají dobrou el. Vodivost, ale menší pevnost. Pb-Fe, Pb-Cu, Ag-Fe Spoj s přechodovými oblastmi: vznikají v důsledku vzájemné difuze a rozpustnosti pájky se základním mat. (dochází k změně chemického složení základního mat.) hloubka difuzní vrstvy: x 2 =2.D.t D difuzní součinitel (cm 2 /s) t čas difuze (s) 1 základní mat. 2 přechodová oblast základního mat. 3 přechodová oblast pájky 4 pájka
Vznik přechodových oblastí Při úplné rozpustnosti v tekutém a částečné rozpustnosti v tuhém stavu Při úplné rozpustnosti v tekutém i tuhém stavu Při úplné rozpustnosti v tekutém a nerozpustnosti v tuhém stavu Fyzikální podstata pájení TU v Liberci Povrchové napětí: klesá se stoupající teplotou (u čisté mědi je to naopak) Smáčivost: je to schopnost tekuté pájky přilnout k čistému povrchu spojovaných mat. (je hodnocena velikostí stykového úhlu) Dokonalá smáčivost (kohezní síly < adhezní síly) Nesmáčenlivost (kohezní síly > adhezní síly) Úhel smáčení: cosα = (σ 1,3 - σ 1,2 ) / σ 2,3 = σ H / σ 2,3 0-15 dokonalá smáčivost (pro kapilární) 16-75 dobrá smáčivost (pro nánosové) 76-90 pájka smáčivá (pro nánosové) 91-179 špatná smáčivost 180 pájka nesmáčivá σ H adhezní napětí
Označení mezipovrchových napětí: σ 1,2 mezi pájeným mat. a pájkou σ 1,3 mezi pájeným mat. a okolní atmosférou TU v Liberci σ 2,3 mezi pájkou a okolní atmosférou Označení sil: F 1 adhezní síly F 2 kohezní síly F 3 přitažlivé síly plynného prostředí Označení prostředí: 1 základní materiál 2 pájka 3 okolní atmosféra
Roztékavost: je to schopnost tekuté pájky roztéci se při určité (pracovní) teplotě po vodorovném povrchu základního materiálu. Vzlínavost: je to schopnost tekuté pájky vyplnit při pracovní teplotě úzkou mezeru spoje působením kapilárních sil. určuje se výška h vzdálenost do, které pájka vzlíná Pro svislou vzdálenost: TU v Liberci Pro vodorovnou vzdálenost: σ H adhezní napětí (N/m) α stykový úhel ρ hustota pájky (kg/m 3 ) g tíhové zrychlení (m/s 2 ) s velikost mezery (m) η dynamická viskozita (Pa.s) ԏ doba potřebná pro zatečení pájky (s)
Závislost kapilárního tlaku na velikosti mezi pájenými materiály TU v Liberci
Měkké pájení Používáme pájky s teplotou tavení do 450 C Na spoje s menší pevností TU v Liberci Lze pájet oceli, měď, stříbro, olovo, hliník, nikl, zinek, cín a jejich slitiny, šedou litinu i keramiku Pájky pro měkké pájení jsou nejčastěji cínové (na bázi cínu a olova) nebo speciální (zvláštní vlastnosti např. spojování kovů se sklem) s 4-90% Sn Pracovní teplota je 190-350 C Pevnost spoje v tahu je do 80 MPa, v střihu do 50 MPa
Označování cínových pájek Číselné označení udávající tvar pájek
Tvrdé pájení Používáme pájky s teplotou tavení nad 450 C Pro spoje s vyšší pevností Pracovní teploty obvykle nad 700 C TU v Liberci Lze pájet oceli, litinu, hliník, měď, nikl, žárupevné mat., keramickokovové materiály a grafit. Nerezavějící ocel, wolfram, tantal, niob, grafit, keramika: tyto materiály se musí před pájením poniklovat, pomědit, postříbřit Pevnost spoje v tahu dosahuje hodnot přes 400 MPa, v střihu 100-300MPa Tvrdé pájky mohou být na bázi: Mědi Slitin mědi s obsahem fosforu Mosazi Zlata Stříbra Hliníku
Tavidla Jsou to chemické látky, které zlepšují technologii pájení. Pravidla pro volbu: Podle druhu základního mat. Podle druhu pájky Podle teploty tavení pájky Podle druhu a tloušťky povrchov. oxidů Funkce a charakteristika tavidla: Dobré smáčení základního mat. i pájky Reakční teplota musí být o 50-150 C nižší než teplota tavení pájky Má mít stálé povrchové napětí Tavidla chrání pájku i základní materiál před účinky okolního prostředí (oxidací) Hustota tavidla má být menší než hustota pájky Tavidlo musí být chemicky stálé Musí být zdravotně nezávadné Snadno odstranitelné zbytky tavidla po pájení Interval tavení tavidla musí být minimální
Forma tavidla: Prášek Kapalina Pasta Ochranná atmosféra Nebo místo tavidla může být použito vakuum Značení: podle normy ČSN 05 5705 Podle reakční teploty: S leptavým účinkem Bez leptavého účinku Na lehké kovy Na těžké kovy Pro měkké pájení: Pro tvrdé pájení: 50-150 C 150-400 C 550-750 C 750-1000 C nad 1000 C
Zdroje tepla Pájení pájkou (dotykové): měkké pájení Plamenem: měkké i tvrdé pájení V peci: měkké i tvrdé pájení Ve vakuu: nejnáročnější spoje, ve vakuové peci El. Obloukem, indukčně, ultrazvukem, třením, horkým vzduchem Paprsky: laser, elektron Ponorem: v solné lázni, v lázni tavidla, kovové lázni Příprava pájených spojů
Druhy spojů: pro měkké pájení
Druhy spojů: pro tvrdé pájení
Vady spojů Studený spoj Přehřátý spoj Pájkou nesmáčená místa Výskyt plynových dutin Kapky pájky Zbytky tavidla Nedostatečný přechod pájky Trhliny
Indukční pájení
Pájení v peci
Pájení ponorem
Plamenové pájení
Děkuji za pozornost. TU v Liberci