Основные способы и виды пайки. Паяльное оборудование, материалы и технология пайки

Общие сведения о технологии

Это метод соединения, при котором задействуется связующий расплав (припой) с подходящими для конкретных условий характеристиками. И активный элемент пайки, и заготовки подвергаются предварительному нагреву, благодаря которому формируется податливая для соединения структура материалов. Температурный режим должен быть превосходить пиковую точку нагрева, минуя которую металлические детали размягчаются и начинают переход в жидкое состояние.

Важной характеристикой любого вида пайки является время термического воздействия под расплавом. Это промежуток от начала нагрева до отвердения припоя уже после выполнения соединения. В среднем операция занимает 5-7 мин, но могут быть и отклонения от этого диапазона – это зависит от характеристик заготовки и площади обрабатываемого узла.

Виды заклёпочных соединений

Двухрядное
заклёпочное соединение внахлёстку
(внакрой)

Заклёпочное
соединение (клепаное соединение) —
неразъёмное соединение деталей
при помощи заклёпок.
Обеспечивает высокую стойкость в
условиях ударных и вибрационных нагрузок.
Известно с древности. На Руси клёпаные
изделия встречаются при археологических
раскопках городищ и датируются IX-X
веками.

На современном этапе развития
технологии уступает
место сварке и
склеиванию, обеспечивающим большую
производительность и более высокую
прочность соединения. Однако по-прежнему
находит применение по конструктивным
или технологическим соображениям: в
соединениях, где необходимо исключить
изменение структуры металла, коробление конструкции
и перегрев расположенных рядом деталей;

Применяют,
в основном, в авиастроении-
и судостроении,
металлоконструкциях и других изделиях
с внешними нагрузками, действующими
параллельно плоскости стыка.

Заклёпочные
соединения делятся на:

• прочные (рассчитанные
  только на восприятие и передачу силовых
  нагрузок),

• плотные
  (герметичные) (обеспечивают
  герметичность конструкций в резервуарах
  с невысоким давлением),

• прочноплотные (восприятие
  силовых нагрузок и герметичность
  соединения).

По
конструкции заклёпочные соединения
делятся на однорядные и многорядные с
цепным или шахматным расположением
заклёпок, а в зависимости от количества
плоскостей среза — одно- и многосрезные.

По
характеру воздействия нагрузки на
заклёпочное соединение — швы с
поперечной нагрузкой, перпендикулярной
оси заклёпок, и продольной, параллельной
оси заклёпок.

Заклёпочные
соединения по конструкции близки к
паяным, сварным и клеевым соединениям.
Наиболее распространены соединения
внахлёстку (внакрой) и встык со стыковыми
планками.

Герметичность соединения
обеспечивается нанесением различных
герметиков на поверхность стыка или
подкладыванием под стык различных
пластичных материалов. Заклёпки
герметичных соединений имеют усиленные
головки.

В
зависимости от требований к
поверхности, заклёпки могут
иметь полукруглую головку, потайную,
полупотайную или плоскую (в процессе
клёпки для создания внутренних усилий
сжатия, которые снижают возможность
усталости материала).

Заклёпки
изготовляют для разных способов
установки. Для односторонней клепки
существует множество видов заклёпок,
в том числе отрывные и взрывные. Обычная
клёпка может выполняться, когда
наковаленка-поддержка находится с
лицевой стороны и когда наковаленка
находится с тыльной стороны. Последний
способ стал наиболее распространенным,
поскольку требует меньшей массы
наковаленки-поддержки.

• Трудоёмкость
  процесса. Необходимо просверлить
  множество отверстий, установить
  заклёпки, расклепать их. Эти операции
  выполняются вручную двумя
  слесарями-сборщиками. До последней
  четверти 20-го века в СССР на авиационные
  заводы специально нанимались худощавые
  юноши и девушки, способные влезть в
  узкий отсек, чтобы удерживать там
  наковальню-поддержку.

• Повышенная
  материалоёмкость соединения. Заклёпочный
  шов ослабляет основную деталь, поэтому
  она должна быть толще. Нагрузку несут
  заклёпки, поэтому их сечение должно
  соответствовать нагрузке.

• Необходимость
  специальных мер для герметизации. Это
  очень важно для самолётостроения и
  ракетной техники, при сборке баков-кессонов
  и пассажирских отсеков. В баках-кессонах,
  расположенных в крыле самолётов, как
  правило, держат топливо — авиационный
  керосин. Резиновый герметик, устойчивый
  к керосину,
  должен закрывать все заклёпочные швы.
  Вес его может составлять десятки
  килограммов.

• Процесс
  сопровождается шумом и вибрацией. Это
  приводит к ряду профессиональных
  заболеваний у сборщиков и вызывает
  глухоту. Поэтому везде, где можно,
  внедряются новые инструменты для
  клёпки.

• Не
  позволяет распространяться усталостным
  трещинам, таким образом повышает
  надёжность всего изделия.

• Позволяет
  соединять не поддающиеся сварке
  материалы.

Бытовое
устройство для установки отрывных
заклёпок — «заклёпочник»

В
последнее время эти преимущества
нивелируются тем, что появились достаточно
прочные сплавы, поддающиеся сварке,
появились синтетические клеи, позволяющие
получить у клеевого шва прочность не
хуже, чем у основного материала. На смену
алюминиевым сплавам пришли композиты,
в которые на стадии изготовления
вклеивают металлические закладные
элементы.

Лампы для пайки

Наиболее распространенный инструмент для пайки различных заготовок, позволяющий получать высокотемпературный нагрев путем сжигания спирта, керосина и других видов жидкого топлива. В процессе работы из сопла аппарата вырывается факельный запал, который в дальнейшем направляется на целевой участок расплава.

Такие приборы можно использовать не только для соединения деталей, но и в операциях нагрева конструкций и механизмов. Также аппараты для пайки используют перед удалением лакокрасочных покрытий. Средняя температура нагрева у лампового паяльника составляет 1000 – 1100°С, поэтому его можно использовать и в сварочных работах.

К самым производительным моделям относятся бензиновые лампы. Они быстро обретают оптимальную рабочую температуру и справляются с большинством стандартных операций пайки. В конструкции приборов предусматривается баллончик для топлива, а также регулятор пламени, позволяющий варьировать мощность термического воздействия.

Горелки для пайки

Широкая группа газовых паяльников, которые могут подключаться к баллончику с топливом или же к центральному источнику с горючим. Первый вариант снабжения имеет преимущество в виде автономности. Горелку с баллончиком, как и бензиновую лампу можно использовать независимо от внешних коммуникаций. В выборе такого аппарата следует учитывать мощность, рабочую температуру, тип применяемого газа, время готовности к работе и т.д.

Например, стандартная газовая горелка для пайки работает на пропан-бутане и достигает температуры нагрева до 1300°С. Период непрерывного термического воздействия может достигать 3 ч, но это время будет зависеть и от объема подключаемого баллончика. Различают горелки и по типу системы воспламенения.

Электрические паяльники

Тоже распространенный в бытовой среде вид паяльного оборудования, которое отличается безопасностью (по сравнению с газовыми аппаратами) и компактными размерами. Но сразу стоит подчеркнуть и недостатки. Во-первых, такие приборы зависимы от электросети, что ограничивает их сферы применения. Во-вторых, электрическое паяльное оборудование поддерживает невысокую температуру нагрева в диапазоне 400 – 450°С. Связано это с тем, что часть энергии утрачивается в процессе преобразования электричества в теплоту.

В выборе устройства надо учитывать максимальное напряжение. Так, в мастерских и на производствах используют стандартные модели на 220 В. В бытовых условиях нередко применяют аппараты, работающие от трансформаторов на 12 и 24 В. Задачи, которые можно решать электрическими паяльниками, в основном ограничиваются починкой мелкой аппаратуры, восстановлением контактов микросхем, соединением пластиковых деталей и т.д.

Паяльные станции

Для выполнения групповых или поточных операций пайки используется многофункциональное оборудование. Паяльная станция отличается широкими возможностями регулировки рабочих параметров, а также более высокими температурными показателями нагрева. Достаточно сказать, что приборы такого типа работают при мощности 750 — 1000 Вт, подключаясь к сетям с напряжением 220 В.

