Соединение металлов пайкой и сваркой

Общие типы методов сварки и пайки

• Газовая металлическая дуга
• Порошковая дуга
• Экранированная металлическая дуга
• Газовая вольфрамовая дуга

Пайка

• Обычная пайка
• Пайка серебросодержащими припоями
• Контактная пайка
• Индукционная пайка

Давайте теперь разберемся, что такое сварка и пайка, а также обсудим, какие преимущества и недостатки несет каждая из них.

Методы пайки

МЕТОДЫ ПАЙКИ
Пайка легкоплавкими (мягкими) припоями
На зачищенную деталь наносят флюс, а затем
нагретым и залуженным паяльником — припой.
После пайки остатки флюса удаляют.
Пайка твердыми припоями
Спаиваемые детали зачищают, плотно
сжимают. Место соединения нагревают, на
него наносят флюс, а затем припой.
После нанесения припоя по всему шву без
пропусков спаянные детали охлаждают до
температуры 100—120° и опускают в воду.

Лужение

Прежде чем приступить к пайке, очищенные места соединения необходимо тщательно пролудить, т. е. покрыть тонким слоем припоя, так как на луженую поверхность припой ложится лучше. На места будущей пайки сначала надо нанести тонкий слой флюса или паяльной пасты. Паяльник должен быть хорошо залужен. Нагрев им набирают припой, переносят на место пайки и распределяют ровным слоем. При соединении больших поверхностей такая процедура повторяется несколько раз либо используется иной способ: на место соединения равномерно кладут некоторое количество кусочков припоя и расплавляют их; при этом паяльник время от времени надо окунать во флюс или в паяльную пасту. Оцинкованные места лудить не нужно.

НЕДОСТАТКИ ПАЯННЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Особо важное значение имеют вопросы обеспечения равнопрочности паяных
соединений. Как известно, препятствиями для достижения равнопрочности
паяных соединений в ряде случаев являются более низкая прочность и
пластичность большинства припоев по сравнению с паяемым металлом, литая
структура в шве, высокое химическое сродство компонентов припоев с основой
или компонентами паяемого материала, приводящее к росту прослоек
химических соединений, развитие в паяном соединении диффузионной
пористости, слабая активность газовых сред и флюсов при температуре пайки,
нетехнологичность конструкции паяемых соединений и изделий, развитие
остаточных паяльных напряжений в элементах и паяных соединениях и др.
Однако потенциальные возможности повышения прочности паяных швов
достаточно велики в связи с малым объемом литого металла в паяном
соединении, развитием новых способов пайки и в первую очередь
диффузионной пайки, достижениями в области интерметаллидного упрочнения
сплавов в литом состоянии.

Лужение под пайку

ЛУЖЕНИЕ ПОД ПАЙКУ
Лужение
— нанесение тонкого слоя
расплавленного
олова
на
поверхность
металлических
изделий.
Лужение
производится для защиты металла от
коррозии или для подготовки к пайке
(лужёная поверхность лучше смачивается
припоем).
Металл, наносимый на поверхность изделия,
называется полудой.
Лужение чаще всего выполняется при
подготовке деталей к паянию, а также для
предохранения
изделий
от
ржавления
(коррозии). Иногда лужение производится для
специальных целей, например перед заливкой
подшипников.
В качестве полуд применяется чистое олово,
а для неответственных деталей олово
иногда заменяют более дешевым сплавом,
состоящим из 5 частей олова и 3 частей
свинца. Сплавы (оловянно-свинцовые) нельзя
применять при лужении посуды для пищи.
Лудят
двумя
способами:
натиранием
(большие изделия) и погружением (небольшие
изделия) в расплавленную полуду.
Процесс лужения состоит из трех основных

Соединение металлических деталей — техника и технология паяния

Сообразно используемому типу припоя различают два вида пайки: мягкую, или пайку мягким припоем, и твердую, или пайку твердым припоем. Выбор того или иного вида определяется величиной нагрузок, которым будут подвергаться спаянные заготовки. Сильно нагружаемые поверхности соединяют твердой пайкой. Припой при этом получается более густым, чем при мягкой пайке. Его надо брать больше, чтобы он мог проникнуть во все щели. По окончании твердой пайки шов зачищают напильником.

Поскольку твердая пайка требует нагрева до 4500С и выше, то ее можно производить только с помощью достаточно мощной паяльной горелки. Мягкую же пайку выполняют паяльником и пламенем при температуре 180-400 °С. Там, где возможно, соединение надо выполнять с напуском или перекрытием, что увеличивает площадь контакта заготовок друг с другом. Прежде всего, надо выбрать тип паяльного соединения. В домашних условиях чаще всего детали при пайке соединяют методом пайки по стыку, скажем, при соединении оцинкованных стальных труб.

Процесс образования паяного шва

ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ
ПАЯНОГО ШВА
Стадии процесса:
1) механическая зачистка поверхности изделия;
2) обезжиривание;
3) травление кислотами;
Иногда изделия перед паянием предварительно лудятся.
4) расплавление припоя;
5) растекание жидкого припоя по поверхности твердого металла и
заполнение паяемого шва;
6) растворение основного металла у шва в жидком припое и взаимная
диффузия металлов;
7) охлаждение и кристаллизация припоя в паяном шве;
8) обработка соединения после пайки (удаление лишнего припоя,
флюса);
9) сборка.

При пайке автономного плавления паяемого материала не
происходит, так как процесс осуществляется при нагреве до
температуры ниже температуры его солидуса. Однако
паяемый металл контактирует с припоем в ином агрегатном
(жидком) состоянии. При этом паяемый металл и припой,
имеющие химическое сродство, представляют неравновесную
систему, так как на их границе существует градиент
концентраций и энергии. Поэтому процессы взаимодействия
материалов при пайке связаны с обменом веществом и
передачей энергии, происходящими специфическим образом.
Такое взаимодействие базируется на взаимодополняющих
феноменологических (макроскопических) и микроскопических
методах анализа. Важнейшим феноменологическим методом
анализа при этом является термодинамика.

