Структура статьи:

• Введение.
• Термины и определения.
• Конструкция вакуумных печей для пайки.
• Технологии пайки.
• Практическое применение.
• Оборудование вакуумной пайки.
• Список рекомендаций (литература).

1. Введение

Вакуумная пайка — это процесс соединения материалов в бескислородной среде, использующий сплав припоя с температурой плавления ниже, чем у основных компонентов. Метод незаменим в ряде современных отраслей, где требуется чистые и надежные соединения без примесей.

В этом кратком обзоре мы рассмотрим технологию вакуумной пайки, разберем конструкцию вакуумных печей, сравним конструкции рабочей зоны печей (УУКМ и молибден), поможем правильно выбрать оборудование исходя из ваших задач и приведем примеры современных вакуумных печей российского производства, которые можно купить.

2. Термины и определения

Вакуумная пайка — процесс пайки, осуществляемый в вакууме (как правило, лучше чем 10⁻² мбар) без применения флюса. Обеспечивает высокую чистоту соединения за счет удаления оксидов путем их диссоциации при высокой температуре и в низком парциальном давлении кислорода.

Припойный сплав (ПС), Припой — металл или сплав, температура ликвидуса которого ниже температуры плавления соединяемых материалов. Заполняет зазор между ними за счет капиллярного эффекта, образуя неразъемное соединение.

Температура ликвидуса — минимальная температура, при которой сплав находится в полностью расплавленном состоянии.

Рабочая зона — рабочее пространство вакуумной печи, непосредственно подвергающееся нагреву.

Цельнометаллическая рабочая камера — конструкция камеры, выполненная исключительно из металлических материалов (молибден, нержавеющая сталь, тантал). Исключает использование графита и волокнистых материалов для минимизации газовыделения и риска углеродного загрязнения.

УУКМ рабочая зона — Композитный материал, где углеродное волокно (армирующий каркас) связано с матрицей из пиролитического углерода. Позволяет достигать более высоких температур (до 1600°C и выше), но может быть источником углеродного загрязнения.

Капиллярный эффект — физическое явление, благодаря которому расплавленный припой проникает в зазор между соединяемыми деталями. Эффективность зависит от величины зазора, чистоты и шероховатости поверхностей.

Соединение внахлестку — тип соединения, при котором один элемент частично перекрывает другой. Является предпочтительным для пайки, так как обеспечивает большую площадь контакта и прочность по сравнению с соединением встык.

Активные припои — припойные сплавы, содержащие химически активные элементы (чаще всего титан (Ti) или цирконий (Zr)), способные непосредственно растворять оксидные пленки на поверхности тугоплавких материалов и керамики, обеспечивая смачивание и пайку без предварительной металлизации.

Металлизация — процесс нанесения тонкого слоя металла (чаще всего молибден-марганцевой пасты с последующим никелированием) на поверхность керамики для обеспечения ее способности к пайке стандартными припоями.

Газовая закалка (Gas Quench) — технологическая операция ускоренного охлаждения деталей в вакуумной печи после завершения процесса пайки путем напуска инертного газа (азот, аргон) под давлением.

Бескислородная медь — медь, рафинированная для предельного снижения содержания кислорода. Является обязательным материалом для вакуумной пайки, так как исключает явление водородной хрупкости и внутрикристаллитной коррозии.

Парциальное давление — давление отдельного компонента газовой смеси. В вакуумной пайке контроль парциального давления кислорода и водяного пара критически важен для предотвращения окисления.

3. Конструкция вакуумных печей для пайки

Система вакуумной печи для пайки. Стандартная конструкция включает откачную систему, рабочую камеру, контрольно-измерительные приборы (КИП) и модуль питания с понижающим трансформатором.

Система насосов: Чаще всего используется комбинация механического и диффузионного насоса. Для исключения загрязнения парами углеводородов диффузионный насос может быть заменен на турбомолекулярный насос. Но последние крайне капризны в использовании и ненадёжны. Поэтому, как правило удаётся решать проблемы паров конструкционными способами. Производитель знает как это делать.

