Паяные соединения и их сборка.

Паяние (пайка) — процесс соединения двух или более металли­ческих частей в единое целое при помощи расплавленного метал­ла или сплава — припоя. Припой имеет более низкую температу­ру плавления по сравнению с температурой плавления металла соединяемых частей. Этим методом получают неразъемные соеди­нения как из однородных, так и из неоднородных металлов. Со­единение происходит без расплавления кромок соединяемых де­талей. Процесс пайки состоит из прогрева соединяемых частей до температуры плавления припоя, его расплавления, растекания припоя и заполнения зазора (шва) между соединяемыми частями под воздействием капиллярных сил с последующим диффундиро­ванием (проникновением) в материал соединяемых частей и кристаллизацией паяного шва.

Поверхности соединяемых частей перед пайкой должны быть тщательно зачищены и обезжирены. Очистку соединяемых по­верхностей производят при помощи карцовочных щеток, напиль­ников или шаберов, а их обезжиривание — различными раство­рителями (бензин, ацетон, уайт-спирит и т.п.). Перед пайкой по­верхности соединяемых частей следует подвергнуть травлению, например соляной кислотой, в целях удаления оксидной пленки. В процессе пайки взаимное положение соединяемых частей относи­тельно друг друга следует зафиксировать. Для этого используют струбцины или обвязку мягкой (отожженной) стальной проволокой.

Иногда в процессе пайки может наблюдаться следующее явле­ние: припой превращается в шарик, вместо того чтобы растекать­ся по всему месту пайки и заполнять стык между соединяемыми частями изделия. Это явление обусловливается различными при­чинами, чаще всего силами поверхностного натяжения. Иногда причиной недостаточного смачивания является большое различие между структурами припоя и основного металла, а также наличие оксидных пленок и загрязнения на поверхности припоя или сое­диняемых пайкой частей изделия.

Поверхность металлических деталей всегда имеет микронеров­ности, невидимые невооруженным глазом, которые образованы следами предшествующей обработки.

Припой в расплавленном состоянии должен заполнять все эти микронеровности.

Для предупреждения образования оксидной пленки в процессе нагрева применяют специальные вещества — флюсы, которые также обеспечивают повышение смачиваемости припоем поверх­ностей соединяемых частей изделия, а следовательно, и лучшее за­полнение шва расплавленным припоем.

Для выполнения этих задач флюсы должны удовлетворять сле­дующим требованиям:

• рабочая температура припоя и температура действия флюса должны быть согласованы между собой. Темпе­ратура, при которой флюс растворяет оксиды, должна быть несколько ниже рабочей температуры припоя;
• скорость растворения оксидов должна быть выше, чем скорость пайки;
• пайка должна производиться достаточно быстро, чтобы помешать появлению новых оксидов;
• флюсы должны иметь низкую вязкость и умеренное по­верхностное натяжение;
• флюсы должны полностью отшлаковывать загрязнения и отводить их из зоны пайки, так как в противном слу­чае вязкий слой шлака будет снижать активность при­поя и препятствовать активному действию флюсующих веществ на поверхность металла.

В зависимости от назначения выполняемого соединения разли­чают два типа припоев: мягкие (с температурой плавления 80… 300 °C) и твердые (с температурой плавления 700… 1 000 °C) на основе медно-цинковых и серебряных сплавов.

Паяние мягкими припоями.

Мягкие припои, применяемые при паянии, представляют собой сплав легкоплавких металлов на осно­ве олова и свинца. Оловянно-свинцовые припои обозначают бук­вами ПОС (припой оловянно-свинцовый) и цифрами, показываю­щими содержание олова в припое в процентах. Процентное со­держание олова в припое определяет область его применения.

Мягкие припои изготавливают в виде прутков, проволоки или трубки, заполненной флюсом, масса которого составляет прибли­зительно 5 % массы припоя.

Прежде чем приступить к паянию необходимо тщательно под­готовить поверхности соединяемых частей заготовки под паяние. Подготовка поверхности осуществляется очисткой поверхности от грязи и коррозии шабером, надфилем или напильником до метал­лического блеска. Абразивная шкурка для очистки поверхности не применяется, так как содержащийся в ней клей сильно загрязняет поверхность пайки. При паянии заготовок из листовой стали ме­сто спая протравливают 20%-ным раствором соляной кислоты. Со­единяемые поверхности плотно пригоняют друг к другу, используя такие операции слесарной обработки, как гибка, правка и опили­вание. Некоторые варианты паяных швов, подготовленных к пая­нию, показаны на рис. 1. При помощи кисточки на место спая наносят тонкий слой жидкого флюса. При использовании твердо­го флюса поверхность паяния предварительно прогревают паяль­ником.

Флюсы, применяемые при паянии мягкими припоями, облада­ют способностью очищать место спая от оксидов, предотвращают образование оксидов в процессе пайки и снижают поверхностное натяжение припоя, обеспечивая его лучшую текучесть и более ка­чественное заполнение зазора между соединяемыми пайкой ча­стями заготовки. В качестве флюсов при пайке мягкими припоями используют хлорид цинка, нашатырный спирт, канифоль, стеарин, паяльную пасту, а в ряде случаев раствор соляной кислоты. Состав флюса выбирается в зависимости от материала соединяемых ча­стей заготовки.

Соединяемые части заготовки должны располагаться таким об­разом, чтобы шов находился сверху. Как только место, к которому прикасается паяльник, прогревается и припой начинает плавиться и растекаться, паяльник без отрыва от шва перемещают, давая возможность припою заполнить зазор в шве между соединяемы­ми частями заготовки. Припой следует наносить тонким равно­мерным слоем без припусков. После окончания пайки выступаю­щие над швом приливы удаляют напильником, а поверхность за­чищают наждачной шкуркой.

В зависимости от требований, предъявляемых к соединяемым паянием мягкими припоями частям заготовки, паяные швы под­разделяются на три группы:

• прочные — необязательно герметичные, но обязательно обладающие определенной механической прочностью;
• плотные — сплошные швы, имеющие гарантированную герметичность, не допускающую протекания различных веществ;
• плотнопрочные — обладающие и прочностью, и герме­тичностью.

Инструменты для паяния мягкими припоями.

Основным ин­струментом для выполнения паяных швов является паяльник. В зависимости от способа нагрева рабочей части паяльника различают паяльники периодического нагрева, паяльники постоянного на­грева с использованием газовых или бензиновых нагревательных устройств и электрические паяльники, у которых рабочая часть нагревается электрическим током.

Паяльники периодического нагрева бывают двух типов: прямые и угловые (молотковые). Разогрев паяльника осуществляется при помощи паяльной лампы или в кузнечном горне. Перед нагревом носок паяльника зачищается, а после нагрева очищается от оксидов, на него наносится флюс (жидкий или твердый) и облуживается.

Паяльники непрерывного нагрева (газовые или бензиновые) (рис. 2) обеспечивают постоянный нагрев рабочей части паяль­ника соответственно газовой или бензиновой горелкой.

Электрические паяльники (рис. 3) получили наиболее широ­кое распространение благодаря высокой надежности и простоте действия. Они выпускаются двух типов: прямые и угловые. Очи­щение носка таких паяльников от оксидов осуществляется соот­ветствующим применяемому припою флюсом.

Правила выполнения работ при пайке мягкими припоями электрическим паяльником.

При пайке мягкими припоями электрическим паяльником необходимо соблюдать следующие правила:

1. Перед процессом паяния необходимо проверить исправность паяльника, а также электропровода и электрической вилки.
2. Следует обеспечить плотное прилегание друг к другу соеди­няемых пайкой частей заготовки,
3. Необходимо протравливать очищенное место спая раствором соляной кислоты и покрывать слоем флюса.
4. Паяние следует выполнять только хорошо прогретым и залу­женным паяльником.
5. Запрещается перегревать паяльник. При перегреве и сгора­нии полуды на рабочей части паяльника необходимо зачистить его носок и вновь облудить на прутке припоя.
6. При паянии длинного шва следует использовать прутковый припой, подводя его к месту паяния и перемещая вместе с паяль­ником.
7. Проверку качества паяния следует осуществлять:
8. внешним осмотром, не допуская непропаянных мест, «корявого» шва, наплывов припоя на шве;
9. на герметичность (пропаянные сосуды);
10. перегибом (спаянные заготовки на механическую проч­ность) .

• внешним осмотром, не допуская непропаянных мест, «корявого» шва, наплывов припоя на шве;
• на герметичность (пропаянные сосуды);
• перегибом (спаянные заготовки на механическую проч­ность).

Паяние твердыми припоями.

Паяние твердыми припоями обе­спечивает более прочное соединение спаиваемых частей заготов­ки. Высокая пластичность и ковкость припоя, глубоко проникаю­щего в основной металл, позволяет выдерживать значительные механические напряжения в спаиваемых местах при последующей обработке полученных заготовок как методами резания, так и мето­дами пластического деформирования (прокат, гибка, ковка и т.п.).

Подготовка места спая к паянию. Вследствие того, что при­пой и материал заготовки имеют значительно меньшую разность температур плавления, этот способ паяния требует выполнения подготовительных операций в большем объеме, чем при паянии мягкими припоями.

Очистка поверхности. Все, что было сказано об очистке по­верхностей при подготовке к пайке мягкими припоями, справед­ливо и по отношению к подготовке поверхностей к пайке тверды­ми припоями. Необходимо обеспечить абсолютную чистоту того места, где будет производиться паяние. Весьма отрицательное влияние на успешность паяния оказывают не только оксидные пленки, но и жировые и масляные загрязнения на поверхности за­готовки, поэтому они должны тщательно удаляться.

Пригонка. Все соединяемые паянием части заготовки, в кото­рых возможны остаточные напряжения в результате предшеству­ющей обработки, должны быть отожжены, так как в противном случае может возникнуть перекос соединяемых паянием частей заготовки, что может привести к неполному заполнению места спая припоем. Все спаиваемые пустотелые детали должны иметь отверстия для выхода воздуха, так как при нагреве может прои­зойти вспучивание или разрыв поверхности соединяемых частей изделия. При паянии твердым припоем должен быть выдержан определенный зазор между соединяемыми частями заготовки для его заполнения расплавленным припоем. Величина этого зазора не должна превышать 0,2 мм.

Фиксация заготовок. Если при паянии мягкими припоями, как правило, обходятся без стационарной фиксации взаимного по­ложения соединяемых заготовок и вполне достаточно их удержи­вания пинцетом или другими ручными фиксаторами, то при пая­нии твердыми припоями, когда процесс нагрева требует достаточ­но большого временного интервала, заготовки следует надежно крепить во взаимном расположении друг к другу. Такое крепление целесообразно осуществлять приспособлениями, оснащенными фиксирующими устройствами и слабоотводящими теплоту от сое­диняемых заготовок в процессе нагрева. К материалам, наиболее часто используемым в таких устройствах при паянии твердыми припоями, относятся уголь и асбест.

Одним из способов фиксации соединяемых заготовок является обвязывание проволокой. Для обвязывания заготовок пользуются стальной отожженной проволокой диаметром 0,2 …0,5 мм. При ис­пользовании обвязочной проволоки следует учитывать следующие ее недостатки:

• стальная проволока при нагревании расширяется значи­тельно меньше, чем фиксируемые ею заготовки;
• при нагревании железная окалина может восстановить­ся, что приведет к диффузии железа в металл соединяе­мых заготовок (при паянии цветных металлов и спла­вов), поэтому изменятся физико-механические свойства соединяемых заготовок. Помимо того, возможно прива­ривание обмоточной проволоки к поверхности соеди­няемых заготовок;
• при местном нагреве проволока подвергается пережогу и может полностью перегореть, тогда фиксирующее действие проволоки преждевременно прекращается. Обвязывание заготовок проволокой, как правило, тре­бует больших затрат времени, поэтому во всех возмож­ных случаях связывание заготовок проволокой целесо­образно заменять закреплением заготовок зажимами.

Нанесение флюса и припоя. При пайке твердыми припоями флюсы выполняют ту же функцию, что и при пайке мягкими при­поями. Выбор флюса зависит от материала соединяемых заго­товок.

К твердым припоям относятся медно-цинковые (ПМЦ) и сере­бряные (ПСр). В обозначении марок припоев цифры показывают процентное содержание меди или серебра. Твердый припой выби­рают в зависимости от материала соединяемых заготовок.

Инструменты для нагрева места спая. Нагрев заготовок при паянии твердыми припоями осуществляется газовыми и бен­зиновыми горелками, в муфельных печах, соляных ваннах, токами высокой частоты, а также в электрических контактных машинах. Для создания газового и бензинового пламени используют специ­альные устройства — горелки. Применение бензиновых и кероси­новых паяльных ламп при паянии твердыми припоями нецелесо­образно в связи с тем, что они не обеспечивают равномерного на­грева припоя и заготовки.

Основные правила паяния твердыми припоями. При паянии твердыми припоями необходимо соблюдать следующие правила:

1. Перед процессом паяния необходимо проверить работоспо­собность и исправность источника нагрева места спая.
2. Следует проверить качество очистки места спая, плотность пригонки спаиваемых поверхностей, а также прочность крепле­ния к месту пластин припоя.
3. Необходимо протравливать место пайки раствором соляной кислоты.
4. Следует соблюдать рациональную технологию паяния:

• припой или место спая с прикрепленной пластиной при­поя нужно нагреть в пламени горелки или в муфельной печи до температуры, близкой к температуре плавления припоя;
• припой следует расположить в месте спая, обильно по­сыпать или смазать его флюсом и продолжать разогрев места спая до полного расплавления припоя и заполне­ния им швов паяного соединения.

5. Качество паяния следует проверить:

• визуально — на отсутствие непропаянных мест;
• на прочность — легким простукиванием спаянных мест о твердый предмет — на отсутствие трещин.

Правила безопасности труда при паянии. При паянии необ­ходимо выполнять следующие правила безопасности:

1. Запрещается пользоваться неисправными инструментами и приспособлениями.
2. Запрещается прикасаться к неисправным инструментам и нагретым частям инструмента для паяния.
3. Нельзя наклоняться близко к месту паяния.
4. Работу следует выполнять под вытяжным колпаком.
5. Для удерживания спаиваемого изделия необходимо исполь­зовать плоскогубцы или кузнечные клещи.
6. При пайке тугоплавкими припоями нужно работать в рука­вицах и очках.
7. Следует тщательно мыть руки с мылом после окончания ра­бот.

Специальные методы паяния.

Паяние соединения при помощи паяльника до настоящего времени остается наиболее распростра­ненным способом пайки при выполнении монтажных соединений, однако производительность этого способа невелика. Более производительной является низкотемпературная пайка погружением в расплавленный припой. Паяние таким способом выполняется на специальных установках, на которых смонтированы ванны с флю­сом и расплавленным низкотемпературным (мягким) припоем. За­готовки предварительно очищают и обезжиривают, далее погру­жают сначала в ванну с флюсом, а затем с расплавленным припо­ем, после чего вынимают и охлаждают на воздухе до комнатной температуры.

Заданную температуру припоя контролируют и поддерживают при помощи специального устройства с термопарой, помещенно­го в ванну, Кроме описанного метода паяния для улучшения качества пая­ных соединений применяют пайку в защитных газах, вакууме и активной газовой среде. Основная особенность этих методов пая­ния состоит в том, что они выполняются без применения флюсов, так как среда, окружающая заготовки в процессе паяния, препят­ствует образованию оксидых пленок.