Сущность процесса пайки и лужения

В позапрошлом году я начал испытания различных способов соединения проводов, во избежание ситуации описанной в посте. Сейчас пришло время посмотреть как соединения стареют со временем и ведут себя при перегрузках.

Здесь рассматриваются наиболее доступные способы соединить наиболее типичный для квартирной проводки медный однопроволочный провод сечением 2,5 кв.мм.

Старение

Соединения, описанные в прошлой статье, были оставлены на балконе с большими суточным и годовым перепадами температуры и влажности на 14 месяцев. Напряжение не подводилось. Подтяжка или зачистка клемм не производились.

Перегрузка

На этот раз конструкция установки несколько иная. Повышено выходное напряжение и добавлен балласт, в виде кастрюли с кипятильником, для стабилизации тока.

Изменение тока в середине опыта вызвано удалением Al-Al скрутки, создававшей большое сопротивление.

Подтяжка клемм не производилась.

Винтовые клеммники ТВ-1504 (15 А) и ТВ-2504 (25 А)

Нет признаков ухудшения контакта при хранении и после циклирования. Конечная температура в перегрузке существенно превышает допустимую для ПВХ изоляции, но никаких признаков повреждения клеммников или проводов не обнаружено.

«Полиэтиленовый» клеммник 5 А

На 18-ом цикле стало заметно оплавление корпуса в местах соприкосновения с металлическими частями. К концу финального трёхчасового нагрева корпус начал течь, но продержался до конца опыта. При разборке схемы один из проводов выпал.

Провал, но с учётом 8-и кратной перегрузки — живучесть удивительная.

«Полиэтиленовый» клеммник 10 А

Не участвовал в испытаниях на старение. При сборке, в гильзе образовалась трещина, и с этой трещиной он пошёл на испытания.
Никаких признаков повреждения корпуса или проводов. После разборки провода держатся надёжно, сопротивление стабильно.

Скрутка Cu-Cu

При длительном хранении ослабла — сопротивление нестабильно (меняется при надавливании на провода). Измеренная внутренняя температура вызывает сомнения. Признаков перегрева изоленты не обнаружено.

Успех, но есть нюанс.

Скрутка Al-Cu

После хранения сопротивление высоко и нестабильно. Начала дымиться сразу после включения под нагрузку, и через полчаса изолента полностью обгорела. На 16-м импульсе контакт пропал и началось искрение, после чего была исключена из схемы.

Полный провал, но без пожара.

Скрутка Al-Al

После хранения нестабильное сопротивление. Начала дымиться через 10 минут после подачи тока. Через 5 часов под нагрузкой (третий импульс) почернела изоляция на проводах. На протяжении всего опыта наблюдается небольшое искрение. На 19-м импульсе нагрев скрутки привёл к повреждению вспомогательного клеммника, после чего она была исключена из схемы.

Пайка

Стабильна как целый провод. Но крайне нетехнологично для монтажа электропроводки.

WAGO 222 (серый)

После хранения сопротивление возросло и стало нестабильным. В ходе опыта температура внутри достигла 171º. Заметных повреждений корпуса нет, но изоляция на проводах начала темнеть. После прогрузки сопротивление осталось нестабильным. Возможно это вызвано оксидной плёнкой на проводе, возникшей в результате перегрева.

Успех, но есть нюансы.

WAGO 221 (прозрачный)

После хранения возросло сопротивление. После прогрузки сопротивление частично восстановилось, но стало нестабильным. Видимых повреждений нет. Изоляция на проводах немного потемнела и затвердела.

Значительно лучше, чем серый WAGO.

Измерения

В соответствии с ГОСТ IEC 60898-2-2011, автоматический выключатель 25С должен гарантированно отключаться за время не более 1 ч при токе 25*1,45 = 36 А. Исходя из этого, испытанные (и уцелевшие) соединения должны быть достаточно надёжными для цепи сечением 2,5 кв.мм, защищаемой автоматами на 25 А.

Следует учитывать, что, несмотря на сохранение целостности соединений, нагрев, во всех случаях, существенно превысил допустимый для ПВХ изоляции предел в 70º. Длительное нахождение под таким током приведёт к ускоренному старению изоляции и её разрушению. А потому, если возможна длительная перегрузка, — желательно ограничивать ток автоматическими выключателями на 20 А (редкие) или 16 А.

Мне не удалось устроить возгорание — полное разрушение изоленты произошло без открытого пламени. Корпуса электротехнический изделий и изоляция проводов изготавливаются из материалов не поддерживающих горение, а потому пожар при перегрузке маловероятен, но возможен при «правильном» монтаже на «подходящих» конструкциях.

Опыт проводился при комнатной температуре на открытом столе. Реальные соединения могут располагаться в закрытых щитках или нагреваемых солнцем помещениях.

При монтаже вторичных цепей на панелях щитов, в шкафах, щитках, а также в распределительных устройствах применяют установочные провода преимущественно с медными жилами. Одним из видов соединения проводов является паяние их между собой. Для получения прочного соединения необходимо удалить с соединяемых поверхностей оксидную плёнку и создать условия взаимодействия твёрдого и жидкого металлов. При кристаллизации вступившего во взаимодействие с материалом паяемых деталей более лёгкоплавкого связующего металла образуется паяное соединение.

