Сборка соединений пайкой

Пайка – это метод получения неразъемных соединений металлических деталей с помощью дополнительно вводимого металла или сплава, называемого припоем и имеющего меньшую, чем соединяемые металлы, температуру плавления.

Пайку широко применяют в различных отраслях промышленности для получения прочных и герметичных соединений черных и цветных металлов и их сплавов. Благодаря незначительному нагреву соединяемых материалов паяные изделия сохраняют структуру, механические свойства, форму и размеры.

К преимуществам пайки также относятся прочность и чистота соединения, не требующая в большинстве случаев последующей обработки.

Наибольшее распространение получила капиллярная пайка. Температура плавления припоя должна быть на 20–30 °C ниже температуры плавления соединяемых материалов.

Расплавленный припой, введенный в зазор между деталями, нагретыми до температуры плавления припоя, смачивает их поверхности и проникает в капиллярные трещины. В процессе пайки происходит химическое соединение припоя с материалом деталей. После охлаждения и затвердевания получается прочное соединение.

Различают пайку легкоплавкими припоями (низкотемпературными) и тугоплавкими (высокотемпературными).

Легкоплавкие припои (к ним относятся оловянно-свинцовые с температурой плавления до 300 °C) применяют, если не требуется высокая прочность соединений или паяные детали работают при невысокой температуре. Эти припои используют при соединении изделий из цинка, меди, медных сплавов, мягкой стали, оцинкованного железа, серого чугуна, алюминия, керамики, стекла и др. Соединения, выполненные такими припоями, имеют хорошую коррозионную стойкость и достаточно герметичны. При пайке этими припоями свойства соединяемых металлов не изменяются (или почти не изменяются).

Легкоплавкие припои выпускают в виде проволоки, прутков, лент фольги, трубок с канифолью внутри диаметром от 2 до 5 мм, а также в виде порошков и паст из порошка с флюсом.

Для получения специальных свойств к оловянно-свинцовым припоям добавляют сурьму, висмут, кадмий, ртуть и другие металлы.

К тугоплавким относят медно-цинковые и серебряные припои. Соединения, полученные с помощью таких припоев, имеют высокую прочность, температурную и коррозионную стойкость. Такие припои используют для соединения деталей из стали, чугуна, меди, никеля и их сплавов, а также сплавов с высокой температурой плавления.

Для получения определенных свойств и температуры плавления в эти припои добавляют олово, марганец, алюминий, железо и др. Добавка небольшого количества бора повышает твердость и прочность припоя, но повышает хрупкость паяных швов.

С повышением температуры на поверхностях спаиваемых деталей образуются окислы, в результате чего припой не пристает к деталям. Для предохранения металлов от окисления и удаления окислов применяют химические вещества, называемые флюсами.

В качестве флюсов для мягких припоев применяют хлористый цинк, нашатырь, канифоль, паяльные пасты, для твердых припоев – буру, борную кислоту и некоторые другие вещества.

Для пайки алюминиевых сплавов применяемые флюсы представляют собой сложные по химическому составу смеси, состоящие из фтористого натрия, хлористого лития, хлористого калия, хлористого цинка и др.

Для пайки нержавеющей стали применяют флюс, представляющий пастообразную смесь буры и борной кислоты (поровну), замешанную в насыщенном растворе хлористого цинка, или флюс 200, состоящий из 70 % борной кислоты, 21 % буры и 9 % фтористого калия.

При использовании низкотемпературных припоев пайку осуществляют различными паяльниками: периодического подогрева (с непрерывным подогревом газом или жидким топливом) и электрические. По форме рабочей части различают паяльники прямые и угловые.

Рабочую часть паяльника делают из красной меди, которая обладает высокими теплоемкостью и теплопроводностью. Периодически нагреваемый паяльник нагревают паяльными лампами (реже в печах). Газовые и бензиновые паяльники представляют собой комбинации паяльника и соответственно ацетиленокислородной или бензиновой горелки.

При использовании высокотемпературных припоев пайку производят ацетиленокислородными и керосинокислородными горелками, паяльными лампами в стационарных и переносных горнах и в паяльных печах.

Все перечисленные устройства служат для нагрева соединяемых деталей и расплавления припоя.

При пайке применяют различные виды соединений: встык – для изделий, к которым не предъявляют высоких требований по прочности; внахлестку – для изделий повышенной прочности; муфтовое – для высокопрочных и герметичных изделий.

Подогнанные заготовки фиксируют относительно друг друга руками, щипцами, в тисках, проволокой и т. д.

Пайка мягкими припоями делится на кислотную и бескислотную. При кислотной пайке в качества флюса употребляют хлористый цинк или техническую соляную кислоту, при бескислотной пайке – флюсы, не содержащие кислот: канифоль, терпентин, стеарин, паяльную пасту и др. Бескислотной пайкой получают чистый шов; после кислотной пайки не исключена возможность появления коррозии.

Пайка мягкими припоями включает подготовку изделий к пайке, подготовку паяльника, расплавление припоя, охлаждение и очистку шва.

Подготовка изделий к пайке. Прочное соединение может быть получено, если место пайки предварительно очищено от грязи, жиров, продуктов коррозии и окисных пленок, которые мешают растеканию припоя и его проникновению в шов. Поэтому поверхность изделий перед пайкой зачищают, обезжиривают, травят, промывают, сушат и собирают.

Механическую очистку поверхностей соединяемых деталей от окислов, ржавчины и окалины выполняют наждачной бумагой, напильниками, металлическими щетками, шлифовальными кругами, стальной и чугунной дробью.

Химическое обезжиривание в щелочных ваннах – наиболее простой и эффективный способ. Оно заключается в обработке изделий в тонко размолотой венской извести, разведенной водой до кашицеобразного состояния, которую кистью наносят на изделие, а затем тщательно протирают и смывают водой.

Обезжиривание в органических растворителях применяют для удаления толстого слоя масла с изделий со сложными поверхностями, с внутренними полостями и глубокими отверстиями. Для этого применяют ацетон, бензол, скипидар, бензин, метиловый и этиловый спирт и др.

Химическое травление применяют, когда имеющиеся на поверхности изделия пленки окислов и других соединений не удаляются обезжириванием.

Травление осуществляют погружением изделий в растворы кислот: серной, соляной, фосфорной и др.

Очистка с помощью ультразвука резко сокращает процесс очистки деталей от жировых загрязнений. Этот способ применяют, когда другие способы не обеспечивают нужную чистоту поверхности. В ультразвуковых ваннах в качестве очищающей среды используют органические растворители, щелочные растворы, горячую воду, мыльный раствор и др.

Подготовка паяльника заключается в заправке его рабочей части под углом 30–40° и очищении от следов окалины. Затем обушок паяльника нагревают, следя, чтобы его рабочая часть находилась в некоптящей зоне пламени. Нагрев осуществляют до определенных температур: до 250–300 °C при пайке мелких деталей и до температуры 340–400 °C при пайке крупных. Перегрев паяльника выше 500 °C повышает образование окалины и затрудняет лужение наконечника, а при недостаточном нагреве припой на спаиваемых поверхностях быстро остывает и превращается в кашеобразную массу. Такая пайка очень непрочна.

Признак перегрева – появление зеленоватого пламени и быстрое сгорание канифоли с выделением дыма вместо ее плавления. О нормальном нагреве паяльника судят по легкому покраснению обушка. При перегреве его снимают с огня, дают немного остыть, зажимают в тисках и опиливают дочиста с обеих сторон плоским напильником рабочий конец, снимают с ребер заусенцы (рис. 12.5., а). При длительной пайке рабочую часть паяльника периодически очищают от окалины стальной щеткой и напильником.

Нагретый паяльник (рис. 12.5, б) быстро снимают с огня, очищают от окалины погружением в хлористый цинк (рис. 12.5, в), затем набирают с прутка 1–2 капли припоя (рис. 12.5, г) и двигают паяльником по куску нашатыря (рис. 12.5, д), пока конец паяльника не покроется ровным слоем припоя. Затем протравливают места пайки (рис. 12.5, е).

Рис. 12.5. Пайка мягкими припоями:

а – заправка паяльника, б – нагрев обушка, в – очистка от окалины хлористым цинком, г – захват расплавленного припоя, д – обслуживание на кусковом нашатыре, е – протравливание места паяния (нанесение флюса), ж – нанесение припоя (заполнение зазора)

Паяльник накладывают на место спая (рис. 12.5, ж), немного придерживая его на одном месте для прогрева детали, затем медленно и равномерно перемещают. При этом расплавленный припой стекает с паяльника и заполняет зазоры шва (0,05–0,15 мм).

Для предохранения от нагрева участки детали, соседние со швом, покрывают мокрыми тряпками или погружают в воду. После охлаждения паяный шов очищают, промывают и протирают сухой ветошью.