СПОСОБ БЕЗФЛЮСОВОЙ ПАЙКИ АЛЮМИНИЕВЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1999 года по МПК B23K1/12 B23K103/10 

Изобретение относится к пайке, в частности к способам бесфлюсовой пайки крупногабаритных алюминиевых изделий. Способ может найти применение в различных областях машиностроения при изготовлении, например, пластинчато-ребристых теплообменников.

Известен способ бесфлюсовой пайки алюминия в инертном газе [1]. При указанном способе пайку изделий осуществляют в инертном газе с точкой росы -40^oC, причем как основной конструкционный материал, так и припой содержат в своем составе магний. Нагрев изделия в интервале температур 400-550^oC ведут со скоростью 50^oC/мин. Указанный способ пайки позволяет получать прочные паяные изделия. Однако наличие легкоиспаряющегося магния в основном металле и припое приводит к высаживанию магния на стенках камеры и нагревателей, что в свою очередь обуславливает необходимость введения в технологический процесс дополнительной операции по удалению высадившегося магния с элементов камеры. Кроме того, при высоких скоростях нагрева (> 50^oC/мин) не представляется возможным спаять крупногабаритную конструкцию без существенных термических деформаций.

Известен также способ бесфлюсовой пайки алюминиевых конструкций [2], в соответствии с которым паяемое изделие собирают с размещением припоя в зоне пайки, загружают изделие в камеру печи, производят предварительный нагрев и многократное вакуумирование камеры с последующим ее заполнением инертным газом после каждого вакуумирования. Нагрев от температуры 140-170^oC до температуры пайки производят турбулентным потоком циркулирующего в камере инертного газа с точкой росы не выше -90^oC и содержанием кислорода не более 5•10^-5% (об.), подаваемого во внутреннюю полость изделия через твердый нераспыляемый геттер. Циркуляцию газа и повышение его температуры обеспечивают аэродинамическими нагревателями, встроенными в камеру пайки. Охлаждение изделия после пайки производят на воздухе.

Способ обеспечивает получение прочноплотных паяных соединений. Однако он имеет ряд недостатков. К их числу следует отнести необходимость предварительного нагрева изделия в воздушной атмосфере до 100-120^oC и многократное вакуумирование камеры для частичного удаления десорбированных газов, что увеличивает термический цикл пайки. Кроме того, после нагрева изделия в атмосфере инертного газа до температуры 140-170^oC и последующего вакуумирования до (3-9)•10^-3 Па не достигается полной дегадации. На этом этапе удаляются только газы, адсорбированные поверхностью, но не газы, находящиеся в объеме металла, и кристаллизационная влага.

Поэтому в процессе нагрева изделия до температуры пайки атмосфера печи загрязняется примесями кислорода и паров воды, для удаления которых необходим автономный нагрев геттера до температуры не ниже 500^oC, для чего требуются большие энергетические затраты. Наконец, после пайки крупногабаритных изделий сложной формы их охлаждение на воздухе сразу после нагрева может привести к изменению геометрических размеров конструкции из-за значительных температурных деформаций.

Решаемая задача - повышение качества паяных соединений за счет изменения термического цикла пайки.

Решение поставленной задачи осуществляется следующим образом: паяемое изделие собирают с размещением в зоне пайки припоя на основе силумина, загружают изделие с твердым нераспыляемым геттером в камеру печи, многократно вакуумируют камеру с последующим заполнением после каждого вакуумирования инертным газом с точкой росы не выше -90^oC с содержанием кислорода не более 5 • 10^-5 об.%, нагревают изделие до температуры пайки инертным газом, циркуляцию и повышение температуры которого обеспечивают аэродинамическими нагревателями, встроенными в камеру печи, и охлаждают, причем нагрев изделия и геттера ведут одновременно, после нагрева до 300-320^oC дегазируют изделие и геттер в вакууме (1-9) • 10^-2 Па в течение 1-10 ч, после нагрева до 500-520^oC дегазируют изделие и геттер в вакууме (1-9) • 10^-1 Па в течение 1-3 ч, а охлаждение изделия до 400-450^oC ведут в статической атмосфере инертного газа.

Проводимый анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию "Новизна".

Способ реализуется следующим образом.

Паяемое изделие собирают с размещением припоя в зоне пайки и устанавливают в печь вместе с геттером в виде пластин из пористого титана. Камеру вакуумируют до (5-9) Па, заполняют инертным газом с точкой росы -80 - -90^oC и содержанием кислорода не более 5 • 10^-5% (об.). Нагрев изделия и геттера от комнатной температуры до температуры пайки производят турбулентным потоком циркулирующего в камере газа, что обеспечивается аэродинамическими нагревателями. На первом этапе изделие нагревают до температуры 300-320^oC на поверхности и производят дегазацию металла изделия, камеры, геттера и сборочно-паяльного приспособления в вакууме (1-9) • 10^-2 Па от кислорода и паров воды, адсорбированных поверхностями.

Время процессов дегазации на этом этапе находится в пределах 1-10 час и зависит от габаритов и веса изделия. Далее камеру наполняют инертным газом и производят нагрев изделия до температуры 500-520^oC на его поверхности с последующим вакуумированием камеры до (1-9) • 10^-1 Па в течение 1-3 ч. Этот этап необходим для выравнивания поля температуры в изделии и для удаления из объема металлов кислорода и кристаллизационной влаги. В интервале температур 500-620^oC геттер интенсивно поглощает остатки кислорода и паров воды.