Пайка – это физико-химический процесс получения соединения в результате взаимодействия твёрдого паяемого (основного) и жидкого присадочного металла (припоя). Образующиеся в результате этого взаимодействия переходные слои на границах шва и соединяемых поверхностей деталей называются спаями. Формирование шва при пайке происходит путём заполнения припоем зазоров между соединяемыми деталями, т. е. процесс пайки связан с капиллярным течением. Одним из преимуществ пайки является возможность соединения за один приём в единое целое множества элементов, составляющих изделие. Поэтому пайка, как ни один другой способ соединения отвечает условиям массового производства. Она позволяет соединять разнородные металлы, а также металлы со стеклом, керамикой, графитом и другими неметаллическими материалами.

При пайке не происходит расплавления кромок паяемых деталей, поэтому проще сохранить в процессе нагрева требуемые форму и размеры изделия. Низкотемпературная пайка позволяет сохранить неизменными структуру и свойства металла соединяемых деталей. Важное преимущество пайки – разъёмность паяных соединений – делает её незаменимой при монтажных и ремонтных работах.

В соответствии со спецификой и особенностями технологического процесса пайку классифицируют:

• по характеру взаимодействия твёрдого и жидкого металлов при возникновении спая;

• по особенностям технологии образования паяного соединения;

• по способам нагрева.

По характеру взаимодействия основного металла с расплавом припоя и природе связей на границе основной металл – припой выделяют четыре вида спаев: бездиффузионный, растворно-диффузионный, контактно-реакционный и диспергированный.

По особенностям технологии образования паяного соединения (режим пайки, способ введения припоя, формирование шва) выделяют пайку капиллярную, диффузионную, контактно-реактивную, реактивно-флюсовую и некапиллярную.

Образующееся при пайке соединение по своему строению и составу неоднородно, включает литую прослойку (шов), спаи, диффузионные и прикристаллизованные зоны.

Шов – неоднородная по составу и строению прослойка между соединяемыми деталями, образующаяся в результате взаимодействия расплава припоя с паяемым материалом и последующей кристаллизации расплава в зазоре.

Спай – переходный слой на границе паяемая деталь – шов, образующийся в результате взаимодействия расплава припоя с паяемым материалом.

В зависимости от источника нагрева пайка может быть следующих видов: пайка паяльником, газопламенная, электродуговая, электросопротивлением, индукционная, экзотермическая, пайка электронным лучом, лазером, пайка в печи, погружением в расплавленную соль, погружением в расплавленный припой, волной припоя, электролитная пайка, пайка в нагретых штампах, инфракрасными лучами, в нагревательных матах и нагретыми блоками.

Наиболее простой метод пайки с нагревом паяльником широко применяют во многих областях техники и в быту. Простейший паяльник состоит из медного заострённого наконечника, закреплённого на стальном стержне с ручкой.

Независимо от способа нагрева и конструкции основное назначение паяльника – нагрев припоя до расплавления, накапливание расплавленного припоя и нанесения его на паяемое изделие, прогрев металла по месту пайки, а также удаление излишков расплавленного припоя.

Рис. 31. Электрический паяльник на подставке:

1 – медный сменный стержень, 2 – электронагреватель, 3 – изолирующая ручка.

Рис. 32. Пайка электрическим паяльником:

1 – припой, 2 – медный сменный, стержень паяльника (жало), 3 – электронагреватель.

Наибольшее применение в промышленности и в бытовых условиях получили электрические паяльники, которые в зависимости от материалоёмкости паяемых изделий имеют различные размеры. Рабочая часть паяльника представляет собой стержень из меди, медных сплавов и других материалов. Электронагреватель расположен с внешней стороны стержня или внутри его, изготовлен из материала с большим электросопротивлением; подачу теплоты в рабочую часть стержня – жала – регулируют изменением входного напряжения или периодическим отключением паяльника от электропитания. Эффективность электропаяльника зависит от теплоёмкости стержня и скорости восстановления температуры. Выбор паяльника производят по номинальной мощности, при этом выбранное значение мощности округляют до ближайшего значения унифицированного ряда. В конструкции электропаяльников принят ряд мощностей: 4, 6, 12 и 18 Вт – микропаяльники (напряжением 6 В); для печатного монтажа – 25, 30, 35, 40, 50 и 60 Вт, а для пайки объёмного монтажа – 50, 60, 75, 80, 100 и 120Вт.

В зависимости от расположения паяемого шва, конфигурации изделия и назначения паяльники имеют самую разнообразную форму.

Рис. 33. Электрический паяльник с нагревательным элементом, расположенным внутри стержня.

Паяльники с электрическим обогревом в зависимости от рода выполняемых работ выпускают различных типоразмеров и мощностей. Они могут иметь внутренний или наружный обогрев.

Рис. 34. Электрические паяльники с наружным обогревом:

а – универсальный со сменным нагревательным элементом, б – молотковый, в – угловой со сменным стержнем.

Нагревательные элементы изготовляют из жаростойкой проволоки (нихром), намотанной на слюдяное или керамическое основание. Для сокращения времени ремонта паяльника нагревательные элементы делают сменными. Отечественная промышленность выпускает бытовые электрические паяльники различной конструкции, рассчитанные на напряжение 127 и 220 В с номинальной мощностью 35–200 Вт. В зависимости от конфигурации паяемого шва наконечники (жало) к паяльникам могут иметь самую различную форму.

Рис. 35. Форма наконечников для электрических паяльников.

Материалы для наконечников должны иметь высокую теплопроводность, хорошо облуживаться, обладать пониженным окалинообразованием при температурах пайки, хорошо сопротивляться действию расплавленного олова и флюсов. Самым распространённым материалом для изготовления наконечников является чистая медь. Но для уменьшения износа рабочей части наконечников их изготовляют из сплава меди с хромом, никелем, теллуром, серебром или цинком.

