Пайка металлов довольно широко используется в быту и производстве, особенно там, где не требуется особая прочность соединения или есть необходимость в последующем разъединении деталей. Процесс пайки несложен, но имеет свои особенности, без учета которых невозможно получить качественный стык.
Пайка металлов выполняется разными способами, не только паяльником (как часто происходит в быту). В нашей статье мы расскажем о плюсах и минусах этой процедуры, рассмотрим ее варианты и опишем технологию пайки металлов.
Пайка – процесс получения неразъемного соединения заготовок без их расплавления путем смачивания поверхностей жидким припоем с последующей его кристаллизацией. Расплавленный припой затекает в специально создаваемые зазоры между деталями и диффундирует в металл этих деталей. Протекает процесс взаимного растворения металла деталей и припоя, в результате чего образуется сплав, более прочный, чем припой.
Образование соединения без расплавления основного металла обеспечивает возможность распая соединения.
Качество паяных соединений (прочность, герметичность, надежность и др.) зависят от правильного выбора основного металла, припоя, флюса, способа нагрева, типа соединения.
При пайке применяются флюсы для защиты места спая от окисления при нагреве сборочной единицы, обеспечения лучшей смачиваемости места спая расплавленным металлом и растворения металлических окислов. Температура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления припоя. Флюсы могут быть твердые, пастообразные и жидкие. Для пайки наиболее применимы флюсы: бура, плавиковый шпат, борная кислота, канифоль, хлористый цинк, фтористый калий.
Пайку точных соединений производят без флюсов в защитной атмосфере или в вакууме.
В зависимости от способа нагрева различают пайку газовую, погружением (в металлическую или соляную ванну), электрическую (дуговая, индукционная, контактная), ультразвуковую.
В единичном и мелкосерийном производстве применяют пайку с местным нагревом посредством паяльника или газовой горелки.
В крупносерийном и массовом производстве применяют нагрев в ваннах и газовых печах, электронагрев, импульсные паяльники, индукционный нагрев, нагрев токами высокой частоты.
Перспективным направлением развития технологии пайки металлических и неметаллических материалов является использование ультразвука. Генератор ультразвуковой частоты и паяльник с ультразвуковым магнитострикционным вибратором применяются для безфлюсовой пайки на воздухе и пайке алюминия. Оксидная пленка разрушается за счет колебаний ультразвуковой частоты.
Процесс пайки включает: подготовку сопрягаемых поверхностей деталей под пайку, сборку, нанесение флюса и припоя, нагрев места спая, промывку и зачистку шва.
Детали для пайки тщательно подготавливаются: их зачищают, промывают, обезжиривают.
Зазор между сопрягаемыми поверхностями обеспечивает диффузионный обмен припоя с металлом детали и прочность соединения. Зазор должен быть одинаков по всему сечению.
Припой должен быть зафиксирован относительно места спая. Припой закладывают в месте спая в виде фольговых прокладок, проволочных контуров, лент, дроби, паст вместе с флюсом или наносят в расплавленном виде. При автоматизированной пайке – в виде пасты с помощью шприц-установок.
При возможности предусматриваются средства механизации – полуавтоматы и автоматы для газовой, электрической пайки.
Паяные соединения контролируют по параметрам режимов пайки, внешним осмотром, проверкой на прочность или герметичность, методами дефекто- и рентгеноскопии.
Пайка — процесс получения неразъемного соединения материалов с нагревом ниже температуры их автономного расплавления путем смачивания, растекания и заполнения зазора между ними расплавленным припоем и сцепления их при кристаллизации шва.
Пайку очень широко применяют в разных отраслях промышленности. В машиностроении пайку применяют при изготовлении лопаток и дисков турбин, трубопроводов, радиаторов, ребер двигателей воздушного охлаждения, рам велосипедов, сосудов промышленного назначения, газовой аппаратуры и т. д. В электропромышленности и приборостроении пайка является в ряде случаев единственно возможным методом соединения деталей. Пайку применяют при изготовлении электро- и радиоаппаратуры, телевизоров, деталей электромашин, плавких предохранителей и т. д.
К преимуществам пайки относятся: незначительный нагрев соединяемых частей, что сохраняет структуру и механические свойства металла; чистота соединения, не требующая в большинстве случаев последующей обработки; сохранение размеров и форм детали; прочность соединения.
