Пайка и сварка

РЕФЕРАТ

По теме

Пайка и сварка

Пайка

Под пайкой понимают соединение двух металлических деталей при помощи припоя, температура плавления которого лежит ниже температуры плавления более легкоплавкой детали; благодаря этому детали могут быть разъединены при нагревании. Рабочий процесс пайки, кроме соединяемых металлических деталей, требует наличия припоя, мягкого или твердого, флюса и источника тепла для нагревания припоя и спаиваемых деталей. Важно также придать спаиваемым деталям форму, благоприятную для получения после пайки хорошего шва.

Флюс служит для устранения окисляющего действия кислорода воздуха на нагретые поверхности металлических частей и для получения хорошей смачиваемости их расплавленным припоем. Прежде почти для всех металлов применялся универсальный флюс; в настоящее время рекомендуется применять изготовляемые специальными фирмами особые флюсы, различные в разных случаях, состав которых, естественно, является секретом выпускающих их фирм. Эти флюсы, проверенные на опытах, дают значительно лучшие результаты, чем ранее применявшиеся кустарные средства.

В качестве источника тепла при мягком припое в большинстве случаев применяется паяльник, а также ванночки для нагревания и бунзеновская горелка. При пайке твердым припоем применяется паяльная горелка с дутьем, ванночка для нагревания или муфельная печь; последняя вместе с защитным газом представляет собой новейший метод пайки без применения флюса; этот метод вводится теперь повсеместно, в особенности для больших паяльных работ, а также в тех случаях, когда предъявляются высокие требования к прочности изделий.

а) Мягкими называются припои, температура плавления которых лежит ниже 400 °C.

1) Мягкие припои в значительной степени стандартизованы. Под названием «оловянный припой» подразумевают оловянно-свинцовые сплавы, служащие для пайки тяжелых металлов и их сплавов. Кроме стандартных припоев, известен еще целый ряд специальных припоев, которые изготовляются различными заводами для особых целей. Приведенные ниже данные облегчают выбор соответствующего припоя для различных случаев. Эти припои изготовляются в виде листов, пластинок, лент, фольг, стержней, цельной проволоки, полой проволоки с флюсом внутри, порошка, таблеток из порошка, смешанного вместе с флюсом. Некоторые особые сорта мягкого припоя поставляются только лишь в форме одного из указанных видов.

Из приведенных в таблице температур плавления видно, что эвтектический припой Snl.55 позволяет паять с наименьшим расходом тепла, в то время как более дешевые припои, как, например, SnL25, требуют значительно более сильного нагревания. Однако они применяются в таких случаях, когда необходимы большие количества припоя, например, в качестве заполняющего материала в пористых отливках. Все приведенные выше оловянные припои не содержат алюминия и цинка.

Кроме стандартных припоев, имеется еще много специальных мягких припоев с температурами плавления, лежащими между 56 и 360 °C. Легкоплавкие припои изготовляются с различными точками плавления, а именно: 56, 68, 95, 125 и 177 °C. Они представляют собой эвтектические мягкие припои и поэтому не обнаруживают никакого температурного интервала плавления. Вследствие низких и очень постоянных точек плавления эти сплавы пригодны для изготовления, например, плавких предохранителей, которые включают аварийные сигналы или размыкают ток в цепи, если нагревание проводников выходит за предельные значения.

Некоторые из таких сплавов чрезвычайно хрупки, не допускают изготовления проволоки или листов и поставляются только в виде литых стержней. Серию этих легкоплавких эвтектических припоев можно дополнить припоями с небольшими интервалами плавления в пределах от 300 до 320 °C и от 360 до 380 °C.

Особую группу среди мягких припоев составляют серебряные мягкие припои. Они имеют то же неприятное свойство, что и свинцово-оловянные припои — обнаруживают текучесть под действием длительной нагрузки. Опыты показали, что если две поверхности по 1 см², наложенные друг на друга, спаяны мягким серебряным припоем и находятся под действием перпендикулярной к ним статической нагрузки в 100 кГ, то предел текучести еще не достигается. Далее, серебряные мягкие припои хорошо допускают гальванические операции, их можно по частям покрывать лаками, требующими вжигания. Некоторые из этих припоев имеют, например, такие обозначения: WS141, легко растекающийся припой с температурой плавления 141° С. Применяется в особенности для пайки полупроводниковых германиевых приборов, а также для пайки деталей, которые закреплены в легкоплавких искусственных материалах.

WS200, температура плавления 200 °C. Гарантируется отсутствие свинца, применяется специально при последующей гальванизации.

WSAu температура плавления 270° С. Легко растекающийся припой, пригоден для пайки алюминия, в особенности для деталей, которые в дальнейшем покрываются лаками, требующими вжигания, гарантируется отсутствие свинца.

Все эти припои, включая специальные припои, паяются обычным образом. Если допускается присутствие незначительных количеств неорганических солей и хлора, можно пользоваться дешевым флюсом, имеющимся в большом количестве на рынке; но в тех случаях когда должно быть гарантировано полное отсутствие хлора, необходимо применять растворимые в воде смолосодержащие флюсы, которые часто поставляются в виде полых проволок, заполненных внутри флюсом.

Припой, устойчивый против коррозии под действием щелочей, можно получить в виде сплава, содержащего 25% индий, 37,5% свинца и 37,5% олова.

Для очистки места спая от флюса или остатков смолы лучше всего применить кипячение в щелочных растворах. Иногда возникают некоторые осложнения, например, припой скатывается в шарики, неправильно распределяется по поверхности или же недостаточно прилипает к ней; причиной этого часто является недостаточная мощность паяльника. Поэтому следует всегда применять возможно больший паяльник, который может обеспечить избыток тепла.

В настоящее время, в особенности в США, применяют электропаяльники, рабочая площадь которых состоит только из одной тонкой проволоки, имеющей в некоторых случаях маленький твердый наконечник. При таких паяльниках, пригодных для очень тонких и средних работ, экономится время и расход тепла. Время нагрева проволочных паяльников 5 сек, потребляемая мощность примерно 250 вт рекомендуется освещать место работы укрепленной вблизи лампой с небольшим рефлектором.

Упоминавшиеся уже выше полые паяльные проволоки, наполненные флюсом, применяются в большинстве случаев для небольших паяльных работ. Пользуясь ими, можно производить пайку и без паяльника, непосредственно расплавляя их в предварительно нагретом месте пайки.

Почти все описанные ниже материалы требуют применения особых методов. Тем не менее можно указать некоторые общие технические правила, которых следует придерживаться во всех случаях. Прежде всего, лучше пользоваться большим паяльником, чем маленьким, чтобы наверняка нагреть спай до необходимой температуры и не быть ограниченным во времени. Место спая должно быть чистым и смазано флюсом. Паяльник надо нагреть, в горячем состоянии напильником освободить от окалины, затем опустить во флюс или потереть о нашатырь, после этого паяльник следует залудить, касаясь им олова. Кончик или острие паяльника должно быть не круглым, а несколько плосковатым для лучшей передачи тепла спаиваемым предметам. Передаваемая тепловая энергия достаточна, если припой при нанесении на спаиваемый шов отделяется от паяльника тонким слоем и втекает в шов, не образуя при этом шариков или свободных от припоя островков. Слишком высокая температура паяльника при применении некоторых из упомянутых ниже материалов может привести к уменьшение прочности спая.

2) Пайка алюминия. Принимая специальные меры предосторожности, алюминий можно спаивать мягким припоем. Припой состоит из Sb, Zn и Cd, иногда с добавлением небольшого количества алюминия А1. Различают мягкие припои для пайки узких швов и более твердые, больше пригодные при изготовлении макетов. Обычные оловянные припои, вследствие содержания в них свинца, неприменимы! Успешно можно пользоваться чистым оловом. Обычный паяльник как источник тепла достаточен лить для пайки пластин толщиной 0,2 мм или тонких проводов. Поэтому применяют более эффективные источники тепла: горелки, ванну для погружения.

Различают три основных способа пайки: пайку трением, реактивную пайку и ультразвуковую пайку.

При пайке трением слой окиси на А1 разрушается механическим путем. При этом нельзя применять паяльную жидкость или нашатырь! Спаиваемый металл нагревают до плавления на его поверхности припоя, в которую последний втирают щетками, шабрами или шероховатыми пластинками. Залуженная таким образом поверхность алюминия припаивается затем обычным способом. Однако при таком способе припой никогда не затекает в швы, которые не были залужены. Для очистки поверхностей можно также пользоваться вращающимися инструментами с острыми гранями или щеточками; их вводят вместе со спаиваемыми деталями в расплавленное олово, в котором и происходит залуживание зачищенных поверхностей. Для этого имеются некоторые приспособления, похожие на маленькие электрические паяльники, например, для залуживания алюминиевых проволок.

