Особенности пайки металлов

В практике выполнения электромонтажных работ, при ремонте электрооборудования и эксплуатации элек­троустановок, наряду со сваркой, для соединения между собой деталей из однородных и разнородных металлов применяется пайка. Соединение металлов и деталей методом пайки имеет ряд преимуществ перед соединением их сваркой.

Схема газовой сварки.

Главные преимущества заключаются в следующем:

• сое­диняемые детали нагреваются до температур, при ко­торых их структура и механическая прочность не изме­няются;
• при соединении деталей и узлов отпадает необходимость в дополнительной обработке мест соединения (как это осуществляется при сварке);
• оборудование и приспособления, применяемые при пайке, значи­тельно дешевле, чем при сварке;
• с помощью пайки можно изготовить сложные узлы и детали из различ­ных материалов и сплавов, простых по форме и способу изготовления;
• высокая прочность соединения; не происходит коробления и деформации соединяемых деталей.

К недостаткам пайки, по сравнению со сваркой, сле­дует отнести достаточную сложность технологическо­го процесса и относительно большую затрату труда на выполнение равноценных соединений.

Пайка в электромонтажном производстве и при ремонтных работах применяется только в тех случаях, если не может быть при­менена электросварка или если пайка является единственным способом соединения деталей.

Это, например, пайка петушков обмотки электрических машин, пайка кабельных муфт и др. Основными способами соединений и оконцеваний проводов и кабелей с медными и алюминиевыми жилами являются опрессовка и сварка (электрическая и термитная). Однако в ряде организа­ций, где еще не освоены опрессовка и сварка, приме­няется пайка соединений.

Схема контактно-реактивной пайки.

Сущность пайки заключается в соединении между собой твердых металлических деталей и проводников с помощью расплавленного припоя. Температура плавле­ния припоя должна быть ниже температуры плавления соединяемых деталей. Припой должен хорошо смачи­вать металл соединяемых деталей, легко растекаться по поверхности и растворять металл основы у шва в месте пайки.

Поверхность деталей, подлежащих пайке, очищают от окислов и загрязнений механическим и химическим путем. Для химической очистки поверхностей применя­ются флюсы. Во время нагрева флюсы, соединяясь с окислами, образуют шлак, всплывающий на поверх­ность припоя. Помимо растворения и удаления грязи и окислов с поверхности соединяемых деталей, флюсы предохраняют металл основы и припой от окисления в процессе пайки. Выбор флюса зависит от применяемо­го припоя и характеристики соединяемых пайкой ме­таллов.

Припои и флюсы

В зависимости от температуры плавления и прочно­сти, применяемые припои разделяются на мягкие и твердые. К мягким относятся припои, температура плавления которых ниже 400⁰С; к твердым – темпера­тура плавления которых выше 500°С. Предел прочно­сти мягких припоев около 5-7 кГ/мм², твердых при­поев – до 50 кГ/мм². Большинство мягких припоев представляет собой сплавы, основой которых являются олово и свинец, а для пайки алюминия применяется цинк. Химический состав мягких припоев приведен в приложениях. Назначение и об­ласть применения наиболее распространенных марок мягких припоев приведены в табл. 1.

Кроме перечисленных в приложении 1 оловянно-свинцовых припоев применяются безоловянистые припои (свинец 98,5-98,9%, цинк 1% и др.). Эти припои на­много дешевле оловянисто-свинцовых и применяются для неответственных паек латуни и стали. Механиче­ская прочность пайки безоловянистыми припоями ниже, чем оловянно-свинцовыми. Однако примене­ние припоя без дефицитного олова оправдывает его ис­пользование.

Таблица 1. Область применения наиболее распространенных оловянно-свинцовых припоев

Таблица свойств оловянно-свинцовых припоев.