Современные способы позволяют паять углеродистые, легированные и нержавеющие стали, цветные металлы и их сплавы.
Рис. 1. Классификация припоев по температуре плавления
Качество, прочность и эксплуатационная надежность паяного соединения в первую очередь зависят от правильного выбора припоя.
Не все металлы и сплавы могут выполнять роль припоев.
Припои должны обладать следующими свойствами:
– иметь температуру плавления ниже температуры плавления спаиваемых материалов;
– в расплавленном состоянии (в присутствии защитной среды, флюса или в вакууме) хорошо смачивать паяемый материал и легко растекаться по его поверхности;
– обеспечивать достаточно высокие сцепляемость, прочность, пластичность и герметичность паяного соединения;
– иметь коэффициент термического расширения, близкий к коэффициенту паяемого материала.
В результате длительного практического отбора и многочисленных научных исследований были подобраны группы припоев, обладающих оптимальным сочетанием свойств.
Припои подразделяются на твердые (тугоплавкие и высокопрочные — температура плавления ниже 500 °С) и мягкие (легкоплавкие, обладающие меньшей прочностью, — температура плавления выше 500 °С).
Легкоплавкие припои широко применяются в отраслях промышленности и в быту и представляют собой сплав олова со свинцом. Разные количественные соотношения олова и свинца определяют свойства припоев.
Оловянно-свинцовые припои по сравнению с другими обладают рядом преимуществ: высокой смачивающей способностью, хорошим сопротивлением коррозии. При пайке этими припоями свойства соединяемых металлов не изменяются или почти не изменяются.
Легкоплавкие припои служат для пайки стали, меди, цинка, свинца, олова и их сплавов, серого чугуна, алюминия, керамики, стекла и др.
Пайку легкоплавкими припоями применяют в тех случаях, когда нельзя нагревать металл до высокой температуры, а также при невысокой требовательности к прочности паяного соединения. Соединения, паянные при помощи легкоплавких припоев, достаточно герметичны.
Легкоплавкие припои выпускают в виде чушек, проволоки, литых прутков, зерен, лент фольги, трубок (заполняются канифолью) диаметром от 2 до 5 мм, а также в виде порошков и паст из порошка с флюсом.
Легкоплавкие припои можно приготовить и непосредственно в цехе или мастерской. Для этого в металлических ковшах расплавляют олово и старый припой, затем добавляют небольшие кусочки свинца, хорршо размешивают. Для того чтобы припой не выгорал, поверхность посыпают толченым древесным углем.
Для получения специальных свойств к оло-вянно-свинцовым припоям добавляют сурьму, висмут, кадмий, индий, ртуть и другие металлы.
Низкотемпературные припои применяют при паянии тонких оловянных предметов, при паянии стеклй с металлической арматурой, деталей, которые особенно чувствительны к нагреву, а также в тех случаях, когда припой должен выполнять роль температурного предохранителя (в электрических тепловых приборах и др.).
Тугоплавкие (твердые) припои представляют собой тугоплавкие металлы и сплавы. Из них широко применяют медно-цинковые и серебряные припои. Для получения определенных свойств и температуры плавления в эти сплавы добавляют олово, марганец, алюминий, железо и другие металлы.
Добавка в небольших количествах бора повышает твердость и прочность припоя, но повышает хрупкость паяных швов.
Соединения, паянные медью и припоями на ее основе, имеют высокую коррозионную стойкость, и большинство из них выдерживает высокие механические нагрузки. Температура пайки припоями на медной основе составляет 850 — 1150 °С.
Эти припои применяют для получения соединений, которые должны быть прочными при высоких температурах, вязкими, стойкими против усталости и коррозии. Этими припоями можно паять сталь, чугун, медь, никель и их сплавы, а также другие металлы и сплавы с высокой температурой плавления. Твердые припои делят на две основные группы: медно-цинковые и серебряные.
Согласно у медко-цинковые припои выпускают трех марок: -36 для паяния латуни с содержанием 60 — 68% меди; -48 — для паяния медных сплавов, содержащих меди свыше 68%; -54 — для паяния бронзы, меди, томпака и стали. Медно-цинковые припои плавятся при 700 —950 °С.
