Пайка металла. История пайки

ИСТОРИЯ ПАЙКИ
При раскопках царских гробниц на территории древнейшего государства Вавилона учеными были найдены изделия из золота, носящие на себе следы пайки.
Так, в гробнице царицы Шубад, жившей в 3200-х годах до нашей эры, были найдены хорошо сохранившиеся золотые сосуды, ручки к которым были припаяны золотом или сплавом золота с серебром, золотые головные уборы.
Найденные при раскопках египетских пирамид многочисленные тщательно выполненные золотые украшения неопровержимо доказывают, что искусство паяния было хорошо известно в древнем Египте во втором тысячелетии до нашей эры.
Таким образом, раньше всего была осуществлена пайка благородных металлов (золота) твердыми припоями (золотом).
Золотой головной убор царицы Шубад
Фрагменты головного убора царицы Шуб-Ад, Британский музей

ИСТОРИЯ ПАЙКИ
Превращение древнего ремесла - пайки в один из важнейших технологических процессов современного производства произошло благодаря современной научно-технической революции. Бурное развитие техники в различных отраслях промышленности обусловило широкое ее применение, и в первую очередь в машиностроении и электронике и электротехнической промышленности. Это связано с тем, что пайка, как процесс формирования соединений материалов, осуществляется при температурах ниже температуры начала плавления паяемого материала и характеризуется возможностью автоматического ее регулирования, так как во многих случаях на границе паяемого материала и жидкого припоя устанавливается состояние локального равновесия, являющегося основой такого регулирования. При сварке плавлением и в твердой фазе значительно труднее реализовать локальное равновесие. Вследствие этого технология пайки существенно отличается от технологии сварки плавлением и сварки давлением и требует специальных технологических и вспомогательных материалов и оснащения.

ПАЙКА В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ
В настоящее время пайка наряду со сваркой является одним из наиболее распространенных способов получения неразъемных соединений в современном производстве.

МЕТОДЫ ПАЙКИ
Пайка легкоплавкими (мягкими) припоями
На зачищенную деталь наносят флюс, а затем нагретым и залуженным паяльником — припой.
После пайки остатки флюса удаляют.
Пайка твердыми припоями
Спаиваемые детали зачищают, плотно сжимают. Место соединения нагревают, на него наносят флюс, а затем припой.
После нанесения припоя по всему шву без пропусков спаянные детали охлаждают до температуры 100—120° и опускают в воду.

ДОСТОИНСТВА ПАЙКИ
Важнейшее достоинство пайки — формирование паяного шва при температуре ниже температуры автономного плавления соединяемых металлов. Это обстоятельство дает возможность вести процесс в условиях общего нагрева и позволяет:
осуществлять групповую пайку и широкую ее механизацию и автоматизацию, что обеспечивает высокую производительность процесса в крупносерийном и массовом производстве;
получать соединения в скрытых и малодоступных местах изделий, изготовлять тонкостенные изделия с большой плотностью паяных соединений и их объемным расположением за один нагрев, повышать коэффициент использования материала и снижать металлоемкость изделий;
соединять детали не только последовательно по контуру шва, как при сварке плавлением, но и одновременно, в том числе по поверхности, что обусловливает возможность варьирования прочности паяных соединений и конструкции изделий;
ограничиваться при пайке давлениями на порядок меньшими, чем при сварке давлением;
соединять разнородные металлические и неметаллические материалы и с большей разностенностью деталей, чем при сварке плавлением;
выбирать температуру процесса в зависимости от необходимости сохранения механических свойств материалов изделия после пайки, возможности совмещения нагрева под пайку с термообработкой и выполнения ступенчатой пайки;
обеспечивать плавность галтельных участков шва, а следовательно, высокую прочность и надежность их в условиях вибрационных и знакопеременных нагружений;
разъединять детали и сборочные единицы путем распайки при температуре ниже температуры автономного плавления паяемого материала и ремонтировать изделия в полевых условиях.

НЕДОСТАТКИ ПАЯННЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Особо важное значение имеют вопросы обеспечения равнопрочности паяных соединений. Как известно, препятствиями для достижения равнопрочности паяных соединений в ряде случаев являются более низкая прочность и пластичность большинства припоев по сравнению с паяемым металлом, литая структура в шве, высокое химическое сродство компонентов припоев с основой или компонентами паяемого материала, приводящее к росту прослоек химических соединений, развитие в паяном соединении диффузионной пористости, слабая активность газовых сред и флюсов при температуре пайки, нетехнологичность конструкции паяемых соединений и изделий, развитие остаточных паяльных напряжений в элементах и паяных соединениях и др. Однако потенциальные возможности повышения прочности паяных швов достаточно велики в связи с малым объемом литого металла в паяном соединении, развитием новых способов пайки и в первую очередь диффузионной пайки, достижениями в области интерметаллидного упрочнения сплавов в литом состоянии.

