Solderen: mechanisme, gezamenlijk ontwerp en toepassingen

Na het lezen van dit artikel leert u over: - 1. Soldeergedrag 2. Soldaten 3. Gebruikte fluxen 4. Gezamenlijk ontwerp 5. Toepassingen.

Solderen is een proces waarbij materialen worden samengevoegd door ze te verwarmen tot een geschikte temperatuur en door een vulmateriaal te gebruiken, soldeer genaamd, met een vloeistof van maximaal 450 ° C en onder de solidus van het basismateriaal. Het vulmetaal stroomt tussen de pasvlakken door capillaire werking om de verbinding te vormen. Het soldeer is normaal een non-ferro legering.

De sterkte van een gesoldeerde verbinding is hoofdzakelijk te danken aan de vorming van een metaalverbinding, hoewel hechting en mechanische bevestiging ook hun onderdelen spelen. Het soldeer werkt niet door het basismetaal te smelten maar door een kleine hoeveelheid ervan op te lossen om een ​​laag intermetallische verbinding te vormen. Zodra de soldeerverbinding is aangetast, houdt het de onderdelen bij elkaar door dezelfde aantrekkende krachten tussen de aangrenzende atomen als in het geval van een vast metaal.

Mechanisme van solderen :

Het soldeerproces omvat drie nauw met elkaar verbonden factoren, tw:

(i) Nat maken,

(ii) Legeren en verspreiden, en

(iii) Capillaire werking en vullen van het gewricht.

(i) Nat maken:

Het is het eigendom van een vloeistof waarmee het zich over een stevig oppervlak verspreidt. Bij het solderen is het essentieel dat de vloeimiddel of het soldeer zich over de te verbinden basisoppervlakken moet verspreiden. Als een soldeer een oppervlak niet nat maakt, kan het gemakkelijk worden afgebroken, waarbij er weinig of geen soldeer achterblijft op het basismetaal. Het soldeersel dat zich verspreidt en het basismetaal nat maakt, produceert een gezond gewricht tussen de twee oppervlakken en kan alleen worden verwijderd door schrapen of vijlen.

De voorwaarde voor een vloeistof om een ​​vast oppervlak volledig te bevochtigen is dat de contacthoek of de bevochtigingshoek, weergegeven in figuur 17.1, nul moet zijn. De vloeistoffen die het oppervlak niet nat maken, maken een grote bevochtigingshoek zoals getoond in Fig. 17.2.

De bevochtigingshoek is dus een maat voor hoe goed gesmolten soldeer het metaal zal bevochtigen en is de belangrijkste factor bij het visueel beoordelen van de effectiviteit van het soldeerproces en het soldeervermogen van het basismetaal. Bevochtiging is in wezen een chemische reactie die plaatsvindt wanneer een of meer elementen van het soldeer reageren met het basismetaal dat wordt gesoldeerd om een ​​verbinding te vormen. Warmte wordt geleverd om bevochtiging te vergemakkelijken.

Over het algemeen bevochtigen vloeibare soldeermiddelen geen schoon, vast metaaloppervlak. Bijvoorbeeld tin-loodsoldeermiddelen hebben een contacthoek tussen 25 ° en 70 ° met stalen oppervlakken, afhankelijk van de samenstelling van het soldeersel. Tin is echter in staat om met ijzer te legeren en in geval een tinfilm op het staaloppervlak wordt gevormd door legering, zal tin-loodsoldeer het bevochtigen. Over het algemeen bevochtigt een soldeer een metalen oppervlak, mits het een intermetallische verbinding vormt, waarbij de vaste stof of het vaste metaal het soldeer in oplossing kan brengen.

Bevochtiging wordt geremd door oxidelagen, vandaar de noodzaak om dergelijke lagen te verwijderen voor succesvol solderen. Goede bevochtiging is een wenselijke eigenschap in een soldeer om het soldeer soepel, snel en continu naar de voegopening te laten stromen.

Bevochtiging is echter geen absoluut essentiële vereiste voor de vorming van een binding, die tot uitdrukking wordt gebracht door het feit dat hoewel staal niet door lood bevochtigd wordt, maar als gesmolten lood stolt in contact met schoon oxide-vrij staaloppervlak, dit resultaten oplevert. in een sterk gebonden soldeerverbinding.