Переход термодинамической системы паяемый материал
— припой из неустойчивого состояния в более
стабильное или метастабильное состояние происходит
необратимо и состоит из двух стадий: активируемой и
самопроизвольной неактивируемой. Энергетическим
стимулом первой активируемой стадии перехода
системы в более стабильное состояние при постоянном
давлении р0 и температуре То служит непрерывное
увеличение потенциальной энергии активации на
границе двух фаз за счет кинетической энергии, а второй
неактивируемой стадии — непрерывное уменьшение
термодинамического изобарного потенциала системы
(диффузионная стадия).

Среди многочисленных способов нагрева деталей, подлежащих пайке, в домашних условиях самым распространенным является нагрев паяльником или строительным феном.

Электрический или газовый паяльник может использоваться при низкотемпературной пайке. Благодаря тепловой энергии, которая аккумулируется в массе его металлического наконечника, он нагревает металл и припой, обеспечивая возможность соединения деталей.

Если рассматривать нагревательное оборудование с точки зрения его универсальности, стоит обратить внимание на газовые горелки и заправляемые бензином или керосином паяльные лампы. Их использование обеспечивает возможность проведения не только высокотемпературной, но и низкотемпературной пайки, требующейся в процессе соединения массивных деталей.

В процессе соединения металлов пайкой могут использоваться и другие методы нагрева:

• Индукционный метод. Нагрев происходит в катушке-индикаторе, через которую пропускается электрический ток. Использование данного метода позволяет создать условия для быстрого нагрева толстостенных деталей, что является бесспорным преимуществом в процессе припаивания твердосплавных резцов к режущему инструменту.
• Пайка электросопротивлением. Паяемые изделия в данном случае рассматриваются как части единой электрической цепи. Теплота выделяется в результате прохождения через детали тока.
• Пайка методом погружения. Происходит в расплавленных припоях и солях.
• Электролитная, дуговая, экзотермическая пайка.
• Пайка лучами, нагревательными матами и штампами.

О пайке

Пайка — это метод или процесс соединения металлов с помощью припоя. Припой — это металлический сплав с низкой температурой плавления, который часто рассматривается как основной металл для пайки.

Склеиваемая деталь или конструкция не нагревается до состояния плавления, и именно здесь в игру вступает припой (основной металл), который создает соединение.

Поскольку температура плавления основного металла низкая, температура, необходимая для этого метода, не превышает 448 градусов Цельсия. При этом температура может варьироваться в зависимости от металла и типа выполняемой работы.

Пайка широко распространена в электронной промышленности. Она также используется в отрасли, такой как изготовление ювелирных изделий.

Преимущества и недостатки пайки

Пайка является важным методом в различных отраслях промышленности и имеет свои преимущества и недостатки. Давайте рассмотрим подробнее.

• Пайка может работать при низких температурах.
• Разные материалы легко соединить.
• Остаточные напряжения низкие.
• Это не трудоемкий процесс.
• Пайка проста и не требует высоких навыков.

• Соединение материалов не очень прочное.
• Пайка не подходит для сборки больших конструкций.
• Флюсы, используемые в процессе пайки, могут быть токсичными.

ГАЗОВАЯ ГОРЕЛКА ДЛЯ ПАЙКИ МЕТАЛЛОВ

Горелка (рисунок 8) состоит из
двух трубок, вставленных одна в
другую. Диаметр внутренней
трубки 1 — 1 — 5 мм с
толщиной стенок 1 мм; трубка
на конце завальцовывается до
отверстия 1 — 1,5 мм и
затачивается на конус. Внешняя
трубка 2 тоже
завальцовывается на конце до
отверстия 3—4 мм (ее
внутренний диаметр 10—12 мм).
Внутренняя трубка, в которую
подается бытовой газ,
передвигается в заднем торце 3 и
специальной звездочкой 4,
которая плотно посажена в
середине внешней трубки. Воздух
подается во внешнюю трубку
через отросток 5.
Передвижением внутренней
Рисунок 8 – Газовая горелка
для пайки металлов

Виды пайки металла

Из-за существенного количества классифицируемых параметров выделяется достаточно много видов пайки. Определяются они в соответствии с технологической классификацией, прописанной в ГОСТ 17349-79. По этому документу, виды пайки различаются по способу получения припоя, по источнику нагрева, по характеру заполнения зазора припоем, по типу кристаллизации шва, по способу удаления оксидной пленки, по характеристикам давления в стыке, по одновременности выполнения соединений.

Одним из основных параметров классификации пайки металлов является температура плавления припоя. Пайка считается высокотемпературной, если процесс плавки начинается при значениях, превышающих 450 °C, и низкотемпературной, если плавление возможно при меньших показателях.

Низкотемпературная пайка имеет ряд преимуществ. Это несложный в исполнении процесс, который осуществляется с минимальными затратами. Применять данный вид пайки можно в отношении тонких пленок и миниатюрных изделий. За счет хорошей электропроводности и теплопроводности припоев возникают условия для соединения разнородных материалов. Поэтому низкотемпературная пайка активно используется в области электроники и микроэлектроники.

Высокотемпературная пайка имеет свои достоинства. С ее помощью можно изготовить герметичные, вакуумно-прочные соединения, которые позволят конструкции функционировать в условиях высокого давления. Они способны выдержать существенную нагрузку и обладают ударопрочными качествами. Высокая температура возникает в результате нагрева материала с помощью газовых горелок и среднечастотных или высокочастотных индукционных токов.