ПАЙКА И ЕЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ, ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
Паяние - процесс соединения твердых металлических тел при помощи промежуточного металла или сплава в расплавленном состоянии с последующей его кристаллизацией.
Пайка металла со стеклом
Пайка золотого кольца
Рисунок 1 - Структура паяных соединений

При пайке автономного плавления паяемого материала не происходит, так как процесс осуществляется при нагреве до температуры ниже температуры его солидуса. Однако паяемый металл контактирует с припоем в ином агрегатном (жидком) состоянии. При этом паяемый металл и припой, имеющие химическое сродство, представляют неравновесную систему, так как на их границе существует градиент концентраций и энергии. Поэтому процессы взаимодействия материалов при пайке связаны с обменом веществом и передачей энергии, происходящими специфическим образом. Такое взаимодействие базируется на взаимодополняющих феноменологических (макроскопических) и микроскопических методах анализа. Важнейшим феноменологическим методом анализа при этом является термодинамика.

Переход термодинамической системы паяемый материал — припой из неустойчивого состояния в более стабильное или метастабильное состояние происходит необратимо и состоит из двух стадий: активируемой и самопроизвольной неактивируемой. Энергетическим стимулом первой активируемой стадии перехода системы в более стабильное состояние при постоянном давлении р0 и температуре То служит непрерывное увеличение потенциальной энергии активации на границе двух фаз за счет кинетической энергии, а второй неактивируемой стадии — непрерывное уменьшение термодинамического изобарного потенциала системы (диффузионная стадия).

ТЕРМИНОЛОГИЯ
Припой - чистый металл или сплав, применяемый для соединения металлических деталей при паянии.
Припой должен обладать более низкой температурой плавления по сравнению с паяемым металлом.
Припой для пайки
Инструменты для пайки

ФЛЮСЫ
Флюс – химическое вещество, используемое для разрушения окисных пленок, улучшения смачиваемости паянных поверхностей и защиты их от окисления.
Общие требования к флюсам:
должны иметь высокую жидкотекучесть;
должны иметь стабильность химического состава;
должны иметь высокую активность в широком интервале температур;
улучшать условия смачивания поверхности паяемого металла расплавленным припоем;
должны предохранять поверхность паяемого металла и расплавленного припоя от окисления при нагреве в процессе пайки;
растворять окисные пленки на поверхности паяемого металла и припоя;
не вызывать сильной коррозии паяного соединения;
не выделять при нагреве ядовитых газов.

ТИПЫ ФЛЮСОВ
1) Твердые порошкообразные флюсы - смеси различных солей, применяются чаще всего при паянии тугоплавкими припоями (бура, борная кислота и их смеси).
2) Жидкие флюсы - водные растворы хлористых солей (хлористый цинк и хлористый аммония, спирт, глицерин и т. д.)
3) Газообразный флюс - хлоро-водородный газ, однако широкого распространения этот флюс не имеет.
4) Борорганические вещества . При сгорании этих веществ образуются окислы бора, которые и выполняют роль флюса.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИПОЕВ

ЭЛЕМЕНТЫ ПАЯННОГО СОЕДИНЕНИЯ
1) зазор между соединяемыми поверхностями;
2) галтель – валик припоя вокруг паянного соединения, образуемый после пайки;
3) паяный шов.

ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ ПАЯНОГО ШВА
Стадии процесса:
1) механическая зачистка поверхности изделия;
2) обезжиривание; 3) травление кислотами;
Иногда изделия перед паянием предварительно лудятся.
4) расплавление припоя;
5) растекание жидкого припоя по поверхности твердого металла и заполнение паяемого шва;
6) растворение основного металла у шва в жидком припое и взаимная диффузия металлов; 7) охлаждение и кристаллизация припоя в паяном шве;
8) обработка соединения после пайки (удаление лишнего припоя, флюса);
9) сборка.

