Пайка представляет собой физико-химический процесс соеди­нения металлов в результате взаимодействия основного (паяемого) металла и припоя (жидкого присадочного металла). При заполне­нии зазора между паяемыми деталями расплавленным припоем между ним и деталями образуется межатомная связь. Для получе­ния качественного спая необходимо удалить оксидную пленку с соединяемых поверхностей, создав этим условия для взаимодей­ствия твердого и жидкого металлов. Имея определенное сходство

со сваркой плавлением, пайка, тем не менее, значительно от нее от­личается. Пайка происходит при температурах ниже температур плавления металла соединяемых деталей, и формирование шва свя­зано с капиллярным течением жидкого металла, заполняющего за­зор. При пайке не происходит высокотемпературного нагрева дета­лей, что не приводит к их деформации, а низкотемпературный нагрев позволяет сохранить неизменность структуры и свойств основного металла. Пайка (в противоположность сварке) образует разъемные соединения.

В соответствии с технологическими особенностями процесса пай­ку классифицируют по следующим признакам:

• по характеру взаимодействия твердого и жидкого металлов при возникновении спая;

• по особенностям технологии образования паяного соединения;

• по способам нагрева.

По первому признаку выделяют пять видов спаев.

1. Бездиффузионпый - в процессе пайки основной металл и жид­кий припой вступают в физико-химическое взаимодействие, обусловленное разницей их свойств и энергетического состоя­ния. При снижении температуры пайки и времени выдержки интенсивность взаимодействия уменьшается и появляется воз­можность образования химических связей при отсутствии диф­фузии в объеме взаимодействующих металлов.

2. Диффузионный - наблюдается растворение основного металла в припое и взаимная диффузия элементов, входящих в состав при­поя и основного металла. Используется для повышения темпера­туры плавления припоя и выравнивания химического состава шва и основного металла.

3. Капиллярный - расплавленный припой затекает в зазор благодаря смачиванию стенок капилляра. Заполнение зазора зависит от ве­личины поверхностного натяжения и плотности припоя.

v 4. Контактно-реактивный - жидкий припой образуется в резуль­тате взаимодействия с основным металлом (взаимной диф­фузии) введенных в зазор твердых металлических прокладок или покрытий, которые наносятся на контактируемые поверх­ности различными методами металлизации. При этом темпе­ратура плавления припоя ниже температуры плавления метал­ла прокладок.

5. Металлокерамический - осуществляется припоями-наполните­лями (порошками пли волокнами) более тугоплавких, чем при­пои, металлов. Шов образуется в результате взаимодействия

жидкой части припоя с основным металлом и наполнителем, что приводит к повышению температуры плавления и прочнос­ти металла шва. Такие припои обладают малой растекаемостью, и перед пайкой их закладывают в зазор между деталями.

Нагрев деталей при пайке может быть местным (в районе шва) и общим. По температурам плавления припои делятся на мягкие (Г > 450 °С) и твердые (Гп = 450...900 °С). Местный нагрев может производиться пламенем газовой горелки, индукционным нагревом, паяльником. Общий нагрев производится в печах, пайкой погруже­нием в ванну расплавленных солей, флюсов, припоя.

Взаимодействие между металлами при пайке может завершаться на разных стадиях развития процессов между основным металлом и припоем. В соответствии с этим будут меняться состав, структура спая и отдельных зон паяного соединения. Если процесс прекращается на стадии возникновения химических связей, когда можно пренебречь взаимной диффузией паяемого металла и расплава припоя, то образу­ется бездиффузионпый спай. Последующая выдержка во времени со­здает условия для развития диффузионных процессов. Спай, который образуется в условиях протекания растворно-диффузионных процес­сов, называют растворно-диффузионным. Спаи, возникающие в ре­зультате контактного плавления (переход в жидкое состояние разно­родных материалов при температуре ниже их точки плавления), относят к контактно-реакционным.

Перед пайкой любым способом паяемая поверхность деталей дол­жна быть тщательным образом очищена для удаления различного рода неметаллических загрязнений. Поэтому металлическая поверхность должна быть подготовлена к пайке. Способы подготовки поверхнос­ти разнообразны.

Термическая очистка производится ацетилено-кислородной горел­кой. При удалении окалины и изоляции этот способ сочетается с пос­ледующей обработкой поверхности металлическими щетками.

Механическая очистка хороша тем, что создает шероховатую повер­хность, улучшающую капиллярное течение припоя в зазоре. Инстру­ментом служат металлические щетки, напильники, шабер, шлифоваль­ные шкурки. Рекомендуется для подготовки поверхности алюминиевых сплавов с целью удаления с поверхности деталей окисной пленки А120.{, прочно сцепленной с металлом детали. При необходимости очистки боль­шого количества одинаковых но форме мелких деталей и удаления зау­сенцев с их кромок рационально применять галтовочные барабаны. Эф­фективны гидропескоструйная и дробеструйная обработка; первая производится в специальных гидропескоструйных камерах.

Химическая очистка производится путем обезжиривания деталей и их травления с последующей промывкой в воде. Обезжиривание проводят с целью удаления с поверхности жировых загрязнений. Составы для обезжиривания разнообразны и зависят от химическо­го состава деталей, подлежащих обезжириванию, а также от характе­ра и степени загрязненности деталей. Так, для обезжиривания повер­хности стальных и чугунных деталей применяют состав, содержащий: едкий натр (15...30 г/л), углекислый натрий (10...35 г/л), тринатрий - фосфат (10...65 г/л). Для обезжиривания поверхностей алюминие­вых деталей: едкий натр (10 г/л), углекислый калий (50...60 г/л) и жидкое стекло (30 г/л). Консервирующие смазки с поверхности из­делий со сложной конфигурацией, с внутренними полостями и глу­бокими отверстиями удаляют с помощью органических растворите­лей - бензина, ацетилена, дихлорэтана и др.

Химическое травление. Составы ванн для химического травления весьма разнообразны и зависят от химического'состава металла дета­лей, подлежащих травлению, Так, для углеродистых сталей применя­ют состав: серная кислота (150 г/л), хлористый натрий (4 г/л), при­садка КС (4 г/л); для алюминия и его сплавов: едкий натр (20...35 г/л) и углекислый натрий (20...30 г/л). Существуют и другие способы травле­ния (электрохимическое, с применением ультразвука, одновременное обез­жиривание и травление).

Следует отметить, что наряду с тщательной подготовкой поверх­ности детали перед пайкой, в процессе пайки происходит окисление металла из-за нагрева поверхности. Да и на подготовленной поверх­ности могут возникнуть окисные пленки в процессе длительного хра­нения деталей после обработки поверхности. Поэтому при пайке прак­тически всегда применяют флюсы, которые предназначены для защиты металла от окисления кислородом из окружающей среды, очистки поверхностей от окисных пленок и улучшения смачиваемости метал­ла припоем.

Флюс для пайки должен иметь меньший удельный вес и температу­ру плавления, чем припой, и в расплавленном виде хорошо смачивать металл. Эти свойства способствуют очистке поверхностей от окисных пленок до плавления припоя и вытеснению флюса по мере растекания припоя. В зависимости от свойств паяемых металлов и применяемых для них припоев флюсы можно разделить на три группы.

1. Флюсы, предназначенные для пайки мягкими припоями на ос­нове олова и свинца. Основой таких флюсов служат органи­ческие соединения (канифоль, вазелин), хлориды цинка или аммония. Флюсующий эффект канифоли (7/ = 125 °С) связан

с содержанием в ней абиетиновой кислоты, растворяющей некоторые оксиды. При температуре 300...400 °С канифоль разлагается с выделением углерода и водорода, что ведет к интенсификации восстановления окислов паяемого металла. В нашей стране и за рубежом разработано большое количе­ство флюсов для низкотемпературной пайки черных и цвет­ных металлов. Перечисленные выше органические вещества в чистом виде в настоящее время применяются редко. Большое применение нашли органические флюсы, активированные различными неорганическими соединениями. Такие флюсы используются для пайки не только меди и ее сплавов, но и конструкционных углеродистых и коррозионностойких вы­соколегированных сталей. Примером может служить флюс ЛМ-1, предназначенный для пайки хромоникелевых, корро­зионностойких сталей припоем с содержанием олова 30%. Он имеет состав: ортофосфорная кислота 32%, канифоль 6%, спирт этиловый 62%. Температурный интервал активности флюса составляет 200...240 °С. Другой флюс состава: хлорис­тый цинк 48%, хлористый аммоний 12% и вода 40% - пред­назначен для пайки углеродистых и низколегированных ста­лей, меди, никеля и их сплавов и имеет температурный интервал активности 150...320 °С.

2. Флюсы, предназначенные для пайки твердыми припоями. Они содержат фтористые соединения (RF, CaFe,, и др.), фторобо - раты (KBF,, NaBF, и др.) и обязательно борный ангидрид В, Ог борную кислоту Н.{ВО, или плавленую буру ЫаДЗ^О.. Флюсы получают методом сплавления компонентов, используют сплав в виде порошков или паст, замешанных на воде, спирте или других связках. Так, для пайки конструкционных и кор­розионностойких легированных сталей служит флюс марки ПВ209, имеющий состав: калия фтористого 41...43%, оксида бора 34...36%, тетрафторбората калия (KBF4) 22...24%. Тем­пературный интервал активности 800... 1200 °С. Флюс марки 18В служит для пайки сталей, никелевых, медных сплавов серебряными припоями: содержит фтористый калий и бор­ную кислоту; его температурный интервал 550...850 °С.

3. Флюсы, предназначенные для пайки алюминия и его сплавов (фториды и хлориды металлов). Примером может служить флюс марки Ф5, содержащий хлористый калий (45%), хлори­стый магний (28%), фтористый натрий (10%), хлористое оло­во (3%), хлористый кадмий (4%). Температурный интервал его

активности 420...620 °С; предназначен для пайки алюминие­вых сплавов типа ЛД1, АМц п ЛМг.

Одновременно с выбором марки флюса выбирают состав припоя. При сварке мягкими (низкотемпературными) припоями большое распространение имеют оловянно-свинцовые припои марок ПОС (ПОС-90, ПОС-40, ПОС-61 и т. д.). Так, припой ПОС-61, имеющий состав цинка 60...62% (остальное - свинец), имеет температуру нача­ла плавления 190 °С и служит для лужения и пайки медных деталей (радио - и электроаппаратура).

Разнообразен состав припоев для высокотемпературной пайки твердыми припоями. Он в основном зависит от состава паяемого металла и условий эксплуатации конструкции. По системе легирова­ния эти припои делятся на несколько групп.

Серебряные и палладиевые припои. Эти припои, содержащие се­ребро, обладают повышенной тепло - и электропроводностью, высо­кой пластичностью, прочностью, коррозионной стойкостью и тех­нологичностью. Позволяют производить нагрев различными способами в различных средах. Применяются серебряные припои с содержанием меди, цинка, кадмия, олова, фосфора и других эле­ментов. Особо широкое распространение в промышленности полу­чили припои марки ПСр72, содержащие 71,5...72,5% серебра (ос­тальное - медь), и ПСр, содержащие 39,0...41,0% серебра, 16,0... 17,4% меди и 16,2... 17,8% цинка. Эти припои обладают высокой техноло­гичностью.

Медно-цинковые припои представляют собой двойные сплавы меди и цинка в различных соотношениях. Интересны припои с содержани­ем цинка менее 39%; они имеют однофазную структуру и обладают наибольшей пластичностью. Иногда в их состав вводят олово и крем­ний в небольших количествах (до 1%). Олово снижает температуру плавления припоя и повышает его жидкотекучесть, а кремний сни­жает испарение цинка. Примером служит припой, содержащий

34.. .38% меди (остальное - цинк); температура его плавления

800.. .825 °С. Применяют припои этого типа для пайки углеродистых сталей и меди при нагреве ТВЧ, в соляных ваннах, газовой горелкой.

Медно-фосфористые припои. Сплавы меди с фосфором (А...9%) обладают высокой жидкотекучестыо и коррозионной стойкостью, имеют сравнительно низкую температуру плавления и могут служить заменой серебряных и медно-цинковых припоев при пайке меди и ее сплавов.

В припои для пайки алюминиевых сплавов входят кремний, се­ребро, медь, цинк, кадмий и др. Наибольшей коррозионной стойкое - тью обладают припои с кремнием (4... 13%). Так, припой марки 35А содержит 20...22% меди, б,5...7,5% кремния (остальное - алюминии) и имеет диапазон температур плавления 500...540 °С.

Процессы пайки деталей из различных материалов имеют свои технологические особенности. Так, окисная пленка на поверхности низкоуглеродистых и низколегированных сталей обладает низкой химической стойкостью и легко восстанавливается в атмосфере кис­лорода, диссоциировавшегося из аммиака, в продуктах сгорания сме­сей воздуха с горючими газами. При пайке закаливающихся низко­легированных сталей возможен их отпуск в процессе пайки, что может привести к изменению их механических свойств. Поэтому пайку ве­дут при температуре высокого отпуска с применением припоев и флю­сов, обеспечивающих получение высококачественных паяных соеди­нений (припой ПСр-40 и флюс ПВ209). Повышенные скорости охлаждения соединения после пайки (если они требуются) можно обеспечить обдувом сжатым воздухом либо водяным охлаждением.

При пайке коррозионностойких сталей, легированных хромом и ни­келем, аустенитных, мартенситных и аустенитно-ферритных сталей на их поверхности образуются оксиды хрома, химически более стойкие, чем на нелегированных сталях. Поэтому их пайка представляет значи­тельные трудности и требует выбора активных флюсов и газовых сред. При низкотемгіературноіі пайке этих сталей паяльником или газовой горелкой применяют канифольно-спиртовые флюсы с добавкой орто - фосфорной кислоты. Пайка таких сталей отличается за счет нанесения на соединяемые поверхности таких технологических покрытий как медь, серебро, никель. Это связано с тем, что в расплавленном состоянии флюсы практически не активируют поверхность стали и не защищают ее от кис­лорода воздуха. Растекаемость оловянисто-свинцовых и других легко­плавких припоев в этом случае можно улучшить предварительным лужением поверхности с применением активных флюсов; при этом при­пой можно наносить с помощью паяльника или горелки. Высокотемпера­турную пайку коррозионностойких сталей можно проводить серебря­ными, медными, никелевыми и другими припоями. Для пайки этих сталей в частности применяют чистую медь в качестве припоя; она хоро­шо смачивает поверхность стати при пайке в среде аргона с тетрафтори - стым бором (ВІД) при температуре 1150 °С.

Пайка алюминия и его сплавов низкотемпературными припоями за­труднительна. Как правило, пайку производят с предварительным нане­сением на поверхность паяемых деталей технологических покрытий: медь, гальванический или химический никель, серебро, цинк - толщи­ной 15...25 мкм. Эти покрытия могут наноситься термовакуумным напылением, электрохимическим, химическим или другими спосо­бами. Лужение паяльником проводят абразивным или ультразвуко­выми методами. При абразивном лужении оксидную пленку удаля­ют металлической щеткой, шабером, абразивным паяльником. Соединения, выполненные оловянно-свинцовыми припоями, при работе в нагруженных узлах и коррозионных средах склонны к щеле­вой коррозии, поэтому применение этих припоев не рекомендуется. Высокотемпературная флюсовая пайка алюминия и его сплавов мо­жет производиться с применением газопламенного нагрева (наряду с другими способами нагрева). При этом используют бензиновоздуш­ные и газовоздушные смеси. Ацетилено-кислородное пламя непри­годно, так как оно снижает активность флюса.

При пайке, в подавляющем большинстве случаев, прочностные ха­рактеристики припоя и паяного шва (ав и а02) ниже, чем аналогичные характеристики соединяемых металлов. Поэтому для получения рав­нопрочных соединений при пайке внахлестку увеличивают площадь спая (рис. 2.27).

Рис. 2.27. Конструкции у. скш раллийных нидон для майки

Если такие соединения выполняются методом капиллярной пайки, то уже при их проектировании необходимо предусмотреть выточки и желобы для размещения припоя и флюса. Нахлесточные соединения во

во многом упрощают сборку деталей. Для обеспечения равнопрочнос - ти стыковых соединений при пайке необходимо увеличить площадь поперечного сечения деталей путем создания косых стыков (рис. 2.28).

Рис. 2.28. Конструкции различных паяных у злой, обеспечивающих равнопрочность соединения

Если речь идет о пайке чистых металлов (медь, алюминий, никель), то равнопрочность соединений обеспечивается без развитых поверх­ностей контакта, так как прочность применяемых для этих металлов припоев выше прочности соединяемых металлов. Важным фактором, определяющим прочность паяных соединений, является величина за­зора между соединяемыми деталями. При очень большом зазоре проч­ность соединения на разрыв практически близка к прочности припоя. С уменьшением зазора до определенного предела прочность растет. Это связано с эффектом контактного упрочнения мягкой паяной прослой­ки за счет сдерживающего влияния стенок и образованием в мягком паяном слое объемного напряженного состояния. Если припой актив­но взаимодействует с паяемым металлом, то с уменьшением зазора может изменяться химический состав припоя в шве, что может слу­жить как повышению, так и понижению прочности соединения. В очень узком зазоре могут возникать непропаи и, как следствие, снижение прочности соединения. Величина зазора при ответственной пайке ко­леблется в пределах 0,05...0,25 мм при высокой чистоте обработки по­верхности. При пайке неответственных деталей допускается более гру­бая поверхность (прокат) при зазорах 0,5...1,0 мм. Возможные дефекты в паяном соединении (непропай, поры, трещины) понижают прочность соединения. Предотвращение этого рода дефектов возможно при пра­вильном выборе припоев и флюсов, хорошей подготовке кромок, тща­тельной сборке, равномерном нагреве и контролируемом времени пай­ки.

Обычно сварка позволяет получать соединения с прочностью и пластичностью выше, чем у паяных соединений. Однако пайка дает эффект в следующих случаях:

• требование равнопрочности соединения с основным металлом отсутствует;

• нагрев до высоких температур недопустим или нежелателен;

• нужно с высокой точностью получить узел из собранных дета­лей сразу после их соединения;

• нужно произвести соединение деталей с низкой свариваемос­тью, но нельзя по той или иной причине применить такие спо­собы сварки как ЭЛ С, лазерная.

В судостроении пайка применяется для выполнения разного рода жестяницких работ (в основном это пайка мягкими припоями при различного рода ремонтных работах). Здесь применяются обычно припои на медной и серебряной основе, пайка ведется с помощью ацетилено-кислородного пламени. В судовом машиностроении с по­мощью пайки изготавливают лопатки паровых и газовых турбин, на­правляющие газовых турбин, радиаторов, теплообменников, холо­дильников, сильфонов и т. д. К ряду соединений в подобных узлах часто предъявляют требования жаропрочности, жаростойкости, стой­кости против газовой коррозии и пр. Поэтому при изготовлении уз­лов таких конструкций часто применяют металлокерамическую кон­тактно-реактивную и диффузионную пайку - эти способы позволяют получать паяные соединения высокой прочности.

Широко используется пайка в судовом приборостроении, при изготовлении деталей электро - и радиоаппаратуры (соединение ме­таллов со стеклом, керамикой, графитом).

Основные элементы технологии пайки любым способом следующие:

• очистка поверхностей, подлежащих пайке, от окисных пленок;

• флюсование, укладка припоя, сборка и фиксация деталей;

• нагрев до температуры пайки, выдержка и охлаждение (это и есть пайка);

• удаление остатков флюса с паяных деталей.

В такой последовательности составляется технологический про­цесс при пайке конкретных деталей. В этом процессе детализируются и конкретизируются проводимые операции, обеспечивающие полу­чение паяных соединений высокого качества.