Для удобства пайки, сокращения расходов припоя и электроэнергии электрические паяльники выпускают с термостатическим микропрерывателем тока, который выключает паяльник по достижении нужной температуря и снова включает, когда он немного остынет. При пайке в затемнённых местах паяльник снабжают вспомогательной лампочкой, включённой последовательно с нагревательным элементом. Лампочка хорошо освещает место пайки.

Кроме паяльников с электрическим подогревом существует ещё две группы паяльников, отличающихся по способу нагрева: без постоянного подогрева и с непрерывным подогревом газом или жидким топливом. Особую группу составляют паяльники специального назначения. Паяльники первой группы нагревают периодически в пламени паяльной лампы или в специальных горнах, работающих на жидком, твёрдом и газообразном топливе.

Рис. 36. Паяльники, нагреваемые в пламени паяльной лампы или в горне:

а – молотковый, б – торцовый, в – фасонный.

Паяльники с непрерывным подогревом отличаются тем, что медный стержень непрерывно подогревается открытым пламенем. В качестве топлива используют спирт, бензин, городской газ, ацетилен, водород. Паяльники, обогреваемые жидким топливом, обычно состоят из сосуда для топлива, горелки, запорных краников и наконечника. Такие паяльники очень удобны в работе и не требуют дополнительного оборудования.

Рис. 37. Бензиновый паяльник.

Перед пайкой в первую очередь необходимо подготовить паяльник. Для этого рабочий конец паяльника затачивают под углом 30-40° и зачищают от следов окалины. Зачищенный паяльник нагревают до 250-300 °C, затем рабочий конец его погружают во флюс и тщательно залуживают припоем, после этого паяльник готов к работе. Подготовленное к пайке соединение очищают от пыли, жира, грязи и окислов, покрывают флюсом и разогревают паяльником до нужной температуры.

Когда шов прогревается до температуры плавления припоя, облуженным концом паяльника захватывают припой и переносят его в шов. Если припоя требуется много, то он расплавляется паяльником непосредственно на поверхности паяемого изделия. Пайку производят, передвигая паяльник по шву, благодаря чему расплавленный припой затекает в зазор.

Рис. 38. Приёмы пайки паяльником:

а – пластин встык, б – внахлёстку, в – пайка тонкой пластины с толстой внахлёстку, г – толстых проводов на куске канифоли.

Во время пайки следует внимательно следить за температурой паяльника, не допуская его перегрева. Перегрев паяльника выше 400?С повышает ок-а линообразование и затрудняет обслуживание наконечника. Если паяльник перегрет, то полуда на его наконечнике становится жидкой и не держится, сильно окисляется и выгорает. Во время длительной пайки необходимо периодически очищать рабочую часть паяльника от окалины. Очищенный паяльник перед работой подвергают облуживанию.

В серийном и единичном производстве при пайке для нагрева изделий применяют газопламенные горелки. Нагрев газовым пламенем отличается большой универсальностью, позволяет осуществить местный нагрев в ограниченной зоне изделия, применим при пайке изделий любых форм и размеров, не требует сложного оборудования, допускает механизацию и автоматизацию процесса.

При пайке легкоплавкими припоями обычно используют паяльные лампы. Иногда их применяют и при пайке тугоплавкими припоями со сравнительно невысокой температурой плавления (например, серебряными). Пайка паяльными лампами может производиться с менее тщательной подготовкой места спая, так как пламя лампы обеспечивает выгорание различных загрязнений, находящихся на поверхности изделия. При пайке место спая покрывают флюсом и начинают его греть до тех пор, пока пруток припоя при соприкосновении с деталью не начнёт плавиться. Во время пайки необходимо непрерывно добавлять как припой, так и флюс. В случае недостаточного количества флюса поверхность спая в результате нагрева окислится, и затекание припоя в шов может прекратиться.

Паяльные лампы работают на бензине, керосине или спирте. Температура пламени паяльной лампы достигает 1 000-1 100 °C. Паяльные лампы работают следующим образом. Из резервуара под небольшим давлением жидкое горючее поступает в предварительно нагретый испаритель, где переходит из жидкого состояния в газообразное. В трубке, примыкающей к испарителю, горючий газ смешивается с подсасываемым воздухом. На выходе горючую смесь поджигают. Количество подаваемого газа регулируют.

Рис. 39. Паяльная лампа.

Паяльную лампу разжигают в следующем порядке:

– в резервуар лампы наливают горючее до 3 / 4 объёма;

– в чашку под испарителем наливают горючее и поджигают;

– когда пламя затухнет, отвинчивают регулирующий винт, при этом пары бензина выходят через сопло, подсасывая воздух;

– горючую смесь воспламеняют у входа в трубку.

Прежде, чем приступить к пайке, необходимо произвести подготовку поверхностей металлических материалов.

Термическая очистка. Удаление с паяемой поверхности различного рода неметаллических загрязнений можно проводить ацетилено-кислородной или керосино-кислородной горелками, дающими широкий факел пламени. Для удаления окалины и изоляции этот способ очистки сочетается с последующей обработкой металлическими щётками.

Очистка поверхностей деталей от окисных и неметаллических включений может проводиться в восстановительной среде или в вакууме.

Механическая очистка. Этот метод очистки создаёт шероховатую поверхность, что улучшает условия капиллярного течения припоя. В качестве инструмента могут быть использованы металлические щётки, напильники, шаберы, шлифовальная шкурка. Очистка металлическими щётками весьма производительна, рекомендуется для алюминиевых и магниевых сплавов.

