Пайка — это технологический процесс получения неразъемных соединений металлов в нагретом состоянии посредством расплав­ления более легкоплавкого, чем соединяемые металлы, сплава, называемого припоем,

По существу и природе протекающих процессов пайку следует рассматривать как сочетание трех одновременно происходящих про­цессов: 1) нагревания паяемого металла до температуры расплав­ления припоя; 2) плавления припоя, взаимной диффузии припоя и паяемого металла, кристаллизации металла шва; 3) взаимодействия припоя с паяемым металлом и возникновения межкристаллитных

форм связи.

Таким образом, пайка представляет собой достаточно сложный и многообразный процесс.

При пайке существенную роль играют процессы диффузии, при которой могут образовываться или твердый раствор основного ме­талла в припое, или химическое соединение металла и припоя. Пред­почтительнее образование твердого раствора, так как он повышает вязкость и коррозионную стойкость паяного соединения. Процесс диффузии происходит на границе твердой и жидкой фаз и диффузия имеет неоднородный характер. Припой в результате диффузии проникает в основной металл по границам зерен последнего. Глу­бина диффузии определяется видом припоя й основного металла и режимом пайки, т. е. температурой и временем нагрева.

Пайка позволяет получать высококачественные соединения не только однородных материалов, но практически любых разнород­ных металлов и сплавов. В качестве источников теплоты при пайке используют газокислородное и газовоздушное пламя, электрона­грев в специальных печах и ваннах, пламенные печи, токи высокой частоты, индукционный нагрев, паяльники и т. п. Рассмотрим только пайку с нагревом газовым пламенем.

Различают два основных вида пайки: высокотемпературную и низкотемпературную (ГОСТ 17327-71). Температура плавления припоев для высокотемпературной пайки составляет свыше 550° С, а для низкотемпературной — ниже 550° С. При высокотемператур­ной пайке предел прочности соединения 500 МН/м2 150 ктс/мм); при низкотемпературной эта величина не превышает МН/м2

(5—7 кгс/мм2). В основу припоев с высокой температурой плавле­ния входят медь, цинк, кадмий и серебро, а в основу припоев с низкой температурой плавления — свинец, олово, сурьма.

Хорошо поддаются пайке чугун, сталь углеродистая и леги­рованная, медь и ее сплавы, никель и его сплавы, алюминий. Пайка — достаточно производительный процесс, легко механизи­руемый при массовом производстве, обеспечивает необходимую прочность и герметичность соединений, не вызывает изменения структуры основного металла. К недостаткам пайки относятся: необходимость применять преимущественно соединения внахлестку; более низкая прочность и пластичность соединений по сравнению с подобными характеристиками основного металла; необходимость расхода дефицитных металлов (олова, серебра и др.); более высо­кие требования к подготовке деталей под пайку.

Аппаратура для пайки. В качестве основного инструмента при ручной и механизированной пайке служит горелка. В зависимости

от вида припоя, характера паяного соединения и организации тех­нологического процесса используют различные виды горелок — кис­лородно-газовые, однопламенные и многопламенные, инжекторные и безынжекторные, газовоздушные, вихревые и пр. Для повышения производительности применяют мундштуки той формы, которая наиболее соответствует конструкции паяного соединения. Широко применяют горелки, работающие на заменителях ацетилена — про­пане, природном газе, городском газе, керосине, бензине и т. п.

Мощность горелки подбирают в соответствии с видом припоя и паяного соединения. Многопламенные мундштуки обеспечивают более равномерный нагрев поверхности пайки. Кроме того, сокра­щается размер ядра пламени и нагрев можно вести при меньшем

расстоянии от поверхности металла, что на 15______ 20% увеличивает

эффективную мощность пламени. Многопламенные горелки рекомен­дуются для пайки крупногабаритных деталей со швами значитель­ной длины.

Припои. Припои выпускают в виде проволоки, прутков. полос> фольги, порошковой проволоки, порошков, пасты и пр. Предъяв­ляемые к припоям требования следующие.

1. Температура его плавления должна быть на 50______ 50° ниже

температуры паяемых металлов.

2. Припой должен быть жидкотекуч, хорошо растекаться, про­никая в щели зазора, поры и хорошо смачивая металл.

3. Припой и металл должны взаимно диффундировать и обра­зовывать сплав.

4. Необходима примерно одинаковая стойкость против коррозии припоя и металла.

5. Припой не должен быть красноломким.

6. При пайке разнородных металлов следует применять плас­тичные припои.

7. Припой должен удовлетворять требованиям, предъявляемым к внешнему виду изделия, и по возможности не содержать дорогих и дефицитных компонентов.

Все припои для высокотемпературной пайки, применяемые в' промышленности", можно разбить на следующие группы: медные, медно-цинковые (латуни), серебряные, медно-фосфористые.

Медные припои прочны, пластичны, но требуют высокой тем­пературы нагрева. Применяют их для пайки стали преимущественно в печах с защитной атмосферой. При газопламенной пайке их исполь­зовать не следует ввиду возможности появления трещин при юс - становлении закиси меди водородом продуктов сгорания пламени горелки.

Медно-цинковые припои применяют при пайке стали, чугуна и медных сплавов, меди, бронзы, никеля. Лучшие результаты дает

припой мяпыл ЛОК 62-06-04, содержащий 60—63% Си, q 3______ g ^0/

Sn, и’4 и>Ь/о si, остальное — цинк. Температура плавления ’ его 905° С, предел прочности 450 МН/м2 (45 кгс/мм2). Кремний и олово в припое играют роль энергичных восстановителей, предохраняю-

144

щих цинк от окисления и испарения. Кремний при восстановлении окислов цинка окисляется до кремнезема, соединяется с флюсами и образует боросиликаты, которые всплывают на поверхность жидко­го металла, покрывая его пленкой, препятствующей окислению и испарению цинка. Олово способствует растеканию припоя по ме­таллу и улучшает заполнение зазоров и пор. Припой ЛОК 62-06-04 обеспечивает плотный, беспористый паяный шов с высокими меха­ническими свойствами. Процесс пайки происходит без выделения паров окиси цинка, что улучшает условия труда в цехе. Этим при­поем можно паять сосуды, работающие под давлением до 2,5 МПа (25 кгс/см2). Серебряные припои содержат, кроме серебра, медь и цинк. Для снижения температуры плавления в эти припои добав­ляют кадмий, фосфор и другие элементы. Температура плавления серебряных припоев 720—870° С. Их можно приметить для пайки всех черных и цветных металлов, кроме алюминия и цинка, имеющих более низкую температуру плавления, чем припой. Швы получаются с высокими механическими свойствами, коррозионностойкими, хо­рошо работают при изгибающих, ударных и вибрационных нагруз­ках. Ассортймент серебряных припоев очень широк. В зависимости от содержания серебра выпускаются припои марок от ПСр 10 до

ПСр 70.

Медно-фосфористые припои находят широкое применение в элек­тропромышленности и служат заменителями припоев ПСр 25, ПСр 45 и низкотемпературного припоя. Их используют только для пайки меди и латуни. Для пайки черных металлов они непригодны, так как не смачивают поверхности спая и в пограничных диффузионных слоях образуют хрупкие фосфиды железа. Они непригодны также для деталей, работающих при ударных вибрационных нагрузках. Вместо припоя ПСр 25 и ПСр 45 при пайке меди и латуни исполь­зуют припой ПСр МФ 15-80-5 состава 15% Ag, 5% Р, остальное — медь.

Припои для низкотемпературной пайки приготовляют на основе оловянно-свинцовых сплавов различного состава. В зав|АТУ(ш|о/ от содержания олова используют припои марок от ПОС §0 /о

gn доПОС 18 (17___ 18% Sn). Применяют также сурьмянистые низко­

температурные припои марки ПОСС-4-6. Температура плавления этих припоев колеблется от 222—183° С (ПОС 90) до 277—183° С (ПОС 18). Предел прочности 28—59 МН/м2 (2,8—5,9 кгс/мм2). Наи­большее распространение получили припои марок ПОС 25, ПОС 30, ПОС 40 и ПОС 50.

Для пайки алюминия и его сплавов используют специальные припои. В качестве низкотемпературных припоев применяют сплавы состава: 1) 50% Zn, 45% Sn, 5% Al; 2) 20-25% Zn, 2-6% A1> остальное — олово. Швы алюминия, паянные низкотемпературными припоями, склонны к коррозии, и их необходимо покрывать защит­ными пленками. Для высокотемпературной пайки алюминия исполь­зуют припои, содержащие не свыше 70% А1, представляющие собой тройные сплавы Si — Си — А1, с температурой плавленім 525° С

145

состава: ’ Si, 26—29% Си, остальное — алюминий.

С. А. Лоцманов припой 34А, получаемый сплавлением

(50—60%ператте"Топ? о7І/ии С двух стандартных сплавов: № 1 Си, остальное алюминий) и № 2 /о, Si, осталь­ное — алюминий). Швы алюминия, паянные^ныёокОтемператур - ными припоями, имеют удовлетворительную стойкость против кор­розии.

Флюсы для пайки. Флюс удаляет пленку окислов, предохраняет металл от окисления, улучшает смачиваемость металла и способ­ствует затеканию припоя в зазоры между паяемыми деталями. испаренияР-З- плавления флюса должна быть ниже, а температура выше температуры плавления припоя. Задача флюса — раскислять окислы или связывать их в легкоплавкие и легкорас­творимые химические соединения. Более низкая плотность флюса обеспечивает его всплытие на поверхность расплавленного припоя и удаление из шва. Применяют флюсы в виде порошков, пасты и газа.

Для высокотемпературных припоев типа латуней применяют флюсы с температурой плавления выше 750° С. Для более низкотем­пературных серебряных припоев используют флюсы с температурой плавления ниже 750°Х g тугоплавких флюсов используют

TexHH4(Na2B40,.''HJ0^ а2Й4°7'10Н2°) и™ лучшр —прокаленную

буру — 2 которая не сдувается-7 пламенем горелки.

Буру применяют при пайке низкоуглеродистых сталей и меди при­поями, имеющими температуру плавления выше 800° С. Для пайки коррозионностойких сталей и жаропрочных сплавов применяют специальные флюсы № 200 и № 201, способные растворять окис - ные соединения, присутствующие на поверхности этих сталей. Для пайки серебряными припоями используют флюсы № 209 и 18-В.

Составы всех этих флюсов следующие (%):

Ко

Борная КИСЛ«та <НэЩ>................................................ 70

Борный ангидрид (В2О3)...................................

Бура......................................................................

Фтористый кальций (CaF2)....................................... 9

Лигатура (А1 —Сц—Мд)...................................

далЧй. обезвоженный (KF)

Фтороораткалий (KBF4)...................... ' ■ *■ ’■

Флюс 18-В менее активен, чем флюс № 209.

* В2Оя, тугоплавких флюсах активная их часть — борный ангидрид СиО • В20зУпая в реакцию с окислами, образует бораты

и др. В легкоплавких флюсах при пайке cep&3£feB*j@§i; или медно-фосфористыми припоями входящие в состав флюса гало­идные соли растворяют окислы, а борнокислые соли образуют хими­ческие соединения, увеличивая активность флюса. Для пайки низ­котемпературными припоями в качестве флюса применяют водный раствор хлористого цинка (10—30%), канифоль или ее раствор в 146

ортофосфорной кислоте и спирте и др. Для низкотемпературной пай­ки алюминия применяют следующие флюсы, ' разработанные

Фтористый натрий.................... 5% 4. Хлористый цинк...................... 90%

2. Хлористый цинк....................... 90% Хлористый аммоний................... 8%

Хлористый аммоний............... 10% Фтористый натрий....

При высокотемпературной пайке алюминия применяют флюсы, действующие также, как и флюсы для сварки алюминия и его сплавов, которые образуют легкоплавкие фтористые и хлористые соединения, хорошо растворяющие пленку окиси алюминия. Дей­ствие ЭТИХ флюсов ДОЛЖНО Проявляться При более НИЗКОЙ (450— 550° С) температуре, чем флюсов для сварки. Это обеспечивается добавлением во флюс хлористого лития. Разработанный С. А. Лоц­мановым флюс 34А имеет состав: 25—35% хлористого лития, 8— 15% хлористого цинка, 12—18% фтористого калия, хлористый калий — остальное. Флюс имеет температуру плавления 420° С. Для пайки трещин в алюминиевом литье применяют флюс состава: 8—10% фтористого натрия, 10—15% хлористого бария, 15—20% хлористого натрия, 30—40% хлористого цинка, хлористый калий — остальное.

Конструкции соединений. Чем тщательнее подогнаны детали и чем больше площадь спая, тем выше прочность паяного соедине­ния. Преимущественно применяют соединения внахлестку. Зазор должен быть минимальным и для серебряных припоев равным 0,05—0,03 мм, при трубчатых элементах 0,2—0,25 мм. Величина зазора особенно влияет на прочность пайки металлов с высоким пределом прочности. При пайке меди величина зазора оказывает меньшее влияние на прочность соединения. При низкотемператур­ной пайке применяют только соединения внахлестку, длина нахле­стки составляет 3—60 мм, в зависимости от толщины металла и тре­бований к изделию. При толщине 2—5 мм и давлении 0,5 МПа (5 кгс/см2) ширину нахлестки принимают не менее 40 мм, шов рассчитывают на срез.

Подготовка металла к пайке. Поверхности паяемых деталей тща­тельно очищают от загрязнений, окалины, окислов жира и пр. механическими способами или травлением в кислотах с последую­щей промывкой и сушкой. Не рекомендуется применять пескоструй­ную очистку, так как оставшиеся на металле песчинки затрудняют смачивание.

Техника пайки. При низкотемпературной пайке на очищенные поверхности металла наносят флюс и нагревают место спая паяль­ником или пламенем горелки. При этом флюс испаряется, а расплав­ляемый припой затекает в зазор. Для лучшего затекания припоя поверхности в месте спая предварительно облуживают припоем и после этого узел собирают и паяют.

При высокотемпературной пайке детали закрепляют в кондук­торе с заранее установленным зазором между паяемыми поверхно-

стами и величиной нахлестки. Нагрев ведут широкой частью пла­мени. Окислительное пламя обеспечивает более плотный шов, но внешний вид шва хуже. Легче паять пламенем с избьпком ацети­лена, поскольку при этом снижается возможность перегрева при­поя, а более мягкое пламя не выдувает флюс. При пайке разно­родных металлов пламя направляют на более толстый и более теп­лопроводный металл с целью равномерного нагрева деталей. По­скольку припой стремится всегда затекать на более нагретое место, пламя следует держать так, чтобы оно было направлено на место спая.

Флюс наносят в момент пайки на нагретое место деталей. При­пой также покрывают флюсом. Припой расплавляют теплотой на­гретых деталей, касаясь их концом прутка припоя. В пламени припой плавить не следует. После окончания пайки припой должен медленно остывать вместе с деталью. При пайке цветных металлов их можно охлаждать в воде. При этом бура, входящая в состав флюсов, хорошо удаляется с поверхности паяного шва. Полевой шпат, если он входит в состав флюсов, удаляют промывкой в горя­чей воде. Для удаления остатков буры и флюсов можно применять также травление в 10%-ном растворе серной кислоты с последующей промывкой в воде.

При пайке алюминия место пайки очищают тонкой проволочной щеткой, промывают бензином с целью обезжиривания с последую­щим травлением слабым раствором азотной кислоты. Затем место пайки подогревают пламенем горелки до температуры начала плав­ления флюса, наносят флюс, вводят в спай припой и расплавляют последний. После пайки шов очищают от остатков флюса и излиш­него припоя. От флюса очищают тщательной промывкой в теплой воде и протиркой чистой тканью. При пайке алюминия применяют только соединения внахлестку. Получаемые швы не обладают до­статочной пластичностью. При массовом производстве процесс газопламенной пайки однотипных деталей механизируют. При этом сохраняется часть ручных операций, как, например, сборка дета­лей, нанесение флюса, подача припоя. Припой также заранее за­кладывают на место спая в виде колец из проволоки. Этот способ наиболее целесообразен и экономичен при пайке трубчатых соеди­нений.