Пайка в печах

Для пайки используются электрические печи и реже - пламенные печи. Нагрев деталей под пайку производят в обычной, восстановительной или обладающей защитными свойствами средах. Пайку твердыми припоями в печах с обычной средой (атмосферой) производят с применением флюсов. При пайке в печах с контролируемой средой подлежащие пайке детали (из чугуна, меди или медных сплавов) соединяют с возможно малым зазором, затем на шов накладывают твердый припой в виде проволоки, кусочков или специально штампованных фасонных колец. Собранные таким образом паяемые узлы помещают в печь, разогретую до температуры, несколько превышающей температуру плавления припоя; в камеру печи из специальной установки подают защитную (контролируемую) атмосферу (восстановительную или обладающую защитными свойствами).

Пайку в печах иногда заменяют пайкой в специальных герметических контейнерах, продуваемых восстановительным газом и устанавливаемых в печь после загрузки в них деталей. Пайка в восстановительной среде обеспечивает соединения высокой прочности, предохраняет соединяемые детали от окисления и обезуглероживания и обеспечивает высокую производительность, так как допускает групповую обработку деталей. При пайке в восстановительной среде деталей из конструкционных сталей применять флюсы не следует, что значительно упрощает технологию. В качестве восстановительной среды применяют диссоциированный аммиак-азото-водородную смесь (2NН₃↔N₂ + 3Н₂).

Для предохранения деталей от обезуглероживания иногда применяют среду на основе окиси углерода. В качестве восстановительных и слабовосстановительных сред применяют еще генераторный древесный угольный газ и продукты сгорания природного газа после удаления СО₂ и Н₂О. К защитным средам относятся нейтральные газы (аргон, гелий). Газовую восстановительную и защитную среды применяют для пайки сталей, чугуна, меди и ее сплавов с оловом и никелем, а также для пайки никеля и его сплавов.

В качестве припоев при пайке в печах служат электролитическая медь М1, М2, латунь Л62 (пайка черных металлов), легкоплавкие серебряные и медные припои (пайка меди и ее сплавов, нержавеющей стали, чугуна), специальные алюминиевые припои (пайка алюминия и его сплавов) и др.

Ступенчатая пайка

Ступенчатой пайкой называют процесс, применяемый для соединения нескольких деталей в один узел припоями с различной температурой плавления. При этом способе сначала паяют часть узла припоя с более высокой температурой плавления, а затем производят пайку припоем с более низкой температурой плавления. Можно применять также ступенчатую пайку с тремя последовательными процессами.

Пайка соединений металлов с неметаллическими материалами

Пайкой можно получить соединения металлов со стеклом, кварцем, фарфором, керамикой, графитом, полупроводниками и другими неметаллическими материалами.

Ввиду различия в физико-химических свойствах металлов и неметаллических материалов природа связи в паяных швах будет иной, чем в соединениях между металлами. При пайке металлов основным условием образования прочного паяного соединения является удаление с поверхности соединяемых металлов и припоя слоя окислов. При пайке же металлов с неметаллическими материалами, такими, как стекло, кварц и др., состоящими из окислов, образование паяного соединения будет происходить между металлом и окислами элементов. При пайке металлов с графитом и полупроводниками соединение создается между еще более различными по природе материалами. Ввиду резкого различия коэффициентов термического расширения и других свойств металлов и неметаллических материалов технологические процессы пайки последних разработаны в меньшей степени, чем для металлов.

Соединение металлов с неметаллами с применением металлических связок производят серебряными припоями, содержащими значительное количество титана и циркония (25-50%), которые обладают способностью одновременно смачивать поверхность металлов и неметаллических материалов. Основные трудности при пайке кварца с металлами вызываются большим различием коэффициентов линейного расширения соединяемых пар. Соединение металлов с неметаллическими материалами в результате совместного смачивания их расплавленным припоем образуется также при пайке металлов с графитом. И в этом случае применяют припои, содержащие титан и цирконий, которые являются сильными карбидообразователямй и хорошо смачивают графит. Однако эти припои имеют низкую коррозийную стойкость в расплавах солей, в которых могут работать паяные соединения металла с графитом. Перспективным является припой, состоящий из 35% Аu, 35% Ni и 30% Мо, который пригоден для пайки молибдена с графитом и графита с графитом и дает соединения, устойчивые в среде расплавленных солей.