Химическая очистка производится путём обезжиривания и травления с последующей промывкой в воде.

Обезжиривание проводится с целью очистки от остатков жировых загрязнений. В зависимости от обрабатываемого металла в состав ванны для химического обезжиривания могут входить следующие вещества: едкий натр, углекислый натрий, тринатрийфосфат, эмульгатор ОП-7, жидкое стекло. Консервирующие смазки с изделий со сложной конфигурацией поверхности, с внутренними полостями и глубокими отверстиями удаляют с помощью органических растворителей. Бензин хорошо растворяет жиры и масла. В крупносерийном и массовом производстве детали очищают от жира дихлорэтаном, трихлорэтаном, трихлорэтиленом и др. эти растворители хорошо поддаются регенерации.

Для химического травления сталей и цветных материалов приготовляют ванны, в состав которых входят химические вещества в разных пропорциях в зависимости от обрабатываемого металла или сплава: серная кислота, соляная кислота, азотная кислота, хлористые натрий, селитра калиевая, натрий двухромовокислый, присадка КС, едкий натр и др.

Кроме этого для очистки поверхностей деталей применяют ультразвуковое обезжиривание, комбинированное обезжиривание и травление, травление с применением ультразвука.

Основными компонентами пайки являются припои и флюсы.

Припой – это металл или сплав, вводимый в зазор между соединяемыми деталями или образующийся между ними в процессе пайки, имеющий более низкую температуру начала автономного плавления, чем паяемые материалы. Припои изготовляются в виде полос, фольги, проволоки, прутков, отливок, порошка.

К припоям предъявляются следующие основные требования: • температура плавления припоя должна быть ниже температуры плавления паяемых материалов;

• необходимо, чтобы расплавленный припой (в присутствии защитной сферы, флюса или в вакууме) хорошо смачивал паяемый материал и легко растекался по его поверхности;

• достаточно высокие прочность, пластичность и герметичность; • в паре с паяемыми материалами припой не должен образовывать коррозионно-стойкие пары;

• коэффициенты термического расширения припоя и паяемого материала не должны резко различаться;

• высокая электропроводимость припоев, применяемых для паяния радиоэлектронных и токопроводящих изделий.

По температуре расплавления припои подразделяются на следующие группы: особолегкоплавкие (до 145 °C); легкоплавкие (от 145 до 450 °C); среднеплавкие (от 450 до 1100 °C); высокоплавкие (от 1100 до 1850 °C); тугоплавкие (от 1850 °C). Легкоплавкие припои условно считаются мягкими припоями, а остальные – твёрдыми. К мягким относят припои на оловянно-свинцовой основе ПОС, применяемые в различных областях промышленности; к твёрдым – серебряные припои ПСр, медные М0, М1, М2 (для пайки углеродистой и многих легированных сталей, никеля и его сплавов), медно-фосфористые МФ, медно-цинковые ПМЦ, медно-никелевые ПМН, медно-фосфорные ПМФ, цинко-алюминиевые и др. Мягкие припои предназначены для пайки деталей из меди, латуни, оцинкованной стали с небольшой механической прочностью паяного соединения на разрыв (28–55МПа), а также для лужения; твёрдые – для пайки ответственных деталей и соединений с увеличенной механической прочностью (280–350МПа).

Кроме припоев, предназначенных для пайки меди, латуни, стали, в ремонтной практике применяются припои для пайки токоведущих деталей и проводов из алюминия и его сплавов, например кадмиевый припой, АВИА-1, АВИА-2, ЦА-15, П250А, П300А и др.

Паяльный флюс – это активное химическое вещество, предназначенное для очистки и поддержания в чистоте поверхностей паяемого металла с целью снижения поверхностного натяжения и улучшения растекания жидкого припоя.

Основные требования, которые должны выполнять флюсы, следующие: • химически не взаимодействовать с припоем (кроме случаев реактивно флюсовой пайки);

• качественно очищать поверхность основного металла и припоя от присутствующих на них окислов и защищать паяемое соединение от воздействия окружающей среды во время паяния;

• температура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления припоя;

• в расплавленном и газообразном состоянии способствовать смачиванию поверхности основного металла расплавленным припоем;

• сохранять свойство и не менять своего состава от нагрева при пайки; • не вызывать сильной коррозии паяного соединения и не выделять при нагреве ядовитых газов.

Среди известных паяльных флюсов имеются твёрдые, пастообразные, жидкие и газообразные. Основная роль флюса – очистка поверхности твёрдого металла от окислов и загрязнений, а также высаживание на поверхности паяемого металла тончайшего слоя металла, одноимённого металлу расплава (припоя). Растекание расплавленного припоя происходит по поверхности, покрытой тонким слоем того же металла, высадившегося из флюса. Для обеспечения хорошего растекания необходимо, чтобы поверхностное натяжение твёрдого металла было возможно большим, т. е. удаление окисных плёнок с поверхности твёрдого металла будет улучшать растекание расплава по нему. В состав флюса должны входить компоненты, обладающие травящими или сильно восстанавливающими свойствами, так как они, очищая поверхность твёрдого металла от окисной плёнки, повышают поверхностное натяжение твёрдого металла и тем самым улучшают смачивание его расплавом.

По механизму действия паяльные флюсы бывают защитные, реактивные, химического и электрохимического действий.

Низкотемпературные флюсы подразделяются на канифольные, кислотные, галогенидные, гидразиновые, фторборатные, анилиновые и стеариновые.

По природе активаторов определяющего действия высокотемпературные флюсы подразделяются на галогенидные, фторборатные, боридные и боридноуглекислые.

Для низкотемпературной пайки в качестве флюса применяют канифоль и её растворы в спирте или в органических растворителях; гидразин, древесные смолы, вазелин, а также их соединения с другими компонентами. Более активны флюсы, содержащие органические кислоты (молочную, лимонную, олеиновую и др.), а также их растворы в воде или спирте. Для ослабления коррозийного действия в эту группу флюсов добавляют канифоль или другие компоненты, не вызывающие коррозии.

Канифоль – это твёрдое стекловидное вещество с температурой плавления 125 °C, полученное из сосновой смолы. Она хорошо растворяется в спирте и во многих других органических растворителях, не вызывает коррозии металлов и сплавов, в нормальных атмосферных условиях стабильно и негигроскопично. Флюсовые свойства канифоли изменяются в зависимости от температуры: при нормальной температуре она обладает защитными свойствами; в расплавленном состоянии до температуры 200–300 °C она растворяет тонкий слой окиси меди; при температуре 310 °C начинает обугливаться и затруднять процесс пайки. Канифоль в качестве флюса применяют в твёрдом состоянии или в виде раствора в бензине, керосине или спирте. В канифоли содержится также терпентин, который нейтрализует абиетиновую кислоту, поэтому остатки флюса после пайки не вызывают коррозии соединения. Для повышения активности канифольных флюсов в них добавляют гидразин, анилин, триэтаноламин и другие компоненты. По своей активности эти флюсы близки к водным растворам хлористого цинка, но по антикоррозионным свойствам они приближаются к спиртовым канифольным флюсам; остатки флюса при паяном изделии вызывают незначительную коррозию. Канифольными флюсами, содержащими хлориды, можно паять при температурах 300–350 °C.

Для пайки меди и её сплавов, стальных и оцинкованных изделий оловянно-свинцовыми припоями отечественная промышленность выпускает паяльные канифольные лаки ЛТИ. Лак на место пайки наносят тонким слоем кистью или деревянной лопаточкой. остатки флюса после пайки можно не удалять, если изделие не предназначено для дальнейшего анодирования или окраски. Пайку с помощью паяльных лаков следует производить при температуре не выше 300-350 °C в хорошо вентилируемом помещении или под тягой.

Высокими антикоррозионными свойствами обладают флюсы на основе древесных смол и вазелина. Эти флюсы применяют для пайки радиоэлектронной аппаратуры, особенно когда требуются высокие изоляционные свойства. Среди слабокоррозионных флюсов хорошо известны флюсы на основе глицерина с небольшими добавками хлористого цинка, хлористого аммония, гидразина и др.

Высокой активностью и сильными восстановительными свойствами обладают флюсы, в состав которых входят водные или спиртовые растворы хлористых или бромистых солей гидразина. Растворы солей гидразина имеют, кислую реакцию, и хорошо очищают паяемую поверхность. Флюсами с салями гидразина можно паять медь и её сплавы, сталь, драгоценные металлы, никель, кадмий и свинец.

Наиболее употребительными флюсами для пайки медными, серебряными и жаростойкими припоями являются прокаленная бура и её смесь с борной кислотой. Для повышения активности флюса в эти смеси добавляют фтористые и хлористые соли металлов. Для пайки при особо высоких температурах и продолжительном нагреве к борной кислоте добавляют порошки металлов магния, титана, алюминия, боросодержащие и другие соли. В состав флюсов, используемых для пайки серебряными припоями, на ряду с хлористыми и фтористыми солями дополнительно выводят сложные соединения, например кремнефторид калия, метаборат натрия, фторборат калия и т. д.

Флюсы, предназначенные для пайки алюминиевых и магниевых сплавов должны иметь повышенную активность и хорошую способность разрушать плотные и прочные окисные плёнки. С этой целью во флюсы, состоящие из смеси хлористых солей, добавляют фтористые соли калия, натрия, лития, кадмия, алюминия и др. Самое большое распространение припайки легкоплавкими припоями имеет водный раствор хлористого цинка. Его приготовляют путём растворения металлического цинка в соляной кислоте. Для этой цели в ванну с кислотоупорной футеровкой загружают цинк, затем постепенно вливают кислоту.

В тех случаях, когда применение обычных флюсов (порошкообразных, жидких, пастообразных) затруднено из-за невозможности удаления их остатков после пайки, применяют газообразные флюсы, являющиеся продуктами распада фтористых или хлористых солей при нагреве. Продукты реакции разложения этих солей при нагреве используют в качестве флюса при пайке коррозийно-стойких сталей и жаропрочных сплавов припоями, имеющими температуру плавления ниже 1000 °C. Флюсообразующие соли помещают вместе с деталями в контейнер для пайки или подвергают нагреву (разложению) в специальной установке, откуда продукты реакции вместе с инертным газом по газопроводу направляют к паяемым деталям.

Качество готового флюса определяется не только его составом, но и последовательностью введения составляющих веществ при его изготовлении. В массовом производстве флюсы обычно изготовляют из технически чистых компонентов.