В марке буква П обозначает слово «припой», МЦ — медно-цинковый, а цифра — процент меди. Эти припои поставляют в виде зерен. Зерна припоев по величине разделяют на два класса: класс А — зерна величиной от 0,2 до 3 мм, класс Б — зерна величиной от 3 до 5 мм.
Соединение деталей пайкой – неразъемное соединение, заключающееся в том, что неразъемное соединение материалов получают с помощью расплавленного промежуточного металла (припоя), плавящегося при более низкой температуре, чем соединяемые детали.
Соединение материалов происходит в результате диффузии припоя и основного материала путем смачивания, растекания и заполнения зазора между ними расплавленным припоем и сцепления их при кристаллизации шва (рис. 1).
Рис. 1. Паяные соединения: а – встык; б – внахлестку; в – встык со скошенными кромками; г, д – внакладку; е, ж – припаивание фланцев; з – в шпунт
В зависимости от температуры в контакте соединяемых материалов пайка подразделяется на низкотемпературную – 450° С и высокотемпературную – выше 450° С. Нагрев может производиться паяльником, токами высокой частоты, в печах, в пламени газовой горелки и т. д.
Припои характеризуются температурой начала и конца плавления (рис. 2).
Рис. 2. Классификация и виды припоев по температуре плавления
В качестве припоев используются цветные металлы и их сплавы, которые в зависимости от температуры плавления подразделяются на мягкие и твердые.
Мягкие припои, имеющие температуру плавления не выше 400-450° С, обладают невысокой механической прочностью, твердые припои – температура плавления свыше 450° С – имеют высокую механическую прочность.
В качестве мягких (легкоплавких) припоев применяют оловянно-свинцовые, висмутовые, кадмиевые и другие сплавы. Наиболее низкотемпературные припои содержат индий, висмут и кадмий с температурой плавления 70-145° С.
Основные материалы мягких припоев – сплавы олова и свинца. Их обозначение (например, ПОС 61) расшифровывается так: П – припой, ОС – оловянно-свинцовый, 61 – содержание олова в процентах. Основные характеристики мягких припоев и область их применения приведены в табл. 1 — 3.
Таблица 1. Свойства и назначение олова
Таблица 2. Припои оловянно-свинцовые (ГОСТ 21930-76)
Таблица 3. Области применения оловянно-свинцовых припоев
Твердые припои выполняют на серебряной основе (например, ПСр 72, где 72 – содержание серебра, %) или на меднолатунной и медно-никелевой основах. Серебряные припои применяют для пайки черных и цветных металлов, кроме сплавов алюминия и магния, а припои на медной основе – для пайки углеродистых и легированных сталей, никеля и его сплавов. Основные свойства твердых припоев приведены в табл. 4. В качестве твердых (тугоплавких) припоев применяют в основном три вида припоев: медно-цинковые ПМЦ и латунь Л-62, серебряные ПСР и медно-фосфористые марки ПМФ, обладающие хорошей жидкотекучестью и обеспечивающие высокое качество пайки.
Таблица 4. Свойства серебряных припоев (ГОСТ 19738-74)
Флюсы применяют для повышения качества пайки. Флюсом называют химически активное вещество, которое обладает способностью очищать в месте пайки соединяемые поверхности деталей и припоя от оксидов, предотвращения образования оксидов в процессе пайки, снижения поверхностного натяжения припоя и т. д. Флюс способствует лучшему затеканию расплавленного припоя в зазоры между соединяемыми деталями.
В качестве флюсов применяют смеси солей, растворы некоторых солей, кислот и органических соединений. Роль флюса при пайке могут выполнять также специальные газовые среды. Различают флюсы для легкоплавких и тугоплавких припоев, а также для пайки алюминиевых сплавов, коррозионно-стойких сталей и чугуна. Флюсы для мягких припоев – это хлористый цинк, нашатырь, канифоль, пасты и др. Флюсы для твердых припоев – это борнокислый натрий (бура), борная кислота и некоторые другие вещества. Большинство флюсов поступает в готовом для применения виде, а хлористый цинк (травленая кислота) готовят из технической соляной кислоты и металлического цинка, беря их в определенном соотношении. Флюсы увеличивают жидкотекучесть припоев при пайке.