При реактивном способе пайки применяется флюс, содержащий хлористый цинк. Около 280 °C начинается реакция с образованием дыма; соли проникают в оксидный слой и разрывают его. На чистой поверхности металла осаждается Zn, что предотвращает ее от нового окисления. После этого пайка производится с применением мягких алюминиевых припоев и заканчивается тщательным смыванием остатков солей.

При новом способе пайки пользуются ультразвуковым пистолетом, который с помощью излучаемых им колебаний разрушает пленку окиси на поверхности алюминия, что обеспечивает хорошее прилипание к нему мягкого припоя. Паять алюминий этим способом можно, выдерживая спаиваемую деталь в оловянной ванне при 250° С, в которую одновременно погружен и ультразвуковой пистолет; точно так же можно, подогревая деталь на горячей пластине, расплавить несколько шариков олопа на спаиваемой поверхности, которые затем с помощью ультразвукового пистолета распределяются на ней тонким слоем. После залуживания алюминия его паяют так же, как и все другие металлы. Слой полуды, который при этом способе получается на поверхности алюминия, пристает к ней настолько прочно, что его не удается снять ни в холодном, ни в горячем состоянии.

В качестве припоя следует применять чистое олово без флюса.

3) Чугун, вследствие высокого содержания в нем углерода, непосредственно не поддается залуживанию. Поэтому необходимо предварительно удалять углерод из поверхностного слоя чугуна.

Это достигается путем основательного травления, за которым следует очистка песком. Такую процедуру повторяют еще раз, затем чугун следует просушить. После этой предварительной обработки чугун можно лудить обычными приемами.

4) Нержавеющая сталь хорошо паяется обычными оловянными припоями, однако при залуживании требует специального флюса, значительно более активного, чем обычный. Можно применять один из следующих флюсов:

Соляную кислоту, насыщенную кусками цинка до прекращения выделения пузырьков водорода.

Жидкость с добавлением 25% чистой соляной кислоты.

Жидкость с добавлением 10% уксусной кислоты.

10—20% раствор ортофосфорной кислоты в воде.

Жидкость и 2—5% плавиковую кислоту, в особенности дли сталей, содержащих молибден, титан или ниобий.

После залуживания место спая тщательно промывают; окончательную спайку производят, применяя флюс, не вызывающий коррозии. Нержавеющие стали в месте спая могут стать хрупкими, если его температура превышала 260^е С. Поэтому не следует спай перегревать.

5) Платина легко образует с расплавленным припоем серый хрупкий сплав. Поэтому температура пайки ни в коем случае не должна быть выше и продолжительность нагрева больше, чем это безусловно необходимо для пайки. Целесообразно применять наиболее низкоплавкий припой и маленький паяльник.

6) Свинец и олово паяются низкоплавкими эвтектическими специальными припоями. Как олово, так и свинец можно и непосредственно, без припоя, приплавить, т. е. сварить.

7) Тантал непосредственно не поддается пайке. Но его можно предварительно покрыть слоем меди и затем паять.

8) Магний и электрон не поддаются пайке мягким припоем. Эти металлы не удается паять таким припоем даже с помощью ультразвука.

9) Вольфрам и молибден не поддаются пайке мягким припоем.

10) Некоторые сплавы, которые сами по себе совсем или почти совсем не поддаются пайке, все же возможно покрывать легко растекающимся слоем полуды, если на этих металлах предварительно отложить гальванический слой меди.

б) Пайка твердым припоем дает соединение двух металлических деталей с ограниченной возможностью их разъединения. Температуры плавления твердых припоев, обычно лежащие выше 600° С, должны быть всегда по крайней мере на 50° С ниже температуры плавления наиболее легкоплавкого из спаиваемых металлов. При твердой пайке, кроме твердого припоя, необходимо, как правило, применять флюс и соответствующий источник тепла; последним в основном и определяется выбор подходящего способа пайки.

В качестве флюса при пайке твердым припоем применяется большинстве случаев кашицеобразная смесь буры и воды. Кроме буры в продаже имеются для всех специальных случаев особые флюсы. Детали, предназначенные для пайки, следует возможно более тщательно очистить, обезжирить и плотно прижать друг к другу. Пайку сплавов благородных металлов и в особенности изделий, плакированных благородными металлами, следует производить в атмосфере защитного газа, предохраняя им всю нагреваемую поверхность от образования окалины.

