Сварка и пайка металлов кратко

Обновлено: 03.07.2024

Пайка металлов. Способы, материалы, припои, флюсы для пайки металлов

Использование пайки известно с древнейших времен. В гробнице вавилонской царицы (III тыс . лет до н. э.), в засыпанной пеплом Везувия Помпее (79 г. до н.э.), во время других раскопок в Египте, Риме и Греции — всюду археологи находили паяные металлические изделия. Припои древних римлян церарий и аргентарий по своему химическому составу близки к существующим в настоящее время ПОС-30 и ПОС-50.

В истории использования пайки можно выделить три периода, которые связаны с развитием источников нагрева и особенностями применяемой техники. Первый период начался в бронзовом веке, когда человечество начало изготавливать изделия из бронзы и источником нагрева служило твердое топливо. Второй период (конец XIX ст.) характеризуется началом применения для нагрева электрической энергии. Третий период начался в 1930–1940-х годах и связан с созданием техники из новых металлов и их сплавов — циркония, вольфрама, алюминиевых, титановых, высокопрочных и жаропрочных сталей и сплавов. Это привело во второй половине ХХ ст. к разработке принципиально новых способов пайки. В настоящее время технические возможности пайки значительно расширились. Во многих случаях пайка является единственно возможной технологией неразъемного соединения новых материалов.

Пайка — процесс получения неразъемного соединения металлов, находящихся в твердом состоянии, расплавленным припоем. Припоем является материал с температурой плавления ниже температуры плавления паяемых материалов. При пайке (в отличие от сварки) плавится только присадочный сплав — припой, а между паяемым материалом и припоем протекает процесс взаимного растворения компонентов.

Требования, предъявляемые к паяному соединению и характеризующие условия его эксплуатации, определяются служебными свойствами изделия в целом: механическими свойствами, герметичностью, вакуум-плотностью, электросопротивлением, коррозионной стойкостью, стойкостью против термоударов, перегрузок и др.

В процессе пайки расплавленный припой вводится в зазор между нагретыми соединяемыми деталями. Припой смачивает поверхности деталей, растекается и заполняет зазор между ними. Взаимодействие припоя с материалом сопровождается растворением основного металла в жидком припое с образованием эвтектик и твердых растворов, взаимной диффузией компонентов припоя в сторону основного металла и компонентов основного металла в сторону припоя с последующей кристаллизацией жидкой прослойки.

Формирование прочного и надежного соединения зависит от химического состава взаимодействующих металлов, температуры и продолжительности пайки, определяющих физико-химические и диффузионные процессы, протекающие между припоем и основным металлом. Чем выше температура процесса и его длительность, тем больше степень взаимной диффузии между расплавленным припоем и основным металлом и тем выше механическая прочность соединяемых деталей. Кроме того, прочность пайки зависит от величины зазора между паяемыми деталями. Так, при малых зазорах улучшается затекание припоя под действием капиллярных сил, вследствие чего значение временного сопротивления паяного соединения больше значения временного сопротивления самого припоя.

Припой прочно соединяется с поверхностью изделия только тогда, когда хорошо смачивает ее. Для этого поверхность должна быть тщательно очищена от загрязнений. Кроме этого, для удаления пленок оксидов с поверхностей паяемого материала и припоя и для предотвращения их образования при пайке используют паяльные флюсы. Флюсы, кроме того, способствуют лучшему затеканию припоя в зазор между соединяемыми деталями и растеканию по их поверхности. Некоторые припои, содержащие эффективные раскислители (бор, кремний, барий, щелочные металлы

иудтр.) мог ные пленки.

сами выполнять роль флюсов, переводя в шлак оксидКачество паяных соединений зависит от правильного выбора способа пайки, используемых основных и вспомогательных материалов, технологического процесса пайки.

