Пайка — процесс соединения металлов в твердом состоянии припоями, которые при расплавлении затекают в зазор, смачивают спаиваемые поверхности, а при охлаждении, застывая, образуют паяный шов.
Пайка выполняется при температуре ниже температуры плавления материалов соединяемых деталей. Вместе с тем температура припоя, с помощью которого осуществляется пайка, должна быть несколько выше точки его плавления, а температура соединяемых деталей должна быть близка к температуре плавления припоя. Соблюдение этого условия необходимо для получения такой подвижности припоя, которая обеспечивает заполнение зазоров в швах между контактными элементами и обтекание их поверхностей.
Хорошее качество соединения пайкой может быть выполнено лишь в том случае, если припой смачивает контактные поверхности соединяемых элементов, а также обладает высокими капиллярными свойствами и обеспечивает заполняемость зазоров между соединяемыми элементами.
Металлургический метод соединения деталей с использованием припоя, имеющего температуру плавления ниже 450°С, называют мягкой пайкой. Сцепление припоя с металлом происходит благодаря адгезии припоя к металлу. Следует заметить, что температура плавления припоя для мягкой пайки 450°С принята условно.
Выполнение контактных соединений с использованием припоя, имеющего температуру плавления выше 450°С, называют твердой пайкой. Соединение припоя с металлом в этом случае обусловливается как адгезией, так и диффузией припоя в металл.
При пайке почти не происходит расплавления соединяемых элементов, поэтому паяные соединения легче ремонтировать.
Пайкой выполняются соединения практически между любыми одинаковыми металлами или сочетаниями разных металлов.
К числу металлов, которые легко паяются, относится медь. Однако добавление к меди легирующих элементов затрудняет процесс пайки, так как наличие в меди примесей изменяет свойства окисных пленок, являющихся препятствием для образования надежного соединения. Наряду с этим примеси в сплавах меди реагируют в процессе пайки и образуют хрупкие соединения. В этой связи при выполнении контактных соединений следует тщательно выбирать флюсы и припои.
Пайка алюминия связана с двумя основными трудностями. Во-первых, на алюминии имеется тугоплавкая окисная пленка, во-вторых, алюминий обладает высокой теплопроводностью при сравнительно низкой теплоемкости и большим коэффициентом линейного расширения. Поэтому в процессе пайки алюминиевых контактных элементов нагрев должен быть локализован, выбор флюса следует производить в зависимости от легирующих присадок, введенных в металл.
Особенности различных соединяемых металлов или их сочетаний предопределяют как технологический процесс пайки, так и припои, флюсы, оборудование, применяемое при пайке.
Структура паяных контактных соединений
Пайка имеет много общего со сваркой плавлением но между ними имеются и принципиальные различия. Если при сварке основной и присадочный металлы находятся в сварочной ванне в расплавленном состоянии то при пайке основной металл не плавится.
Соединение пайкой в общем случае представляет собой комплекс металлургического и физико-химического процессов, протекающих на границе основного твердого металла с жидким металлом — припоем. В зависимости от физико-химических свойств основного материала и припоя, а также условий и режима пайки спай, образующийся между ними, имеет различное строение. Условием соединения основного металла с припоем, как известно, является адгезия. При смачивании чистой металлической поверхности припоем и последующем его затвердевании протекают следующие процессы.
Если компоненты, входящие в состав припоя, не взаимодействуют с основным металлом до растворения в нем, то между припоем и этим металлом возникают межкристаллитные связи. Прочность сцепления затвердевшего припоя с основным металлом близка к прочности собственного припоя. Это определяется тем, что припой заполняет все неровности и микроуглубления, образующие развитую поверхность сцепления, значительно превышающую кажущуюся поверхность контакта.
В том случае, когда при температуре пайки или при более низких температурах возможно растворение одного металла в другом, помимо межкристаллитных связей происходит диффузия атомов припоя в паяемый металл и наоборот. Взаимная диффузия припоя и паяемого металла чрезвычайно чувствительна к температуре. Поэтому развитие этого процесса зависит от температуры пайки и продолжительности нагрева. При определенных температурах паяемый металл и компоненты припоя образуют на границе соединения интерметаллические прослойки.
Структура контактного соединения, выполненного пайкой, представляет собой зону, состоящую из слоя литого припоя, равного зазору между соединяемыми элементами и окруженного с обеих сторон продуктами взаимодействия припоя с основными металлами — прослойками интерметаллического типа различного состава - и областями взаимной диффузии.