1) Общие технические указания. Прежде всего необходима тщательная очистка швов от жира, для того чтобы они могли быть равномерно смочены припоем. После этого наносится флюс, и соединяемые части располагаются так, чтобы их взаимное расположение сохранилось при пайке; для этого применяются щипцы, наложение тяжестей или другие крепления. Необходимо предотвратить нежелательный отвод тепла! Флюс надо наносить в холодном состоянии. Нецелесообразно паяльник сначала нагревать, а лишь затем окунать его в флюс. Но нагревание флюса до 90 °C, несомненно, повышает его смачивающую способность.

Надо упомянуть, что в продаже имеются также газообразные флюсы. По патентованному методу газ, питающий горелку, пропускают через жидкость, в которой он обогащается парами флюса. Таким образом, в ряде случаев смачивание швов флюсом становится лишним; кроме того, не радо удалять остатки флюса после пайки.

Затем следует нагреть большую площадь около места спая горелкой, но не конусной частью пламени, а его передней широкой частью. Нагревать место спая следует до той температуры, при которой положенные на него кусочки припоя начинают легко плавиться и могут заполнить весь шов. Припой кладут с некоторым избытком, так, чтобы новые полости, образующиеся при остывании, также могли заполняться припоем. Шов должен быть возможно более узким, во всяком случае меньше 0,5 мм; оптимальные значения: 0,01—0,2 мм. Если применяется предохранительная газовая печь, то припой быстро всасывается в шов и уплотняет его, что обеспечивает большую прочность, чем при обычной пайке с флюсом.

После охлаждения остатки флюса удаляют осторожным постукиванием или травлением 10% азотной кислотой, а затем промывают горячей водой. Если необходимо абсолютно полное удаление остатков флюса, то можно воспользоваться имеющимися в продаже растворами, изменение цвета которых указывает на наличие остатков флюса. Флюс ил буры выделяет в вакууме большое количество газа!

2) Твердые припои. Известны три группы таких припоев: латунный припой с температурой плавления от 800 до 900 °C, серебряный и серебряно-кадмиевый припой с температурами плавления от 600 до 850 °C; кроме того, в особых случаях применяют чистые металлы, такие, как серебро, медь и 24-каратное золото.

Если на одной и той же детали необходимо провести последовательно несколько паек твердым припоем, то, применяя один и тот же припой, можно было бы повредить прежние пайки. Поэтому в таких случаях следует применять два или три припоя, температуры плавления которых различаются примерно на 30° С: «первый припой», «второй припой», «третий припой».

Новую группу припоев составляют так называемые припои с низкой температурой плавления и присадки, понижающие точку плавления. С помощью этих припоев становится возможным производить очень прочную и изящную спайку материалов при температурах значительно ниже их температуры плавления. Так, имеются паяльные палочки для алюминия, которые обеспечивают прочное соединение уже при 420° С, т. е. на 250° С ниже температуры плавления алюминия.

Таким приемом, применяя особый припой, можно паять оцинкованные детали без разрушения слоя цинка. При этом достигается прочность до 50 кГ/см². Медь, латунь, бронзу, нержавеющую сталь, никель, серебро и золото можно паять этим способом при 496° С, применяя специальный сплав. Имеются различные типы специальных припоев, которые служат для получения больших прочностей при повышенных температурах или устойчивости против коррозии в морской воде и горячих парах, для пайки в защитном газе и для применения в высоковакуумных приборах с прогревающимися местами спая.

Серебряные припои для благородных металлов

Специальным припоем является также «сильфос», состоящий из Ag-Cu-P. Он позволяет производить пайку сплавов медь — олово и медь — серебро без применения флюса. Выделяющийся при нагревании фосфор растворяет оксидный слой и образует предохранительную глазурь.

3) В зависимости от источника тепла методы пайки различаются следующим образом:

Латунные припои для железа и других металлов

а) С паяльной горелкой; для этой цели пригодно любое мягко горящее пламя, как, например, светильный газ — воздух, ацетилен — сжатый воздух; однако водородно-кислородное пламя здесь непригодно.

Р) Пайка джоулевым теплом и токами высокой частоты. Эти методы пайки дают возможность обеспечить ограниченный местный нагрев и применяются в основном для сложных деталей. Поскольку в таких случаях почти никогда не удается обходиться без специального приспособления, целесообразно применять этот вид пайки лишь в случае большого количества однородных деталей.