(ii) Alloying en spreiding:

Het vermogen van een soldeer om te legeren met het basismetaal houdt verband met zijn vermogen om het oppervlak te bevochtigen. Legering houdt verband met de reinheid van het basismetaal. Er moet een innig contact zijn tussen soldeer en het basismetaal om legering op het scheidingsvlak te laten plaatsvinden en dit wordt bereikt door een flux te reinigen en te gebruiken om de oxidefilm te verwijderen van het oppervlak van het basismetaal of de basismetalen die moeten worden verbonden.

Legering helpt ook bij het verspreiden omdat als het vloeibare soldeer in de vaste stof oplost, het onder de oxidelaag kan diffunderen en het los kan maken en zo de stroom gesmolten soldeer over het volledige oppervlak kan geleiden. De karakteristiek en de mate van verspreiding hangen af ​​van de aard van het basismetaal, de temperatuur, de aanwezigheid of afwezigheid van flux, de ruwheid van het metaaloppervlak en de mate van oxidatie.

In sommige gevallen, zoals tin-loodsoldeermiddelen die minder dan 30% tin besparen, worden de evenwichtscondities snel vastgesteld met zeer weinig verspreiding. Bij hogere tinlegeringen wordt de initiële spreiding echter gevolgd door een secundaire spreiding die over een aanzienlijke tijdsperiode plaatsvindt. De maximale spreiding van tin-loodsoldeerders treedt op bij legeringen die dicht bij de eutectische temperatuur liggen en bij praktisch solderen hebben dergelijke legeringen de beste vloei-eigenschappen.

De basismetaalstructuur met verbindingskanalen helpt het soldeersel te verspreiden door capillaire werking. Laterale diffusie van dergelijke kanalen helpt bij een snelle verspreiding van de bulkvloeistof als gevolg van de vorming van diffusiebinding.

(iii) Capillaire werking en gezamenlijke vulling :

De manier waarop een soldeer de ruimte tussen de twee pasvlakken opvult, heeft invloed op de voegvullingcapaciteit en de mate waarin de oppervlakte-imperfecties zijn opgevuld. De vloeibaarheid van het gesmolten soldeer moet zodanig zijn dat het door capillaire werking in de nauwe ruimtes kan stromen. Wanneer andere dingen gelijk zijn, zal het gesmolten soldeer naar een grotere afstand maar met een lagere stroomsnelheid stromen als de scheiding van de oppervlakken wordt verminderd.

De belangrijkste factoren die de effectiviteit van de voegvulling beïnvloeden, zijn de bevochtigingshoek tussen het soldeer en het basismetaal, afstand tussen de twee te verbinden oppervlakken, verwarmingssnelheid en de uniformiteit, temperatuur, aard van het gebruikte soldeer en het gebruik van flux.

De vrije ruimte voor de lichte metalen zoals aluminium en magnesium is aanzienlijk groter (0, 125 - 0, 625 mm) dan voor koperlegeringen (0, 05 - 0, 40 mm). Waar intersolubiliteit van soldeer en moedermetaal een probleem is, kunnen kleine spelingen leiden tot overmatige verontreiniging, toename van het smeltpunt en voorrijpe stolling. Een dergelijke toestand kan in grote mate worden verholpen door hogere verhittingssnelheden.

Ongelijke verwarming leidt tot onregelmatige vulling van de opening die leidt tot verbindingen van slechte kwaliteit. Rechte verbindingen zijn moeilijk gelijkmatig te verwarmen, daarom hebben curvilineaire verbindingen de voorkeur, waar mogelijk.

De samenstelling van de soldeer en de aard van de gebruikte flux hebben een aanzienlijke invloed op de voegvulling en de kwaliteit van de gesoldeerde verbinding.

Solders:

Over het algemeen zijn soldeermiddelen gebruikt in de industrie van het tin-loodsysteem. De meeste metalen kunnen worden verbonden door deze soldeer en ze hebben een goede corrosiebestendigheid voor de meeste media. Afhankelijk van de compatibiliteit van het basismetaal, kunnen fluxen van alle soorten worden gebruikt met deze soldeer. Het is gebruikelijk om te verwijzen naar het tingehalte, dus 60/40 soldeer is 60% tin en 40% lood. De smeltpunten en het stollingsgedrag van tin-loodsoldeer kunnen het beste worden weergegeven met hun fasediagram in figuur 17.3 A.

Fig. 17.3A Metallurgisch evenwichtsdiagram voor het tin-leadsysteem

Het ASTM-nummer, de nominale samenstelling, het smeltbereik en typische toepassingen van verschillende tin-loodsoldeer worden samengevat in tabel 17.1. De selectie van het soldeersel is gebaseerd op het vermogen ervan om het oppervlak van het te verbinden metaal of metalen te bevochtigen en voor de besparing moet de kwaliteit worden gebruikt die de minste hoeveelheid tin bevat die geschikte bevochtigings- en vuleigenschappen verschaft.

Afgezien van de populaire tin-loodsoldeerders, worden andere soldeermiddelen ook toegepast met het oog op het bereiken van de gewenste eigenschappen voor specifieke toepassingen. Sommige van deze systemen omvatten tin-antimoon, tin-antimoon-lood, tin-zilver, tin-lood-zilver, tin-zink, cadmium-zilver, cadmium-zink, zink-aluminium, indium soldeersel en de bismut bevattende soldeer bekend meer in de volksmond als 'smeltbare legeringen'.

De samenstelling, smelt- en vriespunten en de specifieke toepassingen van de belangrijke soldeer in deze systemen zijn opgenomen in tabel 17.2 en kunnen worden gebruikt als algemene richtlijnen.

Fluxen gebruikt in solderen:

Een soldeervloeimiddel kan een vloeibaar, vast of gasvormig product zijn dat bij verwarming in staat is om het bevochtigen van metalen door soldeersels te bevorderen. Zijn functie is om oxides en andere oppervlakteverbindingen van de te solderen oppervlakken te verwijderen door ze te verplaatsen of op te lossen. Het moet een lager soortelijk gewicht hebben dan het soldeer, zodat het kan worden verplaatst door het soldeer in het gewricht.

Soldeerfluxen kunnen in vier groepen worden ingedeeld, namelijk de meest actieve anorganische fluxen, matig actieve organische fluxen, de minst actieve colofoniumfluxen en speciale fluxen voor specifieke toepassingen. De meeste van deze fluxen zijn verkrijgbaar in de vorm van draad, vloeistof, pasta of droog poeder.

1. Anorganische fluxen:

Deze fluxen bestaan ​​uit anorganische zuren en zouten die zeer corrosief zijn en resulteren in een snelle en zeer actieve fluxwerking. Ze kunnen worden toegepast als oplossingen, pasta's of droge zouten. Ze kunnen worden gebruikt voor soldeertoepassingen bij hoge temperaturen omdat ze niet branden of verkolen. De resten van deze fluxen blijven echter chemisch actief na het solderen en daarom moet actie worden ondernomen om ze effectief te verwijderen.

Anorganische fluxen die ammoniakzouten bevatten, kunnen leiden tot spanningscorrosie bij het solderen van messing. Solderen van staal vereist een zinkchlorideflux die zeer corrosieve resten achterlaat. Een oplossing van zinkchloride in zoutzuur die wordt gebruikt bij het solderen van roestvrij staal is zelfs meer corrosief. Het residu van deze fluxen moet grondig worden afgewassen.

2. Organische fluxen:

De hoofdbestanddelen van organische fluxen zijn organische zuren en basen en enkele van hun derivaten zoals hydrohalogeniden. Ze worden gebruikt in het temperatuurbereik van 90 tot 320 ° C waarboven ze worden afgebroken door warmte, waardoor inactieve resten achterblijven.

Organische fluxen kunnen het beste worden gebruikt in berekende hoeveelheden, zodat ze volledig kunnen worden opgebruikt door volatisatie, verbranding of verkoling om geen actieve bestanddelen achter te laten. Onafgewerkte flux mag niet in contact komen met isolatiemoffen en er moet op worden gelet bij het solderen in gesloten ruimtes, zodat de dampen niet condenseren op kritieke delen van de assemblage.

3. Rosin Fluxes:

Een niet-corrosieve harsvloeimiddel kan worden geproduceerd door water-witte rosine op te lossen in een geschikt organisch oplosmiddel, bijvoorbeeld petroleumether. Rosin bestaat voornamelijk uit abiëtinezuur dat actief wordt bij de soldeertemperatuur van 175 tot 315 ° C, maar bij koeling teruggaat naar zijn inerte, niet-corrosieve vorm.

Daarom vindt het uitgebreid gebruik in radio- en elektronisch werk waarbij effectief reinigen na het solderen moeilijk is. Verschillende organische verbindingen worden gemengd met hars gebruikt, bijvoorbeeld hydrochloride van glutaminezuur en hydrazinehydrobromide.

Deze fluxen ontleden zich bij soldeertemperaturen en laten harde, niet-hygroscopische, elektrisch niet-geleidende en niet-corrosieve residuen achter die, indien nodig, gemakkelijk met water kunnen worden afgewassen. Ze vinden veelvuldig gebruik in de elektrotechnische industrie.

Meer vloeibare, 50/50 of 60/40 tin-loodsoldeermiddelen worden normaal gesproken gebruikt met niet-corrosieve rosine-flux.

Mild geactiveerde colofoniumfluxen hebben de voorkeur voor militaire, telefoon en andere hoogbetrouwbare elektronische producten, terwijl meer geactiveerde colofoniumfluxen uitgebreid worden gebruikt in commerciële elektronische en belangrijke toepassingen waar een grondige reiniging na het solderen kan worden verzekerd.

4. Speciale Fluxes:

De reactiefluxen die worden gebruikt voor het solderen van aluminium werken door de oxidefilm te vervangen door een metaalfilm af te zetten op het werkoppervlak door hun ontleding.

Sommige soldeersels zijn ook verkrijgbaar met de flux in de kern. De hoeveelheid flux in de kern kan variëren van 0-5 tot meer dan 3-0%, 2-2% is de meest voorkomende. Rosin-Cored en Acid-Cored soldeer zijn ook beschikbaar en worden respectievelijk gebruikt voor elektrische werkzaamheden en plaatwerk.

Gezamenlijk ontwerp voor solderen:

Soldaten hebben een relatief lage sterkte vergeleken met de metalen waaraan ze moeten meedoen. Het is daarom wenselijk om gesoldeerde verbindingen zodanig te ontwerpen dat ze mechanisch in elkaar grijpen waardoor het soldeer moet werken als een afdichtings- en bindmiddel.

De twee basistypen van gesoldeerde verbindingen zijn de heupgewricht en de stootverbinding. Fig. 17.3B toont de typische gesoldeerde verbindingen die een gesloten naad, een vastzittend stootkussen en een overlappingsverbinding in een pijp omvatten. Gewrichtstype gewricht moet waar mogelijk de voorkeur hebben, omdat dat de mogelijkheid van maximale sterkte biedt.

Complexe gesoldeerde verbindingen kunnen worden gemaakt door handmatig solderen maar voor het proces dat gebruik maakt van geautomatiseerd fluxen, solderen en nabehandelen, moeten de gekozen ontwerpen relatief eenvoudig zijn, wat toegankelijkheid van het gewricht oplevert.

Capillaire werking is een belangrijke factor bij het solderen ervan en is essentieel om een ​​optimale speling tussen de te solderen onderdelen te bieden, zodat flux door capillaire werking in de tussenruimte kan worden getrokken. Gezamenlijke speling tussen 0 07 en 0-12 mm hebben daarom de voorkeur voor de meeste verbindingen om maximale sterkte te bereiken, maar in sommige specifieke gevallen, zoals solderen van voorgelakt metaal, biedt de speling zo laag als 0 025 mm de gewenste sterkte. Overmatige speling kan resulteren in oneconomisch gesoldeerde verbindingen.

Toepassingen van solderen:

Afgezien van de specifieke toepassingen van verschillende eerder beschreven soldeermethoden, zoals het verbinden van auto-radiatorkernen, loodgieterswerk, elektronische industrie, waaronder radio, tv en computers, elektrische industrie voor het verbinden van draden en kabels met nokken en nog veel meer.

Het kan worden gezegd dat solderen in het algemeen vaker wordt gebruikt om verbindingen licht af te dichten, stijfheid toe te voegen en de elektrische geleiding te verbeteren. Het kan soms nodig zijn om afhankelijk te zijn van de treksterkte, maar soldeermiddelen staan ​​beter bekend om hun ductiliteit in plaats van om sterkte. Als echter zorgvuldig wordt gevuld, kunnen verrassend hoge waarden van vasthoudendheid worden verkregen. Bovendien vindt solderen ook zijn toepassing voor het afdichten van gefabriceerde verbindingen die bij elkaar worden gehouden door klinknagels, puntlassen of andere mechanische middelen.