Процесс соединения деталей с помощью расплавленного припоя называется и именно процесс соединения деталей или деталей с расплавленным металлом называется сваркой

Более подробную текстовую версию данного урока можно найти на страницах учебного пособия которое входит в состав образовательных наборов по пайке.

Пайка — это процесс соединения двух разогретых металлических деталей путем введения в зазор между ними расплавленного металлического припоя, который взаимодействует с обеими деталями и после затвердевания образует прочный паечный шов. При этом соединяемые детали всегда остаются в твердом состоянии, в то время как припой вводится в зазор расплавленным.

В случае с электроникой соединяемые с помощью припоя детали — это либо два провода (иллюстрация 1.1), либо электронные компоненты и заготовка печатной платы из текстолита (иллюстрация 1.2).

Иллюстрация 1

А бывает, что есть только одна деталь, которая просто покрывается слоем припоя. Такой процесс называют лужением. Лужению могут подвергаться как провода, так и дорожки печатных плат для защиты их от коррозии (иллюстрация 1.3).

Как следует из определения понятия пайки — для припаивания одной детали к другой понадобится припой.

Чаще всего в качестве припоя в электронике используется проволока, выполненная из сплава олова и свинца с незначительным добавлением легирующих металлов. Конкретно наиболее популярный в электронике припой носит марку ПОС61 — расшифровывается как припой оловянно-свинцовый с содержанием олова 61%. Припой с таким химическим составом хорошо растекается, образует паечный шов без трещин и дефектов, а также имеет относительно низкую температуру плавления 183 ºС. Это очень важно для исключения повреждения микросхем (чистое олово плавится при 330 ºС и для пайки электроники не подходит).

До температуры плавления припой разогревается специальным инструментом, который называется паяльником (иллюстрация 1.4). Типовой паяльник является электрическим прибором и работает от бытовой электросети. Он состоит из трех основных частей: ручка, нагревательная часть (корпус с нагревателем) и жало, которым непосредственно и выполняется пайка. В руке паяльник необходимо держать за ручку. Она остается холодной. А вот нагревательная часть разогревается до очень высокой температуры и нагревает жало, которое закреплено в нем.

Для того, чтобы расплавить припой, жало должно нагреваться до температуры не меньше, чем 200 ºС. Это очень горячо. Заметно горячее, чем кипение воды. Поэтому очень важно тщательно соблюдать нижеприведенные правила техники безопасности.

Строгое соблюдение этих простых правил поможет избежать неприятных недоразумений и получить исключительно положительные эмоции от процесса пайки.

В целях изучения физико-химических процессов при пайке проделаем два эксперимента.

Для эксперимента №1 потребуются инструмент и материалы из набора «Эвольвектор» для изучения пайки:

• пробковая подложка с подставкой для паяльника;
• пластинка из фольгированного текстолита;

Внимание!

В зависимости от комплектации набор «Эвольвектор» для изучения пайки может содержать в составе паяльную станцию или паяльник с нихромовым нагревателем. Если придется работать с нихромовым паяльником, то при его первом включении из нагревателя может выделяться незначительное количество дыма.

Это стандартная ситуация! Через 10-15 минут работы консервационная смазка на нихромовой проволоке нагревателя испарится и паяльник дымить полностью перестанет!

Подавайте проволоку припоя на паяльник до тех пор, пока на поверхность текстолита не упадет капля припоя. Дополнительно подогрейте ее паяльником (иллюстрация 1.6).

В результате вы получите каплю припоя, у которой будут сильно закругленные края (иллюстрация 1.7). Это означает, что текстолит припоем не смочен.

Припой в расплавленном состоянии ведет себя почти также как привычные нам жидкости, типа воды. А при попадании воды на какую-либо поверхность часто можно наблюдать такое физическое явление, как смачивание поверхности. При смачивании сила притяжения жидкости к поверхности больше, чем сила ее поверхностного натяжения и капля принимает форму как на рисунке 1.8. В противном случае капля растекаться не будет и ее форма будет как на рисунке 1.9.