у) Пайка в атмосфере защитного газа. Этот метод сильно развился в последние годы. Он допускает изящные пайки, выполнение которых другими путями почти невозможно. При этом следует иметь в виду, что прочность спайки стальных деталей в защитном газе почти равна прочности самой стали. В качестве защитного газа применяют Нг, а также смеси H₂+N2, Н2+СО2 и др.

б) При пайке окунанием детали погружаются в жидкую металлическую ванну. Этот метод применяется в большинстве случаев для очень маленьких деталей. Он дает очень хорошо наполненные плотно запаянные швы. Кроме того, на деталь, подвергаемую пайке, можно одновременно нанести поверхностный слой цветного металла.

4) Латунные припои непригодны, если паянные твердым сплавом металлические детали должны нагреваться в вакууме, так как цинк испаряется из них и осаждается на более холодных стеклянных стенках. В таких случаях рекомендуется применять серебряные припои, не содержащие цинка.

а) Алюминий допускает без особых трудностей пайку специальными твердыми припоями, имеющимися в продаже. При атом необходимо применять специальный флюс, который в большинстве случаев содержит хлористый литий. Пайка производится таким же образом, как и пайка стальных деталей. Необходимо только обеспечить небольшой перепад температур между расплавленным припоем и плавящимся алюминием, чтобы последний не был поврежден. Железо может быть припаяно к алюминию, если оно в месте спая будет предварительно омеднено. С алюминием также можно спаивать медь, латунь и другие металлы.

Р) Молибден и вольфрам можно спаивать с другими деталями латунным припоем при большом количестве буры.

у) Проволоки диаметром меньше 0,1 мм, например для термопар, могут сгореть при внесении их в пламя.

К угольной микрофонной мембране М, закрепленной на пластине, снизу прижат уголь дуговой лампы с остро заточенным кончиком. В электрическую цепь включают предохранительное сопротивление и выключатель. Ток идет от мембраны к углю; при замыкании тока место касания уголька и мембраны сильно нагревается, и на мембране появляется накаленное резко ограниченное пятно, которое после охлаждения можно узнать по темному цвету. Спаиваемые проволоки выравниваются на мембране так, чтобы место спая приходилось как раз на пятне, после чего, пользуясь флюсом и серебром или оловом с паяльной жидкостью, производят пайку, замыкая в цепи ток.

В продаже имеются серебряные припои для пайки тонких проволок.

б) Титан можно паять с чистым алюминием и с алюминиевым припоем при помощи твердого никелевого или медного припоя. Но все операции при этом необходимо производить в газозащитной атмосфере.

е) Твердые металлы хорошо обрабатываются флюсом, состоящим из борной кислоты или силикатной смеси. Применяемый припой должен легко менять форму, чтобы выравнивать различие в уменьшении размеров при остывании стали и твердых металлов.

Рис. 1. Пайка тонких проволок.

Сварка

Та прочность, которая достигается при соединении деталей твердым припоем, для многих целей является недостаточной. Поэтому детали из одинаковых или подобных материалов сваривают вместе, добавляя вспомогательный материал или без него. Полученное таким приемом соединение является неразъемным.

а) Газовая сварка. Для нее применяется сварочная горелка, работающая в большинстве случаев на ацетилене и кислороде. Не так давно для лабораторий выпущен небольшой генератор ацетилена с емкостью около 1 кг карбида, кроме того, в продаже имеются небольшие стальные баллоны с ацетиленом, обеспечивающие еще более чистое выполнение работ. Установка пригодна, между прочим, и для многих жестяных работ. Она не требует наличия каких-либо особых знаний или приготовлений, дешева в изготовлении и в эксплуатации.

При сварке поступают следующим образом: после выбора соответствующей горелки прежде всего закрывают краны горелки. Вслед за этим открывают ацетиленовый кран на генераторе или на стальном баллоне, а затем — кислородный кран. После этого несколько приоткрывают ацетиленовый кран на горелке, зажигают вытекающий из него газ и поворачивают кислородный кран на горелке, открывая его до тех пор, пока у выхода горелки не возникает маленький острый конус пламени. Теперь горелка готова к работе. Свариваемую деталь сначала обрабатывают на некотором расстоянии вокруг места сварки, после чего легким прикосновением конуса пламени начинают расплавлять шов и, добавляя материал в виде сварочной проволоки, постепенно заполняют весь шов целиком. Чтобы приобрести некоторую уверенность в этих работах, начинающим следует попросить опытного сварщика показать им все операции сварки.

Этим способом могут быть сварены почти все железосодержащие материалы.