Для уменьшения температурных деформаций изделие охлаждают в статической атмосфере инертного газа до температуры 400-450^oC, далее - на воздухе.

Приведенные режимы нагрева и вакуумирования в сочетании с аэродинамическим способом нагрева и использованием нераспыляемого геттера позволяет вести процесс пайки в практически безокислительной атмосфере с минимальным перепадом температур, что обеспечивает получаемые в изделиях прочноплотные соединения.

Пример. Пакет пластинчато-ребристого теплообменника размерами 1050 х 850 х 3000 мм, собранный в сборочно-паяльном приспособлении, устанавливают вместе с геттером в однокамерную печь с встроенными аэродинамическими нагревателями, обеспечивающими скорость потока аргона в камере 15-45 м/с, что эквивалентно циркуляции 0,3-1 объема газа в секунду.

Камеру вакуумируют до (5-9) Па и заполняют аргоном с точкой росы не выше -80^oC и содержанием кислорода не более 5 • 10^-5% (об.). Затем осуществляют нагрев и пайку пакета. Нагрев изделия до температуры 300^oC и последующее вакуумирование до 2 • 10^-2 Па в течение 8 ч обеспечивают практически полное удаление сорбированной влаги и кислорода. Выдержка пакета в вакууме 5 • 10^-1 Па в течение 2 ч после нагрева пакета в аргоне до 520^oC способствует выравниванию поля температур в объеме пакета и позволяет вести практически безокислительный нагрев изделия до температуры пайки. Охлаждение пакета производят в статической атмосфере аргона до температуры 450^oC, затем на воздухе, что значительно уменьшает температурные деформации.

Паяный пакет испытан на прочность давлением 12,5 кг/см² с использованием метода акустической эмиссии и на гелиевую плотность. Указанный технический результат при осуществлении предполагаемого изобретения достигается за счет изменения термического цикла пайки, т. е. нагрев изделия и геттера ведут одновременно, после нагрева до 300-320^oC дегазируют изделие и геттер в вакууме (1-9) • 10^-2 Па в течение 1-10 ч, после нагрева до 500-520^oC дегазируют изделие и геттер в вакууме (1-9) • 10^-1 Па в течение 1-3 ч, а охлаждение изделия до 400-450^oC ведут в статической атмосфере инертного газа.

Сравнение существенных признаков предложенного и известных решений дает основание считать, что предложенное техническое решение отвечает критериям "изобретательский уровень" и "промышленная применимость".

Результаты испытаний паяных пакетов на прочность и гелиевую плотность показали, что предлагаемый способ пайки при сокращении термического цикла, одновременном нагреве геттера и изделия обеспечивает получение изделий заданных геометрических размеров с паяными соединениями высокого качества.

Источники информации
1. Патент США N 885911, кл. B 23 K 1/19, опубл.23.12.80.

2. А.с. N 1543711, кл. B 23 K 1/00, БИ N 6, 1997.

Способ может быть использован при изготовлении алюминиевых изделий, например пластинчато-ребристых теплообменников. Собирают изделие с размещением в зоне пайки припоя на основе силумина, загружают изделие с твердым нераспыляемым геттером в камеру печи. Многократно вакуумируют камеру с последующим заполнением ее после каждого вакуумирования инертным газом с точкой росы не выше -90^oС, с содержанием кислорода не более 5•10^-5 об.%. Нагревают изделие и геттер до температуры пайки инертным газом. Проводят дегазацию после нагрева до 300-320^oС в вакууме (1-9)•10^-2 Па в течение 1-10 ч, после нагрева до 500 -520^oС - в вакууме (1-9)•10^-1 Па в течение 1-3 ч. 0хлаждают до 400-450^oС в статической атмосфере инертного газа. Циркуляцию и повышение температуры инертного газа в процессе пайки обеспечивают аэродинамическими нагревателями, встроенными в камеру печи. 0беспечивает повышение качества паяных соединений.

Способ бесфлюсовой пайки алюминиевых изделий, преимущественно пластинчаторебристых теплообменников, включающий сборку деталей изделия с размещением в зоне пайки припоя на основе силумина, загрузку изделия с твердым нераспыляемым геттером в камеру печи, многократное вакуумирование камеры с последующим заполнением после каждого вакуумирования инертным газом с точкой розы не выше 90^oC с содержанием кислорода не более 5 • 10^-5об.%, нагрев изделия до температуры пайки инертным газом, циркуляцию и повышение температуры которого обеспечивают аэродинамическими нагревателями, встроенными в камеру печи, и последующее охлаждение, отличающийся, тем что нагрев изделия и геттера ведут одновременно, после нагрева до 300 - 320^oC дегазируют изделие и геттер в вакууме (1 - 9) • 10^-2Па в течение 1 - 10 ч, после нагрева до 500 - 520^oC дегазируют изделия и геттер в вакууме (1 - 9) • 10^-1Па в течение 1 - 3 ч, а охлаждение изделия до 400 - 450^oC ведут в статической атмосфере инертного газа.