Пайка металлов: отличие от сварки и особенности подготовки поверхностей

Пайка металлов

Пайка металлов, как и сварка, относится к методам создания неразъемных соединений. Но эти два способа имеют коренное отличие:

1. сварка – способ соединения металлов путем их местного нагрева до температуры плавления. В результате слияния расплавленных металлов в одной

2. общей сварочной ванне образуется прочное соединение элементов изделия или конструкции;

пайкой называется процесс соединения металлов при помощи присадочного металла (припоя), температура плавления которого ниже температуры плавления соединяемых материалов. Основной металл при том остается в твердом состоянии.

Пайка определяется следующими факторами:

физическими – температурой и давлением (этими же факторами определяется и сварка);
конструктивными – величиной нахлеста и зазора между элементами, подлежащими пайке;
физико-химическими – наличием флюса и припоя, состав которых должен взаимодействовать с основным металлом;
технологическими – способами нагрева металла, ввода в зону пайки припоя.

Классификация методов пайки

Процесс пайки классифицируется по следующим параметрам: температуре, давлению, готовности припоя.

По температуре

В зависимости от температуры нагрева металлов различают пайку:

высокотемпературную;
низкотемпературную.

Границей, которая отделяет эти два способа, является значение температуры, равное 450 градусов.

По давлению

По этому параметру различают:

пайку металлов с фиксированным зазором;
прессовую пайку.

Первый способ является самым распространенным. Как и сварка под давлением, прессовая пайка была известна давно. Но широко применяться она стала только в последнее время. В результате такой технологии сокращается время пайки, повышается прочность паяных соединений.

По готовности припоя

Степень готовности припоя влияет на многие особенности процесса пайки. Припой может быть:

изготовлен заранее;
образовываться в процессе пайки в результате контактного (реактивного или твердо-газового плавления) либо восстановления металлов из составляющих флюса.

Технология пайки

Как и сварка металла, пайка включает в себя несколько технологических переходов, каждый из которых оказывает самое прямое влияние на качество результата.

Подготовка поверхности металла к пайке

Эта операция необходима для обеспечения взаимодействия основных металлов и припоев. В этом плане сварка менее требовательна к предварительной обработке поверхности. Цель подготовительных работ – удаление с поверхности деталей масел, жиров, окалины, грязи и тех оксидов, которые не поддаются удалению во время флюсования или воздействия активных газовых средств.

Подготовка поверхности включает в себя:

механическая обработка;
обезжиривание;
удаление неметаллических пленок механическим или химическим способом. Последний состоит их нескольких операций: травления, промывки, нейтрализации остатков травильного раствора и сушки. Состав травильного раствора зависит от марки основного металла и припоя;
нанесение на поверхность паяемого металла барьерных или защитных покрытий. Назначение операции – улучшение растекания припоя, взаимодействия его с основным металлом, повышение коррозионной стойкости соединения, (а иногда для предотвращения взаимодействия припоя с паяемым металлом). Покрытие может наноситься плакированием, гальваническим, вакуумным и другими способами;
термообработка основного металла. Эта операция производится не всегда, но в некоторых случаях (для снятия внутренних напряжений и, как следствие, охрупчивания металлов под воздействием расплавленного припоя) детали перед пайкой проходят через процессы отжига или отпуска (таких мероприятий часто требует и сварка).

Операция пайки

Собственно пайка происходит согласно заданным циклам температур и времени, величиной приложения давления. Все эти параметры зависят от вида паяемого металла: алюминия, легких сплавов, стали, чугуна и пр.

Пайка алюминия

Алюминий длительное время считался непригодным для пайки, так как окисная пленка, образующаяся на его поверхности, отличается высокой химической стойкостью. Немалые сложности доставляет и его сварка. Все попытки паять алюминий припоями, используемыми для пайки стали или меди, заканчивались неудачей. Сейчас проблема решена, алюминий паяют даже в домашних условиях.

Сварка и пайка алюминия требует тщательной подготовки его поверхности:

обезжиривание. В качестве обезжиривающего состава можно использовать:

— бензин;

— ацетон;

— раствор четырехкомпонентный, содержащий – гидроокиси натрия (20-50 г/литр воды), соды кальцинированной (15-50 г/л), тринатрийфосфата (250-50 г/л);

— раствор едкого натра (40-60 г/л).

Растворы подогреваются в ваннах. Рабочее место при этом должно быть оборудовано местной вытяжной вентиляцией в обязательном порядке, независимо от того, в промышленных или гаражных условиях выполняется операция.

В четырехкомпонентном составе алюминий обезжиривается в течение 2-3 минут при рабочей температуре 70-80 градусов. В растворе едкого натра детали обезжириваются тоже 2 — 3 минуты, но температура его должна быть не менее 40, но не более 60 градусов;

сушка. Элементы, предназначенные для пайки, сушатся на воздухе в течение 10-2 минут.
Удаление окисной пленки. Пленку можно удалять:

— механическим путем (алюминий и припой обрабатывают наждачной бумагой или металлической щеткой);

— химическим путем. Этот способ заключается в пяти переходах:

ü травление в тех же растворах, в которых проводилось обезжиривание;

ü промывка в воде температурой от 50 до 70 градусов в течение 30 – 40 секунд;

ü осветление в двадцатипроцентном растворе азотной кислоты (температура – от 17 до 28 градусов) в течение 10 – 20 секунд;

ü промывка в горячей (проточной) воде;

ü сушка в течение 20-30 секунд в сушильном шкафу при температуре от 80 до 100 градусов.

Такая технология в условиях производства не представляет сложности. Но в домашних мастерских организовать ее непросто. Поэтому народные умельцы «разрабатывают» свои способы подготовки алюминия к пайке. Одним из таких методов является использование специальной насадки на электропаяльник.

Подготовка поверхности с применением насадки

Насадка представляет собой цилиндрическую деталь, с одного конца которой сверлится глухое отверстие под жало паяльника, а второй конец заправляется на усеченный конус. На торце конуса нарезаются продольные зубья с острыми вершинами. Общая длина насадки составляет 70 мм. Вдоль отверстия под жало (диаметром 9 мм) прорезаются сквозные пазы – всего 4 штуки, расположенные диаметрально. Получается нечто, похожее на цангу.

Насадка применяется только для зачистки окисной пленки. Поэтому, если планируется паять много деталей, лучше подготовить два паяльника: один – для флюсования алюминия (с использованием вышеописанной насадки), второй – непосредственно для пайки.

Технология пайки с использованием насадки

Зону пайки очистить механическим путем до свежего металла.
На зубья насадки нанести канифоль и поднести ее к месту пайки.
Наносить расплавленную канифоль на алюминий, одновременно выполняя возвратно-поступательные движения паяльником. При этом зубья насадки будут соскабливать вновь образовавшуюся окисную пленку, а флюс равномерно распределится по поверхности металла.
Взять на электропаяльник каплю олова (его предварительно посыпают канифолью) и распределить ее по зоне пайки. Если луженая поверхность получится излишне шероховатой, при помощи разогретого жала излишки олова удалить.
Таким образом подготовить все детали, подлежащие соединению. После этого можно приступать к пайке изделия.

Пайка конструкционных сталей

На поверхности стали тоже образуется окисная пленка, ее состав зависит от легирующих добавок, среды хранения, длительности нагрева и т.д. Для ее удаления применяются шлифовальные круги, наждачная бумага, пескоструйка и дробеструйка. Если есть потребность в обработке большого количества мелких деталей, целесообразно применять метод химической обработки – травления в водных растворах кислот. Например, для травления низкоуглеродистой стали используют 10-15%-ный раствор серной кислоты.

Технология подготовки поверхности стали

Травление в растворе следующего состава:

— серная кислота – 1 объем;

— азотная кислота – 3 объема;

— фтористый натрий – 50 г/л.

Температура раствора – 17-28 градусов. Травление длится в течение 5-20 минут. Раствор помещается в керамическую ванну (или стальную, футерованную винипластом).

Обработка (чернение) поверхности в растворе соляной кислоты (25-30%).
Промывка в воде – проточной холодной.
Промывка в горячей воде.
Промывка в щелочном растворе для нейтрализации остатков кислоты (10-15%ный раствор соды).
Сушка при температуре 100 градусов.

Пайку стали выполняют оловом или припоями оловянно-свинцовыми. Пайка оловом приводит к образованию твердого раствора олова с железом.

Пайка латунью

Этот метод пайки стали применяется, в основном, при сборке художественных композиций из стали. Причем элементы круглого сечения для пайки латунью не подходят из-за небольшой площади соприкосновения. Флюсом служит бура, смоченная водой.

Техника пайки латунью

Подготовленные элементы из стали соединяются между собой биндрой (проволокой стальной).
Собранное таким образом изделие помещается в горн и разогревается докрасна.
На место пайки наносится бура. Под действием температуры она плавится и растекается по зоне пайки.
Не снимая слой буры, латунным прутком прикасаются к местам соединения.