Вакуумно-герметичная пайка

Большое значение вакуумно-герметичная пайка имеет для вакуумного машиностроения и приборостроения, обеспечивающая изготовление узлов из различных материалов: стали, керамики, стекла, молибдена.

По сравнению со сваркой герметичная пайка металлов позволяет значительно уменьшить температуру разогрева соединяемых металлов. Могут быть спаяны некоторые металлы и сплавы, не дающие герметичных сварных соединений: сталь и латунь, алюминий и никель. Припой должен иметь высокую механическую прочность, пластичность, коррозионную стойкость, смачиваемость и жидкотекучесть при температуре плавления. Это обеспечивает возможность его проникновения в зазоры между соединяемыми деталями.

Зазор в месте спая должен быть во время расплавления в пределах 0,05… 0,12 мм для втягивания припоя в зазор силами поверхностного натяжения

где ZV и D_o‘ — диаметры вала и отверстия при комнатной температуре; а_в и ао — температурные коэффициенты линейного расширения материалов вала и отверстия.

Температуру плавления припоя выбирают на 100°С больше, чем максимальная температура обезгаживания узла, но на 100^сС меньше температуры плавления соединяемых материалов.

По относительной тугоплавкости припоев пайка делится на твердую и мягкую. Припои, плавящиеся при температуре ниже 300°С, используются при мягкой пайке, а припои с температурой плавления более 300°С — при твердой. Основные марки, состав и температура плавления мягких припоев приведены в табл. 11.7, а твердых — в табл. 11.8.

Таблица 11.7

Химический состав и температура плавления мягких припоев для вакуумно-герметичной пайки

Марки припоя	Химический состав, %						Температура плавления, °C
	Sn	РЬ	Си	Ag	Sb	Zji	начало	конец
пос-зо	30	Остальное	0,15	..	2		183	256
ПОС-40	40	»	0,10	—	2	—	183	235
ПОС-61	61		0,10	—	0,9	—	183	183

Таблица 11.8

Химический состав и температура плавления твердых припоев для вакуумно-герметичной пайки

Марки припоя	Химический состав, %					Температура плавления, °C
	Си	Ag	Zn	Аи	Si	начало	конец
ПСр-45	30	45	остальное	.	_	660	725
ПСр-72	28	72	—	—	—	779	779
ПЗлМ80	20	—	—	80	—	889	889
ПМК4	96	—		—	4	910	1000
Медь МБ	100	—		—	—	1083	1083

При производстве узлов вакуумной аппаратуры мягкая пайка может использоваться для элементов с рабочей температурой не более 120°С, а твердая — 450°С.

Для получения герметичных соединений важно, чтобы температурный интервал кристаллизация материала припоя не превышал 50^сС. При большем значении припои склонны к ликвации и не обеспечивают герметичного соединения. Этим же недостатком обладают припои с большим количеством растворенных газов и органических включений. Такие припои выкипают при плавке в вакууме, и швы получаются пористыми.

Пайка может осуществляться на воздухе и в защитной среде. При пайке на воздухе для защиты поверхностей от окисления применяются флюсы. Для мягкой пайки флюсом является смесь равных долей ZnCl₂ и НС1 или раствор канифоли в спирте. Твердая пайка нержавеющей стали осуществляется с флюсом, содержащим 40% фтористого калия и 60% борной кислоты. Для твердой пайки конструкционных сталей, меди, латуни, бронзы в качестве флюса может применяться обезвоженная бура.

Детали не загрязняются флюсами и обезгаживаются во время пайки в защитной среде — водороде или вакууме.

Вакуумно-водородные печи для пайки обеспечивают максимальную температуру рабочего пространства 1150°C. Пайка в водороде меди марок МЛ, М.2, М3 из-за «водородной болезни» не производится, а пайка деталей из нержавеющей стали возможна в водороде, осушенном до точки росы не выше —60 °C, из-за опасности образования на поверхности устойчивых оксидов хрома.

Для получения герметичных спаев большое значение имеет равномерность нагрева и охлаждения сборочного узла.

Детали при сварке должны быть собраны и установлены в приспособления, обеспечивающие их взаимную неподвижность при пайке. Паяные соединения не обеспечивают высокой механической прочности на растяжение. При напряжениях 2,5 МПа соединение деталей из стали 20 с припоем ПОС-40 разрушается через 5000 ч, а при напряжениях 9,4 МПа — через 85 ч. Предел прочности твердых припоев 200 …400 МПа. Наиболее надежны в отношении прочности паяные соединения, работающие на срез.

Рациональные и нерациональные формы стыковых и угловых паяных соединений показаны на рис. 11.1, а, б.

При изготовлении сложных паяных узлов, имеющих большое количество спаев, которые могут быть спаяны в водородно-вакуумной печи, за один разогрев всего узла припой диаметром 1 или 1,5 мм закладывается перед пайкой в специальные внутренние канавки (рис. 11.2). Большие трудности встречаются при изготовлении сложных паяных узлов, которые не могут быть выполнены за один разогрев всего узла. В этом случае применяются припои с различной температурой плавления.

Примеры паяных соединений труб, фланцев, заглушек, днищ, сильфонов показаны на рис. 11.3, а… м.

В элементах конструкций вакуумных машин и приборов часто приходится соединять между собой металл со стеклом или с керамикой. Герметичный спай металла со стеклом образуется только в том случае, когда на поверхности спаиваемого со стеклом металла имеется тонкий, но плотный слой оксидов. Оксиды металлов, как и стекло, имеют ионную структуру и, хорошо растворяясь в стекле, образуют вакуумно-плотное соединение.

Спаи стекла с металлом могут быть трех видов: согласованные, несогласованные и с металлическим припоем.

В согласованных спаях (рис. 11.4, а… и) стекло и металл имеют близкие коэффициенты линейного расширения во всем диапазоне рабочих температур. Большая часть сортов технического стекла имеет коэффициент линейного расширения (3… 10) • 10~⁶. Коэффициент линейного расширения металлов и сплавов изменяется от 4,4-10^-6 (для вольфрама) до 17,8-10~⁶ (для меди). Напряжения, возникающие в согласованных спаях при их охлаждении от температуры размягчения стекла до комнатной температуры, меньше предела прочности любого из соединяемых материалов. Так как добиться полного совпадения температурных зависимостей коэффициентов линейного расширения для обоих соединяемых материалов нельзя, то стремятся к тому, чтобы они совпадали при комнатной температуре и температуре отжига (на 50°С ниже температуры размягчения стекла).

В несогласованных спаях коэффициенты линейного расширения соединяемых материалов могут значительно отличаться друг от друга, а опасные напряжения, которые должны были бы образоваться в этих условиях, предотвращаются применением конструкций с гибким элементом, металлов небольшого диаметра, металлов с невысоким пределом текучести, переходных согласованных спаев и конструкций, в которых используется повышенная прочность стекла на сжатие. На рис. 11.5, а… е приведены примеры несогласованных спаев. В конструкциях рис. 11.5, а, б, г используют заостренный конец трубы в качестве гибкого элемента, на рис. 11.5, в ту же роль выполняет тонкая цилиндрическая оболочка, в конструкциях рис. 11.5, в, д, е используется повышенная прочность стекла на сжатие. Коэффициент линейного расширения металла в этих спаях должен быть больше, чем у стекла. При охлаждении тонкой конструкции в стекле возникают внутренние сжимающие напряжения.

В спаях с металлическим припоем на поверхность стекла путем обмазки с последующим обжигом наносится слой серебра, который облуживается обычным способом, и к нему припаивается медная