Пайка металлов

Человечество использует пайку ещё с древности. Археология датирует самые старые паяные предметы, из найденных при раскопках, примерно пятым тысячелетием до н.э. География находок свидетельствует о распространённости пайки в тогдашнем ремесле металлообработки – Древний Рим, Египет, Древняя Греция,  Вавилонские гробницы – в этих цивилизациях пайка металла была обыденным процессом соединения металлических частей, и использовалась при изготовлении украшений, предметов обихода, оружия.

Из дошедших до нас письменных источников известно, что в Древнем Риме в качестве припоя использовались аргентарий и церарий, вещества, по составу схожие с современными.

Технологии пайки развиваются лавинообразно. От бронзового века до середины XIX века для нагрева паяльника и припоя использовали твердое топливо. С изобретением электричества его стали применять как способ быстрого и контролируемого нагрева.

В ХХ веке растущая промышленность освоила применение новых материалов – титана, осмия, вольфрама, специальных марок сталей, и, соответственно, понадобились новые технологии соединения изделий из них. Тем не менее, пайка остаётся универсальным способом создания неразъёмных соединений практически любых комбинаций металлов.

Технология пайки

Обязательным участником процесса пайки является присадочный материал – припой. Он имеет низкую температуру перехода в жидкое состояние, благодаря чему, при плавлении, может посредством диффузии проникать в металл спаиваемых деталей, соединяя из после отвердевания. Сами детали при этом не плавятся, как этом происходит при сварке.

Этапы пайки:

Подготовка. Спаиваемые поверхности необходимо очистить от загрязнений и защитных покрытий, снять фаску.

Лужение поверхностей, для последующего равномерного нанесения слоя флюса. Его состав подбирается в зависимости от характеристик соединяемых материалов.

Разогрев деталей при помощи паяльника или газовой горелки до температуры, немного превышающей температуру плавления припоя.

Нанесение и распределение припоя по всей площади соединения деталей.

Охлаждение до комнатной температуры. Важно, чтобы остывание проходило естественным путём, при принудительном охлаждении соединение может стать хрупким.

Специфика пайки металлов

Выбор параметров пайки, флюса и припоя зависит от металла, из которого изготовлены детали:

Как припой для соединения стальных сплавов используется олово. Главная особенность пайки стали в том, что припой должен нагреваться не напрямую от паяльника, а от разогретых деталей.

Чугун и его сплавы хорошо поддаются пайке, за исключением белого чугуна. Этот сплав содержит избыток графита, поэтому диффузия припоя практически невозможна. В виде флюса применяют борную кислоту. Недопустим разогрев чугуна свыше 750^оС во избежание разрушения его структуры.

Титан содержит в поверхностных слоях газы, что делает его сложным в пайке. Для удаления газов поверхность нужно протравить или подвергнуть пескоструйной обработке. Пайку производят в вакууме, или используют флюсы из соединений серебра, что удорожает процесс. Температура пайки не должна превышать 900^оС.

Нихром – устойчивый к высоким температурам сплав никеля, хрома, марганца, алюминия, железа. Для пайки подходит любой флюс и любой припой – допустимая температура нагрева составляет 1150 ^оС.

Серебро очень легкий в пайке материал, припой для него также нужен на основе серебра, флюс – бура (тетраборат натрия). Если соединение после пайки потемнело, его можно осветлить обработкой лимонной кислотой.

Золото можно паять с любым флюсом, ювелиры советуют использовать хлорид цинка или канифоль на спирту. Припой из олова или свинца создает непрочное соединение, что неприемлемо при малых размерах ювелирного изделия. Лучший выбор = серебряный припой, с температурой нагрева до 900^оС. В домашних условиях паять золото не рекомендуется, для ювелирных работ требуются специальные инструменты.

Преимущества и недостатки пайки

Плюсы пайки:

• можно соединять различные материалы, которые не поддаются свариванию;
• работа с мелкими деталями в труднодоступных местах, на электронных платах;
• одновременная обработка двух и более деталей в месте спаивания;
• при соединении нагрева деталей недостаточно для искажения структуры металла, она вокруг соединения не утрачивает прочности;
• работу может выполнить и не специалист, с не худшим результатом;
• дешевизна оборудования, гораздо меньшие затраты электроэнергии, безопасность процесса, по сравнению со сваркой;
• форма и размер детали практически не имеет значения.

Недостатки метода пайки:

• прочность соединений, по сравнению со сварными, ниже;
• при высокой температуре припой может «поплыть»;
• необходимость множества ручных операций, низкая производительность.

Температура пайки

Пайка считается высокотемпературной, если припой разогревается до температуры выше 450^оС, низкотемпературной – при разогреве ниже этого порога.

Пайка при низких температурах отличается низкими затратами электроэнергии на разогрев, простотой и безопасностью процесса. Низкотемпературная пайка – единственно возможный способ соединения тонких пленок и миниатюрных радиодеталей. При пайке электроники, малый нагрев работает на соединяемых контактах, не успевая нагреть саму деталь.

Высокотемпературная пайка используется в другом сегменте – для конструкций, как правило, большого размера, связанных с эксплуатацией под высокими нагрузками или большим давлением (в том числе и вакуумом). Соединения получаются герметичными, выдерживают как длительную нагрузку, так и кратковременную – удары, падения, ускорения. Разогрев места пайки до высоких температур осуществляется с помощью газовых горелок, индукционных токов высокой частоты.

В случаях, когда зазор между соединяемыми заготовками нелинейный, используют композиционную пайку. В легкоплавкий припой при этом добавляется наполнитель с более высокой температурой плавления. Такая смесь проникает в мелкие зазоры, но и на широких участках также остаётся цельной.