Качество пайки и возможность получения паяного соединения во многом зависит от правильного выбора флюса. При выборе флюса учитывают паяемый материал, тип припоя, необходимость очистки изделия от остатков флюса после пайки, способ нагрева, температуру и скорость пайки. Из всех приведённых факторов основным при выборе флюса является паяемый материал. Алюминий, магний, нержавеющая сталь и некоторые другие металлы невозможно паять, применяя канифольные флюсы. Для пайки таких металлов следует брать активные флюсы, обеспечивающие во время пайки удаление окисной плёнки и смачивание основного металла. Трудно поддаются пайке с канифолью сталь и чугун. Эти металлы легко паять с хлористым цинком или другими активными флюсами. Совершенно недопустимо применять кислотные флюсы при пайке электрической, радиоэлектронной или другой аппаратуры, промывка которой после пайки невозможна. В этом случае могут быть выбраны только некоррозионные флюсы, имеющие после пайки твёрдый, нелипкий и негигроскопичный остаток с хорошими изоляционными свойствами. Правильно выбранный флюс должен обеспечить смачивание основного металла припоем, быть безопасным в работе и по возможности наименее коррозионно-активным.

Приготовленные флюсы и пастообразные припои следует хранить в чистой посуде с плотно закрываемой пробкой. При открытом хранении вследствие испарения компонентов и поглощения влаги из атмосферы может произойти нарушение состава флюса, изменение его вязкости, цвета, товарного вида и флюсующей активности.

Лужение – покрытие тонким слоем олова какой-либо металлической поверхности, для защиты от окисления и ржавления. Этот слой олова называется полуда. Такие покрытия наносят на поверхность деталей с целью:

• облегчения процесса пайки труднопаяемых металлов (технологические покрытия);

• предотвращения нежелательного взаимодействия припоя и паяемого металла (барьерные покрытия);

• облегчения процесса пайки, при этом наносят припои;

• достижения необходимой пористости поверхности паяемого металла (в случае необходимости получения вакуумно-плотного соединения);

• обеспечения пайки неметаллических материалов (керамики, графита и др.).

Покрытие, нанесённое на места пайки, должно прочно сцепляться с паяемым материалом. Во время последующих нагревов в процессе неизбежной технологической обработки нанесённые покрытия не должны вздуваться и отслаиваться.

Наиболее широко применяют лужение изделий натиранием и погружением. Горячее покрытие погружением изделий в жидкий припой можно производить через слой расплавленного флюса или окунанием в жидкий флюс, а затем в ванну с расплавленным припоем.

Рис. 40. Лужение погружением:

1 – тигель, 2 – расплавленный припой, 3 – детали, подвергающиеся лужению.

Для получения качественного лужения необходимо обеспечивать удаление окислов с поверхности лудильной ванны, для этого на поверхности ванны создают защитный слой флюса или графитового порошка, которые надо периодически возобновлять. При лужении относительно небольших деталей, не имеющих внутренних полостей, пользуются лужением через слой флюса в в специальных ваннах. Температура в ванне должна быть постоянной, так как её повышение приводит к увеличению угара припоя и снижению качества лужения, а понижение – затрудняет условия лужения и увеличивает расходы припоя за счёт наплывов на лужёной поверхности. Толщина покрытия влияет на паяемость лужёных изделий.

Покрытие толщиной менее 2,5 мкм будет иметь удовлетворительную паяемость, если пайка производится немедленно после обработки повертности. Считается, что примерно такая же толщина покрытия достаточна для пайки при небольшом сроке хранения. При продолжительном хранении толщину покрытия берут 30 мкм.

Высокое качество покрытий обеспечивается нанесением металлов в вакууме в результате их испарения (термовакуумный способ). Этот метод даёт получать равномерное покрытие малых толщин (2–100 мкм) в условиях, обеспечивающих отсутствие окисления паяемого металла и металла покрытия.

К качеству покрытий предъявляются определённые требования, поэтому после выполнения лудильных работ необходимо производить его контроль: визуальный контроль изделий после покрытия (цвет, блеск, шероховатость поверхности); определение пористости и толщины слоя покрытий; испытание на коррозионную стойкость; определение следующие механических и физических свойств покрытий (пластичности, стойкости к высоким температурам и др.).

Оценку качества покрытий производят по внешнему виду (осмотр невооружённым глазом) на основании сравнения с эталонами и по результатам лабораторных методов испытания на основании требований к покрытиям, установленным техническими условиями.

Сцепляемость покрытия с паяемым металлом испытывается для листового материала загибом на угол 90° или 180° до поломки образца; для проволоки – навивкой образца вокруг стержня того же или большего диаметра в зависимости от диаметра и назначения проволоки. Во всех случаях испытаний на сцепляемость не должно быть трещин и отслаивания покрытия.

Качество паяных соединений (прочность, герметичность и др.) зависит не только от правильного выбора основного металла, припоя, флюса, способа нагрева и величины зазоров, но и от правильного выбора типа соединения (встык или внахлёстку), способа скрепления элементов перед пайкой, количества припоя и способа введения его в шов.

В связи с тем, что при пайке приходится пользоваться паяльными лампами и паяльниками с применением открытого огня, при производстве работ необходимо соблюдать правила пожарной безопасности.

При работе с паяльной лампой необходимо выполнять требования:

• резервуар лампы нужно заполнять горючим не более чем на 3 / 4 его ёмкости;

• наливную пробку плотно завёртывать;

• не работать с лампой вблизи огня;

• не разжигать лампу путём подачи горючего на горелку;

• не перекачивать лампу во избежание взрыва;

• не снимать горелки до спуска давления;

• пользоваться только тем горючим, для которого лампа предназначена;

• не спускать давление воздуха из резервуара лампы через наливную пробку;

• работать только исправной лампой.

