Способ определения температуры адгезионного контакта припоя с паяемым материалом

(Л (Л ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР(71) Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И. П. Бардина(56) Авторское свидетельство СССР 1 Ф 1496938, кл. В 23 К 1(00. 1987,(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ АДГЕЗИОННОГО КОНТАКТА ПРИПОЯ С ПАЯЕМЫМ МАТЕРИАЛОМ(57) Изобретение относится к пайке, в частности к определению паяемости листового материала, и может быть использовано для контроля качества белой жести по паяемости, Цель изобретения - повышение точности определения температуры адгезионнаго контакта припоя с паяемым материалом. При испытаниях на паяемость Изобретение относится к технологии пайки листового материала, например, белой.жести, в частности к определению ее паяемости, и может быть использованона металлургичесих заводах при производстве белой жести и на консервных заводах для контроля качества белой жести по паяемости, а также при отладке технологического процесса получения оловянного покрытия. на стали и процесса пайки консервной тары.Цель изобретения - повышение точности определения температуры адгезионного контакта припоя с паяемым материалом. перед нанесением припоя на нижнюю часть пластины из листового материала на верхнюю его часть наносят термоиндикаторные краски, одна из которых реагирует на температуру плавления припоя, другая - на температуру. равную 0,50,8 температуры плавления припоя, и по взаимному положению изменения индикации краски и основания застывшей капли припоя определяют температуру пайки, где при совпадении границы изменения индикации краски с основанием застывшей капли припоя температуру адгеэионного контакта принимают равной температуре плавления припоя, а при превышении границ изменения индикации над размером основания застывшей капли припоя температуру адгеэионного контакта определяют из математической зависимости. Способ позволяет использовать жесть с пониженной паяемоью за счет корректировки температурайки. 5 ил, 1 табл. Перед нанесением припоя на верхнюю поверхность пластины листового материала наносят термоиндикаторные краски, одна из которых реагирует на температуру, соответствующую температуре плавления припоя, другая на температуру, равную 0,8 .0,5 температуры плавления припоя и по взаимному положению изменения индикации краски и осноаания застывшей капли припоя определяют температуру адгезионного контакта, При совпадении указанных ориентиров температуру адгезионного контакта принимают равной температуре плавления припоя, а при превышении границ измене 1648655О (Т) 20 Тэ 1 = Тпл + (Т 0,5-0,8 - Тпл) 25 1 (Та ) -ТплТа 2 = Тпл + (Т 0,5-0,8) Тпл) где Тпл - температура, близкая или равная температуре плавления припоя; 30То,5-0,8 - температура, равная 0,5-0,8 ТплОта 1 - диаметр основания застывшей капли припоя при использовании трубки с круглым выходным отверстием;Отп, - диаметры индикации красок н температуру Тпл;Ото,5-08 - диаметр индикации красок наемпературу То 5-0,8;тл - Размео основаниЯ застывшей кап ли припоя при использовании трубки с щелевым выходным отверстием;.тпл - расстояние границ индикации на темпеРатУРУ Тпл и Т 0,5-о,8 пРи использовании щелевого отверстия, 45Для обеспечения стабильности формы застывшей капли припоя при нанесении припоя через щелевидное отверстие его длину выбирают в 8-10 раз большей его ширины, причем торцовые стороны выход ного отверстия выполняют с переливными канавками,35 т На фиг. 1 изображе растекания припоя в пок на фиг. 2 - динамика фо припоя и график распр тур; на фиг. 3 - окончани рования капли припо выходное отверстие обо механизмаелой жести; 55ания каплия темпераесса формифиг, 4,5 -ой трубки,а схема рытии б рмироведелен е проц я; на греваем ния индикации над размером основания застывшей капли припоя температуру адгезионного контакта определяют с помощью выраженийТа =Тпл+(Та 12 Тпл)К, (1) 5 где