Пайка металлов: описание технологии

О чем речь? Пайка металлов представляет собой работу по соединению твердых заготовок специальным припоем, температура плавления которого ниже, чем у соединяемых материалов. В процессе применения технологии механические свойства изделий сохраняются.

На что обратить внимание? Пайка имеет некоторые недостатки вроде не слишком высокой по сравнению со сваркой надежности соединения деталей, поэтому применяют ее в тех случаях, когда отсутствуют определенные требования к прочности контакта или же выйти из ситуации иным образом просто не получается.

Немного истории о пайке

Пайка использовалась для соединения элементов из различных металлов еще в древности. В ходе раскопок археологи часто находят артефакты, при изготовлении которых применялась эта технология. Территория Древнего Египта, Древнего Рима, Древней Греции, погребальные комплексы вавилонских царей – далеко не полный список мест таких находок. Древнеримские мастера пользовались церарием и аргентарием – припоями, химический состав которых близок к современным.

Развитие технологии условно может быть разделено на три периода. Это связано с тем, как менялись способы нагревания металла. Первый из них относится к бронзовому веку, когда в качестве источника тепла употреблялось исключительно твердое топливо – дерево и древесный уголь. Начиная с конца XIX века, мастера начали использовать для нагрева электричество.

В XX веке в промышленности стали широко применяться новые материалы – цирконий, вольфрам, алюминий, титан, высокопрочные и жаропрочные стальные сплавы, что породило растущий спрос на принципиально новые методы. Современные технологии паяния черных и цветных металлов очень разнообразны, но объединяет их то, что пайка – единственно возможный способ создания неразъемных соединений при работе с широким перечнем новейших материалов.

Процесс пайки металлов

Для пайки металлических деталей используется присадочный материал с низкой температурой плавления. От сварных соединений паяные отличаются тем, что для их формирования не требуется расплавления металла соединяемых заготовок. При паянии происходит взаимная диффузия припоя и основного материала.

Пайку производят в несколько этапов:

1. Подготовка соединяемых поверхностей – необходимо зачистить металл и снять фаску.
2. Нанесение тонкого слоя флюса, подобранного в зависимости от характеристик соединяемых материалов. Для равномерного распределения поверхности следует предварительно пролудить.
3. Нагревание заготовки горелкой или электрическим паяльником. Температура в зоне нагрева должна превышать температуру плавления присадочного металла.
4. Нанесение на разогретую зону заготовок припоя, который, плавясь, заполняет зазор между соединяемыми поверхностями.
5. Охлаждение припоя. Чтобы полученное соединение было прочным и качественным, металл должен остывать естественным путем.

Разница между пайкой и сваркой металлов

Для неподготовленного человека разницы между технологиями пайки и сварки металлов на первый взгляд нет. Визуально полученные в обоих случаях соединения практически ничем не отличаются. Кардинальные различия в области принципов, лежащих в основе каждого из методов.

В первую очередь отличается характер воздействия на поверхность заготовки. Сварное соединение формируется при кристаллизации расплавленной смеси базового металла и флюса, которая образуется под действием высокой температуры. Для достижения высокой температуры необходимо создать электрическую дугу. Зону соединения при пайке формирует только легкоплавкий припой. Материал соединяемых деталей остается в прежнем агрегатном состоянии, так как температура недостаточна для его плавления.

Для сварки необходимо дорогое оборудование. К примеру, при использовании полуавтоматического аппарата требуется подключение подающего механизма для сварочной проволоки. Широкое применение пайки металла обусловлено в частности тем, что необходимый инструмент и расходные материалы относительно недороги. Именно по этой причине метод популярен у тех, кто занимается мелким ремонтом в домашней мастерской.

Классификация способов пайки

Классификация выделяет множество видов пайки металлов в связи с большим количеством учитываемых параметров. Принадлежность способа к тому или иному виду зависит от метода получения припоя, источника нагрева, характера заполнения зазора присадочным металлом, типа кристаллизации материала шва, приема удаления оксидной пленки, характеристик давления в месте соединения и т. д.

Один из важных показателей классификации методов паяния – температура плавления присадочного металла. Различают высокотемпературную пайку, когда процесс протекает при +450 °C и выше, и низкотемпературную, если для плавления припоя нужна меньшая степень нагрева.

Низкотемпературная пайка обладает рядом плюсов. Технологический процесс относительно прост и не требует высоких затрат. Данным способом можно пользоваться для работы с тонкими пленками и миниатюрными деталями. Хорошая электро- и теплопроводность используемых присадочных материалов позволяет спаивать разнородные материалы, что обуславливает широкое применение таких технологий в электронике и микроэлектронике.

Соединение металлов пайкой при температуре выше +450 °C также имеет ряд преимуществ. Подобные технологии используются для изготовления герметичных, вакуумно-прочных сплавов для конструкций и изделий, эксплуатация которых связана с большим давлением. Соединения выдерживают большие нагрузки и отличаются высокой ударопрочностью. Для нагрева зоны сцепления до высокой температуры используют газовые горелки, средне- или высокочастотные индукционные токи.

Для работы с заготовками, зазор между которыми имеет неравномерный или некапиллярный характер, применяется композиционная пайка. Процесс протекает с использованием припоев, состоящих из легкоплавкой составляющей и наполнителя, температура плавления которого выше используемой для пайки. Такая присадка не меняет своего агрегатного состояния, заполняя существующие зазоры и помогая проникновению расплава в пустоты.

По характеру получения припоя способы пайки разделяют на два вида:

1. Пайка готовым припоем. Нагретый присадочный металл плавится, заполняет зазор между заготовками и удерживается в нем капиллярными силами, которые играют в данном процессе очень важную роль, обеспечивая максимальное заполнение пустот расплавленным металлом и высокую прочность соединения.
2. Реакционно-флюсовая пайка. В этом способе образование припоя обеспечивает реакция вытеснения, в которую вступают металл заготовок и специальный флюс.

Методы нагрева при пайке

В зависимости от специфики процесса и назначения изделий для пайки могут использоваться различные способы, обеспечивающие нагревание либо непосредственно места соединения (локализованный нагрев), либо всей заготовки (диффузный нагрев).

Технологии с локализованным нагревом:

1. Пайка металла газовой горелкой. Для того чтобы нагреть и расплавить припой, используются горючие газы – пропан, ацетилен или воздушно-водородная смесь. Метод требует использования защитного флюса, который после остывания материала нужно удалить, зачистив место соединения.
2. Индукционная пайка – с помощью высокочастотного переменного тока, подаваемого в катушку, достигается температура, достаточная для нагревания заготовок и плавления присадочного металла.
3. Пайка сопротивлением – сочленяемые заготовки выступают звеньями электрической цепи и нагреваются за счет сопротивления материала и токопроводящих элементов. Технология обычно используется для формирования простых соединений между металлическими заготовками.

Методы диффузного нагрева:

1. Пайка в печах. Требуемая температура достигается за счет электрических нагревателей или сгорания газа. Соединяемые детали с нанесенным на стык припоем помещают в камеру специальной печи и нагревают. Преимущество метода заключается в возможности точного контроля температурного режима. Для защиты металла от взаимодействия с атмосферными газами пайку осуществляют в вакууме, что позволяет отказаться от использования флюса.
2. Пайка погружением. Соединяемые детали погружаются в емкость с расплавленным припоем. Для защиты от окисления на поверхности наносят флюс.

Используемые припои и флюсы

Припои

Огромную роль в процессе пайки играют присадочные материалы, для изготовления которых используют чистые металлы или их сплавы. Припой может быть в виде порошка, пасты, стержня, таблеток, гранул или тонкой фольги и обладать разной температурой плавления и смачиваемости. Важно, чтобы соединение молекул присадки и заготовки было прочнее, чем молекулярные связи в самом присадочном металле.

Припой должен обладать меньшей температурой плавления, чем металл соединяемых заготовок. По этому параметру присадочные материалы разделяют на два вида – легко- и тугоплавкие. К первому виду относят олово и свинец, которые применяют отдельно или в составе многокомпонентных припоев. Тугоплавкие припои изготавливают на основе серебра или меди. С использованием медно-цинковых припойных материалов производят пайку заготовок из стальных сплавов, а также медных и бронзовых деталей.

Флюсы

Флюсы для пайки металлов нужны, чтобы избавляться от имеющейся оксидной пленки и препятствовать ее дальнейшему формированию. В зависимости от химического состава они могут обладать различными характеристиками.

Флюсы принято разделять на четыре вида. Они могут быть:

• активными или нейтральными;
• жидкими, твердыми, пасто- и гелеобразными;
• низко- и высокотемпературными;
• водными и безводными.

Особенности пайки некоторых металлов

В зависимости от материала соединяемых заготовок для пайки применяют различные способы, припои и флюсы:

Стальные сплавы

Для пайки стальных деталей чаще всего используют припои на основе олова. Особенность работы со сталью заключается в способе нагрева присадочного металла – он должен нагреваться не от источника, а от разогретых до нужной температуры заготовок.

Чугун

Паять можно все чугунные сплавы, кроме белого чугуна, который обладает крайне низкой адгезией из-за содержащегося в нем графита. В качестве флюса при пайке пользуются борной кислотой. Температура не должна быть выше порога в +750 °C, иначе происходят необратимые изменения в структуре металла.

Титан

Этот металл считается одним из самых сложных для пайки из-за различных газов, насыщающих его поверхностные слои. Детали необходимо подвергать предварительной подготовке – травлению или пескоструйной обработке. Паять рекомендуется в вакууме, что позволяет значительно повысить качество соединения. Как альтернативу можно использовать флюс на основе серебра. Температура пайки – +900 °C.

Нихром

Нихромом называют сплав на основе никеля, содержащий до 23 % хрома, а также марганец, кремний, железо и алюминий. Пайка заготовок из этого материала не связана с какими-либо сложностями – благодаря температуре плавления +1 100…+1 400 °C для работы можно пользоваться любым подходящим припоем.

Серебро

Для пайки серебряных заготовок не требуется особых навыков и опыта. При соединении заготовок пользуются припоем на основе серебра и флюсом – тетраборатом натрия (бурой). Если изделие из серебра обработать раствором лимонной кислоты, поверхность станет более светлой, а при обработке йодом – потемнеет.

Золото

Для пайки золота можно смело применять самые разные флюсы. Опытные мастера рекомендуют пользоваться хлоридом цинка или спиртовым раствором канифоли. Что касается присадочного материала, то здесь нужно быть более внимательным – употребление олова или свинца нежелательно, так как в первом случае соединение окажется хрупким, а во втором – слишком вязким. Оптимальный припой в данном случае – серебряный. Температура не должна быть выше +900 °C.

Если сломалось золотое украшение, лучше всего обратиться за помощью к ювелиру, так как, помимо паечных материалов, для ремонта будут нужны специальные инструменты.

Плюсы и минусы пайки

Преимущества пайки:

1. соединение заготовок из материалов с разными физико-химическими свойствами;
2. работа в труднодоступных местах, где осложнено или невозможно применение сварки;
3. обработка всех поверхностей в месте соединения деталей;
4. получение высококачественных соединений, так как нагрев заготовок настолько незначителен, что в них не формируются участки внутреннего напряжения;
5. получение хорошего результата даже при отсутствии большого опыта и высокой квалификации;
6. работа с деталями любых размеров и форм.

Среди главных недостатков следует упомянуть:

1. меньшую, чем у сварных швов прочность соединения;
2. низкую стойкость соединений к воздействию высокой температуры;
3. низкую производительность, связанную с необходимостью выполнять множество последовательных операций.

Сферы применения технологии

Пайка применяется очень широко. Эта технология по частоте использования уступает только сварке, а в ряде областей промышленности выходит на первый план. Сказанное относится к:

1. Производству электронных плат управления, на которые посредством пайки крепятся миниатюрные детали.
2. Соединению заготовок из высоколегированной стали, плохо поддающейся сварке.
3. Авиационной промышленности. Обшивка самолетов включает в себя слой из сотового материала, который производят методом пайки в печах.

Также пайку применяют для соединения медных труб, из которых изготавливают теплообменники и различные трубопроводы для транспортировки жидкостей и газов, крепления режущих частей из твердых сплавов для металлорежущего инструмента. Этот процесс часто используется для работы с деталями из тонкого листового металла. Кроме того, технологию употребляют, чтобы лудить металл там, где его необходимо защитить от ржавления.

Особенно популярна пайка металлов в домашних условиях, где невозможно использовать другие технологии. С ее помощью уплотняют резьбовые соединения, устраняют поры на металлических поверхностях, ремонтируют разболтавшиеся подшипники, восстанавливают контакты в электронных бытовых приборах и т. д.

Подводя итог, можно сказать, что пайка выручает там, где нельзя по той или иной причине использовать сварку, болтовые соединения, заклепки и клей. Она не требует от мастера высокой квалификации или глубоких специальных знаний.