Как правило, это профессиональное паяльное оборудование, но существуют и аналоги бытового назначения. Например, аппараты для групповых операций в домашних условиях могут включать несколько сменных жал разного формата, подставки, средства для удаления припоя, кусачки и другие вспомогательные аксессуары. Теперь стоит ознакомиться с разными технологическими подходами к процессам пайки.

Основные типы сварных соединений

Сварное
соединение —
неразъёмное соединение, выполненное сваркой.

Сварное
соединение включает три характерные
зоны, образующиеся во время сварки: зону
сварного шва, зону сплавления и зону
термического влияния, а также часть
металла, прилегающую к зоне термического
влияния.

Зоны
сварного соединения: самая светлая —
зона основного металла, темнее —
зона термического влияния, самая тёмная
область в центре — зона сварного
шва. Между зоной термического влияния
и зоной сварного шва находится зона
расплавления.

Сварной
шов —
участок сварного соединения, образовавшийся
в результате кристаллизации расплавленного
металла или в результате пластической
деформации при
сварке давлением или сочетания
кристаллизации и деформации.

Металл
шва — сплав,
образованный расплавленным основным
и наплавленным металлами или только
переплавленным основным металлом.

Основной
металл —
металл подвергающихся сварке соединяемых
частей.

Зона
сплавления —
зона частично сплавившихся зёрен на
границе основного металла и металла
шва.

Зона
термического влияния —
участок основного металла, не подвергшийся
расплавлению, структура и свойства
которого изменились в результате нагрева
при сварке или наплавке.

• Стыковое —
  сварное соединение двух элементов,
  примыкающих друг к другу торцовыми
  поверхностями.

• Нахлёсточное —
  сварное соединение, в котором сваренные
  элементы расположены параллельно и
  частично перекрывают друг друга.

• Угловое —
  сварное соединение двух элементов
  расположенных под углом и сваренных в
  месте примыкания их краев.

• Тавровое —
  сварное соединение, в котором торец
  одного элемента примыкает под углом и
  приварен к боковой поверхности другого
  элемента.

• Торцовое —
  сварное соединение, в котором боковые
  поверхности сваренных элементов
  примыкают друг к другу.

Стыковое
сварное соединение. Сверху — без раздела
кромок, снизу — с симметричной V-образной
разделкой кромок под сварку.

Двустороннее
нахлёсточное сварное соединение.

Тавровое
сварное соединение с симметричной
разделкой кромок под сварку.

Угловое
сварное соединение с односторонней
разделкой кромок под сварку.

Торцовое
сварное соединение.

Различают техники выполнения операций по стыку и зазору. Так, если промежуток между соединяемыми элементами составляет менее 0,5 мм, то пайка будет с зазором. Превышение этого интервала означает, что соединение выполняется встык. Причем и стыки могут иметь разные конфигурации – например, X- и V-образные.

5 Клеевое соединение

Клеевое соединение
– это неразъёмное соединение деталей машин, строительных
конструкций, мебели, изделий лёгкой промышленности и др., осуществляемое с помощью клея. Клей
позволяет скреплять различные, в том числе и разнородные материалы, обеспечивая равномерное
распределение напряжений. Клеи используют при изготовлении изделий из стали, алюминия, латуни,
текстолита, гетинакса, стекла, фанеры, древесины, ткани, пластмассы, резины и других материалов, которые
можно соединять в различных сочетаниях.

При монтаже оборудования и строительстве сооружений Клеи
также могут заменять сварку, клёпку и др.
Для клеевых соединений применяют
фенолоформальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические и др. клеи. Толщина клеевой прослойки
обычно 0,01—0,1 мм. Чаще всего с помощью клея выполняют соединения, работающие на сдвиг или
равномерный отрыв.

Такие соединения для стальных изделий обеспечивают предел прочности на сдвиг 20—35 Мн/м2 (200—350 кг/см2), а в ряде случаев значительно выше. Прочность клеёного шва пластмасс
обычно превышает прочность самого материала. Недостатками клеевых
соединений являются их меньшая долговечность,
например, по сравнению со сварными и заклёпочными соединениями (особенно при резких колебаниях
температуры), и низкая прочность на односторонний неравномерный отрыв (т. н. отдир). В этих случаях
хорошие результаты даёт применение комбинированных соединений — клеезаклёпочных и клеесварных.

Классификация пайки по температурным режимам

На сегодняшний день применяют мягкую, твердую и высокотемпературную пайку, которая используется в основном на производствах и в строительстве. Первые же две техники во многом схожи – например, в обоих случаях рабочая температура составляет 450°С и ниже. Для сравнения, высокотемпературные соединения выполняются в режиме не менее 600°С, а чаще – выше 900°С.

При этом и низкотемпературная обработка может обеспечить качественное соединение. Наиболее выигрышным будет применение твердого припоя, благодаря которому достигается высокая прочность и тугоплавкость деталей. Добавление меди в зазор или стык будет способствовать и повышению ковкости заготовки. Если же требуется получить гибкую и упругую структуру, то используют мягкую пайку.

Условно можно разделить современные припои на две группы:

• Плавящиеся под низкими температурами.
• Плавящиеся под высокими температурами.

Как уже отмечалось, низкотемпературная пайка выполняется под 450°C и ниже. Сам припой для такого рода операций должен размягчаться уже при 300°C. К подобным материалам относят широкую группу оловянных сплавов с добавлением цинка, свинца и кадмия.

Высокотемпературные средства расплава задействуются для пайки при температурах порядка 500°C. Преимущественно это медные составы, в которые также входит никель, фосфор и цинк. Важно отметить, что, к примеру, припой олово-свинец-кадмий помимо более низкой температуры плавления будет отличаться от медных сплавов и механической прочностью. Соотношение по стойкости перед физическим давлением можно представить так: 20 – 100 МПа против 100 – 500 МПа.

Гост 2.313 – 82: условные изображения и обозначения неразъемных соединений

Принявший
орган: Госстандарт
СССР

Дата
введения 01.01.1979

ИНФОРМАЦИОННЫЕ
ДАННЫЕ

1.РАЗРАБОТАН
И ВНЕСЕН Министерством нефтеперерабатывающей
и нефтехимической промышленности СССР
РАЗРАБОТЧИКИ

В.А.Кириллов;
В.А.Соколов, канд. техн. наук; Г.В.Порошин,
канд. техн. наук (руководитель темы);
Л.П.Красичева; Н.М.Кириллова

2.УТВЕРЖДЕН
И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением
Государственного комитета СССР по
стандартам от 24.09.76 N 2185

3.ВЗАМЕН
ГОСТ 2189-66

4.ССЫЛОЧНЫЕ
НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ

5.Ограничение
срока действия снято по протоколу
Межгосударственного Совета по
стандартизации, метрологии и сертификации
(ИУС 5-6-93)

6.ПЕРЕИЗДАНИЕ
(март 1998 г.) с Изменениями N 1, 2, 3,
утвержденными в октябре 1983 г., марте
1988 г., июле 1990 г. (ИУС 1-84, 6-88, 10-90)

Настоящий
стандарт распространяется на армированное
асбестовое полотно и прокладки из него,
применяемые для уплотнения соединений
деталей, работающих в воде, нефрасе,
керосине, масле и других нефтепродуктах,
а также в продуктах их сгорания при
температуре до 250 °С.

1. сварное
   соединение;

2. паяное
   соединение;

3. клееное
   соединение;

4. заклёпочное
   соединение (клёпаное
   соединение);

5. армированное
   соединение.

Виды флюсов

При термическом воздействии на поверхности металлической заготовки образуется оксидное покрытие, препятствующее образованию качественного соединения с припоем. Для устранения таких препятствий используют разные виды флюсов для пайки, некоторые из которых также ликвидируют следы ржавчины и окалины.

Флюсы можно классифицировать как раз по совместимости с припоями (твердыми и мягкими) или по температурной стойкости. Например, для мягкой пайки тяжелых металлов используют средства с маркировками F-SW11 и F-SW32. Для твердого соединения тяжелых сплавов задействуют флюсы для пайки видов F-SH1 и F-SH4. Легкие же металлы наподобие алюминия рекомендуется предварительно обрабатывать составами групп F-LH1 и F-LH2.

Метод индукционной пайки

Данная технология пайки имеет несколько преимуществ перед классическим способом соединения под расплавом. Среди них можно выделить минимальную степень окисления заготовки, что в некоторых случаях избавляет от необходимости применения флюсов, а также низкий эффект коробления. Что касается целевых материалов, то к ним относятся и мягкие, и твердые сплавы, а также керамика с пластиком.

К примеру, оптимальный припой для меди в данном случае будет иметь маркировку L-SN (модификации SB5 или AG5). В качестве источника тепловой энергии при индукционном воздействии могут выступать как ручные ламповые аппараты, так и машинные агрегаты соответствующей мощности. На производствах задействуют и генераторные установки, когда нужно получить длительную спайку узлов большой площади.

Ультразвуковая пайка

Еще один современный высокотехнологичный способ пайки, разработка которого была вызвана необходимостью устранения целого ряда характерных недостатков электрохимических методов соединения. Ключевой особенностью этой техники можно назвать возможность замены обычного флюса как средства устранения оксидов.

Отмечается и превосходство технологии в показателях скорости соединения. Если сравнивать ультразвуковое излучение с эффектом, который дает припой олово-свинец, то интенсивность захлопывания полостей обрабатываемого узла будет выше в несколько раз. Как показывают наблюдения, ультразвуковые волны с частотой 22,8 кГц обеспечивают скорость смыкания припоя на уровне 0,2 м/с.

Есть и экономические преимущества данного метода. Они также связаны с изменением подходов к применению флюсов и припоев. На производствах электротехнических приборов при сборке монолитных конденсаторов, преобразователей тока и других устройств широко применяется металлизация пастами палладия, серебра и платины.

Особенности пайки-сварки

У пайки как таковой немало схожих черт с традиционными технологиями сварки. Также используется нагрев заготовок и сторонний материал, оказывающий влияние на формирование шва. Но, по сравнению с техниками сварки, пайка не предусматривает внутреннего расплава структуры заготовки. Края деталей, как правило, остаются твердыми, хоть и подвергаются нагреву.

И все же полный расплав заготовки дает более крепкое соединение. Другое дело, что для достижения такого результата может требоваться более мощное оборудование. При использовании жидкого припоя для меди вполне реализуема некапилярная пайка с плотным заполнением шва. Данный способ соединения частично относится к сварке, так как при нем повышается сцепляемость структур двух и более заготовок. Производить некапиллярную пайку рекомендуется электродуговыми аппаратами или кислородно-ацетиленовой горелкой.

3 Паяное соединение

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

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

Прочность
соединения во многом зависит от зазора
между соединяемыми деталями (от 0,03 до
2 мм), чистоты поверхности и равномерности
нагрева элементов. Для удаления оксидной
плёнки и защиты от влияния атмосферы,
а также для понижения поверхностного
натяжения и улучшения растекания припоя
применяют флюсы.

Заключение

На получение качественного соединения в процессе пайки влияет не только правильный выбор технологии, припоя с флюсом и оборудования. Зачастую решающее значение имеют мелкие организационные процедуры, связанные с подготовкой материалов и последующей обработкой. В частности, для использования твердого припоя необходима многоступенчатая зачистка целевой поверхности с применением абразивного шлифования и химического воздействия тетрахлористым углеродом.

Готовая к работе деталь должна быть чистой, гладкой и по возможности ровной. Непосредственно в ходе выполнения пайки также рекомендуется особое внимание уделять способу фиксации заготовок. Желательно закреплять их в зажимном инструменте, но так, чтобы последний был защищен от химического и термического воздействия.

Не стоит забывать и о технике безопасности. Особой осторожности требуют активные расходные материалы – флюс и припой. В большинстве своем это химически небезопасные элементы, которые под высокотемпературным воздействием могут выделять токсичные вещества. Поэтому, как минимум, следует защищать кожные покровы и органы дыхания в процессе работы.