Обработка изделия с неравномерными или некапиллярными зазорами происходит в процессе композиционной пайки. В этом случае используются специальные композиционные припои, в состав которых входит легкоплавкая составляющая и наполнитель с температурой плавления выше, чем температура пайки. Благодаря этому он остается нерасплавленным и заполняет имеющиеся между частями изделия зазоры. Его задача — создать среду для распространения легкоплавкой составляющей.

Классификация видов пайки, исходя из характера получения припоя для пайки металлов, представлена в двух вариантах:

• Пайка готовым припоем. Плавление припоя происходит в результате нагрева. Он заполняет зазор между деталями и за счет действия капиллярных сил удерживается в нем. Роль, которую играют капиллярные силы в данном процессе, очень значительна. Они обеспечивают максимальную возможность проникновения припоя в имеющиеся полости, благодаря чему обеспечивается высокий уровень прочности.
• Реакционно-флюсовая пайка. В данном случае процесс обеспечивается за счет реакции вытеснения, происходящей между основным материалом и флюсом для пайки металла. Итогом этого процесса является образование припоя. Описать этот процесс можно следующим образом: 3ZnCl2 (флюс) + 2Al (металл, с которым происходит соединение) = 2AlCl3 + Zn (образовавшийся припой).

Для того чтобы осуществить процесс пайки, необходимо произвести соответствующую подготовку изделий и обеспечить наличие флюса, припоя и источников тепла.

Соединение металлических деталей — сварка

Сварка — это процесс получения неразъемного соединения деталей из твердых материалов и изделий из них путем расплавления краев соединяемых деталей. Сваривают как однородные материалы (например, металл с металлом), так и разнородные (металл с керамикой). Существует множество методов сварки, из которых в домашних условиях наиболее широкое распространение получила    сварка, при которой расплавление краев соединяемых деталей осуществляется электрической дугой. Эта дуга представляет собой электрический разряд между двумя электродами или электродом и изделием. Температура плазмы дуги составляет тысяч градусов, что дает возможность плавить практически все металлы.

Сварочный агрегат состоит из сварочного аппарата с двумя соединительными кабелями. На конце одного из них находится зажим, укрепляемый на детали, надутом — держатель, в который вставляется электрод. Электрическая дуга возникает между кончиком электрода за счет сильного электрического поля, создаваемого сварочным аппаратом: оно пробивает воздушный промежуток между электродом и деталью, и в результате возникает мощный электрический ток, при протекании через деталь выделяющий большое количество тепла. Для возбуждения дуги надо коснуться детали кончиком (торцом) электрода и тотчас отвести его назад на 3-4 мм.

Сварочный электрод представляет собой металлический стержень, плавящийся при сварке и дающий тем самым дополнительный металл для сварного шва. Наиболее распространенными являются электроды, используемые при сварке с помощью и постоянного, и переменного тока. Электроды обычно бывают длиной 30 или 35 см, толщиной 1,5; 2,25; 3,25; 4; 5 мм и более. Для сварки более толстых деталей применяют и более толстые электроды, и большие токи. Таблица конкретизирует это условие.

Соединение металлических деталей, двух или более, полученное с помощью сварки, называется сварным. По форме такие соединения подразделяют на стыковочные, угловые, тавровые и другие; по положению сварного шва в пространстве — на нижние, горизонтальные, вертикальные и потолочные. Сварной шов — это участок сварного соединения, непосредственно связывающий свариваемые детали. По способу выполнения сварные швы бывают однопроходные, многослойные, непрерывные (сплошные, прерывистые, угловые, стыковые, точечные и некоторые другие).

Соединение металлических деталей — особенности сварочной дуги

В процессе горения дуги под электродом, т. е. в детали, образуется углубление, заполненное жидким металлом, которое называется кратером. Часть этого металла испаряется, и при гашении дуги кратер оказывается «сухим», т. е. просто представляет собой выемку, ямку в металле. Кратер снижает качество сварного шва, и его необходимо заполнить, т. е. заварить. Глубина кратера, или, как ее называют, глубина провара тем больше, чем больше сварочный ток и меньше скорость перемещения дуги. Заваривают кратер так. На основном металле зажигают дугу, после чего перемещают ее через кратер к валику шва и, заполнив кратер, вновь двигают вперед. Наилучшее качество шва обеспечивает так называемая нормальная (или короткая) дуга, т.е. дуга, длина которой не превышает диаметра стержня электрода. Если эта длина больше, то дуга называется длинной. Надо иметь в виду, что слишком длинная дуга дает швы низкого качества.

Существует еще один «нехороший» эффект, который надо устранять — отклонение разрядной дуги под действием магнитного поля разрядного тока, или явление так называемого магнитного дутья. Чтобы уменьшить отклонение дуги, применяют ряд мер: меняют месторасположение токоподвода, наклоняют электрод в сторону отклонения дуги, уменьшают ее длину. Хотя дуга переменного тока менее устойчива, чем дуга, питаемая постоянным током, сварка ею имеет преимущество в простоте и меньшей стоимости сварочного оборудования. Сварку дугой постоянного тока можно проводить при соединении « + » источника питания со свариваемой деталью (прямая полярность) или с электродом (обратная полярность). Понятно, что при сварке на переменном токе это неважно.

При горении дуги прямой полярности больше нагревается свариваемая деталь, а обратной полярности — электрод. Кроме того, скорость плавления электродов, изготовленных из низкоуглеродистых сталей, при обратной полярности больше, чем при прямой полярности. Это обстоятельство учитывают, выбирая прямую либо обратную полярность в зависимости от вида сварочных работ (прихватка или сварка), толщины свариваемых изделий, материала электродов (углеродистый, хромоникелевый). Сварка с обратной полярностью применяется также при соединении тонких листов металла.

СБОРКА И ЗАКРЕПЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ПЕРЕД ПАЙКОЙ

Во избежание смещения и
перекосов сборных деталей при
транспортировке и пайке они
должны быть прочно скреплены
друг с другом.
Для скрепления применяются
различные вспомогательные
жесткие приспособления,
поддерживающие устройства,
используется точечная сварка,
развальцовка, обжимка, клепка,
насечка, плотная посадка и т. п.

ПАЯЛЬНИКИ

Основным инструментом при пайке легкоплавкими
припоями служит паяльник. Простейший паяльник
представляет собой медный брусок, заостренный с одной
стороны и насаженный на стальной стержень с ручкой .
Такой паяльник нагревают паяльной лампой, на газовой
плите, примусе
Электрический паяльник, у которого подогрев постоянный,
изображен на рисунке 5.
Рисунок 5 — Паяльник
Рисунок 6 – Паяльник импульсный
для ручного монтажа радиосхем
Рисунок 7 — Портативный плазменный
аппарат Мультиплаз-2500М предназначен для
ручной плазменной разделительной резки,
сварки, пайки

Структура паяного соединения

СТРУКТУРА ПАЯНОГО СОЕДИНЕНИЯ
1, 5 – соединяемые детали;
2 , 4 – зоны диффузии; 3 – припой
Рисунок 4 – Структура паяного соединения

РазновидностиПравить

• низкотемпературная (нагрев припоя до 450 °C);
• высокотемпературная (нагрев припоя свыше 450 °C).

Соответственно — припои бывают

• легкоплавкие;
• 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 %, t° пл. 220 °C);
• медно-серебряные (Ag — 72 %, Cu — 28 %, t° пл. 779 °C);
• медно-цинковые (Cu — 48 %, Zn — 52 %, 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. На границе между припоем и основным металлом образуются переходные слои, состоящие из продуктов их взаимодействия — твёрдых растворов и интерметаллидов. Они обеспечивают адгезию между припоем и основным металлом, однако слишком толстые слои интерметаллидов проявляют хрупкость и приводят к разрушению пайки.

• капиллярная (смачивание деталей и затекание припоя в зазор между ними происходит за счёт капиллярных сил):
  горизонтальная;вертикальная;
• горизонтальная;
• вертикальная;
• диффузионная (пайка происходит при температуре выше точки плавления припоя за счёт взаимной диффузии припоя и основного металла):
  атомно-диффузионная;реакционно-диффузионная;
• атомно-диффузионная;
• реакционно-диффузионная;
• контактно-реакционная или контактно-реактивная:
  с образованием эвтектики;с образованием твёрдого раствора;
• с образованием эвтектики;
• с образованием твёрдого раствора;
• реакционно-флюсовая или реактивно-флюсовая (во время нагрева припой образуется за счёт реакции металла и флюса):
  без припоя;с припоем;
• без припоя;
• с припоем;
• пайка-сварка:
  без оплавления;с оплавлением.
• без оплавления;
• 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 вытеснения 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.

ТИПЫ ФЛЮСОВ

1) Твердые порошкообразные флюсы — смеси
различных солей, применяются чаще всего при
паянии тугоплавкими припоями (бура, борная
кислота и их смеси).
2) Жидкие флюсы — водные растворы хлористых
солей (хлористый цинк и хлористый аммония,
спирт, глицерин и т. д.)
3) Газообразный флюс — хлоро-водородный газ,
однако широкого распространения этот флюс не
имеет.
4) Борорганические вещества . При сгорании
этих веществ образуются окислы бора, которые
и выполняют роль флюса.

Вспомогательные процессы при пайке

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ
ПАЙКЕ
При пайке шов должен быть обязательно
прогрет до температуры начала
плавления припоя (температуры солидуса).
Одновременно с прогревом паяного шва
обычно происходит и расплавление припоя.

Электролитическое травление

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ
Очистка изделий методом
погружения в травильную
ванну в большинстве случаев
требует значительного
времени. Для ускорения
процесса очистки
применяется
электролитический способ
травления, при котором
изделие помещают в
качестве анода (анодное
травление) или катода
(катодное травление) в
электролитическую ванну.
1 — ванна, 2 — катод, 3 — анод,
4 – электролит
Рисунок 2 –
Электролитическое

О сварке

Проще говоря, сварку можно определить как метод соединения металлических деталей путем нагрева и плавления соприкасающихся деталей в определенной точке и охлаждения до образования прочной связи.

Основные металлы нагреваются до плавления, это изменяет свойства металла и, следовательно, обеспечивает прочное соединение. Говоря о сложности, сварка более сложна, чем пайка, и требует дополнительных технических знаний, поскольку включает использование газов, пламени и электричества, которые необходимо регулировать.

В этом методе металлы могут быть одного и того же свойства или разных, плюс это предполагает использование оборудования для выполнения задачи. Температура во многом зависит от типа свариваемого металла и типа сварки, но обычно она составляет около 3000 градусов по Цельсию, а в некоторых случаях намного больше.

Виды сварки

Сварку можно разделить на две основные категории:

Дуговая сварка — это использование электричества для нагрева и плавления основного металла. Их можно разделить на следующие категории:

• Экранированная металлическая сварка
• Сварка MIG
• Сварка TIG
• Сварка EGW

Сварка горелкой — это использование топливных газов и кислорода для нагрева и плавления основного металла.

Преимущества и недостатки сварки

Сварка создает соединения, когда основной металл нагревается, плавится и снова охлаждается, однако у нее есть свои плюсы и минусы, давайте посмотрим:

• Сварка создает прочное соединение.
• Этот метод создает самую прочную связь по сравнению с другими методами.
• Не нужно сверлить отверстие в основных деталях для сварки.
• Можно сваривать разнородные металлы различных размеров и форм.

• Требуются квалифицированная рабочая сила и исправное оборудование.
• Неравномерное охлаждение и нагрев могут привести к возникновению остаточных напряжений в сварном узле.
• Сварные соединения подвержены вибрации.

