Паяние

Паянием называется способ соединения металлических деталей друг с другом при помощи особых сплавов, называемых припоями. Процесс паяния заключается в том, что спаиваемые детали прикладывают одну к другой, нагревают до температуры несколько большей, чем температура плавления припоя, а жидкий расплавленный припой вводят между ними.

Для получения высококачественного паяного соединения поверхности деталей очищают от окислов, жира и грязи непосредственно перед паянием, так как расплавленный припой не смачивает загрязненных участков и не растекается по ним. Очистку осуществляют механическим и химическим способами.

Спаиваемые поверхности подвергают сначала механической очистке от грязи, ржавчины напильником или шабером, затем обезжиривают путем промывания их в 10%-ном растворе каустической соды или в ацетоне, бензине, денатурированном спирте.

После обезжиривания детали промывают в ванне с проточной водой и затем подвергают травлению. Латунные детали травят в ванне, содержащей 10% серной кислоты и 5% хромпика, для травления стальных деталей применяют 5—7%-ный раствор соляной кислоты. При температуре раствора не более 40°С детали г выдерживают в нем от 20 до 60 мин. ~~ По окончании травления детали тщательно промывают сначала в холодной, затем в горячей воде.

Перед пайкой рабочую часть паяльника зачищают напильником и затем облуживают (покрывают слоем олова).

При пайке наибольшее применение имеют оловянно-свинцо-вистые, медно-цинковые. медные, серебряные и медно-фосфорные припои.

Для устранения вредного влияния окислов применяют флюсы, которые сплавляют и удаляют окислы со спаиваемых поверхностей и предохраняют их от окисления в процессе паяния. Флюс выбирают в соответствии со свойствами спаиваемых металлов и используемых припоев.

Припои делятся на мягкие, твердые. Мягкими припоями паяют сталь и медные сплавы. Стальные детали перед пайкой мягкими припоями облуживают. Только при этом условии обеспечивается надежное паяное соединение.

Наиболее распространенными мягкими припоями являются оловянно-свинцовистые сплавы следующих марок: ПОС-ЭО, ПОС-40, ПОС-ЗО, ПОС-18. Припои выпускаются в виде прутков, проволоки, лент и трубок. В качестве флюсов при паянии мягкими припоями применяются хлористый цинк, хлористый аммоний (нашатырь), канифоль (при пайке меди и ее сплавов), 10%-ный водный раствор соляной кислоты (при пайке цинка и оцинкованных изделий), стеарин (при пайке легкоплавких сплавов свинца).

Для паяния ответственных деталей, изготовленных из чугуна, стали, медных сплавов, алюминия и его сплавов, применяют твердые припои, главным образом медно-цинковые и серебряные следующих марок: ПМЦ-36, ПМЦ-48, ПМЦ-54, ПСр12, ПСр25, ПСр45 (температура плавления твердых сплавов от 720 до 880 °С).

Для паяния алюминия и его сплавов применяют, например, припой следующего состава: 17% олова, 23%, цинка и 60% алюминия. В качестве флюсов применяют буру, борную кислоту и их смеси. При паянии алюминия пользуются флюсом, состоящим из 30% раствора спиртовой смеси, в состав которой входит 90% хлористого цинка, 2% фтористого натрия, 8% хлористого алюминия.

При пайке твердыми при-. поями детали закрепляют в особых приспособлениях с таким расчетом, чтобы зазор между деталями не превышал 0, 3 мм. Затем на спаиваемое место наносят флюс и припой, нагревают деталь до температуры несколько выше плавления припоя. Расплавившийся припой заполняет зазор и образует при охлаждении прочное соединение.

После окончания пайки детали очищают от остатков флюса, так как оставшиеся флюсы могут вызвать коррозию поверхности шва. Швы зачищают напильником или шабером.

Основным инструментом для пайки являются паяльники, паяльные лампы. Кроме того, при пайке используют установки индукционного нагрева токами высокой частоты и другие устройства. При паянии мягкими припоями обычно применяют паяльники (рис. 76, а, б, в) и паяльные лампы.

Ручной паяльник изготовляется из меди и может иметь разную форму (рис. 76, а, б). При паянии твердыми припоями спаиваемые детали нагревают паяльной лампой или в горне.

Паяные соединения. Лужение

Пайка позволяет соединять в единое изделие элементы из разных металлов и сплавов, обладающих различными физико-механическими свойствами. Например, методом пайки можно соединять малоуглеродистые и высокоуглеродистые стали, чугунные детали со стальными, твердый сплав со сталью и т. д. Особо следует отметить возможность соединения путем пайки деталей из алюминия и его сплавов. Широко применяется метод напайки пластинок твердого сплава к державкам при изготовлении режущего инструмента.

В условиях домашней мастерской пайка – самый доступный вид образования неподвижных неразъемных соединений. При пайке в зазор между нагретыми деталями вводится расплавленный присадочный металл, называемый припоем. Припой, имеющий более низкую температуру плавления, чем соединяемые металлы, смачивая поверхность деталей, соединяет их при охлаждении и затвердевании. В процессе пайки основной металл и припой, взаимно растворяясь друг в друге, обеспечивают высокую прочность соединения, одинаковую (при качественном выполнении пайки) с прочностью целого сечения основной детали.

Процесс пайки отличается от сварки тем, что кромки соединяемых деталей не расплавляются, а только нагреваются до температуры плавления припоя.

Для осуществления паяных соединений необходимы: паяльник электрический или с непрямым подогревом, паяльная лампа, припой, флюс.

Мощность электрического паяльника зависит от размера соединяемых деталей, от материала, из которого они изготовлены. Так, для паяния медных изделий небольших размеров (например, проволоки сечением в несколько квадратных миллиметров) достаточно мощности 50–100 Вт, при пайке электронных приборов мощность электрического паяльника должна быть не более 40 Вт, а напряжение питания – не более 40 В, для пайки крупных деталей необходима мощность в несколько сот ватт.

Паяльная лампа используется для нагрева паяльника с непрямым подогревом и для прогрева паяемых деталей (при большой площади пайки). Вместо паяльной лампы можно использовать газовую горелку – она более производительна и надежна в эксплуатации.

В качестве припоя чаще всего используются оловянно-свинцовые сплавы, имеющие температуру плавления 180–280 °C. Если к таким припоям добавить висмут, галлий, кадмий, то получаются легкоплавкие припои с температурой плавления 70–150 °C. Эти припои актуальны для пайки полупроводниковых приборов. При металлокерамической пайке в качестве припоя используется порошковая смесь, состоящая из тугоплавкой основы (наполнителя) и легкоплавких компонентов, которые обеспечивают смачивание частиц наполнителя и соединяемых поверхностей. В продаже имеются и сплавы в виде брусков или проволоки, которые представляют собой симбиоз припоя и флюса.

Использование в процессе пайки флюсов основано на их способности предотвращать образование на поверхностях деталей окисной пленки при нагреве. Они также снижают поверхностное натяжение припоя. Флюсы должны отвечать следующим требованиям: сохранение стабильного химического состава и активности в интервале температур плавления припоя (то есть флюс под действием этих температур не должен разлагаться на составляющие), отсутствие химического взаимодействия с паяемым металлом и припоем, легкость удаления продуктов взаимодействия флюса и окисной пленки (промывкой или испарением), высокая жидкотекучесть. Для пайки различных металлов характерно использование определенного флюса: при пайке деталей из латуни, серебра, меди и железа в качестве флюса применяется хлористый цинк; свинец и олово требуют стеариновой кислоты; для цинка подходит серная кислота. Но существуют и так называемые универсальные припои: канифоль и паяльная кислота.

Детали, которые предполагается соединить методом пайки, следует должным образом подготовить: очистить от грязи, удалить напильником или наждачной бумагой окисную пленку, образующуюся на металле под воздействием воздуха, протравить кислотой (стальные – соляной, из меди и ее сплавов – серной, сплавы с большим содержанием никеля – азотной), обезжирить тампоном, смоченным в бензине, и только после этого приступать непосредственно к процессу пайки.

Нужно нагреть паяльник. Нагрев проверяется погружением носика паяльника в нашатырь (твердый): если нашатырь шипит и от него идет сизый дым, то нагрев паяльника достаточный; ни в коем случае нельзя перегревать паяльник. Носик его при необходимости следует очистить напильником от окалины, образовавшейся в процессе нагревания, погрузить рабочую часть паяльника во флюс, а затем в припой так, чтобы на носике паяльника остались капельки расплавленного припоя, прогреть паяльником поверхности деталей и облудить их (то есть покрыть тонким слоем расплавленного припоя). После того как детали немного остынут, плотно соединить их между собой; снова прогреть место пайки паяльником и заполнить зазор между кромками деталей расплавленным припоем.

Если необходимо соединить методом пайки большие поверхности, то поступают несколько иначе: после прогревания и облуживания места спайки зазор между поверхностями деталей заполняют кусочками холодного припоя и одновременно прогревают детали и расплавляют припой. В этом случае рекомендуется периодически обрабатывать носик паяльника и место пайки флюсом.

О том, что паяльник перегревать недопустимо, уже говорилось, а почему? Дело в том, что перегретый паяльник плохо удерживает капельки расплавленного припоя, но не это главное. При очень высоких температурах припой может окислиться и соединение получится непрочным. А при пайке полупроводниковых приборов перегрев паяльника может привести к их электрическому пробою, и приборы выйдут из строя (именно поэтому при пайке электронных приборов используют мягкие припои и воздействие разогретого паяльника на место пайки ограничивают 3–5 секундами).

Когда место спайки полностью остынет, его очищают от остатков флюса. Если шов получился выпуклым, то его можно выровнять (например, напильником).

Качество пайки проверяют: внешним осмотром – на предмет обнаружения непропаянных мест, изгибом в месте спая – не допускается образование трещин (проверка на прочность); паяные сосуды проверяют на герметичность заполнением водой – течи не должно быть.

Существуют способы пайки, при которых используется твердый припой – медно-цинковые пластины толщиной 0, 5–0, 7 мм, или прутки диаметром 1–1, 2 мм, или смесь опилок медно-цинкового припоя с бурой в соотношении 1: 2. Паяльник в этом случае не используется.

Первые два способа основаны на применении пластинчатого или пруткового припоя. Подготовка деталей к паянию твердым припоем аналогична подготовке к пайке с использованием мягкого припоя.

Далее на место спайки накладываются кусочки припоя и спаиваемые детали вместе с припоем скручиваются тонкой вязальной стальной или нихромовой проволокой (диаметром 0, 5–0, 6 мм). Место паяния посыпается бурой и нагревается до ее плавления. Если припой не расплавился, то место паяния посыпается бурой вторично (без удаления первой порции) и нагревается до расплавления припоя, который заполняет зазор между спаиваемыми деталями.

При втором способе место паяния нагревают докрасна (без кусочков припоя), посыпают бурой и подводят к нему пруток припоя (продолжая нагрев): припой при этом плавится и заполняет щель между деталями.

Еще один способ пайки основан на применении в качестве припоя порошкообразной смеси: подготовленные детали нагревают в месте пайки докрасна (без припоя), посыпают смесью буры и опилок припоя и продолжают нагревать до плавления смеси.

После паяния любым из трех предложенных способов спаянные детали охлаждают и очищают место пайки от остатков буры, припоя и вязальной проволоки. Проверку качества паяния производят визуально: для обнаружения непропаянных мест и прочности слегка постукивают спаянными деталями по массивному предмету – при некачественной пайке в шве образуется излом.

Разновидности паяных соединений показаны на рис. 53.

Рис. 53. Конструкции паяных соединений: а – внахлестку; б – с двумя нахлестками; в – встык; г – косым швом; д – встык с двумя нахлестками; е – в тавр.

Лужение

В большинстве случаев детали сначала подвергают лужению, что облегчает последующую пайку. Схема процесса лужения показана на рис. 54.

Рис. 54. Схема лужения паяльником: 1 – паяльник; 2 – основной металл; 3 – зона сплавления припоя с основным металлом; 4 – флюс; 5 – поверхностный слой флюса; 6 – растворенный окисел; 7 – пары флюса; 8 – припой.

Однако лужение можно использовать не только как один из этапов паяния, но и как самостоятельную операцию, когда вся поверхность металлического изделия покрывается тонким слоем олова для придания ему декоративных и дополнительных эксплуатационных качеств.

В этом случае покрывающий материал носит название не припоя, а полуды. Чаще всего лудят оловом, но в целях экономии в полуду можно добавить свинец (не более трех частей свинца на пять частей олова). Добавление в полуду 5 % висмута или никеля придает луженым поверхностям красивый блеск. А введение в полуду такого же количества железа делает ее более прочной.

Кухонную утварь (посуду) можно лудить только чисто оловянной полудой, добавление в нее различных металлов опасно для здоровья!

Полуда хорошо и прочно ложится только на идеально чистые и обезжиренные поверхности, поэтому изделие перед лужением необходимо тщательно очистить механическим способом (напильником, шабером, шлифовальной шкуркой до равномерного металлического блеска) либо химическим – подержать изделие в кипящем 10 %-ном растворе каустической соды в течение 1–2 минут, а затем поверхность протравить 25 %-ным раствором соляной кислоты. В конце очистки (независимо от способа) поверхности промывают водой и сушат.

Сам процесс лужения можно осуществлять методом растирания, погружения или гальваническим путем (при таком лужении необходимо использование специального оборудования, поэтому гальваническое лужение на дому, как правило, не осуществляется).

Метод растирания заключается в следующем: подготовленную поверхность покрывают раствором хлористого цинка, посыпают порошком нашатыря и нагревают до температуры плавления олова.

Затем следует приложить оловянный пруток к поверхности изделия, распределить олово по поверхности и растереть чистой паклей до образования равномерного слоя. Необлуженные места пролудить повторно. Работу следует выполнять в брезентовых рукавицах.

При методе лужения погружением олово расплавляют в тигле, подготовленную деталь захватывают щипцами или плоскогубцами, погружают на 1 минуту в раствор хлористого цинка, а затем на 3–5 минут в расплавленное олово. Извлекают деталь из олова и сильным встряхиванием удаляют излишки полуды. После лужения изделие следует охладить и промыть водой.