Тпл - температура плавления припоя (например, олова), С;К - коэффициент, определяемый опытным путем; учитывающий вид флюса и условия пайки; 10Тлф - температура адгезионного контакта при использовании флюса, С;Т, 1 2 - температура, соот ветствующая границе индикаторной краски на верхней стороне листового материала, равная температуре паяемости листового материала без флюса при подаче припоя через круглое и щелевидное отверстия в обогреваемой трубке,На фиг. 1-5 приняты следующие обозначения; олова (листовой материал)1, припой (олово) 2, обогреваемая трубка 3. покрытие 4 листового материала, окисная пленка 5, участок 6 связи окисной пленки с основной,Обозначения на графике распределения температур (фиг.2) Та - температурная область адгезионного контакта припоя с основной; Тф - то же, физического контакта; Т = 1(г) - кривая распределения температуры по поверхности пластины в момент подвода расплава припоя; О, - диаметр зоны адгезионного контакта.Электронно-микроскопическое исследование процесса взаимодействия листового материала (луженой жести) с расплавом припоя показало, что припой при контакте с покрытием белой жести течет не поверх его окисной пленки, а образует с оловом жидкий расплав, на который "всплывает" окисная пленка (если не применяли флюс), и этот расплав при определенных температурных условиях распространяется во все стороны, После того, как образовался непосредственный контакт между жидкм оловом и припоем, окисная пленка не препятствует растеканию расплава припоя. Она всплывает на поверхность расплава. Однако, такая картина наблюдается только в таких покрытиях, где окисная пленка на олове не имеет механической связи с основной, например, как в хорошо паяющемся покрытии жести горячего лужения.В покрытиях 4 электролитически луженой жести, особенно в тонкослойных покрытиях 0,3 - 0,5 мкм, имеются многочисленные микроучастки 6, через которые осуществляется механическая связь поверхностной окисной пленки 5 с основной 1. Также микроучастки находятся по месту положения продуктов превращения ПАВ (поверхностно активные вещества) в оплавленном гальваническом осадке олова, глубокие механические риски в покрытии, непокрытые оловом неметаллические включения в поверхностном слое основы и др, Поверхностная окисная пленка при натекании расплава припоя 2 с трубки открывается от своего первоначального местоположения через нарушение связи ее с основой 1, Поверхностную окисную пленку 5 можно частично или полностью. разрушить путем использования флюса, Но микроучэстки 6, через которые осуществляется. механическая связь поверхностной пленки с основной, с трудом подвергаются разрушению под действием флюса, поскольку они находятся не на поверхности, а внутри покрытия 4 и благодаря последнему оказываюттормо 1648655эящее воздействие на растекание припоя, ухудшая паяемость белой жести. Устранить или изменить влияние тормозящих микро- участков можно путем повышения температуры пайки. При высокой температуре от термического воздействия возрастает интенсивность разрушения тормозящих микроучастков, увеличивается жидкотекучесть расплава, возрастает паяемость белой жести.В предлагаемом способе новым является использование средств фиксации распределения температуры в зоне пайки, что позволяет непосредственно или расчетным путем определить температуру у основания образовавшейся капли на поверхности жести при нанесении расплава снизу горизонтально расположенной пластины жести, Температуру расплава у основания капли можно рассматривать как температуру начала адгезионного контакта припоя с испытываемой жести по следующим причинам,Динамика формирования капли на поверхности хорошо или плохо паяющейся жести (фиг.2), На хорошо паяющейся жести диаметр основания капли сравнительно большой, т.е. больше диаметра выходного канала обогреваемой трубки 3, через которую подводится расплав. И температура у .