Припой и флюс

Степень важности использования в процессе работы качественных припоев трудно переоценить. Они должны быть изготовлены из чистых металлов или их сплавов в виде порошка, пасты, стержня, таблетки, тонкой фольги или гранул. Основными характеристиками припоев являются их температура плавления и смачиваемость. Прочность соединения молекул припоя с заготовкой должна быть выше прочности соединения молекул самого припойного материала.

Температура плавления припоя должна быть ниже, чем температура плавления заготовок. Величина данного показателя лежит в основе деления припойных материалов на тугоплавкие и легкоплавкие.

К легкоплавким относятся припои, созданные основе олова и свинца, которые могут применяться как в чистом виде, так и с добавлением всевозможных компонентов. Основу тугоплавких припоев для плавки металла составляют серебро и медь. К ним относятся медно-цинковые припои, используемые в процессе пайки стальных заготовок, а также изделия из меди и бронзы.

Пайка черных металлов медно-фосфорными припоями не допускается.

Хорошими показателями прочности отличаются серебряные припои. Их используют при необходимости пайки деталей, в процесс эксплуатации которых присутствует вибрация или удары.

Никелевые припои обеспечивают качественное соединение частей конструкции, работающих в условиях высоких температур.

Золотые припои необходимы для того, чтобы спаять золотые ювелирные изделия или трубки, которым предстоит работать в вакууме.

При спаивании магниевых заготовок или деталей, изготовленных из сплавов данного металла, применяются магниевые припои.

Флюсы

Задача флюсов – удалить уже имеющуюся оксидную пленку и не допустить образования новой. Каждый из них имеет собственный состав и обладает определенными свойствами.

В соответствии с существующей классификацией флюсы делят на:

• активные и нейтральные;
• жидкие, твердые, пастообразные и гелеобразные;
• флюсы с низкой и высокой температурой;
• водные и безводные.

Самыми распространенными флюсами, применяемыми в процессе пайки металлов, являются канифоль, хлористый цинк, ортофосфорная кислота, борная кислота и ее натриевая соль (бура).

ТЕРМИНОЛОГИЯ

Припой — чистый металл или сплав,
применяемый для соединения
металлических деталей при паянии.
Припой должен обладать более низкой
температурой плавления по сравнению
с паяемым металлом.
Припой для
пайки
Инструменты для пайки

СтандартыПравить

Технологический процесс пайки металлов осуществляется в следующем порядке:

• Предназначенные для соединения поверхности зачищаются. С них снимается фаска.
• Тонким слоем наносится подобранный в соответствии с характеристиками обрабатываемого материала флюс. Для того чтобы он лучше распределился, поверхность деталей предварительно лудят.
• Заготовка разогревается с помощью горелки в определенном радиусе от места соединения. Область стыка прогревается до температуры, существенно превышающей температуру плавления припоя.
• На разогретый участок соединения помещают припой, который начинает плавиться и заполнять имеющийся зазор.
• Процесс остывания спаянной детали должен быть естественным. В противном случае гарантировать качество соединения будет невозможно.

В процессе соединения меди и титана может применяться технология пайки без припоя. В ее основе лежит принцип контактного плавления. При нагреве материалов до необходимой температуры в месте контакта образуется расплав. Он заполняет имеющийся зазор, и в результате диффузии происходит процесс соединения частей конструкции.

Применять пайку можно в качестве способа соединения труб теплообменников, в холодильных установках, системах, передающих жидкости и газы.

Процесс пайки металлов может обеспечить возможность соединения частей конструкций, состав которых неодинаков. Для того чтобы выполнить эту задачу, требуется правильно выбрать припой и учесть разницу температуры его плавления с температурой плавления материалов, подлежащих обработке.

Оцените, пожалуйста, статью

Всего оценок: 2, Средняя: 4

ТИПЫ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

соединения
внахлестку;
• соединения встык;
• в ус;
• ступенчатый шов;
• тавровые;
• угловые;
• комбинации
стыкового
соединения
• телескопические.
Рисунок 3 – Типы паяных соединений

Соединение металлических деталей — соединяемые детали устанавливаются в удобное для пайки положение и фиксируются с помощью тисков, струбцин или иных приспособлений. Затем место пайки равномерно прогревают паяльником до требуемой рабочей температуры. Важно при этом контролировать степень нагрева паяльника и соединяемых поверхностей: если эти поверхности были прогреты слабо, то соединение будет ненадежным; если же паяльник перегрет, он плохо удерживает припой. Когда рабочая температура достигнута, сначала плавят флюс, а затем припой. Как только весь флюс расплавится, предварительно нагретый припой переносят на зазор. При соприкосновении с деталью, нагретой до нужной температуры, припой плавится и проникает в зазор. После этого паяльник используется только для поддержания рабочей температуры. Как только припой остынет, можно снять зажимы. Саму деталь охлаждают на воздухе либо в холодной воде.

Мягкая пайка пламенем целесообразна в тех случаях, когда нужно соединить заготовки сравнительно большой толщины: пламя прогревает их быстрее, чем паяльник. Мягкой пайкой можно соединять большинство металлов и их сплавов, исключая легкие металлы и сплавы (например, алюминий). Поскольку мягкая пайка производится при заметно более низких температурах, то и требования к зачистке контактных поверхностей существенно выше.

Твердая пайка пламенем. Этим методом можно соединять все металлы, включая бронзу и серый чугун, а также и разнородные металлы, скажем, сталь с латунью. Отличие этого метода пайки от мягкой состоит лишь в том, что процесс идет при гораздо больших температурах.