Рабочее место должно быть обеспечено противопожарным инвентарём и огнетушителями. Рабочие должны уметь ими пользоваться при пожаре. Пролитую горючую жидкость необходимо немедленно убирать ветошью. Использованные обтирочные материалы хранить в специальных металлических ящиках с плотно закрывающими крышками.

Общие сведения. Пайкой (паянием) называют процесс соединения металлов в твердом состоянии при помощи расплавленного вспомогательного (промежуточного) металла или сплава, имеющего температуру плавления ниже, чем соединяемые металлы.

Преимущества пайки перед другими способами соединения металлов: простота и высокая производительность процесса; сохранение точной формы, размеров и химического состава деталей, а при пайке низкотемпературными припоями — сохранение структуры и механических свойств металла, простота и легкость последующей обработки, а кроме того, низкая себестоимость восстановления детали. Основные недостатки пайки низкотемпературными припоями — низкая температура плавления и не всегда достаточная прочность соединения.

При ремонте машин пайку широко применяют для восстановления радиаторов, топливных баков и топливопроводов, электрооборудования, карбюраторов, кабин оперения и других деталей.

Припои. К припоям предъявляются Следующие основные технологические требования: высокая жидкотекучесть и хорошая смачиваемость соединяемых поверхностей; достаточная прочность и пластичность паяных соединений, устойчивость к коррозии. Название припоя определяется его основным компонентом или основными компонентами, а при содержании драгоценных или редких металлов — названием этих металлов (серебряные, золотые и др.).

В ремонтной практике чаще используют оловянно-свинцовые, медные, медно-цинковые, а также серебряные припои.

Оловянно-свинцовые припои представляют собой сплавы олова и свинца с небольшим содержанием сурьмы. В зависимости от содержания сурьмы их разделяют на три группы: бессурьмянистые 10, 40, 61 и 90; малосурьмянистые у 30-0,5; у 40-0,5 и др.; сурьмянистые у 10-2; у 15-2; у 25-2 и др. Цифры после букв показывают среднее процентное содержание олова в припое, а цифры после черточки — максимальное процентное содержание сурьмы. Все три группы оловянно-свинцовых припоев являются низкотемпературными. Эти припои характеризуются хорошей смачиваемостью поверхности большинства металлов и высокой пластичностью; их низкая температура плавления (менее 450 °С) позволяет проводить пайку простейшими средствами (паяльником). С увеличением содержания олова в припое повышаются механическая прочность и коррозийная стойкость соединения, но также увеличивается и стоимость припоя. Свинец повышает пластичность припоя. Эти припои применяют для восстановления деталей, работающих при невысоких температурах.

Бессурмянистые припои более дорогие, поэтому наибольшее применение получают малосурьмянистые. Их используют для лужения, пайки радиаторов, коллекторов генераторов и стартеров, топливных баков, электропроводов и др.

Легкоплавкие оловянно-цинковые припои типа П200А и П250А применяют для пайки алюминия и его сплавов.

Серебряные припои разделяют на легкоплавкие и стандартные. К легкоплавким с температурой плавления от 183 до 342 °С относят сплавы серебра с оловом или свинцом, реже с сурьмой и кадмием. Это припои марок ПСр 2,5; ПСрЗ-97; ПСр 10-90 и др. Содержание серебра в процентах указано цифрами после букв, в этих припоях оно не превышает 10%, а для большинства менее 4%. Серебряные легкоплавкие припои рекомендуются для пайки проводов и других электротехнических соединений.

Стандартные серебряные припои представляют собой в основном сплавы серебра, меди и цинка с незначительным содержанием других компонентов — олова, кадмия, фосфора и марганца. Температура плавления этих припоев от 590 до 822 °С.

Лучшие стандартные серебряные припои — серебряно-медно-цинковые сплавы марок ПСр-10, ПСр-12М; ПСр-25; ПСр-45; ПСр-65 и ПСр-70 (цифры указывают процентное содержание серебра в припое) — позволяют получить высокопрочные и пластичные соединения, но очень дорогие. Эти сплавы применяют для пайки ответственных деталей из стали, меди и ее сплавов.

Флюсы. В зависимости от применяемых припоев, способа пайки, конструкции и размеров соединения используют флюсы в виде порошка, пасты, раствора и газообразные.

Особенности технологии пайки. Места, подлежащие пайке, тщательно очищают от грязи, жировых и оксидных пленок механическим (зубилом, напильником, наждачной шкуркой и др.) или химическим способом. Детали из черных металлов очищают кислотными или щелочными растворами. Цветные металлы очищают механическим путем.

Пайку легкоплавкими припоями обычно выполняют ручным паяльником из красной меди, так как она имеет хорошую тепло-проводимость и способствует быстрому переходу теплоты к рабочей части (наконечнику) паяльника. Перед пайкой наконечник зачищают напильником, а нагретый паяльник обрабатывают нашатырем или хлористым цинком. Подготовленные к пайке поверхности смачивают флюсом и затем паяльником. равномерно, тонким слоем распределяют припой по поверхности.

При пайке тугоплавкими припоями для подогрева деталей используют газосварочные горелки, муфельные и специальные печи, кузнечный горн и другие источники теплоты.

Поверхности, соединяемые пайкой, тщательно подгоняют, а кромки трещин в чугунных деталях разделывают под усиленные швы. Поверхности подогревают до температуры плавления припоя, посыпают их флюсом, облуживают, натирая прутком припоя, и постепенно заполняют весь шов или поверхности соприкосновения деталей в месте пайки.