основания капли близка к температуре начала плавления припоя Тпл. На плохо паяю- щейся жести относительный диаметр основания капли небольшой и он соответствует контактной зоне, где произошло разрушение поверхностной пленки 5 под действием более высокой температуры. Иэ фиг, 2 видно, что температура расплава и металла основы 1 изменяется по радиусу объема металла. подведенного через трубку 3 и к жести. На периметре площади адгезионного контакта температура соответствует температуре начала разрушения разделительной окисной пленки и микроучастков ее связи с основной.В участках разрушения окисной пленки 5 и участков связи 6 происходит непосредственный адгезионный контакт припоя с жестью. Температура на участках начала образования адгезии равна температуре адгеэии Та. Ниже температуры Та адгезион ной связи нет, выше она есть, При опускании трубки с расплавом припоя он легко уходит с участков, имевших температуру ниже Т и остается сцепленным с основой 1 в участках - с температурой ТТ (фиг.З), Следовательно, Тз является характеристикой покрытия испытуемой. белой жести. В зависимости от паяемости белой жести Та может 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 быть равной или близкой температуре начала плавления припоя Тпр или фольше ее в случае, если жесть паяется хуже или плохо.Та является характеристикой паяемости жести и одновременно она показывает температуру начала пайки покрытия в условиях, когда действует только один температурный фактор беэ влияния флюса. Флюс, как известно. улучшает паяемость жести, но это не очень стабильный фактор и поэтому на первом этапе определения паяемости его исключают, т,е, испытания проводят без применения флюса.На втором этапе определение температуры адгезионного контакта при пайке с использованием флюса Та проводится расчетным путем по формуле (1).Для определения температуры края капли припоя Т выполняют следующие операции; на верхнюю поверхность пластины белой жести наносят термоиндикаторные краски на две температуры: на температуру, близкую или равную температуре плавления припоя, и температуру в районе 0,5-0,8 Тпл, Краски наносят в виде линий, лучей, исходящих из предполагаемого места, где на обратной стороне пластины будет нанесена капля расплава. Линии, выполненные краской, должны быть по воэможности тонкими, чтобы тепло, идущее на нагрев краски, было незначительным. Это позволяет избежать искажения температурного поля по сравнению с полем пластины, на которую не наносили краски,Поскольку толщина испытываемой жести(0,18-0,36 мм) очень небольшая, температура ее нижней и верхней поверхности при испытаниях практически остается одинаковой,На нижнюю поверхность пластины белой жести наносят каплю расплава 2 с помощью обогреваемой трубки,З. Если паяемость белой жести хорошая, размеры основания капли совпадают с размерами зоны, зафиксированной термоиндикатором с температурой перехода, равной температуре плавления припоя. При пониженной паяемости основание капли меньше зоны, отмеченной этим термоиндикатором на верхней стороне пластины.При значительном понижении паяемости температура адгезионного контакта Т оказывается выше точки плавления припоя Тпл и в этом случае визуально хорошо просматривается вокруг капли эона, которая отличается по своей отражательной способности от основного поля покрытия белой жести,Внешние границы этой зоны Соответствуют точке начала плавления припоя и они45 50 также являются ориентиром при получении данных для расчета температуры периметра основания капли Та.После нанесения и остывания капли припоя на нижней поверхности пластины проводят измерения; диаметра основания капли припоя; диаметра внешней границы зоны, соответствующей точке плавления припоя по изменению цвета индикатора на верхней поверхности пластины Отп, если в испытываемой жести ТвТор и вокруг капли припоя наблюдается зона оплавленного при испытании олова, то вместо измерений по (2) проводят измерения диаметра внешнего края атой зоны, где олово начало собираться в капли; на верхней поверхности определяют диаметр эоны, отмеченной индикатором с температурой перехода в районе 0,5 - 0,8 Тгл, т.е. Ото,5 - о,вОпределение температуры края капли припоя, т,е, температуры адгезионного контакта, проводят следующим образом, Если диаметр капли припоя От и диаметр внешней зоны по индикатору, соответствующей точка плавления припоя Отсовпадают, то считают Т,=Тпл. При От, Отопределение Та проводят расчетным путем по фор; муле (2).Поскольку форма основания капли часто бывает далека от идеального очертания круга, при вычислении по Т нужно брать исходные данные Ото, Ото,5 - 0,8 на индикаторной краске, расположенные по одному лучу, на одной линии.Отклонение основной капли от формы круга обусловлено тем, что при перетекании через край подводимого в трубке расплава припоя форма основания капли сильно искажается, приобретая эллипсовидную форму, Последнее несколько затрудняет получение исходных данных при испытании белой жести, Для уменьшения искажения формы капли в кромке трубкиделаютдве радиальные проточки по диаметру, через которые вытекает излишний расплав при, поя. Использование проточек позволяет значительно уменьшить искажение формы капли.Вариантом выполнения обогреваемой трубки является выполнение щелевидного выпускного отверстия. По бокам трубки в ее торцах выполнены проточки для выхода излишнего подаваемого обьема металла расплава. Щелевидное отверстие позволяет получить на жести каплю, основание которой подобно форме щели, На основном участке внешние границы основания капли образуют параллельные или почти параллельные линии, а торцы удлиненного участ 5 10 15 20 25 30 35 40 ка закруглены. Поскольку здесь излишний металл выливается в торцовых участках, он не искажает форму основного участка с параллельными границами основания, Форма основания капли становится более стабильной, а зто повышает точность определения паяемости жести,Ширина щели Ьщ должна быть в 15 - 30 раз больше толщины испытываемой жести, а отношение длины 1 щ к ширине щели Ьщ должно составлять 8 - 10.Материал трубки должен быть инертным к расплаву-припою, не должен с ним реагировать и смачиваться. Таким требованиям лучше удовлетворяют кварц, жаропрочное стекло и керамика.Приведенные выше размеры щели, как показало практическое опробование, наиболее оптимальные и они позволяют с достаточно высокой точностью определять паяемость белой жести,Операции при определении паяемости с использованием щели остаются те же самые, что с применением круглого отверстия, Нанесение термоиндикаторной краски здесь упрощается. Вместо сетки или лучистого рисунка здесь достаточно нанести линии. перпендикулярные оси щели на участке, где предполагается нанести каплю припоя. Здесь проводятся измерения двойных расстояний по ту и другую стороны от оси основания капли 2 Ь - ширина адгезионного контакта, т,е. основание капли, 21 л - расстояние между границами начала плавления олова, 2 о,5-о,в - расстояние между границами зон нагрева жести до 0,5-0,8 Тпл С.Расчет температуры границы основания капли, Т, т,е, температуры начала образования адгезионного контакта, проводят по формуле (3),Температуры Та. рассчитанные на основе измерения капель, полученных круглым выходным отверстием и щели, практически совпадают,Данная температура Та соответствует минимальной температуре адгезионного контакта припоя и испытываемой жести в условиях использования только одного припоя без флюса (1605 олеиновой кислоты в зтиловом спирте),Использование флюса снижает температуру паяемости бе ой жести, т.е. температура начала образования адгезионного контакта с использованием флюса Таф становится меньше Та. Тач" можно рассчитать по формуле (1),Аналогично испытаниям белой жести данным способом можно проводить испытания на паяемость жести без покрытия, 1648655 10стали или другого листового металла. Но вэтом случае использование флюса обязательно, поскольку на поверхности стали всег-.