Для твердой плавки пламенем применяют обычные горелки, а для получения небольших, тонкостенных соединений — газовые паяльные лампы. Например, при образовании Т-образного соединения вертикально стоящую заготовку фиксируют проволокой, горизонтальная же может быть не закреплена; проволока должна быть удалена от места пайки. Затем газовой горелкой либо прогревают заготовки от краев к месту контакта, что исключает вероятность коробления и взаимного смещения деталей. Наконец, припой в форме прутка и проволоки осторожно подводят к месту пайки и дозированно, экономно расплавляют его. В заключение рассказа о пайке приведем виды соединений металлов, которые могут быть получены тем или иным видом пайки.

Соединение металлических деталей — паяльный инструмент

К нему относятся паяльник, паяльная лампа, паяльная горелка. Также используется сварка — газовая или электрическая. Широко распространены плазморезы. Паяльник применяется для прогревания места спайки и расплавления припоя. Рабочая часть паяльника — медный наконечник, нагреваемый от внешних источников. При пайке мелких деталей, например, деталей радиосхем, используют наконечники в форме отвертки массой 0,1-0,2 кг; для пайки более габаритных изделий (скажем, листов металлической кровли) — тяжелые наконечники в виде молотка.

Нагрев паяльников осуществляется разными способами — как в пламени горелки, так и с помощью электрического тока (электропаяльники). Последние (бытового назначения) выпускаются различной мощности от 25 до 100 Вт в зависимости от цели применения.

Как проводится соединение металлических деталей. Подогрев может происходить обычным теплом (за несколько минут) или со скоростью. В последнем случае электропаяльники называются паяльными пистолетами; они употребляются для мелких паяльных работ (пайки электропроводов, например). Перед началом паяния наконечник паяльника нужно залудить, т.е. очистить с помощью напильника либо шлифовальной шкурки, нагреть, окунуть во флюс, приложить к припою и держать, пока тот не начнет плавиться. Это надо повторить несколько раз — до тех пор, пока рабочая поверхность наконечника не покроется ровным слоем припоя.

Паяльная лампа представляет собой легкую переносную горелку с направленным пламенем, работающую на спирте, бензине или керосине. Ее функции — нагревание наконечника паяльника при пайке с твердым или мягким припоем, расплавление припоя, а также нагревание металлов при гибке, правке и т.д., удаление старых лаков, красок, масел с деревянных оснований, металлических деталей, штукатурки.

Паяльная горелка тоже представляет собой легкую переносную горелку с направленным (открытым или закрытым) пламенем. Работает она на жидком газе — пропане или бутане, который поступает баллона или из зарядных устройств. Паяльная горелка предназначена для пайки твердым припоем (и, конечно, мягким), разогрева металлических деталей при их правке и сгибании, оплавления старой краски. При работе с паяльной горелкой необходимо использовать огнеупорную подкладку — плитки из искусственного камня, шамота, кирпича и т.д.

Разница между сваркой и пайкой

Вот несколько различий между сваркой и пайкой.

1: Температура плавления дополнительного материала — при пайке температура составляет менее 450 градусов Цельсия, что примерно соответствует температуре плавления основного металла. При сварке она превышает 450 градусов по Цельсию.

2: Использование флюса. Флюс — это химический очищающий реагент, который помогает в процессе пайки. Этот реагент не является обязательным в сварочном процессе.

3: Источник нагрева — при сварке обычными источниками тепла являются электрический ток, плазма, электронные лучи и электрическая дуга. В случае процесса пайки источниками тепла являются ультразвук и электрическое сопротивление.

4: Деформация — в процессе сварки материал претерпевает как физические, так и химические изменения. При пайке степень деформации довольно низкая.

5: Остаточные деформации. В процессе сварки высока вероятность того, что остаточные деформации останутся, но к процессу пайки это не относится.

Соединение металлических деталей — очистка поверхностей

Места будущего соединения должны быть полностью очищены от всех инородных образований — грязи, смазки, ржавчины и т.п. Процедуру очистки проводят механическим либо химическим способом. В первом случае используют наждачную бумагу, шабер или шлифование; во втором — тетрахлористый углерод. В готовом к пайке виде поверхности должны быть зачищенными до блеска, гладкими, без царапин и вмятин.

ПАЙКА И ЕЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ, ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

Паяние — процесс соединения твердых металлических тел при помощи
промежуточного металла или сплава в расплавленном состоянии с
последующей его кристаллизацией.
Рисунок 1 — Структура паяных соединений
Пайка золотого
Пайка металла со стеклом

Элементы паянного соединения

ЭЛЕМЕНТЫ ПАЯННОГО СОЕДИНЕНИЯ
1) зазор между соединяемыми
поверхностями;
2) галтель – валик припоя вокруг паянного
соединения, образуемый после пайки;
3) паяный шов.

Пайка металлов — это технологическая операция, в результате проведения которой образуется неразъемное соединение металлов, находящихся в твердом состоянии. Проводится эта операция с помощью специального присадочного материала — припоя, температура плавления которого ниже, чем температура плавления материалов, подлежащих обработке. Процесс пайки имеет некоторые общие черты с процессом сварки методом плавления, но в данном случае растворение и диффузия наблюдаются не только у припоя, но и у спаиваемого металла.

Соединение, образовавшееся в процессе пайки металлов, должно соответствовать служебным свойствам изделия и условиям его эксплуатации. Исходя из этого, особые требования могут предъявляться к степени герметичности, коррозионной стойкости, вакуум-плотности, способности противостоять перегрузкам и термоударам, уровню электросопротивления и т. д.

В процессе пайки основной материал растворяется в жидком припое. Образуются эвтектик и твердые растворы. Между припоем и металлом возникает взаимная диффузия компонентов, завершающаяся кристаллизацией жидкой прослойки.

Степень прочности соединения, образовавшегося в процессе пайки, зависит от нескольких факторов. Прежде всего, это химический состав материалов, находящихся в работе. Он определяет выбор температуры и времени продолжительности пайки, характер физико-химических и диффузионных процессов, протекающих между основным материалом и припоем.

