Порядок припоя

Температурное условие пайки

При
пайке должно выполняться температурное
условие

Температура
начала плавления материала деталиt1
= t2
t1Превышение
температурыплавления
паяемого металланад
температурой пайкидля
сохранения формыизделия

t1{amp}gt;
20ОСТемпература
пайкиt2
= t3
t2
t3Перегрев
припоя, обеспечивающий смачивание
 t2
= 20…

50ОСТемпература
полногорасплавления
припояИнтервал
кристаллизацииприпоя

t3Температура
началаплавления
припояt3
= t4
t4Температурный
запасработоспособности
припоя
 t4Температура
эксплуатациипаяного
соединенияt4t1
{amp}gt; t2
{amp}gt; t3
{amp}gt; t4
.

Где применяют

Пайка твердыми припоями примечательна тем, что при ее проведении участок стыковки изделий должен прогреваться до температур порядка 450-ти градусов и более.

Такие припои называются тугоплавкими, а полученное с их помощью соединение сохраняет свои прочностные характеристики даже при сильном термическом нагреве.

В отличие от твердых пайка мягкими припоями предполагает использование низкотемпературных расходных материалов, которые обеспечивают надежное сцепление при значительно меньшем нагреве (порядка 200-300 ℃).

Они, как правило, применяются, при пайке изделий, эксплуатируемых в нормальных температурных условиях, и не гарантируют сохранения контакта при сильном нагреве.

Возможности твердых припоев широко используются в тех сферах, где требуется получать шов, по своим прочностным свойствам занимающие промежуточное положение между сваркой и низкотемпературной пайкой.

При этом особое внимание уделяется сохранению структуры материалов в зоне контакта, которые после обработки не должны терять первоначальных характеристик.

Твердосплавные соединения чаще всего востребованы в следующих ситуациях:

• производство металлорежущего инструмента, резцов с твердосплавными рабочими вставками;
• при изготовлении емкостей и сосудов, производимых на основе цветных металлов и из нержавейки;
• в автомастерских (при ремонте радиаторов и отдельных элементов трансмиссии), а также в тех местах, где применение сварки крайне нежелательно;
• при монтаже и ремонте трубок из твердых медных сплавов, установленных в холодильном и теплообменном оборудовании и работающих в условиях «критических» температур или повышенного давления;
• для надежного и прочного соединения тонкостенных предметов и деталей, испытывающих при эксплуатации повышенные нагрузки и упругие деформации.

Использование технологии твердой пайки обеспечивает необходимую прочность получившегося соединения и его устойчивость к перегреву. Помимо этого твердосплавные методы применяются при ремонте изделий из меди или латуни, которые при работе подвергаются высокотемпературному воздействию.

В отличие от описанных выше твердых припоев сфера применения мягкой пайки ограничена нормальными условиями эксплуатации. К этому способу чаще всего прибегают при необходимости получения надежного соединения изделий и деталей из легкоплавких материалов, не подверженных чрезмерному нагреву и деформациям.

Особой популярностью при «мягком» сочленении деталей пользуются получившие широкое распространение оловянно-свинцовые паяльные составы.

Изготовление радиатора пайкой

Охлаждающая
поверхность радиатора (рис. 7) состоит
из латунных трубок, по которым течет
охлаждающая жидкость, и гофрированной
медной ленты толщиной 0,1 мм. В каждой
точке соприкосновения должно сформироваться
паяное соединение. Таким образом нужно
получить несколько тысяч соединений в
одном изделии при очень маленькой
толщине соединяемых элементов.

Для
этого собранный из луженых латунных
трубок и гофрированной ленты пакет
направляют в печь, имеющую три камеры
с разными температурами. Камеры отделены
друг от друга шлюзами. Первая камера
служит для предварительного подогрева
пакета до температуры пайки. Внутри
второй камеры находится ванна с
расплавленным флюсом, в которую опускают
собранный пакет.