То же самое происходит и с припоем. Для того, чтобы возникло прочное соединение припоя с поверхностью детали, он должен смочить твердую поверхность детали или проводника (провода). После первого эксперимента капля имеет форму как на рис. 1.9. Спустя 15-20 секунд после затвердевания капли припоя на текстолите (чтобы припой остыл) попробуйте подвигать ее пальцем. Она будет свободно перемещаться. Т.е. припой абсолютно не закрепился на поверхности.

Главная причина этого — наличие оксидной пленки на медной фольге. Таковы уж свойства большинства металлов — они реагируют с кислородом (окисляются), находящимся в воздухе, и образуют пленку, которая защищает их от интенсивного дальнейшего окисления. Однако эта же пленка препятствует смачиванию металла припоем. Теперь проделайте эксперимент №2, для которого понадобится еще и флюс. Возьмите флакон флюса из набора «Эвольвектор» и капнете кисточкой небольшую каплю флюса на текстолит. Далее положите в эту каплю пинцетом каплю припоя из предыдущего эксперимента (иллюстрация 1.10).

Флюс — это химически активное вещество. Если его нанести на поверхность металла и разогреть, то он вступает в химическую реакцию с оксидной пленкой и растворяет ее. В этот момент припой прочно схватывается с металлом. Флюс также еще уменьшает поверхностное натяжения жидкого, поэтому вы наблюдаете как припой сам растекается по пластине. Однако следует обратить особое внимание на то, что флюс растворяет только оксидную пленку. Если на детали сильные загрязнения, то их необходимо перед пайкой удалять механически.

Подведу итог всему, что рассказано в данном уроке. Для того, чтобы детали припаялись друг к другу, требуется их смачивание припоем. А для смачивания необходимо следовать 3-м простым правилам:

• С деталей должны быть удалены загрязнения.
• На детали перед пайкой наносится флюс. В момент пайки он удаляет с поверхности деталей оксидные пленки и улучшает растекаемость припоя.
• Для активации флюса и процесса смачивания деталей припоем детали и флюс должны быть разогреты до температуры 250-300 ºС.

Указанные правила помогут вам спаять любые детали или проводники, используемые в электронике.

Контрольные вопросы и задания.

• Какие меры предосторожности необходимо соблюдать при пайке?
• Что такое смачивание поверхности твердого тела жидкостью и чем процесс смачивания характерен?
• Какая температура плавления припоя ПОС61?
• Для чего нужен флюс при пайке?
• Каковы условия смачивания твердого металла припоем?
• Какую форму имеет капля припоя при смачивании или не смачивании текстолита?
• Нужно ли перед пайкой удалять загрязнения с деталей?

Написать отзыв

Ваш отзыв:

HTML не поддерживается! Используйте обычный текст.

Введите код, указанный на картинке:

Pereosnastka

Паянием называется способ образования неразъемного соединения деталей при помощи особых металлических сплавов, называемых припоями.

Паяние широко распространено во всех отраслях машиностроения. Оно подразделяется на два вида: паяние мягкими припоями и паяние твердыми припоями. Эти виды паяния различаются по температуре плавления припоев. Мягкие припои имеют температуру плавления ниже 300°, твердые припои — свыше 700°.

Мягкие припои применяют в тех случаях, когда высокая механическая прочность шва необязательна. Твердые припои применяют для получения прочных и температуроустойчивых швов.

Перед паянием спаиваемые поверхности деталей очищают от грязи и окисных пленок и плотно подгоняют друг к другу. Для обезжиривания места спая промазывают травленой соляной кислотой. 3 случае спаивания деталей, на которых нельзя допускать остатков кислоты, обезжиривание производят спиртом. Лучше всего в этом случае применять канифоль, разведенную в спирте. Спирт обезжиривает спаив&емую поверхность, а канифоль предохраняет от окисления. Пайка при этом получается очень чистой и ровной.

Для паяния мягкими припоями применяют паяльник из меди. Медный паяльник хорошо нагревается и хорошо сохраняет тепло, поэтому им молено надлежащим образом прогреть соединяемые поверхности. Нагрев паяльников производится паяльными лампами, в горнах, печах или газовыми горелками.

Чтобы спаять мягким припоем две поверхности, их соединяют и место спая промазывают флюсом; после этого набирают на конец нагретого паяльника каплю расплавленного припоя и медленно проводят этим концом по шву. Припой в расплавленном виде вводится в зазор между нагретыми поверхностями, подлежащими спайке, быстро охлаждается, застывает, и спаянные части соединяются в одно целое, образуя плотное и прочное соединение, называемое швом.

