Назовите конструкционные материалы которые можно паять

ПАЙКА И СКЛЕИВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ

Пайка — соединение материалов с помощью припоя, который, находясь в жидком состоянии, смачивает соединяемые материалы, а затем при кристаллизации образует неразъемное соединение путем создания межатомных связей между припоем и соединяемыми материалами. При пайке (в отличие от сварки плавлением) соединяемые материалы находятся в твердом состоянии, так как температура нагрева ниже температур их плавления.

Соединение заготовок методом пайки позволяет изготавливать детали сложной конфигурации, состоящие из нескольких заготовок. При этом возможно соединение разнородных металлов, а также металлов с неметаллами.

Паяные соединения могут быть разобраны (распаяны) расплавлением припоя без повреждения материала спаиваемых деталей. Это важно, например, в радиоэлектронике, когда необходим демонтаж при настройке или замене дефектных элементов.

Величина напряжений, возникающих при пайке, значительно меньше сварочных.

Технология пайки

Технологические материалы при пайке.

Это — припои и флюсы. Припой — материал, соединяющий заготовки. Температура плавления припоя должна быть ниже, чем у паяемых материалов. Флюсы — вспомогательные материалы, они защищают от окисления соединяемые металлы и припой в процессе пайки (аналогично действию флюса при сварке). В состав образующегося паяного соединения флюсы не входят.

Для создания паяного соединения припои и флюсы обязательно должны смачивать соединяемые материалы. Напомним, что смачиваемость — способность растекаться по поверхности металла, а не оставаться в виде капли. Смачиваемость характеризуют краевым углом смачивания. Это угол 0 между плоскостью основного металла, на котором находится капля жидкости, и касательной к капле в месте ее контакта с плоскостью основного металла При 0 0 > 90° — смачивания нет (см. рис. 2.1).

Флюсы используют не во всех случаях. При пайке в защитных атмосферах (аргоне) или вакууме они не нужны, поскольку отсутствует контакт припоя и паяемых заготовок с атмосферой.

Выбор припоев и флюсов определяется температурами плавления материалов соединяемых деталей. Температура плавления /_пл припоя должна быть ниже температуры солидус (температура начала плавления) спаиваемых металлов. При этом следует учитывать, что температура нагрева при пайке на

50. 100 °С выше температуры плавления припоя. В свою очередь, температура плавления флюса должна быть на 100. 15 0 °С ниже температуры плавления припоя. Флюс не должен растворяться в припое и образовывать с ним химических соединений.

Различают низкотемпературную и высокотемпературную пайку.

Для низкотемпературной пайки (температура = 1100. 1850 °С) используют в тех случаях, когда изделие при эксплуатации может нагреваться до температур, превышающих температуры пайки легкоплавких припоев. Прочность этих припоев значительно выше, чем у легкоплавких.

К среднеплавким относятся алюминиевые (/_пл = 440. 590 °С) и серебряные (Сл = 780. 950 °С) припои. Среди алюминиевых припоев наиболее широкое применение получил силумин (сплав системы А1 — Si эвтектического состава), содержащий 11,7 % Si, с температурой плавления 577 °С (см. рис. 18.2) и сплавы на его основе. Алюминиевые припои могут быть легированы магнием, цинком, медью, марганцем и др. Серебряные припои содержат медь, увеличение ее количества снижает температуру плавления |7_ПЛ = 890 и 645 °С припоев ПСр92 и ПСр71 (содержание серебра в которых 92 и 71 % соответственно, остальное — медь)].

В качестве высокоплавких припоев можно использовать сплавы систем Си — Ni, Си — Ni — Si [например, припой ПМН10 (90 % Си, 10 % Ni, tnn =1140 °С)].

Флюсы для низкотемпературной и высокотемпературной пайки различны. Для низкотемпературной пайки в качестве флюса широко используют канифоль (пайка меди и сплавов на ее основе, сталей). Основной составной частью канифоли является абиетиновая кислота С20Н30О2, плавящаяся при температуре 173 °С. Расплавленная канифоль растворяет оксиды, очищая поверхность, а также защищает паяный шов от коррозии. На основе канифоли разработан ряд флюсов (КЭ — 30 % канифоли, 70 % этилового спирта; ЛК2 — 1 % хлорида аммония, 3 % хлорида цинка, 30 % канифоли, 66 % этилового спирта и др.).

Для низкотемпературной пайки алюминия применяют фторато-боратные флюсы (Ф59А, Ф61 А).

Для высокотемпературной пайки (температура > 450 °С) медных сплавов и сталей используют буру Na₂B₄0₇-ЮН₂0 (температура применения — 850. 1050 °С). Для высокотемпературной пайки алюминия применяют флюсы, содержащие хлориды калия, натрия, лития, цинка с добавками фторидов (флюс Ф34А: КС1 — 54. 56 %, LiCl — 29. 30 %, ZnCl₂ — 8. 12 %, NaF — 9. 11 %, температура применения — 420. 620 °С).

Технологический процесс пайки (рассмотрим наиболее полный процесс с использованием флюса) включает следующие операции: подготовка поверхностей под пайку; сборка деталей; укладка припоя и флюса (при флюсовой пайке); пайка; обработка деталей после пайки.

Качество паяного соединения во многом зависит от состояния поверхностей соединяемых деталей — на поверхности не должно быть оксидов, загрязнения. Подготовка поверхностей под пайку заключается в их очистке, обезжиривании, а в ряде случаев нанесении технологических покрытий для улучшения смачиваемости, защиты основного металла при нагреве в процессе пайки. В частности, широко используют лужение — погружение паяемых заготовок в расплавленный припой.

Укладка припоя и нанесение флюса осуществляется следующим образом. Припой укладывают в виде дозированных заготовок из проволоки или фольги. Масса припоя для получения качественных соединений должна быть примерно в 1,5 раза больше, чем необходимая для заполнения зазоров между спаиваемыми заготовками, из-за неизбежных технологических потерь (угар, разбрызгивание).

Нанесение флюса осуществляется разными способами. Порошкообразный флюс разводят дистиллированной водой до состояния негустой пасты и наносят на соединяемые детали. После этого детали подсушивают в термостате при температуре 70. 80°С в течение 30. 60 мин. Флюс может подаваться в место паяния вместе с припоем рабочей частью паяльников, при применении оловянно-свинцовистых припоев — в виде трубок из материала припоя, наполненных канифолью.