Рабочая зона: Состоит из теплоизоляции и нагревательных элементов.

Изоляция из углеродного войлока может адсорбировать газы и генерировать монооксид углерода, что приводит к загрязнению.

Хорошей альтернативой являются металлические рабочие камеры. В конструкции камер таких печей используется пакет из нескольких экранов: внутренние — из молибдена толщиной 0,127 мм, остальные — из нержавеющей стали толщиной 0,127 мм. Основной внутренний экран может быть больше для увеличения срока службы. В России как правило используются зигзагообразные нагреватели.

КИП: Для высокоточных процессов требуется контроль и запись параметров. Температура контролируется микропроцессорным программируемым контроллером. Давление в разных диапазонах измеряется несколькими типами узкодиапазонных датчиков.

Современные отечественные разработки, такие как печи производства "Тула-Терм", успешно реализуют эти принципы, предлагая надежные системы для обеспечения высокой чистоты процесса.

4. Технологии пайки

Сравнение технологий пайки

• Пайка на воздухе (с флюсом): Используется для соединений из нержавеющей стали, меди и их сплавов (например, припои на основе Ag-Cu-Zn-Sn с Tпайки ~600-800°C). Требует обязательного применения флюса для удаления оксидов и последующей тщательной отмытки из-за коррозионной агрессивности флюсов (содержат фториды, бораты). Процесс часто ручной, требует высокой квалификации персонала.
• Вакуумная печная пайка: Проводится в вакууме (обычно 10⁻² – 10⁻⁷ мбар). Не требует флюса, так как оксиды удаляются за счет диссоциации в вакууме при высоких температурах (особенно для меди) или заранее механически/химически. Обеспечивает чистые, беспористые соединения без загрязнений.

Пригодность сплавов припоев: Сплав непригоден для вакуумной пайки, если содержит элементы (например, цинк или кадмий), которые активно испаряются при температурах пайки в вакууме, вызывая дефекты и загрязнение.

Ключевые аспекты производства вакуумно-паяных изделий

Выбор материалов:

• Основные металлы: Должны быть совместимы с вакуумом (низкое газовыделение). Медь — только бескислородная. Запрещены легколетучие элементы (Zn, Cd, Pb, Mn).

• Припойные сплавы (ПС): Не должны содержать летучих компонентов. Наиболее распространены:

• Серебряно-медные (Ag-Cu), например, эвтектический Ag72/Cu28 (T пайки ~780°C).

• Серебряно-медно-палладиевые (Ag-Cu-Pd), например, BAg-7 (T пайки ~ 650°C), Ag68/Cu27/Pd5 (~815°C).

• Золото-медные (Au-Cu) (T пайки ~950-1050°C).

• Никелевые (Ni-based) (T пайки ~1000-1200°C,например, сплавы систем Ni-Cr-P, Ni-Cr-Si-B).

• Активные припои (содержат Ti, Zr) для пайки керамики, например, Cusil-ABA (Ag63Cu35Ti2).

Конструкция соединения:

• Зазор: Важен для капиллярного эффекта. Обычно 0.02-0.05 мм (20-50 мкм) для Ag-припоев. Зазор должен выдерживаться при температуре пайки.
• Форма: Предпочтительны соединения внахлестку (перекрытие ≥ 3× толщины стенки). Острые кромки помогают остановить растекание припоя.
• Фиксация ПС: ПС заранее размещается в пазах, фасках (проволока), в виде фольги или пасты.

Подготовка поверхностей:

• Обезжиривание: Обязательно для всех деталей.
• Удаление оксидов: Механическая обработка, травление.
• Нанесение покрытий: Для улучшения смачивания и создания барьеров диффузии (например, никелирование стали перед пайкой Ag-Cu, серебрение для диффузионной пайки меди).

Процесс пайки:

• Длительный цикл (часы или сутки). Включает нагрев с определенной скоростью, выдержку при температуре пайки для расплавления, растекания ПС и растворения оксидов, и контролируемое охлаждение.
• Нагрев осуществляется преимущественно тепловым излучением, а также индукторами (для локального нагрева или специальных задач).