Паяние твердым припоем производится иначе и протекает сложнее, чем паяние мягким припоем. При паянии твердым при’-поем соединяемые детали очищают, соединяют вместе, обвязывают вязальной проволокой, смазывают флюсом, накладывают на места шва кусочки припоя и производят нагрев. Можно вести нагрев паяльной лампой, газовой горелкой, в кузнечном горне и в электропечах. Нагрев ведется до тех пор, пока припой не расплавится и не зальет место шва. По окончании паяния спаянным частям дают медленно остыть.

Паяние и лужение в слесарных, кровельных и жестяницких работах

Паянием называется неразъемное соединение двух или нескольких металлических деталей при помощи расплавленного припоя, служащего соединяющим материалом.

Припои делятся на две группы: мягкие — с низкой температурой плавления и твердые — с высокой температурой. плавления.

Мягкие припои всегда почти белого цвета и состоят преимущественно из олова и свинца. Если в сплаве содержится одна треть олова и две трети свинца, припой называется третником, а если свинец и олово входят в равной части, припой называется половняком. В жестяиицко-заготовительных работах применяется главным образом мягкий припой — третник и половняк. Третник плавится при температуре 254°, а половняк — при температуре 205°. Припои изготовляются в виде прутиков или полосок. Температура плавления твердых припоев значительно выше, например, припой, состоящий из трех частей меди и двух частей цинка, плавится при температуре 810°.

Для того чтобы припой прочно пристал к поверхности металла, места паяния должны быть совершенно чисты от окисей, жиров и посторонних веществ. Очистка спаиваемых частей производится напильниками, скребками, а также травлением соляной кислотой или купоросным маслом, которые разводят водой. Места паяния очищают от грязи и ржавчины до металлического блеска. Для того чтобы очищенная поверхность не окислилась, т. е. не покрылась налетом ржавчины, ее смазывают хлористым цинком.

Паяние производится при помощи паяльника. Паяльник изготовляется из куска чушковой красной меди, укрепленного на металлическом стержне, имеющем деревянную ручку. В зависимости от условий работы применяют различные виды паяльников: при паянии продольного шва изделия — молоткообразный паяльник, а при паянии в углах — остроконечный (рис. 49). Размер паяльника выбирается в зависимости от толщины спаиваемого металла, причем с увеличением этой толщины должен увеличиваться вес паяльника, так как чем тяжелее паяльник, тем дольше он сохраняет тепло. Для паяния мягкой стали толщиной до 0.,5 мм употребляют паяльники весом 0,3 кг, при толщине стали до 1 мм — от 0,8 до 1 кг и при толщине до 1,5 мм — от 1,0 до 1,5 кг.

Паяльник должен быть гладким, блестящим и чистым; его обыкновенно лудят, для того чтобы он лучше захватывал и расстилал припой. Рабочая часть паяльника изготовляется заостренной для тонких листов и небольших деталей; однако конец паяльника не должен иметь острого режущего лезвия. Полукруглый конец охлаждается медленнее, чем острый и, следовательно, лучше нагревает место паяния. Поэтому рабочей части паяльника придается правильная, округленная форма.

Для плавки припоя паяльник нагревается до темнокрасного цвета (пока не появится пламя зеленого цвета). Необходимо следить, чтобы паяльник не перегревался; перегретый паяльник не дает гладкого шва при паянии. Процесс паяния заключается в следующем. После очистки спаиваемых поверхностей их плотно пригоняют друг к другу и связывают отожженной проволокой или специальными зажимами. Нагретый конец паяльника протирают о кусок нашатыря и всей заостренной поверхностью ставят на место пайки, предварительно смоченной флюсом. После этого к паяльнику подносят припой. Паяльником водят вдоль шва, пока припой не проникнет в шов. Паяльник и изделие во время работы устанавливают таким образом, чтобы припой попадал внутрь шва. При этом условии получается более крепкое соединение. При получении неплотного шва это место зачищается и вновь производится паяние. Для спаивания длинных листов их предварительно схватывают в нескольких точках (в середине и в концах) каплями припоя. Излишний припой удаляется прикосновением нагретого паяльника; избыток припоя стирается куском пакли, после того как начнет плавиться. Следует помнить, что, чем тоньше слой припоя, тем прочнее получается шов.