• ПОС-61 – Облуживание предварительно посеребренных, а затем обмедненных поверхностей фарфоровых изоляторов кабельных муфт перед спайкой их на заводе с металлическими головками и фланцами. Пайка проводов к выводам аппаратов телефонно­го типа;
• ПОС-50 – Пайка медных жил проводов и кабелей, мед­ных заземляющих проводников к стальной броне и свинцовой оболочке;
• ПОС-40 – Пайка медных жил проводов и кабелей, мед­ных заземляющих проводников к стальной броне и свинцовой оболочке, пайка деталей электроаппаратов;
• ПОС-30 – То же, что ПОС-40, для пайки изделий из цинка, стали, латуни;
• ПОС-18 – Пайка свинца, лужение стальной брони перед припайкой к ней заземляющих проводников, пай­ка стали, свинца, латуни, цинка, оцинкованного железа;
• ПОСС-4-6 – Пайка свинца со свинцом, оконцеваний и сое­динений медных жил кабеля и присоединений заземляющих медных жил к броне кабелей, при условии предварительного облуживания ка­бельных жил, наконечников, гильз и брони при­поями ПОС-18 или ПОС 30; пайка стали, лату­ни, белой жести.

Путем добавления в оловянно-свинцовые припои висмута или кадмия достигают снижения температуры плавления припоев на 60-180°С. Эти припои могут применяться для пайки тонких оловянных изделий, в каче­стве плавких вставок предохранителей, а также для пайки деталей, особо чувствительных к перегреву. Оловянно-свинцовые припои для пайки изделий из алю­миния и его сплавов непригодны, так как свинец силь­но снижает коррозийную стойкость паяного шва. По­этому для пайки алюминия и его сплавов рекомендуют  применять легкоплавкие припои, не содержащие сви­нец и основой которых является цинк.

Схемы лазерной пайки.

Химический состав твердых припоев приведен в при­ложениях . Назначение и область примене­ния наиболее распространенных марок твердых припо­ев приведены в табл. 2. Эти припои представляют со­бой сплавы, основой которых являются серебро и медь, медь и фосфор, медь и цинк. Из этой группы припоев наиболее дорогостоящими являются серебряные при­пои, которые в ряде случаев заменяются более деше­выми медно-цинковыми и медно-фосфористыми припоя­ми.

Следует отметить, что место пайки, выполненное серебряными припоями, обладает высокой прочностью, пластичностью и электропроводностью, чего не всегда можно достичь при применении медно-цинковых и медно-фосфористых припоев; кроме того, серебряными при­поями можно паять черные, цветные металлы (медь, латунь, бронзу) и серебро, в то время как область при­менения остальных твердых припоев более ограничена.

Таблица 2. Область применения наиболее распространенных серебряных и медно-цинковых припоев

Таблица свойств серебряных и медно-цинковых припоев.

• ПСр-70  – Для пайки токоведуших соединений, если ме­сто пайки не должно иметь резкого снижения электропроводности, по сравнению с электропро­водностью соединяемых деталей;
• ПСр-50 Кд ПСр-45 – Для пайки большинства металлов. Для пайки стали, никеля, меди, бронзы и пластинок твердых сплавов. Место пайки не подвержено коррозии и не разрушается под воздействием вибраций и ударных нагрузок;
• ПСр-25 – То же, но когда нужна особая чистота места спая. Плохо выдерживает ударные нагрузки;
• ПСр-25ф  –  Для пайки меди, бронзы, латуни. Не требу­ет применения флюса;
• ПСр-10 – Для пайки черных и цветных металлов, ра­ботающих при температуре до 800° С, а также для пайки пластинок твердых сплавов;
• ПМЦ-36 – Для пайки латуни, содержащей до 68% ме­ди, а также для тонкого паяния по бронзе;
• ПМЦ-48 – Для пайки медных сплавов с содержанием меди более 68%;
• П МЦ-54 – Для пайки бронзы, меди, жести, стали.

Таблица 3. Область применения припоев для пайки алюминиевых оболочек и жил кабелей и проводов

• А – Для всех случаев пайки и лужения жил про­водов и кабелей;
• Б – Для пайки алюминиевых жил и оболочек про­водов и кабелей.

Мосэнерго – Для пайки жил проводов и кабелей сечени­ем 16 мм² и выше в тех случаях, когда место пайки надежно защищено от попадания влаги и когда при пайке обеспечен повышенный нагрев.

Для пайки пластинок твердого сплава к режущему инструменту в качестве припоев применяются специ­альные высокопрочные сплавы, электролитическая медь и латунь. Температура плавления этих припоев колеблется в пределах 900-1300° С. К высо­копрочным припоям относятся сплавы, состоящие из меди, никеля, цинка, железа и других элементов. У ла­тунных припоев прочность места пайки на растяжение при температуре до 400°С выше, чем у медных, а при более высоких температурах наоборот прочность пайки медными припоями выше, чем латунными.

Схема типовых паяных соединений.

При выборе припоя для пайки следует учесть сле­дующее: температура плавления припоя должна быть не менее чем на 60⁰С ниже температуры плавления спаиваемых деталей, а если спаиваемая деталь работа­ет при высоких температурах, то температура плавле­ния припоя должна быть не меньше чем на 300⁰С ниже температуры нагрева деталей в работе; если в одном узле применяют последовательную пайку нескольких деталей, то необходимо использовать припои с после­довательно понижающейся температурой плавления; прочность паяного шва должна быть близка к прочно­сти соединяемых деталей; припой в расплавленном со­стоянии должен хорошо смачивать спаиваемые поверх­ности, заполнять зазоры между спаиваемыми деталями и не образовывать в месте пайки воздушных раковин, ослабляющих место соединения; расплавленный припой должен обеспечивать непрерывный процесс пайки; при соединении токопроводящих элементов припой должен иметь электропроводность, близкую к электропровод­ности спаиваемых проводов и деталей; припой должен быть дешевым и недефицитным.

В качестве флюсов при пайке применяются следую­щие материалы:

Соляная кислота (разбавленная) – применяется при пайке цинка и оцинкованного железа мягкими припоя­ми. Раствор соляной кислоты (15-20%) образуется добавлением в воду технической соляной кислоты (дымящейся). Категорически запрещается вливать во­ду в кислоту, так как это вызывает бурную реакцию, сопровождаемую выплескиванием кислоты и возмож­ными травмами работающих. Вливать соляную кислоту в воду нужно небольшими порциями. С соляной кисло­той нужно обращаться очень осторожно, так как, по­падая на тело, она вызывает ожоги, разрушает ткань одежды, а ее пары оказывают вредное воздействие на органы дыхания.

Раствор хлористого цинка (травленая соляная кислота) – применяется при пайке мягкими припоями стали, меди и медных сплавов. Для пайки алюминия хлористый цинк непригоден. Концентрация водного раствора хлористого цинка, применяемого в ка­честве флюса, колеблется в пределах от 20 до 50% (0.33-0.45 кг твердого хлористого цинка на 1 л во­ды). Раствор хлористого цинка готовят непосредственным растворением цинка в соляной кис­лоте (0,3-5,5 кг цинка на 1 л соляной кислоты). В за­груженный в сосуд цинк добавляют соляную кислоту до тех пор, пока не прекратится выделение пузырьков водорода и на дне сосуда не осядет цинк.

Схема капиллярной пайки.

Хлористый цинк-аммоний – применяется при пайке мягкими припоями и представляет собой смесь 16 час­тей раствора хлористого цинка с 11 частями нашатыря. Добавление в хлористый цинк аммония повышает ак­тивность флюса и снижает температуру его плавления.

Канифоль – применяется при пайке мягкими припоя­ми меди, медных сплавов (проводников, деталей элек­тро- и радиоаппаратуры). а также алюминия. Канифоль применяется в виде порошка или раствора в спирте.

Нашатырь – применяется для очистки рабочей поверх­ности паяльника. Как флюс он не может быть исполь­зован, так как испаряется без расплавления при тем­пературе 160-180°С.

Паяльный жир – применяется при пайке мягкими при­поями медных жил проводов и кабелей, при пайке свинцовых муфт к свинцовой оболочке кабелей, для пайки проводников заземления к броне и свинцовой оболочке кабелей. Паяльный жир состоит из: канифоли 19-15 весовых частей, животного жира или стеарина 5-6 весовых частей, нашатыря 2 весовых части, хло­ристого цинка 1 весовая часть, воды 1 весовая часть. Для этих же целей применяется флюс, состоящий из канифоли 30 частей, стеарина 30 частей, хлористого цинка 25 частей, хлористого аммония 5 частей, воды 10 частей. При отсутствии паяльного жира в качестве флюса для пайки медных жил кабелей и свинцовых муфт применяется канифоль или стеарин.

Флюс для пайки алюминиевых жил проводов и кабелей – представляет собой раствор из 20 весовых час­тей канифоли и 100 весовых частей денатурированного спирта.

http://fazaa.ru/www.youtube.com/watch?v=Hz9CNURQLVI

Бура, или борнокислый натр – применяется для пайки твердыми припоями стали, меди, бронзы, латуни, пла­стинок твердых сплавов. Для усиления действия буры к ней добавляют борную кислоту и поташ. Во избежа­ние вспучивания буры при пайке ее необходимо зара­нее прокалить и растолочь в мелкий порошок. Во время пайки бура может образовать при остывании твердую непрозрачную корку, которая не растворяется в воде и тяжело удаляется напильником, – это является ее не­достатком. Вместо чистой буры часто применяют менее дорогостоящую смесь, которая состоит из 8 частей бу­ры, 3 частей поваренной соли, 3 частей поташа. Бура применяется в виде порошка или пасты, замешанной на воде или спирте.

Борная кислота – применяется при пайке нержавею­щих сталей и жаропрочных сплавов.

http://fazaa.ru/www.youtube.com/watch?v=SMBHBab3Sjg

Флюсы, применяемые при пайке алюминия и его сплавов, должны обеспечивать разрушение прочной окисной пленки с поверхности спаиваемых деталей. В ка­честве флюсов для этой цели применяются смеси хлори­стых солей, в которые добавляют фтористые соли ка­лия, натрия, лития и др. В зависимости от химического состава, флюс имеет разную температуру плавления и может применяться при разных припоях.

Флюс марки Ф 380Л (34А) – наиболее распространен при пайке твердыми при­поями (на основе алюминия) , состоящий из: хлористого калия 47%, хлористо­го лития 38%, фтористого натрия 5%, хлористого цин­ка 10%. Температура плавления этого флюса 380⁰С. Для пайки алюминия мягкими припоями может приме­няться флюс, состоящий из: хлористого цинка 90%, хлористого аммония 8%, фтористого калия 1,2%, фто­ристого лития 0.6%, фтористого натрия 0,2%. Темпера­тура плавления этого флюса 220°С. При пайке алюми­ния мягими припоями также применяют фтористые флюсы на основе триэтаноламина с температурой пла­вления 180-250⁰С.

http://fazaa.ru/www.youtube.com/watch?v=UCLZNjMSeps

При подборе флюсов следует иметь в виду, что флюсы должны обеспечивать химическую очистку поверхностей спаиваемых деталей во время их нагревания, а также не допускать их окисления во время пайки, улучшать смачивание и растекание припоя в месте пайки. Темпе­ратура плавления флюса должна быть ниже темпера­туры плавления припоя на 30-40°С, чтобы флюс имел малый удельный вес и в процессе паяния всплывал на поверхность, не растворялся в спаиваемых металлах и не оказывал на них вредного химического воздействия. По окончании пайки остатки флюса должны легко уда­ляться.