Пайка (нагрев места соединения или общий нагрев собранных деталей) выполняется при температурах, превышающих температуру плавления припоя на 50. 100 °С.

Нагрев при пайке осуществляется различными способами. Низкотемпературная пайка выполняется медными паяльниками, нагрев осуществляется за счет непосредственного контакта рабочей части паяльника с паяемыми поверхностями. В зависимости от конструкции соединяемых заготовок используют паяльники с разной формой рабочей части (рис. 22.1).

Широкое распространение получила пайка с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). При этом обеспечивается локальный нагрев с высокой скоростью. В зависимости от формы индуктора можно осуществлять пайку различных деталей (рис. 22.2). Процесс легко поддается автоматизации. Эта технология используется, например, при напайке твердосплавных

Рис. 22.1. Формы рабочей части паяльников

Рис. 22.2. Пайка ТВЧ с применением различных индукторов: а — наружного; б — внутреннего; в — плоского

пластинок на стальные державки при изготовлении режущего инструмента. Вместе с тем технология имеет ряд недостатков и ограничений: вследствие неравномерного нагрева возникает опасность деформаций при пайке; из-за высокой скорости нагрева трудно контролировать температуру; практически не возможна пайка крупногабаритных изделий, а также деталей сложной конфигурации.

Пайка в печи лишена перечисленных недостатков, она нашла широкое применение. Эта технология позволяет проводить одновременную пайку большого количества деталей, а также сложных изделий, когда требуется пайка в разных участках. Температура при нагреве в печи легко поддается контролю и регулировке, это позволяет снизить напряжения в паяных соединениях. Возможно использование печей с нейтральными атмосферами.

При пайке электросопротивлением можно использовать машины для контактной сварки (рис. 22.3, а) и сварочные трансформаторы (рис. 22.3, 6). В обоих случаях припой плавится в результате выделения теплоты в месте контакта припоя и деталей, где величина сопротивления максимальна.

Для пайки могут быть применены и другие методы нагрева (плазменный, электронно-лучевой, газоплазменный).

Паяные швы могут быть замкнутыми и незамкнутыми. При соединении заготовок, имеющих трубную форму, шов замкнутый. При соединении заготовок

Рис. 22.3. Пайка методом электросопротивления: а — на контактных машинах; б — с использованием сварочного генератора; 1 — электрод; 2 — заготовка; 3 — припой; 4 — трансформатор

с плоскими поверхностями — шов незамкнутый, их называют пластинчатыми (рис. 22.4). Конструкция этих соединений и прочность различны. Меньшей прочностью обладают стыковые соединения, они не рекомендуются для изготовления нагруженных деталей, максимальную прочность обеспечивают замковые соединения.

Рис. 22.4. Типы паяных соединений: а — внахлестку; б — встык; в — в тавр; г, е — замковое соединение; д — ступенчатое; ж — гребенчатое; з — косостыковое; и — соединение в угол; к — встык с накладками; л — с отогнутой полкой

ПАЯЕМЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПРИПОИ

В паяных, конструкциях применяются самые различ­ные материалы: стали, чугуны, никелевые сплавы (жа­ропрочные, жаростойкие, кислотостойкие), медь и ее сплавы, а также легкие сплавы на основе титана, алю­миния, магния, бериллия. Ограниченное применение имеют сплавы на основе тугоплавких металлов: хрома, ниобия, молибдена, тантала и вольфрама.

Современные методы пайки конструкционных мате­риалов, имеющих различные физико-химические свой­ства, обеспечивают сохранение или незначительное из­менение их исходных свойств.

Конструкционные материалы нагреваются в процессе пайки до температуры ниже точки плавления. Предель­но допустимую температуру нагрева при пайке можно вычислить по формуле

где Ти—температура пайки, °С;

tc—температура начала плавления, т. е. точка солидуса конструкционного материала; k— коэффициент пропорциональности, значение которого рекомендуется выбирать в преде­лах 0,85—0,95.

Значения температур плавления некоторых конст­рукционных материалов, наиболее широко применяемых в паяных изделиях, приведены в табл. 1. [18].

Наибольшее применение в качестве основного метал­ла паяных изделий нашли стали различного состава. В углеродистых сталях, широко применяемых в производ-

Температуры плавления паяемых конструкционных материалов

плавления (солндус), °С

плавления (ликви­дус), °С

Магниевый литейный сплав

Аллотропические формы железа

Температура существова­ния формы (при медлен­ном нагрева­нии), °С

Кристаллическая решетка н параметр о

Центрированный куб, 2,86 + 2,895

Магнитно. Растворяет углерода при 0° С до 0,006%, при 723°С до 0,02%

Центрированный куб, а=2,90

Немагнитно. Растворяет углерода до 0,02%

Куб с центриро­ванными гранями, а=3,65+3,678

Немагнитно. Растворяет углерода до 2,0%

Центрированный куб, а = 2,925+ + 2,93

Немагнитно. Растворяет углерода до 0,08%

Примечание. Модификации а и g имеют одинаковую решетку, по — этому нх обычно объединяют в одну форму а.

Структурные Составляющие и структуры железоуглеродистых сплавов по диаграмме состояния железо — углерод

Структурная составляющая или структура

Состав, строение, свойства

Твердый раствор углерода (и других элементов) в a-железе при содержании до 0,02% С; НВ— = 80 ч-130 кгс/мм2

Первичный, вторичный, третичный, эвтектический, эвтектоидиын. Химическое соединение железа и углерода Fe3C (6,67% С); НВ>800 кгс/мм2. Кри­сталлическая решетка сложная ромбоэдрическая

Эвтектоидиая микросмесь феррита и цементита при содержании 0,8% С; НВ—160-4-260 кгс/мм2 (мелкозернистый перлит имеет твердость около 160 кгс/см2, а крупнопластинчатый — около 260 кгс/мм2), в зависимости от формы структур­ных составляющих бывает пластинчатым или зер­нистым

Твердый раствор углерода (и других элементов) в у-железе с содержанием до 2,0% С. Аустенит при отсутствии в нем легирующих элементов име­ет твердость НВ ж 200 кгс/мм2

Твердый раствор углерода (и других элементов) в б-железе при содержании до 0,08% С

Эвтектическая микросмесь перлита, вторичного цементита и эвтектического цементита при содер­жании 4,3% С (в пределах температур до 723°С). Твердость 600 кгс/мм2. В интервале темпе­ратур 723—1130° С ледебурит представляет собой эвтектическую микросмесь аустенита, вторичного цементита и цементита эвтектического

2. По возможности Не содержать дефицитных ком­понентов.

3. Иметь общедоступную технологию производства и применения.

В настоящее время в технике применяют самые разнообразные металлы в чистом виде и сплавы на их основе, которые могут подвергаться пайке. Однако на­ибольшее распространение получили сплавы на основе железа, меди, никеля и алюминия, для которых и разра­ботано большинство известных припоев. Другие металлы в паяных конструкциях встречаются значительно реже, и пайка их во всех отношениях менее исследована.

Припои на основе меди

В качестве припоев широко применяют медь в чистом виде и сплавы меди с цинком, марганцем, фосфором и другими элементами.

Медь в чистом виде в расплавленном состоянии от­личается высокой жидкотекучестью, хорошо смачивает поверхность сталей, твердых сплавов, никеля и никеле­вых сплавов; затекает в тончайшие капиллярные зазо­ры и дает прочные и пластичные паяные соединения.

Из припоев на основе меди наибольшее распростра­нение получили сплавы меди с цинком.

Медноцинковые припои представляют собой двойные сплавы меди и цинка в различных соотношени­ях. Диаграмма состояния сплавов системы медь — цинк приведена на рис. 19. Наибольший интерес представля­ют сплавы, содержащие менее 39% Zn и имеющие одно­фазную структуру a-твердого раствора. С увеличением содержания цинка пластичность припоев снижается, вы­зывая охрупчивание паяных соединений.

Наряду с хорошими технологическими свойствами медноцинковые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью. Припои, имеющие структуру а-твердого раствора, сохраняют достаточную прочность даже в ус­ловиях глубокого холода. Недостатком этих припоев является испарение цинка при пайке, что ухудшает ус­ловия работы с ними и приводит к повышению темпера­туры плавления сплава.

Припои на основе сплавов меди с м арган — цем обладают сравнительно низкой температурой плав-

ления, достаточно высокой прочностью и пластичностыб. Припои этой системы не получили распространения, но они весьма перспективны, так как паянные ими соеди­нения имеют более высокую по сравнению с соединения­ми, паянными медноцинковыми припоями, прочность при

0 4 8 12 1В 20 24 28 82

Си Р, °/о(по массе) Р

Рис. 21. Диаграмма состояния системы медь — фосфор

температуре 500—600° С. Диаграмма состояния сплавов системы медь — марганец приведена на рис. 20.

Меднофосфористые припои. Наряду с медно­цинковыми и медномарганцевыми припоями применяют припои на основе сплавов меди с фосфором. Диаграмма состояния системы сплавов медь — фосфор приведена на рис. 21. Наиболее низкой температурой плавления обла­дает эвтектический сплав меди с 8,4% Р, однако, несмот­ря на легкоплавкость, его применяют редко ввиду высо­кой хрупкости и низкой прочности. В качестве меднофос­фористых припоев чаще применяют доэвтектические сплавы, содержащие 5—7% Р. При пайке ими сталей в результате взаимодействия железа с содержащейся в припое фосфористой медью образуется фосфористое же­лезо Fe3P, которое отлагается по границе с основным металлом в виде отдельного хрупкого слоя. Для предот­вращения охрупчивания таких соединений сталь иногда предварительно покрывают медью.

Пайка металлов: описание технологии

О чем речь? Пайка металлов представляет собой работу по соединению твердых заготовок специальным припоем, температура плавления которого ниже, чем у соединяемых материалов. В процессе применения технологии механические свойства изделий сохраняются.

На что обратить внимание? Пайка имеет некоторые недостатки вроде не слишком высокой по сравнению со сваркой надежности соединения деталей, поэтому применяют ее в тех случаях, когда отсутствуют определенные требования к прочности контакта или же выйти из ситуации иным образом просто не получается.

Вопросы, рассмотренные в материале:

• Немного истории о пайке
• Процесс пайки металлов
• Разница между пайкой и сваркой металлов
• Классификация способов пайки
• Методы нагрева при пайке
• Используемые припои и флюсы
• Особенности пайки некоторых металлов
• Плюсы и минусы пайки
• Сферы применения технологии

Немного истории о пайке

Пайка использовалась для соединения элементов из различных металлов еще в древности. В ходе раскопок археологи часто находят артефакты, при изготовлении которых применялась эта технология. Территория Древнего Египта, Древнего Рима, Древней Греции, погребальные комплексы вавилонских царей – далеко не полный список мест таких находок. Древнеримские мастера пользовались церарием и аргентарием – припоями, химический состав которых близок к современным.

Развитие технологии условно может быть разделено на три периода. Это связано с тем, как менялись способы нагревания металла. Первый из них относится к бронзовому веку, когда в качестве источника тепла употреблялось исключительно твердое топливо – дерево и древесный уголь. Начиная с конца XIX века, мастера начали использовать для нагрева электричество.

В XX веке в промышленности стали широко применяться новые материалы – цирконий, вольфрам, алюминий, титан, высокопрочные и жаропрочные стальные сплавы, что породило растущий спрос на принципиально новые методы. Современные технологии паяния черных и цветных металлов очень разнообразны, но объединяет их то, что пайка – единственно возможный способ создания неразъемных соединений при работе с широким перечнем новейших материалов.

Процесс пайки металлов

Для пайки металлических деталей используется присадочный материал с низкой температурой плавления. От сварных соединений паяные отличаются тем, что для их формирования не требуется расплавления металла соединяемых заготовок. При паянии происходит взаимная диффузия припоя и основного материала.

Пайку производят в несколько этапов:

1. Подготовка соединяемых поверхностей – необходимо зачистить металл и снять фаску.
2. Нанесение тонкого слоя флюса, подобранного в зависимости от характеристик соединяемых материалов. Для равномерного распределения поверхности следует предварительно пролудить.
3. Нагревание заготовки горелкой или электрическим паяльником. Температура в зоне нагрева должна превышать температуру плавления присадочного металла.
4. Нанесение на разогретую зону заготовок припоя, который, плавясь, заполняет зазор между соединяемыми поверхностями.
5. Охлаждение припоя. Чтобы полученное соединение было прочным и качественным, металл должен остывать естественным путем.

Для соединения заготовок из меди и титана была разработана технология пайки металла без припоя, основанная на контактном плавлении – нагретый до необходимой температуры материал плавится в зоне контакта, заполняя пространство между заготовками и соединяя их.

Разница между пайкой и сваркой металлов

Для неподготовленного человека разницы между технологиями пайки и сварки металлов на первый взгляд нет. Визуально полученные в обоих случаях соединения практически ничем не отличаются. Кардинальные различия в области принципов, лежащих в основе каждого из методов.

В первую очередь отличается характер воздействия на поверхность заготовки. Сварное соединение формируется при кристаллизации расплавленной смеси базового металла и флюса, которая образуется под действием высокой температуры. Для достижения высокой температуры необходимо создать электрическую дугу. Зону соединения при пайке формирует только легкоплавкий припой. Материал соединяемых деталей остается в прежнем агрегатном состоянии, так как температура недостаточна для его плавления.

Для сварки необходимо дорогое оборудование. К примеру, при использовании полуавтоматического аппарата требуется подключение подающего механизма для сварочной проволоки. Широкое применение пайки металла обусловлено в частности тем, что необходимый инструмент и расходные материалы относительно недороги. Именно по этой причине метод популярен у тех, кто занимается мелким ремонтом в домашней мастерской.

Классификация способов пайки

Классификация выделяет множество видов пайки металлов в связи с большим количеством учитываемых параметров. Принадлежность способа к тому или иному виду зависит от метода получения припоя, источника нагрева, характера заполнения зазора присадочным металлом, типа кристаллизации материала шва, приема удаления оксидной пленки, характеристик давления в месте соединения и т. д.

Один из важных показателей классификации методов паяния – температура плавления присадочного металла. Различают высокотемпературную пайку, когда процесс протекает при +450 °C и выше, и низкотемпературную, если для плавления припоя нужна меньшая степень нагрева.

Низкотемпературная пайка обладает рядом плюсов. Технологический процесс относительно прост и не требует высоких затрат. Данным способом можно пользоваться для работы с тонкими пленками и миниатюрными деталями. Хорошая электро- и теплопроводность используемых присадочных материалов позволяет спаивать разнородные материалы, что обуславливает широкое применение таких технологий в электронике и микроэлектронике.

Соединение металлов пайкой при температуре выше +450 °C также имеет ряд преимуществ. Подобные технологии используются для изготовления герметичных, вакуумно-прочных сплавов для конструкций и изделий, эксплуатация которых связана с большим давлением. Соединения выдерживают большие нагрузки и отличаются высокой ударопрочностью. Для нагрева зоны сцепления до высокой температуры используют газовые горелки, средне- или высокочастотные индукционные токи.

Рекомендуем статьи

Для работы с заготовками, зазор между которыми имеет неравномерный или некапиллярный характер, применяется композиционная пайка. Процесс протекает с использованием припоев, состоящих из легкоплавкой составляющей и наполнителя, температура плавления которого выше используемой для пайки. Такая присадка не меняет своего агрегатного состояния, заполняя существующие зазоры и помогая проникновению расплава в пустоты.

По характеру получения припоя способы пайки разделяют на два вида:

1. Пайка готовым припоем. Нагретый присадочный металл плавится, заполняет зазор между заготовками и удерживается в нем капиллярными силами, которые играют в данном процессе очень важную роль, обеспечивая максимальное заполнение пустот расплавленным металлом и высокую прочность соединения.
2. Реакционно-флюсовая пайка. В этом способе образование припоя обеспечивает реакция вытеснения, в которую вступают металл заготовок и специальный флюс.

Методы нагрева при пайке

В зависимости от специфики процесса и назначения изделий для пайки могут использоваться различные способы, обеспечивающие нагревание либо непосредственно места соединения (локализованный нагрев), либо всей заготовки (диффузный нагрев).

Технологии с локализованным нагревом:

1. Пайка металла газовой горелкой. Для того чтобы нагреть и расплавить припой, используются горючие газы – пропан, ацетилен или воздушно-водородная смесь. Метод требует использования защитного флюса, который после остывания материала нужно удалить, зачистив место соединения.
2. Индукционная пайка – с помощью высокочастотного переменного тока, подаваемого в катушку, достигается температура, достаточная для нагревания заготовок и плавления присадочного металла.
3. Пайка сопротивлением – сочленяемые заготовки выступают звеньями электрической цепи и нагреваются за счет сопротивления материала и токопроводящих элементов. Технология обычно используется для формирования простых соединений между металлическими заготовками.

Методы диффузного нагрева:

1. Пайка в печах. Требуемая температура достигается за счет электрических нагревателей или сгорания газа. Соединяемые детали с нанесенным на стык припоем помещают в камеру специальной печи и нагревают. Преимущество метода заключается в возможности точного контроля температурного режима. Для защиты металла от взаимодействия с атмосферными газами пайку осуществляют в вакууме, что позволяет отказаться от использования флюса.
2. Пайка погружением. Соединяемые детали погружаются в емкость с расплавленным припоем. Для защиты от окисления на поверхности наносят флюс.

Используемые припои и флюсы

Припои

Огромную роль в процессе пайки играют присадочные материалы, для изготовления которых используют чистые металлы или их сплавы. Припой может быть в виде порошка, пасты, стержня, таблеток, гранул или тонкой фольги и обладать разной температурой плавления и смачиваемости. Важно, чтобы соединение молекул присадки и заготовки было прочнее, чем молекулярные связи в самом присадочном металле.

Припой должен обладать меньшей температурой плавления, чем металл соединяемых заготовок. По этому параметру присадочные материалы разделяют на два вида – легко- и тугоплавкие. К первому виду относят олово и свинец, которые применяют отдельно или в составе многокомпонентных припоев. Тугоплавкие припои изготавливают на основе серебра или меди. С использованием медно-цинковых припойных материалов производят пайку заготовок из стальных сплавов, а также медных и бронзовых деталей.