Рис. 7. Фрагмент паяного радиатора.

Использование в быту

Применение техники твердой пайки в домашних условиях предполагает наличие газовой горелки, посредством которой можно обеспечить высокую степень нагрева в зоне контакта.

Помимо этого, потребуется сам тугоплавкий припой, плавящийся при температурах свыше 450 градусов, а также специальная активная добавка, называемая флюсом.

Лишь при выполнении этих требований в результате паяльных работ удается получить достаточно надежное и твердое паяное соединение.

В качестве примера можно привести использование твердого припоя при спайке рамы велосипеда, восстановление которой другими методами не так эффективно и надежно.

Твердые припои пользуются повышенным спросом при ремонте различной кухонной утвари и посуды, изготавливаемой из твердосплавных материалов (латуни или меди, например).

Чаще всего восстановительному ремонту подлежат растапливаемые углем самовары или подобные им нагревательные приспособления из тугоплавких металлов.

Добавим к этому, что бытовая пайка твердыми припоями широко востребована и при проведении ремонтных работ, касающихся восстановления отдельных узлов холодильного и теплообменного оборудования.

В последнем случае для спайки медных трубок посредством газовой горелки потребуется твердый латунный припой, позволяющий получать прочное и надежное соединение, пригодное для эксплуатации в критических условиях.

Рассмотрим особенности работы с паяльными составами различной степени тугоплавкости на примере такой распространенной операции, какой является запайка труб.

Пайка приборов электрооборудования

Для пайки печатных
плат используют установки каскадной
многоволновой пайки (рис. 8).

В печи образуется
ванна расплавленного свинцово-оловянистого
припоя. Насос непрерывно направляет
поток припоя по наклонному поддону,
напоминающему стиральную доску, так
что припой образует серию гребней. Плата
с деталями соприкасается с верхушками
гребней, двигаясь навстречу припою.

Флюс плавает на
поверхности припоя и предотвращает его
взаимодействие с воздухом.

Особенности пайки трубных изделий

Порядок запайки труб мягкими припоями определяется следующей последовательностью рабочих операций:

1. Сначала из труб подготавливается стыковой узел с раструбом, на внутреннюю поверхность которого наносится флюс для пайки мягким припоем.
2. Затем тот же флюсовый состав наносится на внешнюю часть стыкуемой трубы, после чего паяльником большой мощности (не менее одного киловатта) готовый стык прогревается до температуры порядка 300-400 градусов.
3. Контролировать степень нагрева стыковочного узла можно по изменению цветового оттенка флюса.
4. После его потемнения в контактную зону вводится проволочный пруток припоя (иногда для лучшего контакта он приготавливается в виде мелкой стружки, заполняющей все стыковочные зазоры).
5. При соприкосновении с прогретой зоной контакта припой плавится, а затем под воздействием флюса растекается по всей площади соединительного шва.

Высокотемпературная пайка с применением твердого состава отличается от уже описанных процедур следующими моментами.

Во-первых, при ее реализации на место стыка наносится флюс совсем иного состава, а во-вторых, вводимый в область пайки припой должен изготавливаться из тугоплавких составляющих.

И, наконец, для прогрева зоны контакта с твердыми свойствами используется специальное оборудование (термическая печь, газовая горелка или индукционное нагревательное устройство).

Как обработка медных заготовок, так и пайка стали в домашних условиях, предполагают использование обычной газовой горелки, всегда имеющейся в хозяйстве у любого частника.

Особое внимание нужно уделить последней стадии соединения трубных заготовок, когда после размягчения присадочной проволоки одна из труб проворачивается вокруг оси.

Вследствие этой операции еще не застывший припой наматывается на стыковую зону с последующим образованием надежного кольцевого шва.