да ирисутствует окисная пленка. Оценкупаяемости основы здесь также проводят по 5температуре адгезионного контакта, которую определяют по положению края основания капли - относительно зон сопределенными температурами.В таблице проводится обоснование выбранных размеров щелл.Следует отмеить, что использованиетермоиндикаторов значительно повышаетнадежность и точность результатов. Еслииспольэовать метки термоиндикатора с 15температурой перехода, равной или близкой к точке плавления припоя и если гоаницы перехода на метках соответствуютдиаметру трубки или ширине ее щели, томожно считать, что температурный режим 20при испытании был выдержан правлльно ирезультаты соответствуют паяемости испытываемой жести,П р и м е р 1, Определение паяемостипроводили на установке, представляющей 25собой две сообщающиеся обогреваемыетрубки из жаропрочного стекла, одна изкоторых раоочая, имела выходное отверстие круглой формы. Другая вспомогательная трубка служила для поддержания 30необходимого уровня припоя в рабочейтрубке.Круглое выходное отверстие имеет следующие размеры: Овп = 4 мм; Орпеа = 6 мм;г проточки =- 0,9 мм. Жесть горячего лужения 35толщиной 0,22 мм, В качестве припоя использовали чистое олово с температурой вобогреваемой трубке 330 С.Термоиндикатор; "Термоиндикаторн ыекарандаши", выпускаемые по ТУ 6-10 - 401110-76. Температура перехода 240 С, Время выдержки при испытании 3 - 4 с.Полученная капля олова на нижней сторонепластины размером 70 х 70 мм в основанииимела диаметр 19 мм, а пятно такой же конфигурации от термоиндикатора 17,5 - 18 мм,Результат - температура пайки соответствует температуре плавления припоя 232 -235 ЯС. Паяемость жести отличная.Пайку в принципе можно вести и без 50применения флюса. Но флюс здесь нужендля устранения вероятности попаданияокисных пленок вместе с припоем в паяемый шов, что нарушает его герметичность, 55П р и м е р 2, Установка та же, Припой -чистое олово. Жесть электролитическая,толщиной 0,22 мм, Температура расплава вобогреваемой трубке 360" С. Термоиндикатори: карандаш с температурой перехода 240 С, краска (термоиндикатор плавге: и.-:, быстрого действия) с температурой .40 С (ТИ Б).Термоичдикаторы нанесены в влде пиний 2-3 мм, расходящихся лучеобразно от места предполагаемого нанесения капли припоя на збратной стороне пластины, Размер пластины 70 х 70 мм. Время контакта расплава с пластиной 3-4 с,Измерения: диаметр капли у основания Окап, 9 мм; диаметр зоны оплавившегося олова Оп 12 мм вокруг капли; диаметр пятна термоиндикатора на 240 С 11 - 11,5 м; диаметр пятна термоиндикатора на 140 С 18 мм,Вычсляют температуру края основания капли Та по формуле (1)9 9 а Т,= 232 (140-232) =297,3 С 1 Я 12 Температура адгезионного контактасравнительно высокая, а следовательно, паяемость низкая,Определяют температуру пайки с использованием фл.оса, Т 1" . В качествефлюса испольэовали флюс-спиртовой раствор олеиновой кислоты (60;ь). Испытанияпроводили в той же последовательности,описанной в примере 1, но перед нанесением капли расплава на жесть наносили флюс,Определения показали следующие значения Таф232, 250,4, 276, 290 С, Большойразбег данных обьясняется нестабильностью действия этого фактора (флюса) в условиях испытания.Среднее значениеТаф = 273,5 С, Преобразуя формулу (3), определяют значениепоправочного коэффициента К:Т,а -Тп 273,5-232Та Т и 297 - 232= 0,64Большое значение коэффициента К такжесвидетельствует о низкой паяемости жести.П р и м е р 3. Установка с трубкой,имеющей щелевидное выходное отверстиеразмером 3 х 35 мм, толщина стенки выходного отверстия 2 мм, радиус проточки - 1,2мм. Жесть электролитически луженая, Припой ПОСэвтектический сплав с темпе ратурой солидуса 223 С и ллквидуса 183 С.Индикаторы наносили в аиде .параллельных линий шириной 2 - 3 мм, направленных . поперек оси щели в местепредполагаемого получения капли.