Способы пайки. Современные способы пайки принято классифицировать по следующим признакам: механизмам удаления оксидной пленки с поверхности паяемого материала, видам процессов образования припоя в зазоре, условиям заполнения зазора припоем, температурным и временным режимами кристаллизации паяного шва, температуре пайки и используемым источникам нагрева, наличию или отсутствию давления на паяемые деталив, роедмнеонности и очередности выполнения паяных соединений (рис. 3.76).

По механизмам удаления оксидной пленки способы пайки делятся на флюсовые и бесфлюсовые.

Флюсовая пайка — пайка с применением флюса. При этом флюс может также участвовать в образовании самого припоя путем выделения компонентов, плавящихся при пайке.

Бесфлюсовая пайка — пайка без применения флюса, когда удаление оксидных пленок осуществляется в восстановительной или инертной газовой среде, вакууме, а также за счет применения ультразвука.

В первом случае удаление оксидов происходит при высоких температурах за счет их восстановления или самопроизвольного распада (диссоциации), а при ультразвуковой пайке их разрушение осуществляется за счет ультразвуковых колебаний, создаваемых в расплавленном припое, наносимом на соединяемый металл специальным паяльником.

По видам процессов образования припоя в зазоре способы пайки подразделяются на пайку готовым припоем, контактно-реактивную и реактивно-флюсовую.

Рис. 3.76. Классификация способов пайки

Пайка готовым припоем — способ пайки, при котором используется заранее приготовленный припой. В качестве припоя может использоваться металлический (полностью расплавляемый) или композиционный припой. В композиционном припое помимо металлической основы содержится тугоплавкий наполнитель (порошки, волокна, сетки), который сам не плавится, а при плавлении металла припоя образует разветвленную сеть капилляров, удерживающих под действием капиллярных сил его жидкую часть в зазоре между соединяемыми деталями.

Контактно-реактивная пайка — способ пайки, при котором жидкий припой образуется в результате межфазного взаимодействия и последующего контактного плавления соединяемых материалов или соединяемых материалов и прослойки промежуточного металла. К этому способу пайки относится сваркопайка. Сваркопайка — пайка разнородных материалов, при которой более легкоплавкий материал локально нагревается до температуры, превышающей температуру его плавления, и выполняет роль припоя.

Реактивно-флюсовая пайка — способ пайки, при котором припой образуется в результате химических реакций между основным металлом и флюсом. Например, при пайке алюминия с использованием флюса ZnCl₃ в результате химической реакции восстановления

образуется цинк, который служит припоем.

По условиям заполнения зазора припоем пайку можно разделить на капиллярную (ширина зазора

Многие путают думая, что пайка и сварка металлов это одно и то же. Однако они сильно заблуждаются, ведь основное отличие пайки от сварки в том, что при пайке металл не расплавляется.

Технология пайки кардинально отличается от сварки в виду особенностей и специфики применяемого оборудования. Для сварки металлов применяется куда более сложное оборудование, чем для пайки.

Однако это еще ничего не значит, и порой выпаять микросхему или перепаять зарядное гнездо в телефоне гораздо сложнее, чем сварить забор из профильной трубы. В чем особенности и отличия пайки от сварки? Какое оборудование применяется для этих двух технологических процессов?

В чем отличия пайки от сварки

При сварке же происходит расплавление металлов и их соединение друг с другом на молекулярном уровне. Это делает соединение более надежным, крепким и долговечным, хотя и меняет структуру металла в целом.

Поэтому можно сказать так: пайка даёт возможность соединять мелкие детали без какого-либо вреда. При этом прочность соединения во многом зависит от припоя, а также способа соединения спаиваемых элементов. Для сварки используются инверторы и газовое оборудование, для пайки — паяльные станции, горелки и паяльники.

Где применяется пайка, а где сварка металлов

Пайка занимает второе место по популярности соединения металлов после сварки. Она нашла широкую востребованность во многих областях, а в некоторых, и вовсе, пайка занимает лидирующую позицию.

Например, невозможно представить сегодня IT-промышленность без пайки. Здесь пайка широко применяется для соединения электросхем и радиодеталей. Без неё не получится спаять медные трубы на отопление и водоснабжение. Широко пайка применяется и при кузовном ремонте.

Сварка же металлов в основном востребована в строительной сфере, однако не меньшую популярность в последнее время она завоевала и в быту. В основном применяется она для соединения черных металлов, а также там, где нужно собирать большие металлоконструкции.

Виды пайки

В техническом плане очень сложно определить классификацию пайки из-за немалого количества параметров. Пайка подразделяется не только по способу заполнения зазоров припоем, но и по типу кристаллизации шва, методу удаления оксидной пленки, а также по многим другим параметрам.

Поэтому основная классификация пайки характеризуется температурой плавления припоя. По данному параметру существующие виды пайки можно классифицировать следующим образом.

Пайка – это технологический процесс, главной особенностью которого является соединение деталей без их расплавления. Сохранение целостности структуры благотворно влияет на физические свойства и технические характеристики металла.

Преимущества и недостатки

Прежде чем говорить о том, что такое пайка, рассмотрим основные плюсы и минусы технологии. К достоинствам относят:

Возможность соединять поверхности с различными физическими и химическими свойствами.
Технологию пайки использует для работы в труднодоступных местах, где исключается сваривания.
Отсутствуют требования к форме и размерам изделий.
Возможно выполнение обработки все плоскости касания.
Пайка не создает внутреннее напряжение, что положительно сказывается на качестве металла.
Относительная простата, по сравнению со сваркой, процесса позволяет выполнять спаивание заготовок уже после получения базовых знаний в этой области.

Специалисты выделяют три недостатка.

Малая прочность соединения. Это связано со свойствами материалов, которые используются в качестве припоя. Отсюда и следующий минус.
Низкая термостойкость. Нельзя работать с деталями, эксплуатация которых связана с повышенными температурами. Например, заделка отверстия в чайнике точно не порадует качеством и долговечностью.
Низкая производительность. По этой причине пайку практически не применяют на массовом производстве, а выполняемые работы связаны с точечными воздействиями.

Отличия от сварки

Неподготовленному человеку очень сложно увидеть разницу между сваркой и пайкой, ведь соединительный шов практически не имеет визуальных различий. Между тем, принципы действия данных технологий кардинально отличается. Итак, чем отличается сварка металлических деталей от паяния?

Основное отличие заключается в воздействии на поверхность. При сварке на заготовку воздействует электрическая дуга, возникающая при разрыве замкнутой цепи. Под действием высокой температуры создается зона расплава, в которой перемешиваются базовый металл и флюс. При застывании образуется сварочный шов. При пайке зона соединения состоит исключительно из легкоплавкого припоя, без фракций основного изделия. Температура плавления расходных материалов недостаточна для изменения агрегатного состояния заготовок.

Для выполнения сварочных работ необходимо дорогостоящее оборудование, которое зависит от типа сварки. В некоторых случаях необходимы вспомогательные приспособления, такие как подающий механизм для полуавтоматических аппаратов. Оборудование для запаивания отличается простой и низкой стоимостью. Этим и обусловлена популярность пайки при выполнении восстановительного ремонта в домашних условиях.

Вот чем сварка отличается от пайки. Несмотря на массу достоинств, рассматриваемая технология не получила должного распространения, ввиду низкой прочности на отрыв. Для надежного крепления детали стыкуют с перекрытием по плоскости.

ГОСТ 17325-79. Пайка и лужение: основные термины и определения

Данный межгосударственный стандарт устанавливает четкие термины и определения, которые надлежит применять в технической документации. Он охватывает все сферы рассматриваемых технологий: от общих понятий до дефектов соединений.

Алфавитный указатель терминов переведен на английский и немецкий языки.

Стандарт имеет статус действующего.

[stextbox – это процесс, считающийся предшествующим пайке. После обработки на поверхности образуется тонкий слой олова.[/stextbox]

Где применяется?

Технология пайки занимает почетное второе место по частоте использования для соединения материалов. Первенство принадлежит сварке. Однако существуют сферы, где по определенным причинам невозможно применить сварочное оборудование и достойной альтернативы пайке не существует. Утверждение справедливо для следующих отраслей промышленности:

Производство электронных плат управления. Для крепления миниатюрных компонентов применяют спаивание.
Холодильное оборудование. Медные трубки, теплообменники соединяют только с помощью пайки. Ремонт радиаторов для наземного транспорта и спецтехники осуществляют с применением данной технологии.
Соединение высоколегированных сплавов, которые плохо поддаются действию сварки.
Авиационная промышленность. Промежуточный слой обшивки самолетов имеет сотовую структуру. Для ее производства используют пайку в термических печах.

[stextbox применяют в тех случаях, когда прочие виды соединения, такие как клепка, склеивание или болтовое, невозможно применить по каким-либо причинам. Важным условием является отсутствие требований по высокой прочности контакта.[/stextbox]

Разновидности

Скелетная

Скелетной называется технология, при которой под слоем припоя рассматривается базовая поверхность. Характеризуется экономным потреблением металла для пайки и удобством визуального контроля. Применяется при работе в электротехнической сфере, в частности для соединения проводов.

Волновая

Данный вид пайки применяют для крепления элементов на печатные платы. Волновой метод был разработан в 50-х годах ХХ века, с активным внедрением электронных схем в различные приборы бытового и промышленного назначения. На массовом производстве действуют полностью автоматизированные линии.

[stextbox из разновидностей волновой, является селективная пайка. Она характеризуется избирательностью воздействия припоя. Ее применяют для обработки элементов, монтируемых в отверстия.[/stextbox]

Холодная

Холодная пайка – это метод, при котором соединение образуется за счет взаимного проникновения элементов друг в друга. Скорость реакции зависит от температуры и продолжительности контакта. Одна из самых простых схем для пайки. Применяется для соединения полиэтиленовых и полипропиленовых изделий.

В бытовых условиях холодный метод применяются для монтажа линолеума и ремонта труб из полиэтилена.

К рассматриваемой технологии имеет косвенное отношение.

Бессвинцовая

Современная технология, которая начала активно развиваться после ужесточения требований по экологической безопасности. В настоящее время все Японские производители электроники полностью отказались от использования свинцовых припоев. В качестве рабочего сплава в бессвинцовом методе применяют комбинацию олова, серебра, цинка и меди. Соотношение и добавочные элементы зависят от сферы деятельности.

Контактная

Вид пайки, при котором соединяют детали с различными составами. Технологический цикл включает в себя кратковременное изменение агрегатного состояния контактной области. Для надежного скрепления часто используют прослойку, которая помогает добиться нужного результата. Несоблюдение данного правила ведет к тому, что прочность контакта будет очень низкой. Расходные материалы называют эвтектиками. Так можно соединить медь с алюминием, где между деталями будет алюминиево-медный сплав. Отличительная особенность – высокая скорость реакции.

Высокотемпературная

Отличительная особенность данного способа спаивания – высокая температура воздействия на заготовку. В результате соединение будет обладать устойчивостью к перепадам температур, а также высоким показателем крепости. За качестве придется платить – данный метод считается наиболее сложным, с технологической точки зрения.

[stextbox отдельных случаях температура должна достигать 1000 Сº. По этой причине при высокотемпературной пайке невозможно использовать обычные паяльники – требуются более мощные генераторы тепловой энергии.[/stextbox]

Индукционная

В качестве источника тепла используется высокочастотный ток, который воздействует на соединяемые изделия. Генератор являются специальные индукторы, которые можно изготовить самостоятельно. Существуют установки стационарного и мобильного типа.

Во избежание активации окислительных процессов, работы проводят в вакуумной среде. Разрешено соединять детали при атмосферном воздухе, при условии использования специальных самофлюсующихся припоев.

Инфракрасная

Еще один современный способ, в основе которого лежит принцип нагрева заготовок электромагнитными волнами. Нагревательные элементы изготавливают из кварца или керамики.

Инфракрасная паяльная станция – сложный прибор, стоимость которого не позволяет применять его в бытовых условиях. Основное преимущество заключается в том, что электромагнитные волны невидимого спектра не представляют угрозы здоровью человека.

Капиллярная

Наиболее распространенный способ спайки изделий. Суть технологии заключается в том, что при увеличении температуры пропой, нанесенный на поверхность, расплавляется и занимает все пространство между соединяемыми деталями.

Метод используется как в быту, так и на производстве. В основе любого метода лежит капиллярная технология, как сама идея пайки – нанесение на поверхность горячего припоя.

Способы нагревания

Существует несколько способов нагрева расходных материалов. В домашних условиях наиболее часто применяют следующие приспособления:

Паяльник. Применяют для выполнения работ, характеризующихся относительно низкой температурой. Максимальное воздействие не превышает 400 Сº. Современные модели оснащены механизмом для регулировки температуры. Выпускают паяльники аккумуляторного типа питания. Идеально подходит для работы с золотом и прочими мягкими металлами.
Горелка. Различают газовые и плазменные модели. Они используют один вид топлива – природный газ, а отличаются лишь величиной пламени. Они работают в высокотемпературном режиме, что позволяет спаивать тугоплавкие металлы. Недостаток горелок заключается в сложности регулировки температуры пламени.

Припои

От грамотного подбора припоя зависит конечный результат. Для изготовления чаще используют различные сплавы, чем чистый металл. Основными характеристиками являются:

адгезия к поверхности;
температура плавления.

Первый параметр влияет на прочность сцепления изделий. Второй – на сферу применения, ведь температура плавления припоя должна быть ниже, чем у базового металла.

Исходя из этого, пропой делят на две группы:

Легкоплавкие. В основе лежит свинец, олово, к которым добавляют различные химические элементы.
Тугоплавкие. Изготавливают на основе серебра и прочих металлов, с температурой плавления выше 500 Сº.

Для ремонта ювелирных украшений используют специальный золотой припой.

Форма выпуска зависит только от изготовителя. Он может иметь вид стержня, сухого порошка, гранул или таблеток.

Флюсы

Его – защита контактной поверхности от оксидной пленки. Качественный флюс должен удалить следы ржавчины перед работой, а также препятствовать появлению свежих следов коррозии. Они отличаются по следующим параметрам:

Химическая активность.
Температура нагрева.
Содержание воды в составе (водные/безводные).
Форма выпуска (паста, гель, жидкость).

Наиболее популярными флюсами являются:

Борная кислота;
Бура (натриевая соль борной кислоты);
Канифоль;
Ортофосфорная кислота;
Хлорид цинка.

При необходимости можно изготовить кислоту для пайки своими руками.

Особенности паяния

Особенности технологического процесса зависят от характеристик соединяемых элементов. Рассмотрим некоторые типы металлов.

Сталь

Пайку стали выполняют припоями на оловянной основе, без каких-либо исключений. Перед выполнением работ следует предварительно подготовить поверхность, с помощью механической обработки. Очищенные детали обезжиривают. После этого элементы стыкуются с зазором не более 3 мм. Отличительной особенностью работы со сталью – способ нагрева припоя. Он должен получать тепло не от горелки, а от самих заготовок. По окончанию работ с поверхности необходимо удалить остатки расходных материалов.

Чугун

Обработке поддается любой тип чугуна, за исключением белого. Данный металл содержит графит, который снижает адгезию. Поэтому в качестве флюса необходимо использовать борную кислоту.

[stextbox работе с чугуном запрещено превышать температурный порог 750 Сº. В противном случае начнется необратимый процесс изменения структуры металла.[/stextbox]

Титан

Пайку титана считают одной из самых сложных работ. Это связано с его поверхностным слоем, который насыщен различными газами. В качестве предварительной подготовки используют травление или пескоструйную обработку.

Специалисты рекомендуют проводить спайку в вакуумной среде, для повышения качества соединения. Для работы без защиты используйте серебряный флюс.

Работы проводятся при температуре 900 Сº.

Нихром

Данный металл не доставляет проблем. Нихром — это сплав никеля и хрома. Он отличается пластичностью и высокой жаростойкостью. Его температура плавления находится в диапазоне 1100-1400 Сº, что позволяет выбрать любой подходящий припой.

Серебро

Пайку серебра под силу выполнить не только профессиональному ювелиру, но и обычному человеку, который не сталкивался с ремонтом украшений. Для спайки используют тугоплавкий серебряный припой и буру, в качестве флюса.

По завершению работы можно обработать изделие лимонной кислотой или йодом. В первом случае украшение посветлеет, а во втором – приобретет темный оттенок.

Золото

Ремонт дорогостоящих украшений – тонкий процесс. В случае порчи золотых изделий рекомендуем обратиться к квалифицированному специалисту. Для выполнения соединения необходимы специальные приспособления и особый припой.

Ради разовых работ покупать дорогостоящее оборудование нецелесообразно.

Данный металл абсолютно не требователен к флюсам. Лучше всего подойдет хлорид цинка или спиртовой раствор канифоли. А вот с припоем нужно быть аккуратнее: олово повышает хрупкость соединения, свинец придает вязкость, поэтому рекомендуем использовать составы на серебряной основе.

Рабочая температура не должна превышать 900 Сº.

Заключение

Пайка металлов – ответственный процесс, который позволяет соединить между собой детали с различным составом. При выполнении работ особое внимание следует уделять припою – его температура плавления должна быть ниже, чем у базового металла.

В случаях, когда использование заклепок, болтов или клея не представляется возможным, выходом из ситуации становится сварка или пайка. Соединения, образуемые с помощью этих технологий, могут быть похожими на вид. Но по своей сути два процесса являются абсолютно разными.

Определение

Сварка – соединение деталей, чаще всего металлических, путем нагревания до степени плавления их соприкасающихся частей. Существуют также сварочные методы, предполагающие скрепление деталей друг с другом под большим давлением без применения нагрева.

Сварка

Пайка – соединение деталей посредством введения в место стыка специального связующего компонента.

Пайка к содержанию ↑

Сравнение

Каждая из этих операций позволяет получить неразъемное соединение. Но отличие сварки от пайки заключается в том, что только сварка может осуществляться без участия вспомогательных компонентов. В таких случаях края изделий плавятся и совмещаются, а затем соединение застывает. Если в шов вводится присадочный материал, то он по своим свойствам близок к тому, из которого сделаны свариваемые детали.

При пайке всегда используется дополнительное вещество – припой. Его важной характеристикой является температура плавления. Она обязательно должна быть ниже той, которую имеют материалы основных деталей. Во время процедуры спаиваемые объекты остаются твердыми, а размягченный припой обволакивает стыкующиеся поверхности и заполняет пространство между ними. Весь процесс несколько напоминает склеивание.

Кстати говоря, физика на вопрос, в чем разница между сваркой и пайкой, отвечает так: при сварке под действием сильного нагревания происходит диффузия молекул самих соединяемых изделий, а при пайке частицы этих изделий взаимодействуют только с припоем, но не между собой.

Следует отметить, что пайка, исключающая расплавление основных материалов, с успехом применяется для скрепления самых миниатюрных деталей. При этом их можно многократно разъединять и вновь соединять без риска деформации или ухудшения механических свойств. Это особенно важно, к примеру, при ремонте ювелирных изделий.

Читайте также: