Переход к бесфлюсовой пайке и отказ от свинецсодержащих припоев: положительные и отрицательные стороны Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 621.791.016

ПЕРЕХОД К БЕСФЛЮСОВОЙ ПАЙКЕ И ОТКАЗ ОТ СВИНЕЦСОДЕРЖАЩИХ ПРИПОЕВ: ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ И ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ СТОРОНЫ

© 2015

А. Ю. Краснопевцев, кандидат технических наук, доцент кафедры «Сварка, обработка материалов давлением и родственные процессы»

С. А. Мальцев, магистрант Е. А. Краснопевцева, аспирант Л. Н. Козина, старший преподаватель кафедры «Энергетические машины и системы управления» Тольяттинский государственный университет, Тольятти (Россия)

Аннотация. В данной статье главным образом рассмотрен вопрос перехода к бесфлюсовым способам пайки, как более безопасным. При использовании бесфлюсовых способов пайки отпадает необходимость проведения трудоемкой и затратной процедуры, а именно отмывки остатков флюса от готового изделия. Данный процесс может стать особенно сложным, а иногда практически невыполнимым, если изделие имеет большое количество швов, расположенных преимущественно в труднодоступных местах. В статье приведена классификация способов пайки по различным критериям, таким как: температура процесса, использование или не использование флюсов, а также по виду применяемого припоя. Так же обозначена проблема выброса свинца в атмосферу. Показаны основные источники поступления свинца в атмосферный воздух. Рассмотрены принципиальные различия в работе со свинцовыми и бессвинцовыми припоями. Предложен возможный вариант бесфлюсовой пайки, который может являться альтернативным способом по отношению к другим дорогостоящим способам бесфлюсовой пайки, таким как, например, пайка в вакууме, пайка в защитных или инертных газах. Такие способы пайки требуют применения дорогостоящего оборудования, что оправданно только при большой программе выпуска изделий.

Ключевые слова: бесфлюсовая пайка, бессвинцовый припой, высокотемпературная пайка, газовая среда, контролируемая атмосфера, метод «ампулирования», низкотемпературная пайка, припой, свинец, Флюс.

Постановка проблемы в общем виде и ее связь с важными научными и практическими задачами. В нашем быстро развивающемся обществе стоит уделять внимание не только прибыли, получаемой от реализации новых процессов и производств, а и последствиям, которые следуют за ними. Необходимо остановить свой взгляд на проблемах, которые могут возникнуть, как в экологической, так и экономической и технической сферах, от внедрения новых технологий.

Анализ последних исследований и публикаций, в которых рассматривались аспекты этой проблемы и на которых обосновывается автор; выделение неразрешенных раньше частей общей проблемы. Последние годы наблюдается тенденция перехода к бессвинцовым способам пайки и запрет на использование сви-нецсодержащих припоев при пайке большинства изделий, причем законодательно. Подобный шаг со стороны Правительства объясняется тем, что отравление свинцом проявляется в тяжелой форме и вызывает страшные последствия для здоровья человека. Однако мы забываем о количественных показателях (процентное соотношение свинца в припоях и содержание того же свинца в автомобильных аккумуляторах, например) и интересуемся только качественными показателями, а именно вредным воздействием свинца на организм человека. Стоит задуматься, не приведет ли стремление обезопасить человечество от воздействия

свинца путем изъятия его из паяльных процессов к ещ е более плачевным результатам. Возможно, враг не там, где его ищут, необходимо разобраться с настоящими источниками опасности и попытаться обезвредить их. Нужно разрабатывать новые, более безопасные технологии там, где это действительно необходимо и оправданно, например, отказаться от применения флюсов путем разработки технологии бесфлюсовой пайки.

Формирование целей статьи. Необходимо поднять вопрос о целесообразности и правильности перехода к бессвинцовым технологиям в пайке, а также проанализировать и дать рекомендации в вопросе о переходе к бесфлюсовым способам пайки.

Изложение основного материала исследования с полным обоснованием полученных научных результатов. Существуют изделия, которые невозможно создать при помощи любых других сборочных процессов, кроме пайки. Это теплообменные устройства авиационной промышленности, платы сотовых телефонов, ювелирные изделия. Пайка широко используется в таких видах экономической деятельности, как производство машин и оборудования, производство электрооборудования, электронного и оптического оборудования и производство тракторных средств и оборудования [1].

Пайка подразделяется на низкотемпературную (до 450 °С) и высокотемпературную (более 450 °С). Применение низкотемпературной пайки в машиностроении может быть ограничено условиями работы готового изделия, так, например, если температура его эксплуатации превышает 450 °С. Высокотемпературная пайка позволяет использовать более тугоплавкие припои, позволяющие эксплуатировать изделия при высоких температурах, однако высокотемпературная пайка требует применения сложного и дорогостоящего оборудования.

Пайку также разделяют на флюсовую и бесфлюсовую, в одном варианте, соответственно, применяется флюс, в другом используются либо самофлюсующие припои, либо газовые среды или другие вещества и технологические приемы.

При использовании флюса появляется необходимость проведения операции по отмывке готового изделия от его остатков (рисунок 1).

Рисунок 1 - Остатки флюса

Остатки флюса могут стать причиной возникновения коррозии, ухудшить проводимость элементов и негативно повлиять на свойства изделия в целом (рисунок 2).

Поэтому в условиях массового производства высокотемпературная пайка с применением флюсов теряет свое лидирующее значение, так как после пайки требуется тщательная обработка готового изделия от остатков флюса.

Сложная ситуация возникает при замене припоев, содержащих свинец на бессвинцовые припои. Европейский парламент и Совет по отходам электрического и электронного оборудования (WEEE) 27 января 2003 года ввел в действие директив 2002/96/ЕС [2], а именно переход на бессвинцовые технологии изготовления электронного оборудования. Бессвинцовые припои имеют более высокую температуру плавления и более низкие показатели смачиваемости, чем оло-вянно-свинцовые (рисунок 3).

Рисунок 2 - Отказ аппаратуры из-за не отмытого флюса

Рисунок 3 - Температурные зоны работы со свинцовыми и бессвинцовыми припоями

Поэтому для обработки паяемых поверхностей применяют специальные более активные флюсы, оказывающие еще больший вред на здоровье человека, чем свинец, содержащийся в составе припоя. Таким образом, стремясь обезвредить одну угрозу, мы сталкиваемся с другой, возможно более серьезной.

Количество свинца, которое содержится в припоях для пайки электроники, ничтожно мало по сравнению с тем количеством свинца, которое выбрасывается в атмосферу автотранспортом. Более 80,8 % свинца применяется в автомобильных аккумуляторах, причем эта цифра продолжает расти. Для сравнения: в электронной промышленности используется менее 1 % всего добываемого в мире свинца (рисунок 4) [3].

Рисунок 4 - Источники поступления свинца в атмосферный воздух

Изделия, работающие в агрессивных средах, при высоких температурах, должны быть обеспечены надежной защитой соединений от коррозии. Подобную защиту довольно сложно обеспечить при флюсовой пайке, особенно если изделие имеет большое количество соединений, находящихся преимущественно в труднодоступных местах. Производить отмывку флюсов после пайки таких изделий сложный, трудоемкий и порой просто невыполнимый процесс. Поэтому возрастает актуальность применения бесфлюсовой пайки.

Известные способы бесфлюсовой пайки, как правило, требуют применения дорогостоящего оборудования, что оправданно только при большой программе выпуска изделий. Возможным вариантом для мелкосерийного производства является контейнерная пайка - пайка в контролируемой атмосфере [4].

Одним из решений проблемы создания контролируемой атмосферы является контейнерная пайка. Нагрев в контейнере позволяет создать требуемые для пайки условия без использования сложного специализированного оборудования для пайки в контролируемой атмосфере или вакууме, уменьшить или исключить расход нейтральных или восстановительных газов, сократить цикл пайки за счет более быстрого охлаждения. Основной функцией контейнера является изоляция объема пайки от внешней среды, однако в ряде конструкций предусматривается передача давления на паяемые заготовки или выполнение специальных задач, например создание направленного потока газовой среды в контейнере. Иногда контейнер размещают внутри печи с контролируемой атмосферой, вакуумной печи или другого контейнера (контейнер в контейнере). В этих случаях достигается дополнительная очистка газовой среды, уменьшение испарения испаряющегося компонента припоя или сокращение расхода легкоиспаряющегося элемента при пайке в парах металлов либо введение такого элемента в объем пайки в результате испарения из материала

контейнера - так называемый метод «ампулирова-ния». При контейнерной пайке имеется возможность получения необходимой атмосферы непосредственно в процессе нагрева под пайку за счет ряда физико-химических процессов: термического расширения, испарения, разложения, связывания окислительных компонентов и других химических реакций [5].

Одним из вариантов пайки, когда до нагрева в контейнере находится атмосферный воздух, а в процессе нагрева и испарения активаторов, находящихся в контейнере, образуется среда, является пайка в модифицированной воздушной среде. Замена технологии пайки в вакууме, с использованием инертных газов на пайку в модифицированной воздушной среде, может дать ощутимый экономический эффект, так как значительно экономится электроэнергия, расходы на содержание оборудования и расходные материалы.

Выводы исследования и перспективы дальнейших изысканий данного направления

1. Применение бесфлюсовой пайки дает возможность исключить сложную, порой трудно- выполнимую операцию отмывки готового изделия от остатков флюса, позволяет отказаться от использования вредных и опасных для здоровья человека флюсов.

2. Необходимо исследовать возможности пайки в модифицированной воздушной среде, так как ее применение может дать ощутимую экономию при производстве изделий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Краснопевцева Е. А. Некоторые аспекты влияния пайки на здоровье человека // Природноресурс-ный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России: сборник статей Х Международной научно-практической конференции. Пенза, 2012. С. 69-74.

2. Европейские «экологические» директивы [Электронный ресурс]. Электрон. ст. - Режим доступа к ст. http://www.galvanicrus.ru/eco/euro_eco_dir.php.

3. Григорьев В. Бессвинцовая технология - требование времени или прихоть экологов? [Электронный ресурс]. Электрон. ст. Режим доступа к ст. http://www.contractelectronica.ru/info/articles/rohs/pbf_te chnologie.

4. Исследование возможностей получения и качества соединений при пайке сталей в модифицированной воздушной среде. Дипломный проект Красно-певцева Е. А.

5. Краснопевцев А. Ю. Контейнерная пайка: классификация и терминология // Сварочное производство : ежемесячный научно-технический и производственный журнал. 2009. № 3. С. 40-42.

6. Краснопевцева Е. А., Козина Л. Н. Бесфлюсовая пайка - решение некоторых экологических про-

блем. // ELPIT-2013. Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов: сборник трудов IV Международного экологического конгресса (VI Международной научно-технической конференции). Тольятти, 2013. С.174-177.

7. Краснопевцев А. Ю. Температурные интерва-

лы активности веществ, применяемых в качестве активаторов // Вестник НГИЭИ. 2014. № 12 (43). С. 36-42.

8. Краснопевцев А. Ю., Козина Л. Н. Влияние пайки на здоровье человека // Вестник НГИЭИ. 2014. № 12 (43). С. 31-36.

THE TRANSITION TO FLUX-FREE SOLDERING AND DISCLAIMER LEAD-CONTAINING SOLDERS:

THE POSITIVE AND NEGATIVE SIDES

© 2015

A. Y. Krasnopevtsev, candidate of technical science, associate professor of the chair «Welding, material handling pressure and related processes» S. A. Maltsev, master E. A. Krasnopevtseva, postgraduate student L. N. Kozina, assistant professor of the chair

«Energy Machines and Control Systems» Togliatti State University, Togliatti (Russia)

Annotation. In this paper, the issue of transition to the flux-free soldering processes, as considered safer. When using a fluxless soldering method need for time-consuming and costly procedures such as cleaning flux residues on the finished product is eliminated. This process can be particularly complicated and sometimes impractical when the product has a large number of joints, mainly located in remote places. The article classification methods soldering according to various criteria, such as: the process temperature, the use or non-use of fluxes, as well as on the type of solder used is shown. So the problem of lead emissions into the atmosphere marked. The main sources of lead in the air show. Fundamental differences in the work with lead and lead-free solders are considered. Possible variant fluxless soldering which may be an alternative way with respect to other costly methods fluxless soldering such as, for example, vacuum brazing, soldering, or a protective inert gas, is provided. Such methods require soldering expensive equipment that is justified only when a large program of release of products.

Keywords: soldering, high temperature soldering, flux, flux-free soldering, solder, gas environment, lead, lead-free solder, controlled atmosphere, the method of «ampoule».

УДК 621.791.3: 613.6

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

© 2015

А. В. Малышева, магистрант Л. Н. Козина, старший преподаватель кафедры «Энергетические машины и системы управления» Тольяттинский государственный университет, Тольятти (Россия)

Аннотация. Посвящено выявлению основных направлений рационального использования водных ресурсов в РФ и Самарской области. Рациональное водопользование - процесс эффективного использования водных ресурсов, гарантирующий сохранение и охрану водных объектов от негативного и избыточного антропогенного воздействия и при этом обеспечивающий население и отрасли народного хозяйства водными ресурсами надлежащего качества и в том количестве, которое способно гарантировать не только удовлетворение потребностей, но и развитие промышленности, энергетики, водного транспорта и сельского хозяйства теми темпами, которые необходимы для устойчивого социально-экономического развития Российской Федерации в целом. Наличие достаточно большого количества проблем, присущих водопользованию России, свидетельствует о том, что процесс водопользования в стране не является рациональным. Проведен анализ основ рационального водопользования; рассмотрены основные экономические инструменты, влияющие на процесс водопользования в России, сделан обзор структуры управления водными ресурсами в Самарской области. В настоящее время необходимо обеспечить рациональное использование природных ресурсов, их защиту от загрязнения и деградации, а также умело их восстанавливать, умножать и контролировать для блага человеческого общества. Актуальность проблемы управления водопользованием определяется плачевным состоянием отрасли, причем неоднократные попытки решения