Оксидная пленка

Поверхности, которые
будут подвергнуты пайке, должны быть
обработаны с оптимальной точностью и
шероховатостью и не иметь заусенцев
после механической обработки

Поверхность паяемого
металла может быть загрязнена маслами,
смазочно-охлаждающей жидкостью, смазками,
красками, пылью, грязью. Слои таких
загрязнений мешают удалению оксидной
пленки и образованию качественного
паяного соединения.

Чтобы удалить такие
загрязнения, деталь перед пайкой следует
помыть в щелочном растворе следующего
состава (в граммах на литр воды):

• едкий натр (5…10
  г/л);

• углекислый натрий
  (15…30 г/л);

• тринатрийфосфат
  (30…60 г/л);

• эмульгатор ОП-7 (0,5
  г/л).

В растворе такого
состава при температуре 50…60°С
детали выдерживают 15…25 минут.

Если этого недостаточно,
то для обезжиривания используют
органические растворители (например,
ацетон).

После очистки детали
промывают в чистой (дистиллированной)
горячей и холодной воде и сушат.

После пайки с
деталей смывают остатки коррозионно-активных
флюсов в жидкостях, которые их растворяют.
Затем детали промывают в горячей и
холодной воде и сушат.

Рис. 8. Каскадная многоволновая пайка
печатной платы.

Время образования
одного слоя молекул оксида на поверхности
незащищенного металла около 10-8
секунд. Поэтому на поверхности металла
всегда имеется слой оксидной пленки.

За счет диффузии
кислорода из атмосферы и окисления
металла под оксидной пленкой она растет
вглубь металла. С течением времени
толщина оксидной пленки может достичь
50 и более молекулярных слоев (5…200нм).

В оксидной пленке
связи паяемого металла заняты кислородом.
Для образования связей между паяемым
металлом и расплавленным припоем следует
удалить мешающую этому процессу оксидную
пленку или кислород из нее. Оксидную
пленку целиком удалить легче.

Флюсы могут содержать
вещества, которые:

• вступают в химическое
  взаимодействие с оксидной пленкой,
  образуя шлаки, легко растворимые во
  флюсе;

• проникают через
  микротрещины в оксидной пленке к
  поверхности металла под ней и стремятся
  отделить ее от металла;

• делают флюс
  электролитом при его расплавлении, что
  вызывает электрохимическое растворение
  металла во флюсе под оксидной пленкой.

Если пленка оксидов
тонкая и нестойкая, как на меди, то
достаточно химического взаимодействия
канифоли с оксидом меди. Продукты реакции
растворяются в канифоли.

Микротрещины (рис.
5а) формируются в оксидной пленке при
нагреве до температуры пайки, вследствие,
разницы коэффициентов линейного
температурного расширения паяемого
металла и оксидной пленки на его
поверхности. Кроме того они расширяются
в результате химического взаимодействия
флюса с оксидами, образующими стенки
трещины.

Расплавленный флюс, а затем и
припой проникают через микротрещины и
входят в контакт с металлом под оксидной
пленкой в местах нарушения ее сплошности
(рис. 5б). Жидкий припой или легкоплавкий
металл, вытесненный из флюса, вызывает
контактное подплавление верхнего слоя
паяемого металла. Образуется очень
тонкий слой жидкого сплава между оксидной
пленкой и поверхностью паяемого металла
(фактически будущий спай) (рис. 5в). Под
подмытую оксидную пленку устремляется
основная часть припоя, окончательно
удаляя оксидную пленку.

Флюсы, содержащие
такие элементы как хлор и фтор в
расплавленном состоянии являются
электролитами. При соприкосновении
металла с флюсом-электролитом происходит
электрохимическое растворение металла,
то есть переход положительных ионов
металла в электролит. Флюс разъедает
границу между оксидной пленкой и
металлом.

Рис. 5. Удаление оксидной пленки флюсом.

Разновидности

Основной составляющей термостойких соединений, образующихся в результате пайки твердыми припоями, является медь, из которой изготавливаются практически все тугоплавкие расходные материалы.