Расчет на прочность паяных соединений производят по методике, изложенной для сварных соединений.
где А – площадь среза припоя.
Статьи по теме
Как вы считаете, в чём преимущество соединения металлических деталей пайкой перед склеиванием?
Процесс получения неразъёмного соединения материалов с помощью расплавленного припоя называется пайкой (паянием). При паянии происходит расплавление и взаимное проникновение основного материала и припоя, заполняющего зазор между соединяемыми частями изделия.
Паять можно многие конструкционные материалы — сталь, чугун, стекло, керамику, графит и другие, используя различные виды припоев и способы пайки.
Пайку выполняют ручным или электрическим паяльником, инфракрасными лучами, лазером, электрической дугой. Паяние широко используется в машиностроении и приборостроении, в радиоэлектронной и пищевой промышленности, в быту и на уроках технологии в школе.
Инструменты и оборудование для пайки. Основным инструментом, использующимся для пайки, является паяльник. В зависимости от способа нагрева паяльники различают: ручные, электрические — с постоянным нагревом (рис. 5.56) и беспроводные (рис. 5.57).
Ручные паяльники нагревают паяльной лампой, в кузнечных горнах, газовыми горелками или на газовых плитах (рис. 5.55). Их изготавливают из красной меди, так как этот металл обладает способностью легко принимать и отдавать тепло. Масса паяльников колеблется от 200 до 500 г.
Рис. 5.55. Ручной молоткообразный паяльник
Рис. 5.56. Электропаяльники: а — паяльник ручной; б — паяльник-пистолет
Рис. 5.57. Беспроводной электропаяльник
Электрические паяльники включают в электрическую сеть, поэтому они имеют постоянный нагрев и предназначены для длительной работы. Они могут быть рассчитаны на разное напряжение: 220, 40, 36 и 12 В.
Беспроводные электропаяльники предназначены для работы в тех местах, где нет возможности подключиться к электрической сети. Аккумуляторный электропаяльник работают от трёх батареек типа «АА» мощностью 6 Вт. Его нагревательный элемент сделан из композиционного материала и может нагреваться до температуры 450 °C.
К вспомогательным инструментам и оборудованию для пайки относятся: тиски, подставки (кирпичи, кафельные плитки), вентиляционное оборудование, брезентовые рукавицы, плоскогубцы, круглогубцы, кусачки, слесарная линейка, пинцет, ручные тиски, напильники, металлические щётки, защитные очки.
Материалы для пайки. Припои — это металлы или сплавы, с помощью которых выполняют пайку. Различные припои обладают разной температурой плавления. По температуре плавления различают: мягкие припои, температура плавления которых не превышает 500 °C, твёрдые припои, температура плавления которых выше 500 °C.
Мягкие припои представляют собой сплав олова с цинком, их применяют во всех отраслях промышленности и в быту. Такие припои используют в тех случаях, когда нельзя нагреть металл до высоких температур или при невысоких требованиях к прочности соединения.
Твёрдые припои — это тугоплавкие сплавы на основе меди, серебра, цинка, никеля. Их используют для получения соединений высокой прочности.
Флюсы — это вещества, которые в процессе пайки предохраняют металл от окисления и создают условия для лучшего соединения деталей и удаления окислов. Если пайка производится мягкими припоями, то в качестве флюсов используют канифоль, водный раствор нашатыря.
В электронной и радиопромышленности в качестве флюса используют канифоль, так как она хорошо очищает от окислов латунь, медь и свинец. Кроме того, канифоль не вызывает коррозии паяного шва. Нашатырь используют в виде порошка или кусков. При пайке рекомендуется пользоваться не чистым нашатырём, а его водным раствором. Следует иметь в виду, что при нагревании нашатырь разлагается с выделением вредного для здоровья газа.
Организация рабочего места при пайке. Рабочее место при пайке должно быть оборудовано вытяжной вентиляцией. Для работы электрическим паяльником в школьных мастерских рабочее место оборудуется специальными розетками с напряжением 36 или 12 В, столешница покрывается изоляционным материалом — резиной или пластмассой.
Последовательность подготовки электрического паяльника и заготовки к работе (рис. 5.58—5.61)
Для выполнения качественной пайки необходимо:
— до блеска зачистить напильником рабочую часть паяльника (рис. 5.58);
— подключить паяльник к электросети и положить его на подставку (рис. 5.59);
— когда рабочая часть паяльника нагреется, на несколько секунд погрузить её во флюс (канифоль) (рис. 5.60);
— набрав несколько капель припоя (рис. 5.61), вести по канифоли до тех пор, пока рабочая часть наконечника не покроется тонким слоем припоя, т. е. облудится;
— очистить поверхность заготовки от грязи и следов коррозии до равномерного металлического блеска с помощью напильника или шлифовальной шкурки, промыть заготовку чистой водой и высушить.
Рис. 5.58. Подготовка рабочей части паяльника
Рис. 5.59. Включение электрического паяльника в сеть
Рис. 5.60. Нанесение флюса
Рис. 5.61. Подготовка рабочей части (наконечника) паяльника
Технология пайки. Перед началом пайки необходимо установить соединяемые детали в удобное для пайки положение и зафиксировать с помощью зажимных приспособлений и инструментов — слесарных или ручных тисков, струбцины, пинцета, плоскогубцев.
Место пайки равномерно нагревают электрическим паяльником до рабочей температуры (припой должен расплавляться быстро и легко). Важно правильно выбрать степень нагрева поверхности детали и паяльника. Сильно нагретый паяльник плохо удерживает припой. Если при пайке соединяемые поверхности были нагреты слабо, соединение будет ненадёжным.
При достижении рабочей температуры сначала плавится флюс, а затем припой. Когда весь флюс расплавится, предварительно нагретый припой наносят на зазор (место пайки). При соприкосновении припоя с нагретой заготовкой он плавится и проникает в зазор между соединяемыми деталями.
Зажимы, удерживающие детали, ослабляют только после того, как остынет припой. Изделие охлаждают на воздухе или погружая его в воду. По окончании пайки остатки флюса необходимо смыть чистой водой, чтобы они не вызывали коррозию металла.
Ошибки при пайке
1. Заготовки в местах соединения пайкой плохо очищены и не обезжирены. Такие соединения будут непрочными. Места соединений нужно очистить и обезжирить ещё раз.
2. Паяльник плохо подготовлен к работе. Необходимо повторить зачистку рабочего стержня напильником и облудить жало паяльника.
3. Паяльник перегрет, вследствие чего на нём образовалась окалина, к которой олово не пристаёт. Паяльник необходимо заново обработать напильником и облудить жало.
Правила безопасной работы с электропаяльником
1. Работать следует исправными и хорошо подготовленными инструментами.
2. Перед началом работы необходимо убедиться в соответствии напряжения в сети рабочему напряжению электрического паяльника и в целостности изоляции проводов.
3. Необходимо следить, чтобы паяльник по окончании работы был отключён от сети и находился на специальной подставке.
4. Пайку нужно выполнять на рабочем месте, оборудованном вытяжной вентиляцией.
5. Следует осторожно обращаться с нагретыми паяльником и деталями.
Практическая работа № 23
«Учебная пайка медных одножильных проводов»
Цель работы: освоить технику пайки одножильных медных проводов.
Оборудование и материалы: слесарный верстак, заготовки проводов, слесарные тиски, разметочные инструменты, напильники, пинцет, монтажный нож, электрические паяльники на 12 или 36 В, керамическая плитка, припой, канифоль.
Порядок выполнения работы
Подготовьте электрический паяльник к работе, используя рисунки 5.58—5.61.
Выполните пайку одножильных медных проводов.
1. Зачистите концы сращиваемых проводов на длину 15 мм (рис. 5.62).
Puc. 5.62. Зачистка проводов
2. Нагретым паяльником прогрейте зачищенный участок провода, после чего погрузите его в канифоль.
3. C помощью припоя паяльником выполните лужение подготовленного участка провода. Лужение выполняйте равномерными движениями. Припой должен минимально покрыть провод. При появлении излишка припоя удалите его паяльником. Таким же образом подготовьте второй провод.
4. Подготовленные провода соедините между собой и выполните пайку (рис. 5.63). При выполнении пайки один провод удерживайте плоскогубцами. Второй провод закрепите (прижмите) неподвижно. Пайку выполняйте на кафельной плитке.
Puc. 5.63. Образец пайки двух проводов
5. Деталь охладите погружением в воду или подождите, пока она не остынет. По окончании пайки остатки флюса необходимо смыть водой, так как они могут вызвать коррозию металла.
6. Вместе с учителем проверьте качество пайки. Приведите в порядок рабочее место.
Основные понятия и термины
пайка, припой, флюсы, канифоль, ручной паяльник, электрический паяльник, беспроводной паяльник, техника пайки.
Вопросы и задания
1. Назовите конструкционные материалы, которые можно паять.
2. Перечислите основные операции по подготовке деталей и инструментов к пайке.
Задание
Найдите в Интернете различные фигурки, изготовленные из медной проволоки, детали которых соединены пайкой. Выберите 2—3 самые интересные фигурки. Обсудите с учителем возможность изготовления их на уроках технологии.
Идеи творческих проектов
Идея 1. Шаблоны из тонколистового металла для выжигания.
Идея 2. Комплект инструментов для работы и ухода за комнатными растениями.
Идея 3. Фиксаторы для столярных молотков (см. рис. 5.41).
Рис. 5.41. Чертёж фиксатора
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.
ПАЙКА МАТЕРИАЛОВ;
В современном производстве существуют различные системы процессов формирования изделий (литье, сварка, наплавка, пайка, механическая резка и т.д.). Особенно важное значение имеет формирование изделий из твердых тел путем их соединения, разъединения, сращивания, наращивания и разделения. Эти процессы могут быть осуществлены как без расплавления твердых тел, так и с их плавлением.
Значение пайки, как технологического процесса, получение неразъемного соединения в машиностроении и приборостроении общепризнанно. Ее применяют наряду со сваркой плавлением и давлением, что определяет возможности создания современной техники.
В настоящее время пайка завоевала прочное место в промышленности и в быту. Пайкой изготавливают не только отдельные детали, но и целые комплексные узлы. Но следует учесть, что качество, прочность и надежность паяного соединения во многом зависит от правильного выбора оборудования, грамотного его использования и соблюдения технологического процесса.
Пайка – процесс получения неразъемного соединения материалов с нагревом ниже температуры их расплавления путем смачивания, растекания и заполнения зазора между ними расплавленным припоем и сцеплением их при кристаллизации шва.
Пайка похожа на сварку плавлением, но при сварке кромки деталей обязательно оплавляются, а при пайке плавится только припой и может происходить лишь взаимное растворение пяного материала и припоя.
Важнейшее преимущество пайки – формирование паяного шва при температурах ниже плавления паяного материала. Это позволяет сохранить свойства конструкционного материала, осуществлять процесс соединения деталей в изделии при общем нагреве. Все это позволяет:
— осуществлять групповую пайку;
— получать соединение в скрытых или малодоступных местах конструкции (изготовлять сложные конструкции за один прием);
— соединять не по контуру, а одновременно по всей поверхности;
— соединять разнородные металлические и неметаллические материалы и с большей разностенностью, чем при сварке плавлением;
— предотвращать развитие значительных термических деформаций и обеспечивать получение изделий без нарушения его формы и размеров, т.е. с высокой точностью.
Для осуществления процесса пайки и получения прочного, герметичного паяного соединения должны быть выполнены следующие основные требования:
1. Хорошая подгонка паяемых деталей с минимально необходимыми зазорами;
2. Высокая чистота паяемых поверхностей;
3. Правильный выбор припоя;
4. Достаточно быстрый и в тоже время равномерный и одновременный нагрев всех элементов.
Классификация способов пайки.
I. По получению припоя:
1. Готовым полностью расплавляемым припоем;
II. По заполению зазора припоем:
III. По кристаллизации паяного шва:
2. Кристаллизация при охлаждении.
IV. По источнику нагрева:
2. Нагретыми штампами;
3. Нагретым газом;
4. Погружением в расплавленную соль;
5. Погружением в расплавленный припой;
6. В печи;
13. Инфракрасными лучами;
V. По наличию давления на паяные детали:
1. Под давлением;
2. Без давления.