Испарение компонентов припоя: В высоком вакууме (10⁻⁵ – 10⁻⁶ Торр) элементы с высоким давлением пара интенсивно испаряются. Введение инертного газа снижает скорость испарения.

Преимущества и недостатки вакуумной пайки

Преимущества:

• Отсутствие флюса → нет коррозии, нет затрат на отмывку.
• Идеальная чистота поверхностей → применение в СВЧ-резонаторах и UHV-системах.
• Высокое качество соединений: беспористость, высокая прочность, герметичность.
• Минимальные деформации благодаря равномерному нагреву.
• Возможность пайки тугоплавких и реакционноспособных металлов.

Недостатки:

• Высокая стоимость оборудования (вакуумные печи) и расходных материалов (вакуумные ПС).
• Только цикличное (партионное) производство.
• Длительные циклы нагрева/охлаждения.
• Сложная подготовка: требования к чистоте, точности сборки, фиксации ПС.
• Высокотемпературный нагрев может влиять на свойства основных материалов (отжиг, рост зерна).

5. Практическое применение

• Медь/Нержавеющая сталь: Фланцы камер, трубопроводы (LSS-камеры), охлаждающие контуры (детектор NA62). ПС: Ag-Cu, Ag-Cu-Pd.
• Сложные материалы: Пайка дисперсно-упрочненной меди (GlidCop®) требует нанесения барьерных покрытий (Ni) для предотвращения диффузии Ag.
• Керамика/Металл: Соединения для RF-окон, изоляторов, корпуса коллиматоров (Al₂O₃, AlN). Используются предварительная металлизация керамики (Mo-Mn + Ni) или активные припои. Критичен учет разницы КТР (коэффициент теплового расширения); медь предпочтительнее стали из-за способности к пластической деформации.
• Вакуумная пайка капиллярных контуров : Вакуумная пайка капиллярных систем с диэлектриками. Многоступенчатый процесс с использованием ПС с разными температурами плавления. Соединения труб малого диаметра (~2 мм) с VCR-фитингами, керамическими вставками. Контроль качества — в основном разрушающими методами на квалификационных образцах (металлография, US) и 100% проверка на герметичность готовых изделий.

6. Оборудование вакуумной пайки

Краткие характеристики вакуумных печей для пайки:

Вакуумная система:

• Диапазон рабочего вакуума: от 10⁻² мбар или 7.5 × 10⁻³ торр, 1 Па, 7.5 × 10⁻³ мм рт. ст. (для некоторых стадий) до 10⁻⁶ – 10⁻⁸ мбар. (высокий и сверхвысокий вакуум на основном этапе).
• Насосные системы: Комбинация механического насоса и высоковакуумного насоса (диффузионный, турбомолекулярный или крионасос). Выбор зависит от требований к чистоте.

Горячая зона (рабочая камера):

• Конструкция: Металлическая камера из термостойких материалов (молибден, нержавеющая стать).
• Нагреватели: Изготовлены из молибдена (стержни или листы) или графита. Обеспечивают нагрев до высоких температур.
• Теплоизоляция: Многослойные комбинированные экраны из молибдена (Mo) и нержавеющей стали (SS), заменяющие волокнистые изоляторы для минимизации газовыделения.

Таблица 6.1. Зависимость конструкции рабочей камеры от технологии пайки

Выводы:

• Графитовые камеры/УУКМ предпочтительны для высокотемпературных процессов (>1300°C), но требуют контроля за возможным загрязением углеродом.
• Молибденовые (цельнометаллические) камеры обеспечивают высокую чистоту процесса, исключают риски карбонизации и оптимальны для пайки цветных металлов и ответственных применений.

Выбор конструкции определяется требованиями к температуре, чистоте вакуума и химической совместимости с материалами изделий.