Чистая медь в качестве сцепляющей составляющей применяется крайне редко. Как правило, она берется в соединении с другими металлами (серебром, цинком, кремнием или оловом).

Каждая из перечисленных добавок позволяет сделать припой более тугоплавким, а получившееся сочленение – прочнее и долговечнее.

Почти все эти примеси снижают температуру, при которой плавится сам твердый припой (у чистой меди этот показатель равен 1083 градусам).

Для высокотемпературной обработки металлов, как правило, используются медно-цинковые составы, идеально подходящие для пайки бронзовых или медных деталей (реже – стали).

Однако они обладают одним существенным минусом, проявляющимся в их плохой защищенности от вибрационных и ударных воздействий. С целью устранения этого недостатка применяется метод легирования другими металлами, заметно повышающими их прочностные характеристики.

Так, твердые латунные припои могут рассматриваться как медно-цинковые составы, прошедшие операцию легирования, благодаря которой они находят широкое применение при изготовлении твердосплавных резцов.

С основными характеристиками и областями применения различных видов припоев можно ознакомиться в сводных таблицах.

Смачивание. Краевой угол смачивания

На рис. 3а показана
капля расплавленного припоя (флюса),
который хорошо растекается по паяемому
материалу и смачивает его. Краевой угол
смачивания при этом должен быть Q {amp}lt;
90°.
Чем ближе к нулю величина краевого угла
смачивания Q → 0 и больше площадь
растекания расплавленного припоя, тем
полнее смачивание.

На рис. 3б показана
капля расплавленного припоя, который
плохо растекается по паяемому материалу
и не смачивает его. Краевой угол
смачивания при этом Q {amp}gt; 90°.
Это означает, что атомы припоя не вступают
в связь с атомами паяемого материала.
Причины этого могут быть различны.
Во-первых, данные припой и паяемый
материал могут вообще не образовывать
соединений.

Тогда пайка невозможна.
Следует взять припой, совместимый с
паяемым материалом. Во-вторых, может
быть плохо подготовлена поверхность
паяемого материала — не удалена или
только частично удалена оксидная пленка
из-за неправильного подбора флюса.
В-третьих, температура пайки может быть
недостаточна для обеспечения хорошей
растекаемости припоя.

Рис. 3. Растекание расплавленного припоя
по

поверхности паяемого металла.

Флюсы для тугоплавких металлов

Основная составляющая флюсовых добавок, применяемых при работе с твердыми припоями – это борные соединения, объединенные под общим названием «бура» (Na2B4O7).

С целью повышения активности флюсов этого класса в них добавляется небольшое количество фтора с образованием таких активных соединений как фтористый калий и кальций.

Для работы с изделиями из меди и ее твердых сплавов желательно применять химически чистую буру, являющуюся универсальным флюсовым составом, оптимально подходящим для условий высокотемпературной пайки.

Следует заметить, что флюсовые добавки для мягких и твердых припоев выпускаются в самых различных исполнениях (в виде жидкости, кристаллов или порошка) и нередко объединяются с припоями.

Такой прием позволяет упростить операцию их дозирования и нормировать расход этой важной для качественной пайки составляющей.

Атомы припоя
диффундируют (проникают) в пограничный
слой паяемого металла. Слой толщиной в
несколько атомов, настолько насыщается
атомами припоя, что превращается в сплав
припоя с паяемым металлом. Как известно,
сплавы металлов плавятся при температурах
ниже температуры плавления компонентов.

Поэтому происходит
расплавление переродившегося слоя.
Такое плавление паяемого металла при
температуре ниже температуры его
автономного плавления называют
контактным.

Под автономным
плавлением понимают плавление материала
не контактирующего ни с какими посторонними
уже расплавленными материалами.

Контактное плавление
паяемого металла происходит в контакте
с расплавленным припоем и только на
границе паяемого металла с припоем.

Рис. 4. Поднятие припоя в капиллярном
зазоре

между параллельными
пластинами.