Применяя для пайки серебряные припои, можно получить высокопрочные соединения. Такие присадочные материалы используют при изготовлении узлов, подвергающихся в ходе эксплуатации ударам и вибрациям. Для пайки деталей изделий, которые подвергаются при эксплуатации воздействию высокой температуры, часто пользуются никелевыми припоями. Золото используют в качестве припоя при изготовлении ювелирных изделий или трубок, предназначенных для работы в вакууме. Припои на основе магния используют для пайки деталей из магния и его сплавов.

Флюсы

Флюсы для пайки металлов нужны, чтобы избавляться от имеющейся оксидной пленки и препятствовать ее дальнейшему формированию. В зависимости от химического состава они могут обладать различными характеристиками.

Флюсы принято разделять на четыре вида. Они могут быть:

• активными или нейтральными;
• жидкими, твердыми, пасто- и гелеобразными;
• низко- и высокотемпературными;
• водными и безводными.

Чаще всего для пайки металлов пользуются канифолью, хлористым цинком, ортофосфорной кислотой, борной кислотой и ее натриевой солью – бурой.

Особенности пайки некоторых металлов

В зависимости от материала соединяемых заготовок для пайки применяют различные способы, припои и флюсы:

Стальные сплавы

Для пайки стальных деталей чаще всего используют припои на основе олова. Особенность работы со сталью заключается в способе нагрева присадочного металла – он должен нагреваться не от источника, а от разогретых до нужной температуры заготовок.

Чугун

Паять можно все чугунные сплавы, кроме белого чугуна, который обладает крайне низкой адгезией из-за содержащегося в нем графита. В качестве флюса при пайке пользуются борной кислотой. Температура не должна быть выше порога в +750 °C, иначе происходят необратимые изменения в структуре металла.

Титан

Этот металл считается одним из самых сложных для пайки из-за различных газов, насыщающих его поверхностные слои. Детали необходимо подвергать предварительной подготовке – травлению или пескоструйной обработке. Паять рекомендуется в вакууме, что позволяет значительно повысить качество соединения. Как альтернативу можно использовать флюс на основе серебра. Температура пайки – +900 °C.

Нихром

Нихромом называют сплав на основе никеля, содержащий до 23 % хрома, а также марганец, кремний, железо и алюминий. Пайка заготовок из этого материала не связана с какими-либо сложностями – благодаря температуре плавления +1 100…+1 400 °C для работы можно пользоваться любым подходящим припоем.

Серебро

Для пайки серебряных заготовок не требуется особых навыков и опыта. При соединении заготовок пользуются припоем на основе серебра и флюсом – тетраборатом натрия (бурой). Если изделие из серебра обработать раствором лимонной кислоты, поверхность станет более светлой, а при обработке йодом – потемнеет.

Золото

Для пайки золота можно смело применять самые разные флюсы. Опытные мастера рекомендуют пользоваться хлоридом цинка или спиртовым раствором канифоли. Что касается присадочного материала, то здесь нужно быть более внимательным – употребление олова или свинца нежелательно, так как в первом случае соединение окажется хрупким, а во втором – слишком вязким. Оптимальный припой в данном случае – серебряный. Температура не должна быть выше +900 °C.

Если сломалось золотое украшение, лучше всего обратиться за помощью к ювелиру, так как, помимо паечных материалов, для ремонта будут нужны специальные инструменты.

Плюсы и минусы пайки

1. соединение заготовок из материалов с разными физико-химическими свойствами;
2. работа в труднодоступных местах, где осложнено или невозможно применение сварки;
3. обработка всех поверхностей в месте соединения деталей;
4. получение высококачественных соединений, так как нагрев заготовок настолько незначителен, что в них не формируются участки внутреннего напряжения;
5. получение хорошего результата даже при отсутствии большого опыта и высокой квалификации;
6. работа с деталями любых размеров и форм.

Среди главных недостатков следует упомянуть:

1. меньшую, чем у сварных швов прочность соединения;
2. низкую стойкость соединений к воздействию высокой температуры;
3. низкую производительность, связанную с необходимостью выполнять множество последовательных операций.

Сферы применения технологии

Пайка применяется очень широко. Эта технология по частоте использования уступает только сварке, а в ряде областей промышленности выходит на первый план. Сказанное относится к:

1. Производству электронных плат управления, на которые посредством пайки крепятся миниатюрные детали.
2. Соединению заготовок из высоколегированной стали, плохо поддающейся сварке.
3. Авиационной промышленности. Обшивка самолетов включает в себя слой из сотового материала, который производят методом пайки в печах.

Также пайку применяют для соединения медных труб, из которых изготавливают теплообменники и различные трубопроводы для транспортировки жидкостей и газов, крепления режущих частей из твердых сплавов для металлорежущего инструмента. Этот процесс часто используется для работы с деталями из тонкого листового металла. Кроме того, технологию употребляют, чтобы лудить металл там, где его необходимо защитить от ржавления.

Особенно популярна пайка металлов в домашних условиях, где невозможно использовать другие технологии. С ее помощью уплотняют резьбовые соединения, устраняют поры на металлических поверхностях, ремонтируют разболтавшиеся подшипники, восстанавливают контакты в электронных бытовых приборах и т. д.

Подводя итог, можно сказать, что пайка выручает там, где нельзя по той или иной причине использовать сварку, болтовые соединения, заклепки и клей. Она не требует от мастера высокой квалификации или глубоких специальных знаний.

Пайка стали, меди, алюминия, нержавейки, оцинковки

Процесс соединения заготовок, в результате которого их материал не расплавляется, называется пайкой. То есть, материал не изменяет своих технических характеристик и качеств.

Пайка металлов происходит за счет смачивания поверхностей заготовок жидким припоем, которым заполняется зазор между двумя металлическими изделиями. При этом припой – это металл или сплав нескольких металлов, обычно олова и свинца.

Соединение с помощью пайки, без расплавления, дает возможность в будущем разъединить детали (распаять или перепаять заново), не нарушая их свойств. Качество пайки зависит от типов соединяемых металлов, от припоя и флюса, нагрева и вида соединения.

