СВАРОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

Особенности сварки плавлением материалов для электронного машиностроения

Надежность и долговечность электронных приборов во многом зависят от свойств и качества материалов, применяемых для их изготовления.

По характеру применения материалы электронных приборов можно разбить на три группы: применяемые при изготовлении деталей внутренней полости приборов; для деталей, ограждающих внутреннюю полость прибора от атмосферы; для внешних деталей.

К материалам каждой из групп предъявляются различные требования. Так, в материалах первой группы должно быть ограничено содержание летучих в вакууме примесей (Zn, Bi, Sb, Sn, Mn, I, S и др.).

Наличие в металлах этих примесей приводит при технологических прогревах (например, при откачке электровакуумных приборов) к их испарению и осаждению на элементах приборов. В этих же материалах должно быть ограничено содержание газов. Повышенное газоотделение материалов деталей внутренней полости усложняет процесс откачки приборов, а при хранении изделий и особенно при их эксплуатации выделение газов может привести к выходу их из строя. Поэтому содержание каждой из вредных летучих примесей в применяемых металлах и сплавах не должно превышать 0,0001 масс. доли %, а содержание газов: водорода - 0,0001 масс. доли %, азота - 0,01 масс. доли %, кислорода - 0,0001 масс. доли %.

К материалам, ограждающим вакуумную полость прибора от атмосферы, помимо ранее перечисленных предъявляется еще очень важное требование - они должны быть вакуумно-плотными, т. е. в них должны отсутствовать субмикроскопические трещины, волосовины, сообщающиеся между собой поры и раковины. Выполнение этих требований достигается переплавом материалов в вакуумных печах. Таким образом, при сборке приборов сварке подвергаются чистые от примесей материалы.

При изготовлении деталей электронных приборов в настоящее время используются как традиционные материалы электронной техники - бескислородная медь марок МБ, МВ, никель, молибден, вольфрам, низкоуглеродистая сталь типа НЖ (Армко-железо), ковар 29НК, так и материалы, заимствованные из других отраслей промышленности: нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, мельхиор, константан, монель-металл и др.

Свариваемость материалов. Свариваемость - комплексная технологическая характеристика металла (основного и присадочного). Она зависит от технологии производства металла и технологии сварки, отражает реакцию металла на процесс сварки и определяет его пригодность для изготовления изделий, удовлетворяющих условиям их эксплуатации.

Свариваемость металла тем выше, чем большее число способов сварки может быть применено к нему, чем проще технология сварки, чем шире диапазон допускаемых режимов сварки.

При рассмотрении свариваемости конкретного материала обычно решают следующие вопросы:

1. Какие характерные дефекты возникают при сварке данного материала?

2. Каковы причины их возникновения?

3. Какие меры нужно предпринять для их устранения?

Сварка цветных металлов. Сварка меди затруднена ввиду ее специфических физических и химических свойств. К таким свойствам относятся:

- высокая теплопроводность, что приводит к большим скоростям охлаждения, малому времени пребывания сварочной ванны в жидком состоянии и к необходимости применения повышенных мощностей источников нагрева;

- высокая усадка при затвердевании;

- высокая активность в жидком состоянии по отношению к газам окружающей атмосферы.

Свойства меди обусловливают возникновение значительных деформаций в процессе сварки, повышенную склонность сварных швов к образованию газовых пор и трещин. Поры в сварных швах меди и медных сплавов возникают в результате взаимодействия жидкого металла с газами.

В основном на образование пор при сварке меди оказывает влияние водород. Водород в меди растворяется с повышением температуры довольно значительно. При охлаждении растворимость водорода снижается и он не успевает покинуть металл, образуя газовые поры.

При наличии в меди кислорода в виде закиси меди Си20 растворенный водород может взаимодействовать с ней, образуя в результате реакции

Си20 + Н2 ^ 2Си + Н20 пары воды. Водяные пары не растворяются в меди и

образуют при кристаллизации поры. Если реакция идет в твердой меди вблизи шва, то пары воды накапливаются в микродефектах, создают в них огромное давление, которое разрушает металл (это явление носит название «водородная болезнь»).

Жидкая медь активно реагирует с кислородом, попадающим в зону сварки. При этом часть кислорода растворяется в меди, а часть связывается в химическое соединение Си20. Закись меди выделяется в металле шва в виде самостоятельной фазы в составе эвтектики Си-Си20. Образующаяся эвтектика обволакивает кристаллы меди, вызывая хрупкость и трещины в металле шва. Таким образом, при сварке меди для исключения образования дефектов необходимо тщательно защищать место сварки от проникновения газов воздуха.

Однако, несмотря на принимаемые меры по защите места сварки от воздействия вредных газов, сварные швы имеют низкую механическую прочность, связанную с крупной кристаллической структурой металла шва.

Для повышения эксплуатационных характеристик металла швы обычно легируют никелем или сплавом «никель-хром» через вставку, закладываемую между отбортованными кромками (рис. 57).

Сварка никеля. Никель обладает при сварке большой чувствительностью к наличию примесей и растворенных газов. Обычно никель всегда содержит примеси в количестве от 0,1 до 0,6 %. Однако не все примеси оказывают вредное влияние на образование дефектов при сварке. Наибольшее вредное влияние на качество сварных соединений при сварке никеля оказывают примеси серы, висмута, свинца, сурьмы, мышьяка, кадмия.

Сера обладает большим химическим сродством с никелем. При температурах выше 673 К сера с никелем образует сульфид, который в виде эвтектики Ni-NiS располагается вдоль границ зерен металла и охрупчивает его. Сульфид никеля может образовываться, если с никелем соприкасаются материалы, которые содержат даже небольшие количества серы (горючие материалы, масло, жиры, краски и т. д.). При долгом хранении деталей, изготовленных из никеля, в заводской атмосфере на них образуется налет, содержащий серу. Этот налет не снимается при обезжиривании и требует специальных мер для его удаления (травление или механическая зачистка).

Другие перечисленные примеси практически не растворимы в никеле в твердом состоянии. Находясь в расплавленном при сварке никеле, эти элементы образуют легкоплавкие эвтектики, резко ухудшающие механические и технологические свойства сварных швов. Содержание таких примесей в никеле не должно превышать 0,002-0,005 масс. %.

На качество металла шва при сварке никеля большое влияние оказывают различные газы, попадающие в зону плавления.

Водород практически не оказывает влияния на образование пор при сварке никеля, так как его растворимость при переходе Ni из жидкого состояния в твердое меняется незначительно и избыточный водород успевает выделиться из сварочной ванны при затвердевании.

Однако если в никеле имеется небольшое количество кислорода в виде закиси, попадание водорода в зону сварки может привести к появлению дефектов типа «водородная болезнь», характерных для сварки меди.

Основной причиной образования пор при сварке никеля является попадание в зону сварки кислорода. Поэтому сварка никеля требует тщательной защиты металла шва от кислорода атмосферного воздуха.

Сварка сталей. Наиболее широко в конструкциях приборов используется нержавеющая сталь типа 12Х18Н10Т. Эта сталь имеет аустенитную структуру. При ее сварке часто образуются горячие трещины, имеющие межкристаллитный характер. Образование горячих трещин связано с особенностями кристаллизации металла шва. При кристаллизации многокомпонентного сплава, каким является рассматриваемая сталь, вначале кристаллизуется более тугоплавкая составляющая сплава. Она образует как бы жесткий каркас, между ребрами которого располагается жидкая фаза, состоящая из вредных легкоплавких соединений (бора, кремния, фосфора, серы и др.). Под действием усилий, возникающих при кристаллизации металла, каркас разрушается и в сварном шве образуются надрывы - трещины, не заполненные жидким металлом. Горячие трещины чаще образуются в крупнозернистой структуре металла шва.

Применение способов, способствующих измельчению кристаллов и дезориентации структуры, утоньчает межкристаллитные прослойки и повышает стойкость швов к образованию горячих трещин. Одним из таких способов является получение швов с двухфазной структурой, когда помимо аустенита в состав структуры входит некоторое количество первичного 8-феррита. Такое положительное действие феррита в аустенитно-ферритных швах связано с изменением характера процесса кристаллизации металла сварочной ванны (одновременное выпадение из жидкой фазы кристаллов аустенита и феррита приводит к измельчению и дезориентации структуры, т. е. к уменьшению растущих кристаллов, разделенных участками 8-феррита). Получение аустенито-ферритных швов достигается их дополнительным легированием ферритообразующими элементами: хромом, алюминием, молибденом и др. Рекомендуемое содержание ферритной фазы в наплавленном металле ограничивается 2-6 масс. %.

В конструкциях приборов могут быть использованы сварные соединения и из разнородных сталей. Причем могут свариваться как стали, имеющие сходную структуру (например, обе свариваемые стали могут иметь аустенитную структуру), так и стали разных структурных классов (одна из соединяемых сталей может иметь аустенитную структуру, а другая - ферритную).

Сварные соединения из различных металлов одного структурного класса могут быть получены с использованием тех же режимов и технологии сварки, что и соединения однородных сталей данного класса.

При сварке сталей разных структурных классов получение качественных соединений затруднено. В этом случае наблюдается резкая химическая неоднородность состава металла шва, образование в зоне оглавления малопрочных и хрупких прослоек переменного состава, наличие остаточных напряжений, которые не устраняются последующей термической обработкой.

Регулирование качества сварного шва достигается изменением доли участия свариваемых кромок в процессе формирования шва. В условиях сварки в отбортовку эта доля меняется в зависимости от соотношения толщин свариваемых кромок, смещения оси источника нагрева относительно стыка кромок от параметров режима сварки.

Сварка тугоплавких металлов. К тугоплавким металлам, используемым в сварных конструкциях электронных приборов, относятся: титан, цирконий, ниобий, тантал, гафний, молибден, вольфрам. Эти материалы применяются в основном в конструкциях катодов электровакуумных приборов.

Тугоплавкие металлы обладают рядом общих физико-химических и технологических свойств, основными из которых являются:

- высокая химическая активность по отношению к атмосферным газам как в расплавленном, так и в твердом состоянии при повышенных температурах;

- высокая чувствительность к термическому циклу при сварке;

- склонность к порообразованию;

- склонность к образованию трещин.

Эти свойства в основном определяются высокой чувствительностью тугоплавких металлов к элементам внедрения - кислороду, азоту, водороду, углероду. Эти элементы влияют на большинство технологических характеристик: деформируемость в холодном и горячем состоянии,

обрабатываемость резанием и, особенно, на свариваемость. Взаимодействие тугоплавких металлов с газами приводит к охрупчиванию металла.

Исходя из перечисленных физико-химических и технологических свойств, можно сформулировать ряд требований, которые необходимо выполнять при получении качественных сварных соединений:

- высокая чистота исходных материалов (основного и присадочного металла, защитных газов), обеспечивающая минимальное содержание примесей;

- применение технологии сварки, гарантирующей качественную защиту (изоляция от атмосферы расплавленного металла и металла, нагреваемого в процессе сварки до температур начала его реакции с газами, обеспечивается использованием очищенных инертных газов или вакуума не ниже 3,99П0-2 Па; наряду с защитой необходима тщательная подготовка поверхности деталей под сварку: травление для удаления поверхностных окислов, обезжиривание, отжиг в вакууме);

- производство сварки на режимах, обеспечивающих минимальную зону разогрева в связи со склонностью тугоплавких металлов к росту зерна в зоне термического влияния и к снижению пластичности материалов.

В соответствии с этими требованиями методы сварки тугоплавких металлов должны обеспечивать высокие мощность и концентрацию энергии в пятне нагрева, а также эффективную защиту от взаимодействия с атмосферой воздуха.

По свариваемости, технике и технологии сварки тугоплавкие металлы можно разделить на две группы: к первой группе относятся титан, цирконий, гафний, ниобий, тантал; ко второй - молибден, вольфрам. Металлы первой группы при соблюдении технологических условий сварки обладают удовлетворительной свариваемостью. Сварка металлов второй группы представляет значительные трудности в связи с повышенной чувствительностью к термическому воздействию процесса сварки, вызывающему хрупкость сварных соединений. Очень низкая растворимость в этих металлах элементов внедрения (О2, N2, C), являющихся неизбежными примесями, приводит к выпадению оксидов, нитридов, карбидов по границам зерен, что тоже значительно снижает пластичность сварного соединения. Пластичность сварных швов этих металлов удается несколько повысить путем легирования их сплавами рения.

Сварка разнородных материалов. Разнородные материалы - это металлы, имеющие различное кристаллическое строение и свойства, а также сплавы на их основе, отличающиеся по химическому и фазовому составу. В конструкциях электронных приборов встречаются соединения между разнородными металлами (медь + железо; никель + медь; медь + вольфрам; молибден + никель; железо + никель и т. д.); между металлами и сплавами на их основе (железо + 12Х18Н10Т; железо + ковар 29НК); между сплавами на одной основе (29НК + 12Х18Н10Т); между сплавами на различной основе (сплав 29НК, имеющий основу - железо, соединяется с медноникелевым сплавом МН19).

Для большинства пар разнородных металлов и сплавов, которые необходимо соединить сваркой плавлением, характерным является существенное различие в температурах плавления, плотности, теплофизических коэффициентах. Отличаются также и кристаллографические характеристики - типы решетки и ее параметры. При сварке металлов с различными физико­химическими свойствами свойства металла шва, как правило, хуже свойств соединяемых металлов. Поэтому основной целью при сварке разнородных металлических материалов является направленное регулирование диффузионных, тепловых и других физико-химических процессов, обеспечивающих необходимые свойства шва и сварного соединения.

В решении проблемы сварки разнородных материалов в настоящее время наметился ряд направлений.

Сварка с расплавлением обеих свариваемых кромок. Металлы, образующие при взаимодействии непрерывный ряд твердых растворов (медь + никель; железо + никель; молибден + тантал и др.), могут быть сварены с расплавлением соединяемых кромок. Металлы с ограниченной взаимной растворимостью (медь + железо, железо + ванадий и др.), не образующие между собой интерметаллических соединений, могут также соединяться с расплавлением обеих кромок. Концентрация элементов в том и другом случае должна быть строго регламентирована.

Необходимая концентрация элементов соединяемых металлов задается из условия получения удовлетворительных механических свойств и отсутствия склонности металла шва к образованию трещин.

Заданную концентрацию соединяемых элементов в металле шва в условиях сварки в отбортовку можно получить смещением источника нагрева в сторону одного из расплавляемых металлов (рис. 58, а), изменением
соотношения толщин свариваемых металлов (рис. 58, б), превышением одной кромки над другой (рис. 58, в), взаимным расположением свариваемых кромок и источника нагрева (рис. 58, г). В большинстве случаев необходимо использовать совокупность технологических и конструкторских мероприятий для достижения поставленной цели.

s Q I*7 а

Сварка с расплавлением более легкоплавкого из соединяемых материалов. В этом случае сварка ведется с расплавлением одного из соединяемых материалов, имеющего более низкую температуру плавления. Прочные связи образуются в процессе смачивания жидким металлом поверхности твердого металла и последующей диффузии. Такой метод возможен для соединения металлов с большой разницей в температурах плавления (например, медь + нержавеющая сталь, медь + молибден и др.).

В результате диффузии на границе оплавления двух материалов возможно образование сплошных прослоек интерметаллидов, обладающих большой твердостью и хрупкостью. Другим наиболее часто встречающимся процессом в этой зоне можно считать образование трещин в твердом металле в зоне контактирования его с жидким металлом.

Вероятность образования сплошных прослоек интерметаллических соединений по границе сплавления определяется в основном тремя параметрами: температурой подогрева твердого (нерасплавляемого) металла; температурой перегрева жидкого металла; продолжительностью взаимодействия жидкого металла с твердым. Особенно сильно влияет на
процесс образования интерметаллических соединений продолжительность контактирования соединяемых металлов. Обычно стремятся иметь все три параметра на минимально допустимом уровне.

Иногда на поверхность твердого нерасплавляемого металла наносят специальное покрытие, которое не образует химических соединений с соединяемыми материалами. Такое покрытие способствует торможению диффузионных процессов на границе контакта соединяемых материалов.

Образование трещин в твердом материале в зоне контактирования его с легкоплавким расплавленным металлом характерно для сварки меди и ее сплавов со сталями и сплавами на основе железа (12Х18Н10Т, 29НК и др.). В зоне контактирования образуются трещины, заполненные медью, размером от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Трещины, направленные от границы сплавления, как правило, располагаются по границам зерен стали.

Возникновение трещин в зоне контактирования при сварке с расплавлением одной кромки зависит от различных условий, основными из которых являются:

- химический состав и структура металла, на который воздействует расплав меди или ее сплава; при наплавке их на сталь ферритного класса трещины отсутствуют, а при наплавке на сталь перлитного класса трещины образуются;

- химический состав наплавляемого на сталь металла; например, добавка в медь никеля или алюминия снижает активность воздействия жидкого металла на сталь;

- режим сварки; с увеличением погонной энергии количество и глубина трещин возрастает.

Режимы, вызывающие расплавление твердого металла, способствуют образованию и развитию трещин.

Сварка по рассматриваемой схеме возможна и для металлов, не обладающих взаимной растворимостью в жидком и твердом состояниях (например, медь + молибден, медь + вольфрам). Соединение в этом случае образуется за счет плавления и смачивания медью твердого молибдена (вольфрама). Медь недостаточно хорошо смачивает молибден и вольфрам. Улучшить смачиваемость и растекаемость меди по этим материалам можно введением в нее железа, марганца, никеля и других добавок. Количество этих добавок не должно превышать 1 масс. %.

Сварка разнородных материалов через промежуточные вставки. Материалы, образующие при взаимодействии хрупкие интерметаллические соединения, эвтектики склонные к образованию трещин, целесообразно сваривать через промежуточные вставки из материала, хорошо сваривающегося с соединяемой парой металлов (рис. 59, а), или через биметаллические вставки из соединяемых металлов, полученных сваркой давлением или совместной прокаткой (рис. 59, б).