Показатели механической прочности будут тем выше, чем больше степень взаимной диффузии между расплавленным припоем и металлом. Повлиять на прочность пайки может и величина зазора. Его минимальные размеры обеспечат возможность качественного и быстрого затекания припоя в имеющиеся полости, в результате чего значение временного сопротивления паяного соединения окажется больше значения временного сопротивления самого припоя.

Подготовка поверхности к лужению

ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТИ К
ЛУЖЕНИЮ
Поверхность, подлежащая лужению,
должна быть тщательно очищена от
грязи, окалины, жиров и т. д.
Очистка поверхности изделия
производится до металлического блеска
при помощи шабера, напильника,
наждачной бумаги, кордовых щеток и т. д.
Большие поверхности для облегчения
работы травят разбавленной соляной или
серной кислотой.

Химическое травление

ХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ
Химическое
травление
стальных
изделий
выполняется
путем
погружения изделий в раствор серной
или соляной кислот. При погружении
изделия в растворы кислот во
взаимодействие с ними вступают не
только имеющиеся на поверхности
металла окислы, но и металлическое
железо.

ПАЙКА В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ

В настоящее время пайка наряду со сваркой является одним из
наиболее распространенных способов получения неразъемных
соединений в современном производстве.

ИСТОРИЯ ПАЙКИ

Превращение древнего ремесла — пайки в один из важнейших
технологических процессов современного производства произошло
благодаря современной научно-технической революции. Бурное
развитие техники в различных отраслях промышленности обусловило
широкое ее применение, и в первую очередь в машиностроении и
электронике и электротехнической промышленности. Это связано с
тем, что пайка, как процесс формирования соединений материалов,
осуществляется при температурах ниже температуры начала
плавления паяемого материала и характеризуется возможностью
автоматического ее регулирования, так как во многих случаях на
границе паяемого материала и жидкого припоя устанавливается
состояние локального равновесия, являющегося основой такого
регулирования. При сварке плавлением и в твердой фазе значительно
труднее реализовать локальное равновесие. Вследствие этого
технология пайки существенно отличается от технологии сварки
плавлением
и
сварки
давлением
и
требует
специальных
технологических и вспомогательных материалов и оснащения.

Травление металлов

ТРАВЛЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
Удаление с поверхности металлов
окислов, ржавчины и окалины в
растворах кислот, солей или щелочей
называется травлением. Травление
осуществляется химическим и
электрохимическим способами.

Технологии пайкиПравить

• Низкотемпературная пайка:
  пайка с применением электрического паяльника:
  ручная;полуавтоматическая;пайка волной жидкого припоя;пайка погружением в ванну с расплавленным припоем;
• пайка с применением электрического паяльника:
  ручная;полуавтоматическая;
• ручная;
• полуавтоматическая;
• пайка волной жидкого припоя;
• пайка погружением в ванну с расплавленным припоем;

• :
  пайка нагревом с помощью газовых горелок;пайка нагревом токами высокой частоты;экзотермическая пайка;
• пайка нагревом с помощью газовых горелок;
• пайка нагревом токами высокой частоты;
• экзотермическая пайка;

Технология пайки оловянно-свинцовым припоем

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.

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 своём составе тяжёлые 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 свинца.
Также эффективным способом защиты является использование дымоуловителя.

Технология пайки без припоя

Например при пайке меди и титана припой не применяется, а используется явление контактного плавления. Суть явления в том, что температура плавления сплава Cu-Ti ниже температуры плавления каждого металла в отдельности. Температура плавления меди — 1083 °C, а титана — 1725 °C. Если образцы из Cu и Ti плотно соединить и нагревать, то при температуре около 900 °C зазор между ними заполнится за счёт плавления места контакта (диффузионная пайка).

СсылкиПравить

При раскопках царских гробниц на территории
древнейшего государства Вавилона учеными
были найдены изделия из золота, носящие на
себе следы пайки.
Так, в гробнице царицы Шубад, жившей в 3200-х
годах до нашей эры, были найдены хорошо
сохранившиеся золотые сосуды, ручки к
которым были припаяны золотом или сплавом
золота с серебром, золотые головные уборы.
Найденные при раскопках египетских пирамид
многочисленные тщательно выполненные
золотые украшения неопровержимо
доказывают, что искусство паяния было
хорошо известно в древнем Египте во втором
тысячелетии до нашей эры.
Таким образом, раньше всего была
осуществлена пайка благородных металлов
(золота) твердыми припоями (золотом).
Золотой
головной убор
царицы Шубад
Фрагменты
головного убора
царицы Шуб-Ад,

ФЛЮСЫ
Флюс – химическое вещество, используемое для
разрушения окисных пленок, улучшения смачиваемости
паянных поверхностей и защиты их от окисления.
Общие требования к флюсам:
1)
должны иметь высокую жидкотекучесть;
2)
должны иметь стабильность химического состава;
3)
должны иметь высокую активность в широком
интервале температур;
4)
улучшать условия смачивания поверхности паяемого
металла расплавленным припоем;
5)
должны предохранять поверхность паяемого металла и
расплавленного припоя от окисления при нагреве в
процессе пайки;
6)
растворять окисные пленки на поверхности паяемого
металла и припоя;
7)
не вызывать сильной коррозии паяного соединения;
8)
не выделять при нагреве ядовитых газов.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИПОЕВ

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИПОЕВ
1 класс
2 класс
легкоплавкие —
имеющие
температуру
плавления ниже
400—450° (к
которым относятся
сплавы на
оловянной,
свинцовой,
кадмиевой,
висмутовой и
цинковой основах).
тугоплавкие —
имеющие
температуру
плавления выше
450—500° (сплавы
на медной,
серебряной, золотой,
алюминиевой,
магниевой и
никелевой основах).