Во избежание ожогов во время паяния необходимо изделие или деталь прочно укрепить и расположить таким образом, чтобы случайно упавшая капля расплавленного припоя не могла попасть на руки или ноги рабочего.

Для предохранения поверхности металлов от окисления (ржавления), а также для обеспечения более плотного соединения с другими металлами (например при паянии листовой стали) поверхность металла покрывается слоем олова. Эта производственная операция называется лужением. Оловом покрывают сталь, медь и цинк.

Покрытие оловом производится двумя способами: при первом способе изделие опускается в ванну с расплавленным оловом, при втором — предварительно нагревается, а затем покрывается оловом. В первом случае производится лужение всей поверхности изделия, во втором — только требуемой части поверхности. В обоих случаях перед лужением изделие должно быть очищено от грязи, окислов жира и т. п. Для лужения мелких стальных изделий поверхность металла необходимо очистить от окалины. Для этого деталь зачищается напильником или наждачной шкуркой до металлического блеска.

Более крупные детали из тонкой листовой стали для очистки от окалины погружают в баки с разведенной серной кислотой, которая растворяет окалину. После этого поверхность материала промывают водой, смазывают хлористым цинком, а затем лудят. Мелкие детали лудят паяльником, а более крупные детали или листы стали погружают в расплавленное олово. Затем изделие или лист стали быстро вынимают из олова, встряхивают и излишнюю полуду смахивают жгутом пакли. Этот способ лужения называется лужением «в окунку». Полуда должна иметь ровный плотный слой без просветов. Если окажется, что полуда в отдельных местах не пристала к поверхности, эти места зачищаются, смачиваются протравой и вновь покрываются полудой. По окончании лужения, когда изделие остынет, его надо промыть водой и высушить.

Во избежание ожогов при лужении необходимо пользоваться рукавицами.

Полезное

Пайка — технологическая операция, применяемая для получения неразъёмного соединения деталей из различных материалов путём введения между этими деталями расплавленного материала (припоя), имеющего более низкую температуру плавления, чем материал (материалы) соединяемых деталей.

Спаиваемые элементы деталей, а также припой и флюс вводятся в соприкосновение и подвергаются нагреву с температурой выше температуры плавления припоя, но ниже температуры плавления спаиваемых деталей. В результате, припой переходит в жидкое состояние и смачивает поверхности деталей. После этого нагрев прекращается, и припой переходит в твёрдую фазу, образуя соединение.

Прочность соединения во многом зависит от зазора между соединяемыми деталями (от 0,03 до 2 мм), чистоты поверхности и равномерности нагрева элементов. Для удаления оксидной плёнки и защиты от влияния атмосферы применяют флюсы.

Разновидности

Пайка бывает низкотемпературная (до 450 °C) и высокотемпературная. Соответственно припои бывают легкоплавкие и тугоплавкие. Для низкотемпературной пайки используют в основном электрический нагрев, для высокотемпературной — в основном нагрев горелкой. В качестве припоя используют сплавы оловянно-свинцовые (Sn 90 % Pb 10 % c t° пл. 220 °C), оловянно-серебряные (Ag 72 % с t° пл. 779 °C), медно-цинковые (Cu 48 % Zn остальное с t° пл. 865 °C), галлиевые (t° пл.

50°С), висмутовые (сплав Вуда с t° пл. 70 °C, сплав Розе с t° пл. 96 °C) и т. д.

Пайка является высокопроизводительным процессом, обеспечивает надёжное электрическое соединение, позволяет соединять разнородные материалы (в различной комбинации металлы и неметаллы), отсутствие значительных температурных короблений (по сравнению со сваркой). Паяные соединения допускают многократное разъединение и соединение соединяемых деталей (в отличие от сварки). К недостаткам можно отнести относительно невысокую механическую прочность.

Исходя из физико-химической природы процесса, пайку можно определить следующим образом. Процесс соединения металлов в твёрдом состоянии путём введения в зазор припоя, взаимодействующего с основным металлом и образующего жидкую металлическую прослойку, кристаллизация которой приводит к образованию паяного шва. Пайка подразделяется на капиллярную, диффузионную, контактно-реакционную, реакционно-флюсовую и пайку-сварку. В свою очередь, капиллярная подразделяется на горизонтальную и вертикальную. Диффузионная — на атомно-диффузионную и реакционно-диффузионную. Контактно-реакционная — с образованием эвтектики и с образованием твёрдого раствора. Реакционно-флюсовая — без припоя и с припоем. Пайка-сварка — без оплавления и с оплавлением. Анализируя сущность физико-химических процессов, протекающих на границе основной металл — расплав припоя (при формировании соединения в существующих видах пайки), можно видеть, что различия между капиллярной пайкой, диффузионной пайкой и пайкой-сваркой не носят принципиального характера. Капиллярность является общим признаком пайки. Отличительным признаком диффузионной пайки является длительная выдержка при температуре пайки и изотермическая кристаллизация металла шва в процессе пайки. Других характерных признаков этот метод не имеет, основное назначение его — повысить температуру распая шва и прочность паяного соединения. Диффузионная пайка может быть развитием любого вида пайки, в том числе капиллярной, реакционно-флюсовой или контактно-реакционной. В последнем случае диффузионная пайка возможна, если второй металл взаимодействующей пары вводится в виде прослойки между соединяемыми металлами. При реакционно-флюсовой пайке происходит совмещение процессов вытеснение из флюса металла, служащего припоем, и его взаимодействия с основным металлом. Наконец, пайка-сварка отличается от других методов пайки количеством вводимого припоя и характером формирования шва, делающим этот метод пайки похожим на сварку плавлением. При соединении разнородных металлов при пайке-сварке возможно оплавление кромки одной из деталей, изготовленной из более легкоплавкого металла.

Бессвинцовые технологии

27 января 2003 года введена в действие директива 2002/96/ЕС Европейского парламента и Совета по отходам электрического и электронного оборудования (WEEE). Современная радиоэлектронная промышленность встала перед фактом организации сбора и удаления отходов, имеющих в своем составе тяжелые металлы и огнезащитные составы. Для успешного решения этой проблемы одним из необходимых условий является переход на бессвинцовые технологии изготовления электронного оборудования — технологии с применением материалов, не содержащих свинец.

Стандарты

Для соединения металлических деталей пайкой их необходимо облудить, соединить и нагреть, возможно, вводя в место пайки ещё припоя. Следующие простые рекомендации помогут достичь высокого качества пайки.

Пайка. Основы

Пайка — процесс соединения металлов припоями , которые при расплавлении затекают в зазор, смачивая спаиваемые поверхности, а при охлаждении, застывая, образуют паяный шов .

Пайка выполняется при температуре ниже температуры плавления материалов соединяемых деталей. Вместе с тем температура припоя, с помощью которого осуществляется пайка, должна быть несколько выше точки его плавления, а температура соединяемых деталей должна быть близка к температуре плавления припоя. Соблюдение этого условия необходимо для получения такой подвижности припоя, чтобы заполнялись зазоры в швах между контактными элементами и происходило обтекание их поверхностей.

Соединение деталей с использованием припоя, имеющего температуру плавления ниже 450 °С, называют мягкой пайкой . Сцепление припоя с металлом происходит в результате адгезии припоя к металлу. Следует заметить, что температура плавления припоя для мягкой пайки — 450 °С — принята условно.

Соединение деталей с использованием припоя, имеющего температуру плавления выше 450 °С , называют твердой пайкой . Соединение припоя с металлом в этом случае обусловливается как адгезией, так и диффузией припоя в металл.

При пайке почти не происходит расплавления соединяемых элементов, поэтому паяные соединения легче ремонтировать.

Пайка — широко распространенный способ соединения и одинаковых, и разных металлов.

К числу металлов, которые легко паяются, относится медь. Однако добавление к меди легирующих элементов (примесей) затрудняет процесс пайки, так как последние изменяют свойства оксидных пленок, препятствующих образованию надежного соединения. В связи с этим при пайке контактных соединений следует тщательно выбирать флюсы и припои.

Пайка алюминия связана с двумя трудностями: во-первых, на алюминии имеется тугоплавкая оксидная пленка, во-вторых, алюминий обладает высокой теплопроводностью при сравнительно низкой теплоемкости и большим коэффициентом линейного расширения. Поэтому в процессе пайки алюминиевых контактных элементов нагрев должен быть локализован, выбор флюса следует производить в зависимости от легирующих присадок, введенных в металл. Особенности различных соединяемых металлов предопределяют выбор как технологического процесса пайки, так и припоев, флюсов и оборудования.

Соединение и ответвление медных однопроволочных проводов сечением 2,5—10 мм2 пайкой выполняются после того, когда их концы предварительно соединены двоичной скруткой так, чтобы в месте касания жил образовался желобок. Место соединения нагревают пламенем пропан-бутановой горелки или бензиновой лампой до температуры плавления припоя. Затем с усилием натирают поверхности соединения палочкой припоя, введенной в пламя. В результате трения желобок очищается от загрязнений и облуживается по мере прогрева соединения. Таким образом запаивается все соединение.

При соединении двух алюминиевых жил пайкой их концы либо срезают под углом 55°, либо производят ступенчатую разделку и только затем облуживают. Пайка ведется непосредственным сплавлением в форме или поливом предварительно расплавленным припоем. Соединение и ответвление алюминиевых многопроволочных полное усилие. Затем соединение следует ослабить, после чего вторично затянуть болты. При использовании болтов Мб—М10 обжатие производить не рекомендуется во избежание срыва резьбы.

Конспект лекций по дисциплине «Основные способы сварки, наплавки и пайки» для подготовки бакалавров по специальности

18.1. Теоретические основы пайки металлов

Пайкой называется процесс соединения металлов в твердом состоянии припоями, которые при расплавлении смачивают паяемые поверхности, заполняют капиллярный зазор между ними и образуют паяный шов при кристаллизации.

Из определения следует, что процесс образования паяного соединения связан с нагревом. Для получения спая наряду с нагревом необходимо обеспечить еще два основных условия:

1) удалить с поверхности металла в процессе пайки окисную пленку.

2) ввести в соединительный зазор между ними расплавленный связующий металл.

При кристаллизации вступившего во взаимодействие с паяемыми металлами более легкоплавкого связующего металла, образуется паяное соединение.

Процесс пайки имеет много общего со сваркой, и, прежде всего со сваркой плавлением, но, несмотря на внешнее сходство между ними имеются принципиальные различия:

1) Если при сварке плавлением свариваемый и присадочный металл в сварочной ванне находится в расплавленном состоянии, то при пайке паяемый металл не плавится. Образование соединения без кромок паяемых деталей является основной особенностью процесса пайки.

2) При пайке формирование шва происходит путем заполнения припоем капиллярного зазора между соединяемыми деталями, т.е. процесс пайки связан с капиллярным течением присадочного материала, что не имеет места при сварке плавлением.

3) Пайка в отличие от сварки плавлением может быть осуществлена при любых температурах, лежащих ниже температуры плавления основного металла.

Эти различия имеют своим следствием иную, чем при сварке плавлением, природу процессов, протекающих при образовании паяного шва.

18.2. Классификация процессов пайки.

Пайку можно классифицировать: во-первых, по сущности физико-химических процессов, протекающих при формировании паяных швов, и, во-вторых, по разновидностям технологии пайки, связанным с применяемыми для нагрева источниками тепла или оборудованием.

Рис. 18.1. Классификация методов пайки

По сущности физико-химических процессов к основным разновидностям или методам пайки относятся:

1) капиллярная пайка;

2) диффузионная пайка;

1) Капиллярной пайкой называется метод пайки, при котором припой заполняет зазор между соединяемыми поверхностями деталей и удерживается в нем за счет капиллярных сил. Во всех случаях, когда в паяном соединении имеется перекрытие элементов детали (нахлестка) возможна капиллярная пайка. Однако капиллярные явления присущи всем методам пайки, поэтому данный термин является условным, обозначающим процессы пайки, связанные с течением припоев под действием капиллярных сил.

Рис. 18.2. Схема капиллярной пайки:

а — до пайки; б — после пайки.

2) Диффузионной пайкой называется метод пайки при высоких температурах, отличающийся длительной выдержкой, проводимой с целью упрочнения соединения за счет взаимной диффузии компонентов припоя и паяемых материалов.

При диффузионной пайке в зависимости от сечения основного металла и припоя, во-первых, возможно взаимное растворение припоя и основного металла с образованием в шве твердого раствора, благодаря чему существенно повышается пластичность и прочность паяного соединения — атомно-диффузионная пайка; во-вторых, в процессе диффузионной пайки возможно образование в шве весьма тугоплавких, но как правило хрупких интерметаллидов, возникающих при протекании реакционной диффузии, которые приводят к повышению температуры плавления металла шва и, следовательно, к повышению жаропрочности паяемых соединений — реакционно-диффузионная пайка..

Так, например, при пайке W припоем системы Pt-B с температурой плавления 855 0 С, протекает реакция:

3W + Pt B  PtW + W2B

с образованием в шве сплава с температурой плавления выше 2000 0 С.

3) Контактно-реакционной пайкой называется метод пайки, при котором между соединяемыми металлами и припоем протекает активная реакция с образованием в контакте между ними нового более легкоплавкого сплава эфтектического состава или твердого раствора с минимумом на кривой Ликвидуса. Образовавшийся легкоплавкий сплав заполняет зазор и при кристаллизации образует паяное соединение. Случай взаимодействия между соединяемыми металлами имеет место, например, при пайке меди с серебром без нанесения припоя.

Рис. 18.3. Схема контактно-реактивной пайки:

4) Реакционно-флюсовой пайкой называется метод пайки, при котором припой образуется за счет реакции вытеснения между основным металлом и флюсом. Реакционно-флюсовая пайка может осуществляться в двух вариантах: без внедрения припоя и с дополнительным введением припоя.

Реакционно-флюсовую пайку без введения припоя можно продемонстрировать на примере пайки алюминия с флюсом, содержащим большое количество хлористого цинка. При пайке на соединяемые поверхности алюминиевых деталей наносится избыточное количество флюса. При нагреве между хлористым цинком и алюминием протекает реакция:

3Zn Cl2 + 2Al = 2Al Cl3 + 3Zn

Восстановленный из хлорида цинк является в данном случае припоем. Он осаждается на поверхности алюминия, затекает в зазор и соединяет паяемые детали.

5) Пайкой-сваркой называется метод пайки, при котором паяные соединения образуются способами, характерными для сварки плавлением, но с применением припоя в качестве присадочного материала. Пайка-сварка делится на пайку без оплавления кромок соединяемых деталей и с оплавлением кромок одной из соединяемых деталей, изготавливаемой из более легкоплавкого металла.

Рис. 18.4. Схема образования шва при пайке-сварке:

а – без оплавления кромок деталей; б – с оплавлением кромок одной детали.

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;
• высокая технологичность процесса;
• возможность проводить паяльные операции в труднодоступных и неудобных местах;
• возможность соединять сложные по конструкции узлы и детали;
• процесс можно проводить не точно по контуру соединения, а по всей плоскости;
• нагрев при пайке обеспечивает термическую обработку металлических заготовок.

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.

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.

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.

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.

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.

Нихром

Пайка нихрома – самый простой процесс, потому что сам сплав (а это симбиоз хрома и никеля) является жаростойким и пластичным.

Температура его плавления в зависимости от добавок варьируется в пределах 1100-1400 ℃. То есть, для пайки можно использовать даже тугоплавкий припойный материал.

Пайка деталей из нихрома проводится при низкотемпературном режиме. Соединение сплава со сталью требует наличия высокотемпературного паяния. Многие мастера дома делают припои своими руками, смешивая вазелин (100 г), глицерин (5 г) и хлористый порошковый цинк (7 г).

Область применения пайки дает возможность соединять между собой детали из разных цветных металлов. Конечно, к выбору методов пайки надо подходить с позиции соответствия и технологии соединения, и правильного выбора расходных материалов.

Но, как показывает практика, в основе процесса лежит тип самих соединяемых заготовок, то есть, насколько высока их температура плавления.

Отталкиваясь от этого, и выбирается сам вид паяной операции. Ведь температура плавления припоя должна быть ниже, чем у металла соединяемых деталей. И нарушать этот закон нельзя ни в коем случае. Нарушили – получили некачественное соединение или, вообще, не получили спайки.