Короткі теоретичні відомості
Лабораторна робота № 3
ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ВЕЛИЧИНИ ЗАЗОРУ ПРИ ПАЯННІНА ВИСОТУ ПІДНЯТТЯ І ЗАТІКАННЯ ПРИПОЮ В ЗАЗОР
Мета роботи:вивчити методики визначення висоти підняття і затікання в зазор припою та основні фактори, що впливають на цей процес.
Короткі теоретичні відомості
Однією з основних умов утворення високоякісних спаяних з’єднань є заповнення припоєм паяльних зазорів. Особливо важливо знати висоту підняття припою при капілярному паянні, коли заповнення зазорів забезпечується лише капілярними силами.
Капілярна течія припоїв розглядається статичною і динамічною теоріями рідини. Статична теорія розглядає форму рідини на поверхні твердого тіла в умовах найменшої вільної енергії системи і дозволяє оцінити сили, які призводять до розтікання рідини. Розтікання зумовлене різницею між тиском p1 зі сторони увігнутої поверхні рідини і тиском p2 з опуклої сторони поверхні. Різниця Δp = p1 – p2 визначається першим рівнянням капілярності (формула Лапласа):
де R1 і R2 – радіуси кривизни поверхні у взаємно перпендикулярних площинах.
Якщо в рідину опустити капіляр або близько розташовані пластини з капілярним зазором (рис. 3.1), то під дією різниці тиску Δp рідина в капілярі або зазорі піднімається до рівня, який урівноважує Δp, тобто
де h – висота підняття рідини в зазорі; ρ – густина рідини; g – прискорення сили тяжіння.
Для капіляра
де d – діаметр капіляра.
Для зазора
де a – величина зазора.
Після підстановки відповідних значень у рівняння (3.1) отримаємо висоту підняття рідини в капілярі:
в капілярному зазорі:
Затікання припою в зазор залежить від його величини, рівномірності і положення в просторі, шорсткості поверхонь тощо. В горизонтальному зазорі затікання більше, ніж у вертикальному. Затікання припою в зазор зазвичай визначають експериментально на зразках зі змінним зазором.
Динамічна теорія розглядає швидкість руху рідини в зазорі шириною a і довжиною l. Середня швидкість без урахування взаємодії рідини з основним металом визначається рівнянням
де η – в’язкість рідини.
Реальна швидкість значно відрізняється від розрахункової, оскільки припій взаємодіє з основним металом та змінює свій склад і властивості.
Пряме використання формул (3.2)–(3.4) для визначення оптимальної величини зазору ускладнюється залежністю крайового кута змочування від температурно-часових умов взаємодії припою і флюсу з основним металом, флюсу з припоєм, стану поверхні паяння матеріалів. В процесі паяння основний метал може розчинятися в припої, що призводить до зміни його температури плавлення, величини поверхневого натягу, в’язкості припою тощо. Крім того, формули не дозволяють визначити час підняття припою, а вказують лише на максимальну висоту можливого підняття.
Рівняння рівноваги краплі, яка лежить на шорсткій поверхні, відрізняється від рівняння (2.1а) рівноваги краплі на ідеальній поверхні значенням коефіцієнта шорсткості n:
Теоретично врахувати вплив перелічених факторів на висоту підняття припою важко. Тому на практиці користуються технологічними пробами, які встановлюють взаємозв’язок між висотою підняття припою і величиною зазору для даних конкретних умов: температури паяння, стану поверхні, складу припою, флюсу, тривалості паяння тощо.
Для встановлення цих залежностей використовують зразки, наведені на рис. 3.2 та 3.3. На рис. 3.2,а показано зразок, який складається із двох пластин, зв’язаних між собою. Для створення змінного зазору з однієї сторони пластини складаються щільно, а з другої сторони між пластинами встановлюється проставка або дротик діаметром 1 мм. Такий зразок, попередньо оброблений флюсом, встановлюється вертикально у ванночку з припоєм і потім поміщається в піч, нагріту до заданої температури. Припій розплавляється і піднімається між пластинами, а після певної витримки зразок виймають із ванночки і пластинки роз’єднують одну від одної.
На поверхні пластин чітко видно висоту їх змочування припоєм, яку вимірюють від рівня припою в ванні (видно на стороні пластин, де був зазор 1,0 мм). Знаючи діаметр d дротика, можна визначити величину δ зазору в будь-якій точці (рис. 3.2,б) по довжині зразка (δ = xd/l) та побудувати графік залежності висоти підняття припою від величини зазору.
Іноді використовують зразок типу трубка в трубці (рис. 3.3,а) або стержень в трубці (втулка-стержень). Таку пробу використовують для високотемпературних припоїв, коли роз’єднати пластинки важко. При цьому величини зазорів визначають по горизонтальному перетину (рис. 3.3,б) за рівнянням
де R – внутрішній радіус втулки; r – радіус стержня; a = R - r – ексцентриситет; φ – полярний кут, відрахований проти годинникової стрілки від лінії дотикання втулки і стержня (точка m) до радіальної лінії, на якій визначається величина зазору δ (див. рис. 3.3,б).
Висоту підняття припою можна визначити після видавлювання стержня з втулки за допомогою преса або шляхом послідовного зрізування проби по висоті та дослідження макрошліфів. Оскільки до формули (3.5) входить значення полярного кута φ, то вимір висоти підняття припою зручно проводити через рівні інтервали зміни кута φ. Для цього на зовнішню поверхню втулки (трубки) перед дослідженням наносять позначки, які відповідають зміні полярного кута на певну величину (30…15°).