Соединение металлов с неметаллами осуществляется также путем применения переходных слоев из стекла, глазури и эмали. В спаях металла со стеклом, получаемых с применением легкоплавких промежуточных стекол, опасность образования трещин уменьшается, так как напряжения в контакте металл-стекло оказываются значительно ниже, чем в спаях без переходного стекла. Этот способ позволяет производить предварительное покрытие металла стеклом при строго определенных режимах, а последующее соединение элементов изделия сводится к простому сплавлению стекла со стеклом. Применение предварительного покрытия металла более легкоплавким стеклом рекомендуется также в тех случаях, когда соединяемый металл не смачивается стеклом, с которым он должен быть соединен.

Третья группа технологических процессов соединения металлов с неметаллами, когда на неметаллический материал перед пайкой наносится пленка металла, характерна для пайки металлов со стеклом и керамикой и наиболее распространена в приборостроении. В этом случае перед пайкой на поверхность стекла или керамики путем вжигания (серебра или платины) металлизацией, восстановлением окислов или другими способами наносят слой металла. После этого пайка принципиально ничем не отличается от обычной, применяемой при соединении металлов.

На поверхность деталей из керамики, специальных сортов стекла, слюды и кварца, применяемых в электрорадиоприборах, обычно наносят металлический (серебряный) слой способом, вжигания.

Флюсы

Непосредственно после того, как соединяемые металлические части деталей основательно зачистят до блеска, на место спайки наносят соответствующий флюс. Флюс препятствует окислению зачищенного металла, на котором при нагревании свыше 100°С оксид образуется в доли секунды и является причиной того, что припой не соединяется с металлом и не образует с ним сплав. Кроме того, флюс препятствует окислению припоя и уменьшает его поверхностное натяжение. Благодаря этому припой хорошо растекается и заполняет щели шириной до миллиметра. В определенной мере флюс растворяет даже оксиды, его также можно применять как растворитель ржавчины. Твердый припой, а также в небольшом объеме мягкий припой поставляют в торговлю в виде спицеобразных стержней . Эти стержни одновременно содержат флюс в виде оболочки снаружи вокруг припоя или внутри его. При мягком паянии во многих случаях флюс отделяют от припоя. Флюс для мягкой пайки бывает саблевидным, пастообразным, жидким и в виде порошка. Этот флюс после очистки и перед нагреванием наносят кисточкой на место пайки таким образом, чтобы вся зачищенная поверхность металла была равномерно покрыта.

Флюсы проявляют свои свойства только в расплавленном состоянии: с одной стороны, они должны быть настолько вязкими, чтобы могли удерживаться на вертикальной поверхности, а с другой — достаточно жидкими, чтобы расплавленный припой мог вытеснять флюс из зазора между деталями. Кроме того, каждый флюс проявляет свое действие только в определенном интервале температуры. Если эта температура превышена, то флюс сгорает. Отсюда следует, что рабочая температура применяемого припоя должна находиться в температурной зоне действия флюса.

Флюсы не должны соприкасаться с кожей. Поэтому следует прежде всего защищать от этого агрессивного вещества органы дыхания, глаза и слизистую оболочку.

Остатки флюса после паяния, как правило, удаляют с детали. Основательную очистку достигают стандартным протравливающим средством, которое нагревают до 40°С. Для стали — это 10%-ный раствор соляной кислоты, а для меди применяют 10%-ный раствор серной кислоты. Другой метод очистки состоит в том, что раскаленную деталь охлаждают в холодной воде или остывшую деталь очищают в горячей воде.

Универсального флюса не существует. Поэтому необходимо разбираться в обозначениях, чтобы выбрать правильный флюс или в крайнем случае воспользоваться советом специалиста. Различные флюсы распределяются по группам в соответствии с DIN 8511. Среди них есть флюсы для мягкой пайки тяжелых металлов с обозначением группы от F-SW11 до F-SW32 (F — флюс, S — тяжелый металл, W — мягкая пайка). Нагары флюсов F-SW31 и F-SW32 подвергаются коррозии. Флюсы от F-LW1 до F-LW3 предназначены для пайки мягким припоем легких металлов (L), прежде всего для алюминия; при температуре свыше 300°С эти флюсы сгорают. Флюс для пайки твердым припоем (Н) тяжелых металлов входит в группу F-SH1 — F-SH4, для пайки легких металлов — в группу F-LH1 (остатки флюса смывают разбавленной азотной кислотой или горячей водой) и F-LH2 (флюс можно оставить на детали, но место спайки должно быть защищено от влаги).

В зависимости от фирмы-изготовителя флюсы поставляют под. различными торговыми марками.

Припой

Припой изготовляют в виде стержней, проволоки, пасты и порошка, а припойных сплавов различают намного больше, чем флюсов. Выбор припоя зависит от температуры плавления соединяемых металлических деталей. Рабочая температура припоя должна быть как можно ниже точки плавления металлических деталей, предназначенных для соединения, чтобы из-за некоторого превышения оптимальной рабочей температуры металлические детали не могли расплавиться. В таком случае выбор припоя зависит от того, какими свойствами обладают места спайки, например, устойчивы ли они к механическим нагрузкам, холодо-или жаростойкие. И наконец, выбор припоя зависит от метода пайки: мягким или твердым припоем, производится ли пайка по зазору и т. п.

Стандарт DIN 1707 включает 51 мягкий припой. Особенно широкое и важное применение находят припои L-SN SB5 и L-SN AG5, а также оловянные сплавы с 5%-ной долей сурьмы или серебра с рабочей температурой от 230 до 240°С, применяемые для пайки коммуникационных медных труб с горячей или холодной водой, для обогревательных устройств и в пищевой промышленности. Оловянный стандартный припой имеет обозначения «40», «50» и «60», которые указывают процентное содержание олова в этих мягких припоях. Соответственно температура их плавления составляет 235, 210 и 190°С, понижаясь с возрастанием доли олова.

В группе твердых припоев различают очень низкоплавкие припои на алюминиевой основе, среди которых отметим особенно удобный для пайки по зазору алюминиевых сплавов всех видов — это L-AL SL12. Кроме того, низкоплавкими твердыми припоями являются припои, содержащие не менее 20% серебра. Так, например, припой L-AG 2P с относительно высоким диапазоном температуры плавления (от 650 до 810 °С) применяют для пайки меди и всевозможных медных сплавов во всех отраслях, где используют медь. Из группы твердых припоев, содержащих не менее 20% серебра, следует особо упомянуть припой L-AG 40CD — низкоплавкий твердый припой (595-630°С), относящийся к разновидности твердых припоев, служащих для пайки по зазору стали, меди и латуни. Припои на основе меди имеют температуру плавления около 900°С и используются при пайке стали, ковкого чугуна, меди и медных сплавов — это, например, L-Cu Zn 40, L-Cu Zn 39 Sn и так называемый ней-зильбор L-Cu Ni 10 Zn 42.

Важно также знать, что медные, серебряные и мягкие припои проявляют оптимальную прочность только при ширине зазора от 0,05 до 0,1 мм, в то время как алюминиевые припои пригодны для зазоров шириной от 0,2 до 0,4 мм.

Вышеупомянутые припои (как и флюсы) различные фирмы-изготовители поставляют в торговлю под разными названиями, но так как на них имеется также маркировка по DIN, то специалисты без затруднений могут составить ясную картину возможности применения этих материалов. В случае специализированных работ может потребоваться совет квалифицированного специалиста.