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПАЙКЕ
При пайке шов должен быть обязательно прогрет до температуры начала плавления припоя (температуры солидуса).
Одновременно с прогревом паяного шва обычно происходит и расплавление припоя.

ЛУЖЕНИЕ ПОД ПАЙКУ
Лужение - нанесение тонкого слоя расплавленного олова на поверхность металлических изделий. Лужение производится для защиты металла от коррозии или для подготовки к пайке (лужёная поверхность лучше смачивается припоем).
Металл, наносимый на поверхность изделия, называется полудой.
Лужение чаще всего выполняется при подготовке деталей к паянию, а также для предохранения изделий от ржавления (коррозии). Иногда лужение производится для специальных целей, например перед заливкой подшипников.
В качестве полуд применяется чистое олово, а для неответственных деталей олово иногда заменяют более дешевым сплавом, состоящим из 5 частей олова и 3 частей свинца. Сплавы (оловянно-свинцовые) нельзя применять при лужении посуды для пищи.
Лудят двумя способами: натиранием (большие изделия) и погружением (небольшие изделия) в расплавленную полуду.
Процесс лужения состоит из трех основных операций: подготовки поверхности, приготовления полуды и лужения.

ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТИ К ЛУЖЕНИЮ
Поверхность, подлежащая лужению, должна быть тщательно очищена от грязи, окалины, жиров и т. д.
Очистка поверхности изделия производится до металлического блеска при помощи шабера, напильника, наждачной бумаги, кордовых щеток и т. д. Большие поверхности для облегчения работы травят разбавленной соляной или серной кислотой.

ОБЕЗЖИРИВАНИЕ
Обезжиривание- процесс удаления жиров и масла с поверхности металла.
Обезжиривание в органических растворителях
Детали погружают в ванну с бензином или керосином и затем волосяной щеткой очищают их поверхность.
Окончательная очистка производится во второй ванне с более чистым растворителем.
Затем протирают поверхности паяемого шва волосяными щетками, смоченными разведенной до кашицеобразного состояния венской известью.
При выполнении травления и нейтрализации следует работать в резиновых перчатках, фартуке и защитных очках во избежание ожогов и порчи одежды.

ТРАВЛЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
Удаление с поверхности металлов окислов, ржавчины и окалины в растворах кислот, солей или щелочей называется травлением. Травление осуществляется химическим и электрохимическим способами.

ХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ
Химическое травление стальных изделий выполняется путем погружения изделий в раствор серной или соляной кислот. При погружении изделия в растворы кислот во взаимодействие с ними вступают не только имеющиеся на поверхности металла окислы, но и металлическое железо.

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ
Очистка изделий методом погружения в травильную ванну в большинстве случаев требует значительного времени. Для ускорения процесса очистки применяется электролитический способ травления, при котором изделие помещают в качестве анода (анодное травление) или катода (катодное травление) в электролитическую ванну.
1 - ванна, 2 - катод, 3 - анод, 4 – электролит
Рисунок 2 – Электролитическое травление

СБОРКА И ЗАКРЕПЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ПЕРЕД ПАЙКОЙ
Во избежание смещения и перекосов сборных деталей при транспортировке и пайке они должны быть прочно скреплены друг с другом.
Для скрепления применяются различные вспомогательные жесткие приспособления, поддерживающие устройства, используется точечная сварка, развальцовка, обжимка, клепка, насечка, плотная посадка и т. п.

ТИПЫ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
соединения внахлестку;
соединения встык;
в ус;
ступенчатый шов;
тавровые;
угловые;
комбинации
стыкового соединения
телескопические.
Рисунок 3 – Типы паяных соединений

СТРУКТУРА ПАЯНОГО СОЕДИНЕНИЯ
1, 5 – соединяемые детали;
2 , 4 – зоны диффузии; 3 – припой
Рисунок 4 – Структура паяного соединения

ПАЯЛЬНИКИ
Основным инструментом при пайке легкоплавкими припоями служит паяльник. Простейший паяльник представляет собой медный брусок, заостренный с одной стороны и насаженный на стальной стержень с ручкой . Такой паяльник нагревают паяльной лампой, на газовой плите, примусе
Электрический паяльник, у которого подогрев постоянный, изображен на рисунке 5.
Рисунок 5 - Паяльник
Рисунок 6 – Паяльник импульсный
для ручного монтажа радиосхем
Рисунок 7 - Портативный плазменный аппарат Мультиплаз-2500М предназначен для ручной плазменной разделительной резки, сварки, пайки