VI. По одновременности выполнения паяных соединений:
Современные процессы пайки подразделяются также по температуре плавления припоя на две группы:
1. Пайка низкотемпературными припоями (Тпл<4500С);
Низкотемпературные припои используют в промышленности и в быту для пайки изделий, которые не подвергаются воздействию высоких температур и значительных механических нагрузок.
Высокотемпературные припои применяют тогда, когда требуется высокая прочность или работоспособность при повышенных температурах.
Для обеспечения эксплуатационных характеристик паяного изделия прежде всего необходимы высокое качество и надежность паяных соединений. При этом главную роль играет правильный выбор типа паяного соединения и совместимость его с технологическим процессом.
Следует учесть, что основной конструктивный признак, по которому классифицируют способы пайки – капиллярность или некапиллярность зазора между соединяемыми деталями. Затекание припоя в капиллярные зазоры происходит под действием капиллярного давления при смачивании им паяемого металла. При некапиллярной пайке заполнение зазора может происходить только под воздействием внешних сил (тяжести, электромагнитных, пониженного давления в зазоре).
Основные конструктивные типы паяных соединений при капиллярной пайке (рис. 6.1): стыковое, нахлесточное, косостыковое и соприкосающееся.
Рис. 6.1. Основные типы паяных соединений:
а) нахлесточное; б) стыковое; в) косостыковое; г) соприкасающееся.
При конструировании паяных соединений нельзя копировать элементы сварных конструкций. Паяные швы могут быть замкнутые и незамкнутые.
В трубчатых соединениях следует избегать пайки встык, рекомендуется пайка внахлестку, позволяющая увеличивать прочность соединения.
Соединения в угол и в тавр применяются крайне редко. Прочность их зависит от пластичности паяного шва, модуля упругости паяемого металла и формы поверхности шва. Как и в других соединениях, при пайке в тавр и в угол прочность возрастает с увеличением площади шва (рис. 6.2).
Соединение соприкасающихся деталей пайкой допускаются при конструировании изделий, швы которых работают на сжатие, или при небольших нагрузках (автомобильные радиаторы) (рис. 6.3).
Для пайки характерно большее разнообразие сочетаний соединяемых материалов, чем при сварке плавлением.
Рис. 6.2. Типы тавровых и угловых паяных соединений:
1, 2, 5, 6 – малопрочные соединения, применяются редко;
3, 4, 7-11 – с большей площадью паяного шва, более прочные;
Рис. 6.3. Типы паяных соединений при касании паяемых деталей:
а) типичные соединения;
б) элемент трехслойной конструкции из двух обшивок и гофры.
Основная специфика конструирования соединения при пайке по сравнению с соединениями при сварке состоит в том, что при пайке заполнение зазора между соединяемыми деталями происходит без автономного плавления соединяемого материала.
Все это и накладывает специфику на соединения при пайке.
Припоем называют материал для пайки и лужения с температурой плавления ниже температуры начала плавления паяемых материалов.
I. По температуре плавления:
1. Особо легкоплавкие (Тпл≤ 1450С) (галлиевые припои, индиевые, висмутовые);
2. Легкоплавкие (1450С< Тпл ≤4500С) (оловянные, оловянно-свинцовые, свинцовые);
3. Среднеплавкие (4500С< Тпл ≤11000С) (алюминиевые, серебряные, медные);
4. Высокоплавкие (11000С< Тпл ≤18500С) (кобальтовые, титановые, платиновые);
5. Тугоплавкие (18500С< Тпл) (на основе железа, бора, углерода, германия (Ge)).
II. По основному компоненту:
— По содержанию более 50% одного из компонентов: оловянные, кадмиевые, цинковые, магниевые, медные, никелевые и др.;
— При применении припоев с близким содержанием компонентов называют по двум или трем основным компонентам: оловянно-свинцовые, медно-никелево-марганцевые и др.;
При применении припоя, где один или несколько легирующих компонентов являются редкими или драгоценными металлами, припой иногда называют по этим компонентам: серебряный, золотой и др., хотя содержание их в припое может составлять всего несколько процентов.
III. По способу изготовления:
IV. По виду полуфабриката:
1. Листовые. 8. Композитные.
2. Ленточные. 9. Металлокерамические.
3. Трубчатые. 10.Армированные.
4. Пастообразные. 11.Порошковые.