БЕЗ ГРУНТОВКИ ПОВЕРХНОСТЬ ДВП ВПИТАЕТ ОЧЕНЬ МНОГО КРАСКИ И, К ТОМУ ЖЕ, КРАСКА НА ТАКУЮ ПОВЕРХНОСТЬ ЛЯЖЕТ НЕРАВНОМЕРНО.

Преимущество пайки по сравнению со сваркой металлов. Какой металл способен таять в руках. И это не ртуть.

Как паять стальные детали

Нередко возникает надобность скрепить стальные детали без сверлений, и без сварки. Выручит пайка стали. Но как это сделать правильно, ведь здесь имеются особенные нюансы. Несколько рекомендаций от специалистов.

Какая сталь паяется хорошо

Вопрос в том, что определить марку на глазок домашнему мастеру невозможно. Узнать насколько хорошо паяется данная деталь из стали, или близкого к ней сплава, можно только экспериментальным путем.

Как выполняется соединение оловом – порядок действий

Все зависит от того, насколько удачно можно залудить данную деталь, насколько прочным окажется контакт оловянного припоя со сталью. Чтобы контакт оказался удовлетворительными, если это возможно вообще, нужно выполнить следующее:

Зачистка стали выполняется сперва механически, — наждачной бумагой, убираются слои ржавчины и загрязнений. Затем в качестве флюса применяется состав, который хорошо реагирует с окислами железа.

Наиболее безобидной в применении, но эффективной в данном случае, оказывается ортофосфорная кислота, которую легко приобрести в автомагазине, как «очистку ржавчины».

Требуемая мощность разогревающих устройств полностью зависит от массы деталей.

Процесс пайки двух стальных деталей

Если нужно спаять два больших гвоздя, то мощности одного паяльника 100 Вт будет маловато. Для разогрева зажатого в тисках большого гвоздя, или подобной по массе детали из стали, нужно воспользоваться строительным феном. Или газовой горелкой.

Также понадобится вата на палочке, для подачи флюса в зону разогрева, и паяльник от 50 Вт.

Зачищенная наждачкой сталь разогревается горелкой.

Как правило, у стальных деталей, которые поддаются пайке, возникает весьма прочная связь с оловом, т.е. происходи покрытие металла, — залуживание.

Это же повторяется с другой деталью. Затем разогреваются две детали, находящиеся вместе, и в зону контакта подается дополнительный припой паяльником.

Насколько прочна пайка стали, можно ли сделать прочнее

Прочность такого соединение будет обуславливаться многими факторами:

Но в любом случае прочность пайки оловом не идет ни в какое сравнение с тем, что привыкли понимать под прочностью характерной для стали или «сварка металла».

Упрочить можно применив другой припой, — специальные прочные составы и более тугоплавкие с включением серебра, цинка, меди и др.

Другое направление увеличения прочности – покрытие припоем не только плоскости, но и боковин детали, — охват детали припоем. Тогда сопротивление на отрыв при разнонаправленных нагрузках будет больше.

Особопрочная пайка, особые припои

Чтобы применить составы дающие прочное соединение со сталью, с собственной температурой плавления порядка 800 — 900 град, нужно использовать графитовый тигель.

Работу должны вести только специалисты по плавке металлов. Необходимо знать основы плавления металлов, порядок обращение с расплавами и технику безопасности. В общем, пайка стали сверхпрочными припоями выполняется на специализированных предприятиях.

Возможный состав припоя:

Но в быту, где нужно «залатать», «прикрепить», «состыковать» две стальные детали, нужно пользоваться припоями с низкой температурой плавления, типа свинцово-оловянных.

• зачистку стали, химическую зачистка под припоем;
• разогрев детали до температуры плавления припоя, нахождение припоя на детали под флюсом некоторое время в текучем состоянии.

ВАЖНО ВЫБРАТЬ ПОДХОДЯЩИЙ ПОД КОНКРЕТНУЮ МЕСТНОСТЬ И ВЕС ТИП, ПОТОМУ ЧТО ОН ОБЕСПЕЧИТ СТОЙКОСТЬ ОПОРЫ

• Зачищенная наждачкой сталь разогревается горелкой.
• На горячую деталь наносится ортофосфорная кислота и тут же подается паяльником расплавленный оловянный припой.

• прочностью связи припоя с металлом,
• площадью соединения,
• направлением нагрузки по отношению к спаянным плоскостям.

Выбор флюса и особенности работы с жестью и оцинковкой

Процесс пайки – это химическое соединение двух металлов с помощью припоя. Причем кристаллическая структура металла не изменяется. То есть, соединяемые части остаются при своих технических характеристиках.

Само соединение получается достаточно надежным, но многое будет зависеть от вида припоя и технологии пайки. К тому же необходимо отметить, что не все металлы могут быть соединены этим процессом. Основные же металлы, особенно стальные (железо), между собой могут быть спаяны.

Три технологии

Существует три технологии пайки железа оловом:

• паяльником. Для этого придется использовать мягкие припои с большим содержанием свинца;
• паяльной лампой. Здесь потребуются твердые припои с большим содержанием олова;
• электрическая пайка железа.

Первый способ применяют в том случае, если железо не будет в процессе эксплуатации подвергаться большим нагрузкам. Второй – это лужение железа оловом, когда оловянный припой наносится на поверхность металлического изделия и растирается по всей его плоскости тонким слоем.

В этой технологии обязательно применяется флюс для пайки. Третий вариант используется в производственных масштабах, для чего применяется специальное оборудование.