Соединение металлических деталей пайкой

Соединение металлических деталей для домашних работ, как правило, пользуются мягкими оловянно-свинцовыми припоями марки ПОС. Пайка — это процесс получения неразъемного соединения металлических материалов и деталей из них расплавленным припоем. Припой — это металл или сплав, температура плавления которого гораздо меньше, чем у соединяемых изделий. В зависимости от температуры плавления различают следующие типы припоев: мягкие (легкоплавкие) — температура плавления не более 4500С; твердые (среднеплавкие) — 4500С, высокотемпературные (высокоплавкие) — свыше 6000С.

Маркировка их означает следующее: цифра в марке припоя — содержание олова в процентах; так, в припое ПОС 90 — 90% олова, в ПОС 40- 40%, и т.д.; следующие за обозначением марки (т. е. за буквами «ПОС») буквы означают добавку элемента, формирующего специальные свойства припоя: ПОССу4-6 — припой с добавкой сурьмы, ПОСК50 — кадмия, ПОСВЗЗ — висмута.

На эту тему

Чтобы предохранить соединяемые поверхности (предварительно хорошо очищенные) от окисления, используют паяльный флюс — вещество, очищающее поверхности и припой от оксидов и загрязнений и предотвращающее образование оксидов, а также увеличивающее растекаемость расплавленного припоя.

Каждый флюс эффективен только в определенном интервале температур, за пределами которого он сгорает. Припой выбирают в зависимости от свойств соединяемых металлов, припоя, требований прочности спаянного соединения и некоторых других условий.

Обычно используют бескислотные флюсы — канифоль и флюсы на ее основе с добавлением спирта, скипидара, глицерина и других неактивных веществ — и флюсы активные, изготовляемые на основе хлористого цинка, канифоли и других веществ. Следует иметь в виду, что после пайки остатки флюса и продукты его разложения необходимо сразу же удалять, поскольку они содействуют коррозии.

По ГОСТ 17325-79: Образование неразъёмного соединения с межатомными связями путём нагрева соединяемых материалов ниже температуры их плавления, их смачивания припоем, затекания припоя в зазор и последующей его кристаллизации.

ДОСТОИНСТВА ПАЙКИ

Важнейшее достоинство пайки — формирование паяного шва при температуре ниже температуры
автономного плавления соединяемых металлов. Это обстоятельство дает возможность вести
процесс в условиях общего нагрева и позволяет:
осуществлять групповую пайку и широкую ее механизацию и автоматизацию, что обеспечивает
высокую производительность процесса в крупносерийном и массовом производстве;
получать соединения в скрытых и малодоступных местах изделий, изготовлять тонкостенные
изделия с большой плотностью паяных соединений и их объемным расположением за один нагрев,
повышать коэффициент использования материала и снижать металлоемкость изделий;
соединять детали не только последовательно по контуру шва, как при сварке плавлением, но и
одновременно, в том числе по поверхности, что обусловливает возможность варьирования
прочности паяных соединений и конструкции изделий;
ограничиваться при пайке давлениями на порядок меньшими, чем при сварке давлением;
соединять разнородные металлические и неметаллические материалы и с большей
разностенностью деталей, чем при сварке плавлением;
выбирать температуру процесса в зависимости от необходимости сохранения механических
свойств материалов изделия после пайки, возможности совмещения нагрева под пайку с
термообработкой и выполнения ступенчатой пайки;
обеспечивать плавность галтельных участков шва, а следовательно, высокую прочность и
надежность их в условиях вибрационных и знакопеременных нагружений;
разъединять детали и сборочные единицы путем распайки при температуре ниже температуры
автономного плавления паяемого материала и ремонтировать изделия в полевых условиях.

ОБЕЗЖИРИВАНИЕ

Обезжиривание- процесс удаления жиров и масла с
поверхности металла.
Обезжиривание в органических растворителях
Детали погружают в ванну с бензином или керосином и
затем волосяной щеткой очищают их поверхность.
Окончательная очистка производится во второй ванне с
более чистым растворителем.
Затем протирают поверхности паяемого шва
волосяными щетками, смоченными разведенной до
кашицеобразного состояния венской известью.
При выполнении травления и нейтрализации следует
работать в резиновых перчатках, фартуке и защитных
очках во избежание ожогов и порчи одежды.

Плюсы и минусы пайки металлов

Способ соединения металлических заготовок с помощью пайки позволяет:

• соединять материалы с отличающимися химическими и физическими свойствами;
• проводить работы в труднодоступных местах, где применить сварку невозможно;
• работать с изделиями любого размера и формы;
• выполнять обработку всех плоскостей касания;
• добиваться качества соединений за счет отсутствия внутреннего напряжения;
• справляться с поставленными задачами на основе имеющихся базовых знаний о процессе пайки металлов и наличии минимальных навыков.

К минусам пайки можно отнести:

• Невысокую, в сопоставлении со сварочным швом, прочность соединения. Это обусловлено свойствами материала, применяемого в качестве припоя.
• Низкую термостойкость, исключающую возможность применять пайку в отношении конструкций, эксплуатируемых в условиях высоких температур.
• Низкий уровень производительности труда. Пайка представляет собой процесс точечного воздействия на поверхность обрабатываемого материала, поэтому в массовом производстве практически не применяется.

Вывод

Сварка — это процесс соединения одинаковых или разнородных металлов с помощью оборудования и дополнительных материалов. Они делятся на две основные категории — дуговая сварка и сварка горелкой. Соединения, созданные сваркой, очень прочны и обладают высокой прочностью. Этот метод широко используется в строительстве, автомобилестроении и машиностроении.

Пайка — это процесс соединения одинаковых или разнородных металлов с помощью припоя. Основным материалом, используемым при пайке, является припой (металлический сплав), поскольку он имеет более высокую температуру плавления, чем паяные материалы. Техника пайки распространена в электронной промышленности. Этот метод прост в использовании и требует меньше времени.