5.24. Пайка

Пайка– технологический метод получения неразъёмного соединения заготовок без их расплавления путём введения между ними расплавленного материала (припоя) с его последующей кристаллизацией.

Припой – металл или сплав, применяемый при пайке для соединения заготовок и имеющий температуру плавления ниже, чем соединяемые металлы. 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.

Пайка бывает низкотемпературная (до 300 °C) и высокотемпературная. Для низкотемпературной пайки в основном используют паяльник с электрическим нагревом (рис. 5.41), для высокотемпературной — в основном нагрев газовой (в частности, ацетиленовой) горелкой. Соответственно бывают припои легкоплавкие (мягкие) и тугоплавкие (твёрдые). К мягким относятся припои с температурой плавления до 300 °C, к твёрдым – выше 300 °C. Для сведения укажем примерную температуру плавления некоторых припоев: висмутовые (сплав Вуда t°_пл=70 °C), оловянно-свинцовые (t°_пл около 200°C), оловянно-серебряные (t°_пл около 780°C), медно-цинковые (t°_пл около 870°C).

Мягкие и твёрдые припои существенно различаются по механической прочности. Мягкие припои имеют предел прочности 16–100 МПа, а твёрдые – 100–500МПа. Наиболее распространёнными мягкими припоями являются оловянно-свинцовые сплавы, в которых содержание олова по отношению к свинцу колеблется от 10 до 90%. Большое количество оловянно-свинцовых припоев также содержит небольшой процент сурьмы.

Наиболее распространёнными твёрдыми припоями является медно-цинковые и серебряные с различными добавками.

4 1 3 5 6 7 2 Рис. 5.41. Электрический паяльник: 1 – медный стержень с жалом на конце; 2 – металлический кожух; 3 – металлическая трубка, удерживающая медный стержень; 4 – нагревательный элемент (нихромовая спираль в теплостойкой изоляции из керамики или слюды); 5 – термостойкая ручка; 6 – электрический шнур; 7 – штепсельная вилка

В связи с повышением внимания общества к вопросам экологии теперь при выборе припоя более серьёзно учитывают токсичность его компонентов. В электротехнике и электронике (особенно бытовой) всё чаще используют бессвинцовые припои типа сплавов олова с цинком или олова с серебром и медью. Но бессвинцовые припои имеют меньшую текучесть (смачиваемость), а также худшие характеристики и стойкость швов при длительной эксплуатации, чем оловянно-свинцовые. В связи с этим на данный момент ни один из бессвинцовых припоев не считается полноценной заменой оловянно-свинцового.

1 а) б) 2 3 Рис. 5.42. Капиллярная пайка: а – перед пайкой; б – после пайки; 1 – деталь с отверстием; 2 – стержневая деталь; 3 – припой

При наиболее часто встречающейся капиллярной пайке (рис. 5.42) припой заполняет зазор между соединяемыми поверхностями и удерживается в нём за счёт капиллярных сил, которые сильнее проявляются при малом зазоре.

2 1 а) б) Рис. 5.43. Пайка внахлёстку: а – перед пайкой; б – после пайки; 1 – соединяемые детали; 2 – припой

По виду соединения наиболее часто употребляется пайка внахлёстку (рис. 5.43), при которой соединяемые поверхности либо предварительно лудят (т.е. покрывают тонким слоем расплавленного олова), либо помещают между ними прослойку припоя, после чего плавят промежуточный металл, который, застывая, образует паяное соединение.

Прочность паяного соединения во многом зависит не только от припоя и соединяемых металлов, но и от зазора между соединяемыми деталями (от 0,03 до 2 мм, причём меньший зазор приводит к большей прочности соединения), чистоты поверхности и равномерности нагрева элементов. Для удаления окисной плёнки в зоне соединения, защиты от окисляющего влияния атмосферы и улучшения текучести жидкого припоя применяют флюсы. В электронике, радиотехнике и электротехнике при пайке электрическим паяльником наиболее распространённым флюсом является канифоль, получаемая из смол хвойных деревьев, в основном сосны.

Пайка является высокопроизводительным процессом, обеспечивает надёжное электрическое соединение, позволяет соединять разнородные материалы (в частности, металлы с неметаллами) и по сравнению со сваркой не даёт значительных температурных короблений. Кроме того, в отличие от сварки паяные соединения допускают их многократное разъединение и повторное соединение. К недостаткам можно отнести относительно невысокую механическую прочность. Кроме того, по сравнению со сварочными присадочными материалами пайка требует использования более дорогих припоев и преимущественного применения швов внахлестку, что обуславливает повышенный расход металла. Поэтому пайка не находит такого широкого распространения, как сварка.

а) б) Рис. 5.44. Сварка-пайка: а – до начала процесса; б – после образования соединения

Промежуточной разновидностью между пайкой и сваркой является так называемая сварка-пайка(рис. 5.44), при которой путём местного нагрева соединяют заготовки из разнородных материалов, доводя более легкоплавкий материал до расплавления и используя его в качестве припоя. Таким образом, по отношению к расплавляемому материалу процесс представляет собой сварку плавлением, а по отношению к нерасплавляемому – пайку.