Поднятие припоя в капиллярном зазоре

На рис. 4 показано
поднятие припоя в капиллярном зазоре
между параллельными пластинами паяемого
материала. Атомы припоя граничащие с
пластинами притягиваются к расположенным
выше атомам пая­емого материала и
вскарабкиваются по пластине наверх.
Они тянут за собой за счет межатомных
сил основную массу припоя. В результате
припой поднимается вверх до тех пор,
пока силы поверхностного натяжения не
уравновесят силу тяжести припоя в
зазоре.

Поверхностные силы
пропорциональны площади поверхности
пластин [мм2],
а сила тяжести пропорциональна объему
зазора [мм3].
Поэтому при увеличении ширины зазора
более 0,5 мм высота поднятия припоя резко
снижается и зазор перестает быть
капиллярным.

Основные свойства, которыми должен обладать припой, можно сформулировать так:

• температура его плавления должна быть ниже температуры плавления спаиваемых металлов;
• он должен хорошо смачивать спаиваемый металл;
• припой должен быть относительно прочным;
• при пайке не должны образовываться пары (металл — припой), отрицательные в электрохимическом отношении, в противном случае паяный шов быстро разрушится;
• металлы, входящие в состав припоя, должны быть недефицитными и недорогими.

Припои по своим физическим свойствам делятся на две группы:

• легкоплавкие припои (их еще называют мягкими припоями) с температурой плавления до 500°
• и тугоплавкие (твердые) с температурой плавления выше 500°.

Флюсовая и бесфлюсовая пайка

Пайку с использованием
флюса называют флюсовой. Функции флюса
могут выполнять также:

• инертная газовая
  среда;

• активная газовая
  среда;

• вакуум.

При удалении оксидной
пленки абразивными частицами (абразивная
пайка) или с помощью механических
колебаний ультразвуковой частоты
(ультразвуковая пайка) флюс тоже не
используют.

Поэтому абразивную
и ультразвуковую пайку, а также пайку
в газовых средах и вакууме называют
бесфлюсовой.

Классификация флюсов

Флюсы для пайки
классифицируют по следующим признакам:

• температурному
  интервалу пайки на высокотемпературные
  (выше 450°С)
  и низкотемпературные (ниже 450°С);

• природе растворителя
  на водные и неводные (например, спиртовые);

• природе активатора
  на неорганические, органические
  кислотные и органические бескислотные;

• агрегатному состоянию
  на твердые, пастообразные и жидкие.

Растворители и пасты

В табл. 1 представлены
флюсы для пайки сталей, меди и медных
сплавов, а также алюминия и его сплавов.
Спирт и вода являются растворителями
и делают флюс жидким. Жидкий флюс удобно
наносить на паяемый материал. Например,
обмакивать многожильный медный провод
во флюс. Вазелин делает флюс пастообразным.

Таблица 1

Флюсы

Канифоль

Рассмотрим наиболее
известный флюс — канифоль, который
используют для низкотемпературной
пайки меди паяльником. Канифоль получают
из сосновой смолы. Она твердая и
стекловидная. Главной составной частью
канифоли является абиетиновая кислота
С20Н30О2
(около 80% по массе), плавящаяся при
температуре 173°С.

Канифоль, очень слабый активатор.
Расплавленная канифоль может удалить
только тонкий слой оксида меди. Канифоль
реагирует с оксидами меди, давая
абиетиновую соль меди, которая растворяется
в канифоли, превращая канифоль в шлак.
Остатки канифоли после пайки имеют вид
твердой прозрачной пленки с отличными
изолирующими свойствами.

При температуре
200°С
канифоль активна. С повышением температуры
она начинает испаряться. При температуре
300°С
испаряется 7% канифоли. При нагреве выше
300°С
канифоль обугливается. Таким образом
температурный интервал активности
канифоли находится в области 200…300°С.
В табл. 1 приведены температурные
интервалы активности флюсов.