Индикаторы: ТИБ - 140 и карандаш 240(как с наиболее близкой температурой к тем 1648655 12пературе плавления припоя из имеющихсяв наличии) - это Тпл = 240 С,2 0 9,140=28 мм, ОпределяемТа по формуле (2):Та = 240+(140-240) 28 9 224 СТа практически совпадает с температурой солидуса. Припой распространяется побелой жести пока не начнется выпадение изсплава твердой фазы свинца. Сопротивления пайке, т.е. температурного интерваламежду температурой ликвидуса и Та практически нет, Паяемость жести хорошая. Испытания с флюсом показали, что Таф равна223, 225, 224; 223 С. Тафл средняя равна 15224,3 С.Значение коэффициента К в формуле (3)близко к нулю,.т.е. Тафл ТплликвидУс При хорошей паяемости жести, т,е. почти предельной ее физической паяемости, флюс не 20вносит дополнительного улучшения паяемости. Его доля здесь сводится к уменьшению окисления зоны пайки,П р и м е р 4. Паяемость жести из стали08 кя толщиной 0,22 мм. Трубка с круглым 25отверстием диаметром 4 мм, припой - чистое олово, индикаторы: термокарандаш -240 и ТИ Б - 140. Температура олова в трубке340 С. Флюс - 20 О-ный раствор хлористогоцинка. Время контакта 2-3 с. 30Измерения; диаметр основания капли8,5 мм; диаметр зоны индикации 240 С - 9мм; диаметр зоны индикации 140 С - 19 мм,8,59 о 3Та = 240+ (140- 240) . - 242 С199Температура пайки стали на 10 С больше температуры плавления олова (232 С). Паяемость стали хороаай. 4Предлагаемый способ позволяет повысить точность определения температуры адгеэионного контакта припоя с паяемым материалом и делает возможным использование жести с пониженной паяемостью за 4 счет корректировки температуры пайки,Формула изобретенияСпособ определения температуры адгезионного.контакта припоя с паяемым ма 0 (Та 1) 8 Тпл) а 1 = Тпл+ Та )где Тпл - те ли равная температуреТо,ь-о,8 - я 0,5-0,8 Тпл,Та 1,2 - тЕМПЕратура адГЕЗИОННОГО КОН- такта припоя с листовым материалом, определяемая с использованием трубок с круглым или щелевым отверстием;Рта 1 - диаметр основания застывшей капли припоя при использовании трубки с круглым выходным отверстием;Отпл, - диаметры индикации красок на температуру Тпл;Т о,ь - о.8; - диаметр индикации красок на температуру То,5-о,8;Йаг размер основания застывшей капли припоя при использовании трубки с щелевым выходным отверстием;Цгпл- расстояния границ индикации на темпеРатУРУ Тпл и Т 0,5-0,8 пРи использовании щелевого отверстия. мпература, близкая и плавления припоя; температура, равна териалом, включающий нанесение через обогреваемую трубку припоя в жидком. состоянии на нижнюю сторону холодной пластины,. выдержку, определение диаметра основания застываемой капли припоя и сравнение полученных результатов с эталоном,отличающийся тем,что,сцелью повышения точности определения температуры адгезионного контакта припоя с паяемым материалом, предварительно на верхней стороне листового материала над местом нанесения припоя размещают термоиндикаторные краски, одна из которых реагирует на температуру, соответствующую температуре плавления припоя, другая - на температуру, соответствующую 0,5-0,8 от температуры плавления припоя, и по взаимному положению изменения индикации красок и основания застывшей капли припоя определяют температуру адгеэионного контакта пайки из выражений13 14 1648655 0,3 1,4 0,3 1,4 15 То же 22 0,4 1,5 30 0,4 10 0,4 1,6 1,4 40 Отношение внутренней ширины щели Ь,ц" к толщине жести,Ь /ж Отношение длины щели 1 щ к ширине Ьц.1 щ/Ьщ Отношение внешней шивины щели Ьщ к внутренней Ьщф" Отношение радиуса прорези г к внутренней ширине щели Ьщ,г/Ь " Результат4 Основание капли эллипсовид- ное Основание капли правильное с параллельнымикраями Излишний расход металла без ,положительного э екта1648655 Й 2,Составитель Л. АбросимоваТехред М,Моргентал Корректор М. Пож Редактор вти Тираж 534 ПодписноеИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 аз 14 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина