 |
Лабораторная работа № 1. Исследование смачиваемости и растекаемости жидкого припоя по поверхности металла
|
|
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Юго-Западный государственный университет»
(ЮЗГУ)
Кафедра материаловедения и сварочного производства
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
______________ О.Г. Локтионова
«____» _______________ 2013 г.
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ПАЙКИ
Методические указания по выполнению лабораторных работ
для студентов направления подготовки 150700.62 Машиностроение
Курск 2013
УДК 621.791
Составитель: Н.И. Иванов
Рецензент
Канд. техн. наук, доцент кафедры
«Машиностроительные технологии и оборудование» Ю.Н. Селезнев
Технология и оборудование пайки: методические указания по выполнению лабораторных работ / сост.: Н.И. Иванов; Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2013. 63 с., ил. 15, табл. 6, прилож. 1. Библиогр.: с. 56.
Содержат сведения по вопросам технологии и оборудования пайки, необходимые при выполнении лабораторных работ. Указывается необходимые оборудование, материалы, порядок выполнения и оформления отчетов по лабораторным работам.
Методические указания соответствуют требованиям ФГОС ВПО по направлению подготовки бакалавров 150700.62 Машиностроение.
Работа предназначена для студентов дневной формы обучения.
Текст печатается в авторской редакции
Подписано в печать. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная.
Усл. печ. л.. Уч. - изд. л.. Тираж 30 экз. Заказ. Бесплатно.
Юго-Западный государственный университет.
305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ....................................................... 4
Лабораторная работа № 1. Исследование смачиваемости и
|
|
|
растекаемости жидкого припоя по поверхности металла......... 5
Лабораторная работа № 2. Определение температурного
интервала активности флюсов............................... 14
Лабораторная работа № 3. Исследование капиллярных
явлений при пайке......................................... 20
Лабораторная работа № 4. Пайка электросопротивлением
меди и ее сплавов......................................... 26
Лабораторная работа № 5. Изучение конструктивных
особенностей оборудования и основ технологии пайки и
лужения деталей при монтаже печатных плат.................. 35
Лабораторная работа № 6. изучение технологических основ
проектирования паяных соединений......................... 49
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................ 56
Правила безопасности............................... 57
ПРИЛОЖЕНИЕ........................................... 58
ВВЕДЕНИЕ
В процессе подготовки студентов важную роль играют лабораторные работы, так как самостоятельные практические действия способствуют лучшему усвоению теоретического материала, развитию навыков инженерного мышления, а также являются важным этапом приобщения будущих специалистов к научно-исследовательской работе.
В каждой лабораторной работе кратко дан теоретический материал, сформулирована цель, изложена методика проведения работы, определено содержание отчёта, даны контрольные вопросы, в конце методических указаний приведен список вспомогательной литературы по изучаемому курсу.
В процессе проведения отдельных лабораторных работ
преподавателю рекомендуется формулировать индивидуальные задания для студентов с целью достижения большего уровня самостоятельности в работе по данной теме, более эффективного усвоения материала.
Перед выполнением лабораторных работ студенты должны пройти инструктаж по технике безопасности, получить у учебного мастера необходимую техническую документацию, материалы и инструменты, распределить обязанности между отдельными членами звена во время эксперимента.
|
|
|
Перед началом опытов каждый студент должен ознакомиться с устройством опытной установки и с характеристиками измерительных приборов.
До начала экспериментов необходимо подготовить таблицы для записи показаний приборов, измерений и результатов расчетов.
После окончания выполнения работы рабочее место, оборудование и аппаратура приводятся в порядок и сдаются учебному мастеру.
Полученные экспериментальные данные следует проанализировать, обработать, построить необходимые графики, диаграммы и представить их для проверки преподавателю. Опыты, давшие сомнительные результаты, могут быть по указанию преподавателя повторены.
Для более полного ответа на контрольные вопросы во время лабораторных работ целесообразно пользоваться конспектом лекций.
Отчеты по лабораторным работам составляется самостоятельно каждым студентом, оформляются на листах формата А4 с титульным листом на каждую лабораторную работу.
Лабораторная работа № 1. Исследование смачиваемости и растекаемости жидкого припоя по поверхности металла
1.1 Общие сведения
Пайка – физико-химический процесс получения соединения в результате взаимодействия твердого паяемого (основного) и жидкого присадочного металла (припоя).
Для осуществления пайки необходимо удалить с соединяемых поверхностей оксидную пленку и создать условия взаимодействия твердого и жидкого металлов. При кристаллизации более легкоплавкого связующего металла, вступившего во взаимодействие с материалом паяемых деталей, образуется паяное соединение.
Пайка имеет сходство со сваркой плавлением, но между ними есть принципиальные различия. Пайка, в отличие от сварки плавлением, осуществляется при температурах, лежащих ниже температуры плавления паяемого металла, и может происходить в широком интервале температур. Следовательно, если при сварке основной и присадочный материалы находятся в сварочной ванне в расплавленном состоянии, то при пайке паяемый металл не плавится. Формирование шва (спая) при пайке происходит путем заполнения припоем зазора между соединяемыми деталями, т. е. процесс пайки связан с капиллярным течением, что не имеет места при сварке плавлением.
|
|
|
Непременным условием пайки является смачивание припоем соединяемых материалов. Только при смачивании паяемого металла обеспечивается растекание припоя, затекание его в зазор, диффузия (массоперенос) между паяемыми материалами и припоем, сцепление соединяемых деталей при затвердевании шва. Таким образом, для пайки, в противоположность сварке плавлением и сварке в твердом состоянии, характерно создание физического контакта и химической связи в результате смачивания паяемого материала жидким припоем.
Смачивание –это физико-химическое взаимодействие расплавленного припоя с паяемым металлом, проявляющееся в растекании припоя или образовании мениска с конечным краевым углом смачивания. Растекание флюсов по оксидным пленкам, затекание в зазоры, химическое растворение оксидных пленок во флюсе – все эти процессы также связаны со смачиванием. Без смачивания флюсами паяемых металлов вообще невозможна флюсовая пайка, которая в общем объеме пайки занимает приблизительно (95÷98) %.
Физическая суть процесса смачивания заключается в том, что на поверхности контакта паяемого металла с расплавленным припоем возникает сила взаимодействия между атомами расплавленного припоя и паяемого металла, большая, чем между атомами самого жидкого припоя. И чем больше эта разница, тем лучше смачивание расплавленным припоем паяемого металла.
Взаимодействие между атомами двух разнородных фаз, жидкой и твердой, называется адгезией (схватыванием, прилипанием). Причиной образования связей при адгезии являются металлические, ковалентные, ионные и Ван-дер-Ваальсовские силы взаимодействия.
Взаимодействие между атомами самой жидкой фазы называется когезией.
Если припой в расплавленном состоянии легко удаляется (например, замшей или кожей) с поверхности твердого тела, не оставляя на ней следов, то говорят, что припой не смачивает паяемую поверхность и не облуживает ее. Если же при удалении расплавленного припоя на поверхности твердого тела остается тонкий облуживающий слой с характерным металлическим блеском, то говорят о смачивании паяемой поверхности припоем и ее облуживании. В этом случае при удалении расплавленного припоя с паяемой поверхности разрушение связей идет внутри жидкого припоя, а не по границе твердое тело - жидкий припой. Таким образом, под смачиванием при пайке понимают взаимодействие атомов жидкого припоя с атомами паяемой твердой поверхности, когда силы адгезии больше сил когезии жидкого припоя.
|
|
|
В некоторых случаях смачивание отождествляют с растеканием жидкости (припоя), так как и смачивание, и растекание часто оценивают краевым углом смачивания. Однако сущность этих процессов совершенно различна. Смачивание – это взаимодействие атомов жидкой и твёрдой фаз, а растекание – это увеличение площади контакта между ними. Известно, что растекание жидкости по поверхности твёрдого тела может происходить без смачивания. Например, вода не смачивает твёрдую поверхность стекла, металла, но достаточно хорошо растекается по ним тонким слоем. Расплавленный свинец не смачивает железо, но при определённых условиях растекается по его поверхности. Растеканию жидкости в этом случае способствуют сила тяжести, высокая жидкотекучесть, относительно небольшое поверхностное натяжение жидкости и другие факторы.
Явление смачивания может иметь место только при условии, когда свободная энергия системы уменьшается, то есть, когда величина свободной энергии системы отрицательна
, (1.1)
где DF – величина изменения свободной энергии системы;
DU – внутренняя энергия системы;
DS – энтропия системы;
Т – температура.
Величина свободной энергии DF будет отрицательной, если DST по абсолютной величине больше DU или в том случае, если внутренняя энергия системы DU – отрицательна.
Установлено, что если силы притяжения между ионами твердого (паяемого) и жидкого (припоя) металлов больше, чем силы притяжения между ионами жидкого металла, то в системе выделяется тепло. В этом случае величина внутренняя энергия системы DU, а следовательно и ее свободная энергия DF, будут отрицательными, т.е. произойдет смачивание. Если силы притяжения ионов в жидком металле больше сил притяжения между ионами жидкого и твердого металлов, то внутренняя энергия системы DU является положительной величиной, а разность (DU – DST) может быть как положительной, так и отрицательной в зависимости от свойств взаимодействующих металлов.