Преимущества и недостатки

К преимуществам процесса пайки можно отнести:

возможность соединять сталь с цветными металлами;

Что касается недостатков пайки, основной – это невысокая прочность паяного соединения на отрыв и сдвиг за счет мягкости припойного металла. Сложно проводить операции, которые касаются высокотемпературной технологии.

Отличия пайки металла от сварки

Существует два основных метода скрепления двух металлов: cварка и пайка. В первом случае элементы скрепляются за счет расплавления кромки металла. Это может быть как нагрев, так и скрепление при помощи нагнетания давления. В случае пайки заготовки скрепляют между собой при помощи присадочного материала – припоя.

В некоторых случаях пайка является более щадящим и экономичным способом скрепления заготовок. Также пайка обладает рядом преимуществ:

1. Обе детали не нагреваются да температуры плавления. Таким образом получается сохранить их физические и химические свойства.
2. Заготовки не требуют тщательной очистки и обработки, как это требуется при сварке.
3. Оборудование для пайки стоит намного меньше, чем сварочные аппараты.
4. Возможность изготовления сложных узлов и конструкций.
5. Прочность полученного стыка. Детали не гнуться и не деформируются после спаивания.

Рассмотрим подробнее методы пайки разных металлов.

Где применяется

После сварки пайка находится на втором месте по применению в категории стыковки металлов. А в некоторых областях производства она занимает главенствующую позицию.
К примеру, в производстве компьютеров, сотовых телефонов и другой IT-ной техники. Ведь мельчайшие детали этой техники требуют компактного контакта между собой.

Кроме этого пайка применяется для соединения медных трубок в производстве холодильников, теплообменников, при соединении твердосплавных деталей между собой, к примеру, режущие пластины к резцам.

При проведении кузовных работах проводится соединение деталей к тонким металлическим листам. Лужение тоже является частью процесса пайки, а эту операцию применяют для защиты различных конструкций от коррозии металлов.

В общем, можно сказать, что если в каких-то ситуациях нельзя соединить две металлические заготовки между собой сваркой, болтовым соединением, шпильками, клепками, клеем или другими способами, то на помощь приходит именно пайка металла.

Похожее

• Прием, хранение и транспортировка химикатов
• Сборка наборных кабелей, жгутов и шнуров
• Должностная инструкция старшего комплектовщика
• Контроль требований промышленной безопасности. Положение
• Должностная инструкция ведущего инженера
• Должностная инструкция инженера-технолога-программиста
• Управление процессами. Обеспечение культуры производства на предприятии

Предыдущая статья Монтаж силовых наконечников

Следующая статья Отгрузка продукции с производства при ВП

Разновидности

Классификация пайки металлов достаточно сложна, потому что в каждой категории приходится учитывать большое количество различных параметров. Имеет значения тип припоя, способ нагрева, присутствует ли в зазоре давление или нет, как кристаллизуется паяный шов.

Но чаще всего разделение проводится по температуре расплавленного припоя. Это низкотемпературный процесс (до 450 ℃) и высокотемпературный (свыше 450 ℃).

Низкотемпературную пайку чаще всего используют именно в электронике, потому что сама технология достаточно проста и экономична. При этом появляется возможность паять мелкие детали, что актуально для этой промышленности. К тому же этим способом можно проводить соединение разнородных металлов и материалов.

Что касается высокотемпературной технологии, то она обозначается высокими прочностными характеристиками места стыка, такое соединение может выдержать даже ударные нагрузки и высокое давление.

В мелкосерийном производстве высокую температуру обеспечивают газовыми горелками или токами индукционного типа средней или высокой частоты.

В классификации процесса пайки есть еще одно разделение, в основе которого лежит тип припоя. Самый распространенный способ – использовать готовый припой.

Кстати, это не обязательно стержни из сплавов, это может быть специальная паста. Припой просто расплавляется и затекает в зазор между деталями. Здесь проявляется капиллярное явление. Силы поверхностного натяжения заставляют расплавленный металл проникать во все поры и трещины деталей.

Вторая позиция в этом разделении – реакционно-флюсовая операция, для чего используется цинкосодержащий флюс. По сути, между нагретыми кромками заготовок из металла и флюсовым материалом происходит химическая реакция, конечный результат которой и есть припой.

Способы нагревания

Паяльные материалы можно нагревать разными способами. Если говорить о домашнем применении процесса пайки металлов, то самый распространенный вариант – паяльник или горелка.

Первый инструмент используется, если необходимо провести низкотемпературный процесс, второй – если высокотемпературный. Разнообразие современных паяльников велико. Среди них есть устройства с автоматической регулировкой температуры и другими полезными функциями.

В производстве используются в основном другие технологии: печная пайка, с помощью индукционных нагревателей, с погружением в специальные ванны с металлом или солями.

Применяется нагрев электросопротивлением, когда припой и соединяемые заготовки нагреваются за счет протекания по ним электрического тока, и прочие.

Припои

В реализации пайки элементов важны припои. Изготавливают их из чистых металлов или их сплавов. При выборе обращают внимание на две основные их характеристики: смачиваемость и температура плавления. Первое свойство – это сцепление припоя с заготовками, где прочность соединения между ними становится выше, чем между молекулами самого припойного материала.

Что касается температуры, то тут есть одно требование – температура плавления припойного металла должна быть ниже, чем тот же показатель у заготовок. Поэтому припойный материал делится на две категории: легкоплавкие и тугоплавкие.

Первые – материалы на основе олова и свинца в чистом виде или с добавлением различных компонентов. Вторые – материалы на основе серебра или меди. Это медно-цинковые припои, которыми можно паять медные, бронзовые и стальные заготовки.

Серебряные марки считаются лучшими, у них высокие прочностные характеристики, поэтому их применяют для стыка деталей, работающих под вибрацией или ударами.

Кроме основных видов в промышленности используются и другие разновидности. К примеру, никелевые применяют для деталей, работающих при высоких температурах.

Золотые – для соединения золотых украшений или пайки трубок, работающих под вакуумом. Магниевые – для стыковки магниевых заготовок или деталей из сплавов этого металла.

Сам припой может быть изготовлен в виде стержней, пасты, порошка, таблеток, тонкой фольги, гранул различного размера.

Что может понадобиться для пайки?