Температурный режим:

• Максимальная температура: Стандартные печи – до 1300–1350 °C. Специализированные печи – до 1600 °C.
• Рабочий диапазон: Как правило, 200–1200/1300 °C.
• Равномерность нагрева: Высокая, обеспечивается конструкцией печи.

Система управления и контроля (КИП):

• Управление: Микропроцессорный программируемый контроллер, позволяющий задавать сложные температурные профили (нагрев, выдержка, охлаждение).
• Контроль: Обязательный мониторинг температуры и давления (вакуумметры: термопарные, ионизационные, емкостные).
• Регистрация данных: Ведутся аналоговые и/или цифровые записи параметров процесса для обеспечения прослеживаемости.

Габариты и загрузка:

• Конфигурация: Горизонтальная или вертикальная загрузка.

• Полезный объем: Сильно варьируется:

• Большие: Ø 650 мм, высота/глубина 1750–2000 мм, масса загрузки до 750 кг.

• Средние: Ø 400–450 мм, глубина 500–1600 мм.

• Малые исследовательские: Ø 120 мм, высота 200 мм (для мелких деталей или испытаний).

Подача газов:

• Система контролируемого напуска инертного газа (например, азот, аргон) для ускоренного охлаждения (газовой закалки) после пайки.
• Контролируемые газовые среды: Возможность работы не только в высоком вакууме, но и в контролируемой атмосфере (Аргон, Аргон/Водород, Водород).

Таблица 6.2. Влияние инертного газа на процесс пайки в различных режимах работы печи

"Тула-Терм", предлагают оба типа решений соответствующее технологическим задачам и бюджету.

Резюмируя всё сказанное, рассмотрим основные требования к печам вакуумной пайки:

• Обеспечение высокого и чистого вакуума.
• Равномерный нагрев по всему объему рабочей камеры.
• Точное программирование и контроль термического цикла.
• Соответствие материалов горячей зоны и нагревателей максимальной температуре процесса.
• Надежная регистрация данных процесса для контроля качества.
• Наличие системы парциальной подачи газа.

Российский производитель вакуумного оборудования — компания "Тула-Терм" выпускает печи, полностью соответствующие требованиям, предъявляемым к печам для вакуумной пайки.

В качестве примеров современного оборудования можно привести:

• Шахтная вакуумная печь СНВС-6.5/12.5-И4.
• Горизонтальная вакуумная печь СНВС-3.3/17-И2-2ВО.
• Горизонтальная вакуумная печь СНВС-3.3/15-И6.

Вакуумная пайка представляет собой высокотехнологичный процесс для решения узкоспециализированных задач: создания высоконадежных соединений сложной конфигурации. Эффективность метода напрямую зависит от строгого соблюдения технологических требований на всех этапах производства и использования надежного, качественного оборудования.

Затрудняетесь с выбором? Получите консультацию наших инженеров.

---

Литература

• Kenelm W. Doak, "So You Need A Vacuum," Electro-Optical Systems Design, (Nov. 1976), p. 82
• N. A. Gokcen, Thermodynamics (Hawthorne: Techischewsch Inc., 1975), p. 180
• O. Kubaschewski and C. B. Alcock, Metallurgical Thermochemistry 5th Edition (New York: Pergamon Press, 1979)
• H. Minihara, "Vacuum Brazing Ceramics to Metals," Advanced Materials & Processes Inc. Metal Progress, (February 1987)
• T. Iseki, H. Matsuzaki, J. K. Bondi, "Brazing of Silicon Carbide to Stainless Steel," Ceramic Bulletin, Vol. 64 No. 2 1965
• Motschmann, F. (2019). Brazing and Vacuum Brazing. Workshop on Pipe Joining Techniques for the ATLAS and CMS Tracker Upgrades. CERN, EN-MME-FW. Geneva, Switzerland.
• Thompson, E. D., & Finn, C. W. P. (1988, August). Vacuum Brazing Furnace Technology and Applicability. Industrial Heating, LV(8), 82.

---

Рекомендуемый дополнительный материал:

• Применение высокотемпературных нагревателей закрытого типа в вакуумной технике.

---

Редактор: Валенцев А.А.