Из термодинамического анализа известно, что с ростом температуры энтропия системы возрастает. Это сопровождается ростом величины DST. Следовательно, повышение температуры системы может привести к смачиванию твердого металла жидким. Явление смачивания, кроме термодинамических, существенно зависит от физических факторов – поверхностного натяжения твердого sТГ и жидкого металлов sЖГ, а также от межфазного поверхностного натяжения sЖТ на границе твердый металл - жидкий припой.
|
|
|
Если поместить каплю жидкого металла на нагретую твердую поверхность, то в результате явления смачивания и растекания капля займет определенную площадь на поверхности твердого металла. Растекание капли прекратится при наступлении равновесия в системе твердый металл - жидкий припой (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Схема сил поверхностного натяжения капли жидкого
припоя на поверхности твердого металла
Анализ поведения жидкости на твердой поверхности позволяет сделать вывод, что очертание капли зависит от соотношения величин поверхностного натяжения на границе раздела двух фаз: твердое тело - газ (флюс), твердое тело - жидкость (припой), газ - жидкость (флюс - припой).
Угол Q между плоскостью, касательной к поверхности припоя у границы смачивания и смоченной припоем плоской поверхностью паяемого металла, называется краевым углом смачивания. Условие равновесия системы может быть представлено в виде равновесия векторов сил поверхностного натяжения
, (1.2)
где 
– поверхностное натяжение между жидким металлом и газом, действующее по касательной к поверхности жидкого металла. Эта сила стремится до минимума уменьшить поверхность капли припоя;
– поверхностное натяжение между твердым телом и газом; сила, приводящая к растеканию жидкости по поверхности металла;
– поверхностное натяжение между жидким припоем и твердым телом.
Растекание и будет иметь место, если значение 
превышает 
.
При Q =180° растекание полностью отсутствует; при Q =0 имеет место полное, а при 0 < Q < 180° – частичное растекание.
Припой лучше смачивает поверхность, если на ней имеется небольшая шероховатость. Однако шероховатость отрицательно влияет на растекание припоев, химически слабо взаимодействующих с паяемым материалом.
При хорошей смачиваемости и растекаемости краевой угол Q << 90°. Механизм растекания связан с процессом поверхностной диффузии. Критерием оценки смачиваемости и растекаемости являются коэффициенты смачивания (cosQ) и растекания (Краст), соответственно. Они определяются соотношением величин поверхностных натяжений:
, (1.3)
, (1.4)
Изменяя составы припоя, основы флюса (газа), состояние поверхности, температуру нагрева, можно влиять на величины поверхностных натяжений и тем самым задавать ход процесса растекания.
Аналитически оценить количественно смачиваемостъ и растекаемость для какой-либо пары материалов оказывается практически невозможным, т.к. определение поверхностного натяжения представляет значительные экспериментальные трудности. Поэтому оценку смачиваемости и растекаемости ведут опытным путем. Для этого расплавляют на поверхности основного металла навеску припоя определенной формы и веса и определяют площадь капли и краевой угол. Сопоставляя результаты опытов, можно сделать выводы о технологических свойствах припоев в данных конкретных условиях (флюс, температура, время растекания в т.д.) и подобрать оптимальные условия для пайки, варьируя составом флюса, припоя, температурой и временем пайки, подготовкой поверхностей.
1.2 Цель работы
Исследовать зависимость смачиваемости и растекаемости припоев системы олово-свинец от паяемого металла, состава флюса и способа подготовки паяемой поверхности.
1.3 Оборудование и материалы
1.3.1 Муфельная печь ПМ-8.
1.3.2 Лабораторные аналитические весы с разновесами.
1.3.3 Образцы из низкоуглеродистой стали и меди размером 40´40 мм, толщиной 0,8¸1,0 мм (количество – по указанию преподавателя).
1.3.4 Обезжиривающий раствор для обработки стали и меди.
1.3.5 Наждачная бумага, бязь хлопчатобумажная, фильтровальная бумага.
1.3.6 Припои группы Sn-Рb в виде прутка или ленты различных составов с содержанием олова (по массовым долям): 0; 10; 40; 61; 90; 100 % (см. рис. 1.2).
1.3.7 Флюсы: ФКСп, ЛТИ-120, ФДФс, Прима 2 или др. (см. табл. П4).
1.3.8 Инструменты (пинцет, плоскогубцы, ножницы по металлу, металлическая линейка, набор маркеров, молоток, тиски, пипетка, транспортир).
1.3.9 Цифровой фотоаппарат.
1.3.10 ПЭВМ с необходимым программным обеспечением.
Рис. 1.2. Диаграмма состояния системы олово-свинец
1.4 Методика выполнения работы
1.4.1 Включить муфельную печь ПМ-8. Пользуясь сведениями, приведенными в табл. 1.1, и кривой разогрева печи, показанной на рис. 1.3, нагреть рабочую камеру до температуры (350÷400) оС.
Таблица 1.1
Максимальная температура в рабочей камере печи ПМ-8
в зависимости от положения переключателя
| Ступень переключателя | Примерная температура, °С |
| печь выключена | |
| 550—600 | |
| 600—650 | |
| 650—700 | |
| 700—750 | |
| 750—800 | |
| 800—850 | |
| 850—900 | |
| 8 и 9 | не регламентируется |
ПОМНИТЕ! Прежде чем включить муфельную печь, необходимо изучить руководство по ее эксплуатации. Печь обязательно должна быть заземлена. Она должна включаться в сеть при положении переключателя на 1-й ступени. При работе печь должна быть установлена на теплоизоляционную прокладку (асбест и т.п.).
Рис. 1.3. Кривая нагрева печи:
сплошная линия – при незагруженной рабочей камере;
пунктирная – при загруженной
1.4.2 На каждой пластине отогнуть один угол с катетами 10 мм (для удобства установки в рабочую камеру печи) и на отгибе маркерами нанести порядковый номер образца, соответствующий номеру проводимого опыта (см. табл. 1.2).
1.4.3 По указанию преподавателя, обработать верхнюю поверхность каждого образца: часть образцов – наждачной бумагой и обезжиривающим раствором; часть – только наждачной бумагой; часть – только обезжиривающим раствором.
1.4.4 Из прутков (лент) припоев соответствующих составов вырезать необходимое количество (по указанию преподавателя) одинаковых по размерам навесок. Диаметр прутков (толщину лент) во всех случаях брать одинаковым.
1.4.5 Последовательно верхнюю поверхность каждого образца обработать флюсом соответствующего состава. По центру пластины поместить дозированную навеску припоя и нанести на него каплю того же флюса. Количество флюса для всех образцов следует брать одинаковым, что легко сделать с помощью пипетки.
1.4.6 Пластины в горизонтальном положении поочередно поместить в рабочую камеру муфельной печи, температура которой должна быть выше температуры плавления припоя (точка ликвидуса) не менее, чем на (40¸50) °С и выдержать в печи в течение 2 мин.
1.4.7 Из муфельной печи пластины вынимаются аккуратно, не подвергая их сотрясению, и охлаждаются в емкости с водой. Затем тщательно промываются в проточной воде и высушиваются ветошью.
1.4.8. На каждом образце сфотографировать верхнюю поверхность с припоем и профиль капли.
1.4.9 С помощью ПЭВМ по фотоснимкам образцов произвести замер площадей растекания припоя и краевого угла.
1.4.10 Полученные данные занести в таблицу (табл. 1.2) и построить кривые растекаемости в функции состава припоя, а также диаграммы зависимости растекаемости припоя от способа подготовки поверхности пластины и состава флюса.
1.4.11 Сделать выводы по результатам проведенных экспериментов.
Таблица 1.2
Форма записи результатов исследований
| № образца | Материал образца | Способ подготовки поверхности | Состав | Результаты измерений | ||
| припоя | флюса | площадь растекания, мм2 | краевой угол, град. | |||
1.5 Содержание отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
Ø цель работы;
Ø методику выполнения работы;
Ø таблицу результатов исследований;
Ø фотоснимки пластин с припоем после нагрева в печи;
Ø графики и диаграммы зависимости растекаемости припоя от температуры нагрева и состава припоя, способа подготовки поверхности пластины и состава флюса;
Ø выводы по работе.
1.6 Контрольные вопросы
1.6.1 Что такое пайка?
1.6.2 В чем отличие процесса пайки от сварки?
1.6.3 Что такое смачивание?
1.6.4 В чем заключается физическая сущность процесса смачивания?
1.6.5 Что такое адгезия и когезия?
1.6.6 При выполнении какого условия имеет место явление смачивания?
1.6.7 Что является критерием оценки смачивания?
1.6.8 От чего зависит величина краевого угла смачивания?
1.6.9 Что является критерием оценки растекаемости?
1.6.10 Может ли происходить растекание жидкости по поверхности твёрдого тела без смачивания? Что в этом случае способствует растеканию жидкости?
1.6.11 Как практически оценивают смачиваемость и растекаемость припоя?
|
|
|