Для пайки требуется источник тепла. Можно паять с использованием открытого пламени, электрической спирали, а также луча лазера. Последний позволяет паять даже чистым металлом. Дома пользуются преимущественно электрическим паяльником. Он предназначен для:

• монтажа и ремонта различных электронных схем;
• конструирования и ремонта электротехнического оборудования;
• лужения слоем припоя различных металлических изделий.

Паяльник

Паяют ручным паяльником, который используют для:

• прогрева соединяемых компонентов;
• нагрева припоя до перехода его в жидкое состояние;
• нанесения жидкого припоя на соединяемые элементы.

Паяльник, который изображен на рисунке 1, содержит:

• изолированный слюдяной пленкой или стеклотканью спиральный нагреватель из нихромовой проволоки;
• медное жало, которое расположено внутри спирали;
• пластиковую или деревянную рукоятку;
• корпус для размещения жала паяльника и спирали.

Рисунок 1. 100-ваттный паяльник с пластиковой рукояткой и трехполюсной вилкой
Подключение к электрической сети производят кабелем длиной примерно 1 м, который через ограничитель радиуса изгиба выходит из задней части рукоятки.

Деревянная или пластиковая рукоятка имеет форму простой ручки. Электронные схемы паяют изделиями небольшой мощности, оборудованных пистолетными рукоятками с кнопкой-курком для быстрого разогрева жала. Один из вариантов такого инструмента показан на рисунке 2.

Рисунок 2. Радиомонтажный паяльник пистолетного типа

Бытовые паяльники предназначены для подключения к сети напряжением 12 и 220 В.

220 — вольтовые паяльники из соображений обеспечения электробезопасности должны комплектоваться 3-контактной вилкой, обеспечивающей надежное заземление. Для 12-вольтовой техники достаточно простой 2-контактной плоской вилки.

Припой

Паяют припоем – сплавом олова со свинцом, возможны добавки иных металлов. Припой имеет форму трубки или проволоки различного диаметра. Трубчатый припой заполнен внутри канифолью, паять с его помощью более удобно.

Свинец вводят в сплав для уменьшения стоимости. Его удельное содержание различно, что прямо отражается в марке. Например, ПОС-61 (очень популярный третник) означает:

• П — припой;
• ОС – оловянно-свинцовый;
• 61 – с 61-процентным содержанием олова.

В быту паяют сплавами с уменьшенным содержанием олова, лужение посуды целесообразно выполнять составом ПОС-90.

Кроме того, паяют мягкими и твердыми припоями. Мягкие составы имеют температуру плавления менее 450, остальные относят к твердым. Температура плавления припоя ПОС-61 составляет 190 – 192 °С. Из-за сложностей разогрева высокотемпературную пайку с привлечением твердых припоев электрическим инструментом не выполняют.

Составами с добавлением легкоплавких металлов: алюминия и кадмия – паяют алюминий. Из-за повышенной токсичности паять с их помощью можно только при отсутствии альтернативы.

Паяют обязательно под флюсом — вспомогательным компонентом, обеспечивающим:

• растворение окисных пленок на поверхности соединяемых деталей;
• хорошее сцепления с ними паяльного сплава;
• улучшение условий растекания сплава по поверхности тончайшим слоем.

Обычно в этом качестве используют канифоль, а также составы на основе ее смеси со спиртом, глицерином и цинком. Канифоль имеет температуру размягчения чуть выше 50°С, при 200°С кипит. Химически канифоль довольно агрессивна по отношению к металлам и гигроскопична, при насыщении влагой быстро увеличивает проводимость. В зависимости от добавок и их концентрации демонстрирует свойства нейтральных или активных флюсов.

Канифоль и припой

Канифольный флюс продается в виде порошка, кусками или раствора канифоли.

Серебро, нержавеющую сталь и некоторые другие металлы можно паять только с помощью специальных флюсов (известны как кислотные флюсы или паяльные кислоты).

Некоторые монтажники, которые паяют провода, для улучшения качества облуживания выполняют предварительный нагрев на таблетке аспирина, пары которого выполняют функции флюса.

Паяльные пасты

Паяльная паста это композиция из припоя и флюса. Ею паяют в труднодоступных местах, а также при установке безвыводных электронных элементов. Состав наносят на компонент, который затем просто прогревают жалом.

Пасту можно изготовить самостоятельно. Для этого оловянные опилки смешивают с жидким флюсом до гелеобразной консистенции. Хранят пасту в герметичной упаковке, срок годности из-за окисления олова не превышает шести месяцев.

Подставка для паяльника

Паяют жалом, нагретым до высокой температуры, поэтому в перерыве инструмент оставляют на подставке. Для мощных паяльников ее выполняют с двумя опорами: задняя для рукоятки, передняя – для корпуса. Опоры монтируют на фанерном основании, которое используют служит для:

• установки коробки с канифолью;
• хранения проволоки припоя (пример приведен на рисунке 3);
• чистки жала.

Рисунок 3 показывает, что подставка не требует дефицитных материалов, может быть изготовлена своими руками.

Рисунок 3. Самодельная подставка для мощного паяльника

Для устройств малой мощности часто применяют конусообразный держатель (обычный или спиральный, что показано также на рисунке 3), в которую инструмент вставляют жалом.

Старшие модели подставок снабжают регулятором рабочей температуры, ЖК дисплеем для индикации температуры жала, рисунок 4. Подобный паяльный инструмент часто называют паяльной станцией.

Рис. 4. Пример паяльной станции с индикатором

Оплетка для удаления припоя

С оплеткой паяют в тех случаях, когда необходимо удаление припоя с печатной платы при демонтаже деталей. Представляет собой плотную сетку из покрытых флюсом тонких медных проволок.

Принцип действия основан на поверхностном эффекте: сетка «впитывает» припой, расплавленный на печатной плате, за счет капиллярных сил.

Обычно ширина оплетки составляет около 5 мм, поставка рулонная в корпусе диаметром примерно 5 см.

Функции удаления припоя может выполнять внешняя оплетка старого гибкого коаксиального кабеля.

Флюсы

Основное требование к качеству соединения – это физический контакт припоя с металлом двух деталей. Поэтому очень важно, чтобы на кромках заготовок не образовалась оксидная пленка.

Именно для этого в процессе пайки и применяют флюсы. Их основная задача – удалить старую пленку и не дать возможности образоваться новой.