5. Проволочные. 12.Плакированные.
6. Таблетизированные. 13.Многослойные.
V. По степени расплавления:
2. Частично расплавляемые (состоят из легкоплавкой части припоя и наполнителя (чаще всего порошок). В композиционных припоях наполнителем служит сетка, проволока, волокна) – при пайке изделий с неравномерным зазором.
VI. По способности к флюсованию:
1. Флюсуемые (т.е. при пайке добавляют флюс);
2. Самофлюсуемые (они содержат легирующие элементы — раскислители с сильным химическим средством к кислороду. К элементам раскислителям относятся литий, калий, натрий, бор, цезий).
Примеры некоторых применяемых припоев:
Галиевые припои общего назначения:
ГИС (Ga-In-Ag) Тпл≈ 100С – пайка меди
ГМ (Паста Ga c Cu) Тпл≈ 700С – пайка коррозионно-стойкой стали.
Индиевые припои общего назначения для пайки меди:
In-Pb (Тпл=2310С); In-In (Тпл≈1430С) и др.
Оловянные припои общего назначения:
П 200А (Sn-In) Тпл≈ 2100С
ПОС СрЗ (Sn-Ag) Тпл≈ 2700С
Оловянно-свинцовые припои общего назначения для пайки меди и стали:
ПОС 90 (~ 90% олова) Тпл≈180-2200С
ПОС Су 40-0,5 Тпл≈ 183-2350С
ПОС Су 4-6 Тпл≈ 244-2700С
Свинцовые припои общего назначения для пайки меди:
ПОС К 50 (50% олова, 18% Cd кадмия, ост. Pb) Тпл≈1450С
П Ср 15 (~ 81% , ~ 1,5% Ag серебро, ~ ост. Sn олова) Тпл≈ 2700С
Цинковые припои общего назначения для пайки алюминия:
П 300А (≈ 40% Cd кадмия, ост. – цинк) Тпл≈ 266-4200С
ПЦА 8М (8% Al, 5% Сu, 0,6% Sn, 1,4% Pb, ост. Zn) Тпл≈ 360-4200С
Серебряные припои общего назначения для пайки коррозионно-стойких сталей:
П Ср 92 (~ 92% Ag; ~ 0,3% Li; ост. Сu) Тпл≈8900С
П Ср 40 (~ 40% Ag; ~ 17% Cu; ~ 17% Zn; ост.Cd кадмий) Тпл≈ 6100С
Следует отметить, что некоторые припои идут без маркировки под номерами:
Припой с платиной №1 (70Au+Pt) Тпл≈ 14000С для пайки коррозионностойкой стали;
Припои с титаном для пайки титана и его сплавов №5 Ti Ni-Cu (26% Ni; 10Cu; ост. Ti) Тпл≈ 9800С.
Вспомогательные материалы при пайке.
К вспомогательным материалам прежде всего относятся флюсы — применяемые для удаления окислов с поверхности металла и припоя и для предотвращения их образования.
Примеры некоторых флюсов:
1. Хлористый цинк (водный раствор хлористого цинка 30%) Тпайки≈ 2630С, для пайки черных и цветных металлов;
2. Канифоль (натуральная) Тпайки≈ 150÷3500С. Монтажные соединения из меди, бронзы, латуни;
3. БМ 1 (метиборат 75%, метиловый спирт – 25%) Тпайки≈ 8000С. Пайка чугуна.
Также к вспомогательным материалам относятся инертные газы, активные газовые среды, вакуум – для защиты паяемого материала и жидкого припоя от непосредственного контакта их с кислородом воздуха.
К вспомогательным материалам для пайки относятся также вещества, используемые для покрытия непаяемых поверхностей (защитный слой): стоп-пасты и покрытия, наносимые методом распыления, пульверизацией и т.д.
Рассмотрим несколько наиболее распространенных способов пайки. Для нагрева места пайки и расплавления припоев применяют следующие методы: паяльником (рис. 6.4), электросопротивлением (рис. 6.5), индукционным нагревом (рис. 6.6), пайка в ванне из припоя или солей (рис. 6.7).
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.
Технология пайки металлов
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
Реклама
Флюсы для пайки
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).
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.
Соединение деталей склеиванием
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.