Классификация флюсов основана на ряде различий по составу и свойствам. Они бывают:

• активные и нейтральные;
• с низкой температурой нагрева и высокой;
• твердые, пастообразные, жидкие, в виде гелей;
• на основе воды и безводные.

Из всех разновидностей, что сегодня используются для пайки металлов, самыми распространенными являются борная кислота и ее натриевая соль (бура), хлористый цинк, канифоль и ортофосфорная кислота.

Какие металлы прочнее всего между собой паяются

В отличие от сварки, в пайке основным показателем качества готового изделия является не марка стали или металла, а выбор припоя, а также технологии формирования самого шва пайки. Так что тут вопрос скорее про то, на какой металл какой припой липнет лучше всего. Конечно, чем ближе по составу и плотности припой и металл, тем лучше будет адгезия. В итоге все сводится к выбору правильного припоя для каждого случая в отдельности.

А еще нужно следить, чтобы при соединении двух металлов не образовывалось электропары. Иначе соединение будет ржаветь и разрушаться от малейшей влаги. Так что тут будет уместна таблица совместимости при соединении цветных металлов между собой.

Буква «А» в таблице совместимости означает «ограниченно допустимый в атмосферных условиях».

Приведу еще несколько простых советов:

1. Выбирайте более тугоплавкие припои.
2. Тщательно зачищайте стыки скрепляемых деталей. Обрабатывайте наждачной бумагой не только сам шов, но и 0,5 — 2 см около стыка по поверхности металла.
3. Залуживайте и запаивайте внахлест. Таким образом, вы увеличиваете общую площадь скрепления двух или нескольких деталей.

Техника безопасности при пайке стали в домашних условиях

Часто пренебрежение элементарными правилами работы с электрическими или горючими приборами приводит к потере здоровья или порче имущества.

Настоятельно рекомендую соблюдать технику безопасности при пайке:

1. Держите паяльник на металлической площадке или специальном держаке, который отводит нагретое жало инструмента от плоскости стола.
2. Выключайте паяльник от сети сразу после окончания работ.
3. Проверяйте качество подключения газового баллона к самой горелке. Не допускайте утечек газа.
4. Работайте в хорошо проветриваемом помещении.
5. Не оставляйте горелку во включенном состоянии, если вы уже закончили работу.
6. Уберите любые легковоспламеняющиеся вещества из рабочей зоны.
7. Не хватайтесь голыми руками около нагретого шва. Вы можете получить ожог.
8. Не трогайте пальцами припой, чтобы проверить прочность шва.

Соблюдая данные меры можно избежать травм, а также сохранить имущество в целостности. Паяйте с удовольствием и знанием дела!

Особенности паяния

Так как в промышленности реализуются разные проекты, то в процессе пайки могут участвовать разные металлы. Поэтому технологии пайки могут отличаться, а некоторых случаях ее применение крайне затруднено.

Сталь

Сразу надо оговориться, что стальные заготовки можно паять только припоями на основе олова. Цинкосодержащие материалы для этой операции не подходят за счет низкого смачивания. Вот технологическая карта проводимых этапов.

Кромки заготовок из металла очищают от грязи. Затем обрабатывают их наждачной бумагой или железной щеткой, удаляя тем самым оксидную пленку.

Проводится процесс обезжиривания с помощью любого растворителя. Заготовки стыкуются с зазором 2-3 мм. Производится нагрев паяльной лампой или другим нагревательным инструментом.

В зону нагрева добавляется флюс, а затем и припой. Обратите внимание, что последний должен нагреваться больше не от пламени огня, а от разогретых кромок заготовок. После окончания процесса с участка стыка удаляются остатки флюса и припоя.

Чугун

Соединять пайкой можно только серый чугун или ковкий, белый паять нельзя. Правила пайки чугуна основаны на решении двух проблем. Первая – плохая смачиваемость металла за счет большого в нем содержания графита.

Решается проблема просто. Надо перед пайкой обработать поверхности соединения борной кислотой. Вторая проблема – в процессе нагрева в металле происходят изменения его структуры, поэтому пайку чугуна рекомендуют проводить при температуре не выше +750 ℃.

Титан

Пайка титана одна из самых сложных. На поверхности этого металла расположен альфированный слой, который насыщен атмосферными газами. Его и придется удалить или с помощью травления, или пескоструйкой. И даже после этого на поверхности останется оксидная пленка.

Чтобы соединение стало качественным, пайку проводят или в вакууме, или аргоном, или специальными флюсами. Последний вариант не гарантирует высокое качество конечного результата. При этом необходимо строго соблюдать температурный режим, который варьируется для данного металла в диапазоне 800-900 ℃.

Что касается припоев, то здесь используют или серебряные, или алюминиевые. Оловянные и свинцовые припои применяют редко, потому что с самим титаном они соединяются плохо. Хотя если нанести оловянный слой или свинцовый на поверхность титановой заготовки, то можно гарантировать неплохое качество пайки.

Пайка черных металлов

Качество скрепления стальных изделий зависит от нескольких факторов:

• марки стали;
• пористости заготовок;
• уровня очищенности стыковочного шва.

В качестве припоя выбирают оловянные или латунные сплавы. Их используют в зависимости от поставленной задачи. Более простой способ — использование олова. С ним проще работать, однако, конечный шов не будет обладать высоким уровнем прочности.

Припои на основе латуни намного прочнее, но для работы с ними потребуется особое оборудование.

Рабочий процесс на подготовительном этапе практически не различается. В обоих случаях детали зачищают от грязи и ржавчины. Фиксируют при помощи струбцин или тисков. В качестве флюса используют обычную ортофосфорную кислоту. После этого наступает этап самой пайки.

Пайка стали оловом

При пайке оловом подбирают паяльник мощностью от 100 Вт. Для получения качественного шва обе детали предварительно залуживают, после чего в готовый шов подают оловянный припой и завершают пайку.

Пайка стали латунью

Латунь плавится при температуре свыше 900 ˚С, поэтому для работы с таким припоем потребуется газовая горелка. Важно нагревать оба элемента равномерно. В противном случае латунь быстро расплавится. Она будет хорошо прилипать только на краях стальных заготовок (что может вызвать хрупкость и разрушение под напряжением), что поспособствует образованию трещин в конечном изделии.