Структура паяного соединения: 1— соединяемые проводники; 2 — области коррозии; 3 — интерметаллические прослойки; 4 — припой; 5 — область диффузии
Пайка алюминиевых проводов
Соединение и ответвление однопроволочных проводов сечением 2,5 - 10 мм2 пайкой выполняются после того, когда концы жил предварительно соединены двойной скруткой так, чтобы в месте касания жил образовался желобок. Место соединения нагревают пламенем пропан-бутановой горелки или бензиновой лампой до температуры начала плавления припоя. Затем с усилием натирают поверхности соединения палочкой припоя, введенной в пламя. В результате трения желобок очищается от загрязнений и облуживается по мере прогрева соединения. Таким образом запаивается все соединение.
Соединение и ответвление однопроволочных проводов пайкой
Соединение, оконцевание и ответвление изолированных алюминиевых многопроволочных проводов пайкой производят после ступенчатой разделки контактных участков алюминиевых жил и предварительного их облуживания. Концы жил вставляют в специальные формы, располагая их в середине и по центру трубчатой части таким образом, чтобы они касались друг друга. На жилы надевают защитные экраны для предохранения изоляции соединяемых жил от действия пламени. При больших сечениях жил дополнительно используют охладители. Внутренние поверхности форм предварительно окрашивают кокильной краской или натирают мелом. Места ввода жил в форму уплотняют листовым или шнуровым асбестом для предотвращения вытекания припоя.
Перед пайкой направленным пламенем нагревают среднюю часть формы, затем в пламя через литниковое отверстие вводят пруток припоя, который, расплавляясь, заполняет форму до верха литникового отверстия.
На рисунке показано соединение, подготовленное к пайке. Разработан и используется способ пайки поливом припоя. При этом способе подготовленные жилы со скосами под углом 55° укладывают в. форму, оставляя зазор между ними примерно 2 мм, остальные операции подготовки жил к соединению аналогичны выполняемым при соединении сплавлением.
В тигле расплавляется и нагревается примерно до 600°С (во избежание быстрого охлаждения) 7—8 кг припоя. Между тиглем и местом заливки припоя устанавливают лоток для стекания припоя, который крепят к голым частям жил. Припой заливается в форму через литниковое отверстие до тех пор, пока не произойдет сплавление торцов жил и заполнение формы. Припой рекомендуется помешивать и счищать окисную пленку с торцов жил скребком. Длительность пайки не превышает 1 - 1,5 мин.
Многопроволочные жилы с установленными на них формами, подготовленные к пайке: 1 — изоляция жилы, 2 — защитный экран, 3 — форма, 4 — жила, разделенная ступенчато, 5 — асбестовое уплотнение.
Соединение алюминиевых жил кабеля пайкой поливом расплавленного припоя: а — общий вид процесса пайки, б — шаблон для оформления концов жил; в — готовое соединение, 1 — припой, 2 — места пайки
Пайка медных проводников
Технология соединения и оконцевания медных жил пайкой одинакова. Пайка жил сечением 1,5 - 10 мм2 производится паяльником, а сечением 16 - 240 мм2 — пропан-бутановой горелкой или паяльной лампой; процесс пайки заключается в погружении в расплавленный припой или поливе места пайки расплавленным припоем.
Соединение и ответвление медных жил сечением до 10 мм2 пайкой выполняется после подготовки их контактных концов. Жилы скручиваются, покрываются канифолью, место пайки подогревается паяльником с расплавлением припоя в месте пайки или путем погружения соединения в ванночку с припоем. После того как место соединения смочено припоем и им заполнены зазоры между спаиваемыми концами, подогрев соединения прекращается.
Соединение и ответвление медных жил сечением 4 - 240 мм2 пайкой с применением контактной арматуры выполняется способом полива. Для этого припой в графитовых или стальных тиглях разогревают в электрической или газовой печи до температуры 550—600оС.
Подготовленные к соединению или оконцеванию жилы предварительно облуживаются, а потом вставляются в гильзу или наконечник. Стык жил проводов располагается в середине гильзы. При оконцевании жила вставляется в наконечник таким образом, чтобы ее конец находился заподлицо с торцом трубчатой части наконечника. Во избежание вытекания припоя на жилу между концом гильзы (наконечника) и краем изоляции подматывают асбест. Соединение при пайке располагается горизонтально. Полив припоя продолжают до заполнения объема между жилой и наконечником, но не более 1,5 мин. По окончании пайки следует немедленно (пока не остыл припой) протереть гильзу тканью, смоченной паяльной мазью, сгоняя и разглаживая при этом подтеки припоя.
Соединение проводников из разнородных металлов пайкой производится по той же технологии, что и соединение двух алюминиевых жил. При подготовке концов алюминиевых жил для пайки выполняется скос их концов под углом 55о либо ступенчатая разделка, после чего концы облуживаются. Пайка ведется непосредственным сплавлением в форме или поливом предварительно расплавленным припоем. Соединение и ответвление алюминиевых многопроволочных и однопроволочных жил может выполняться и в медных луженых гильзах.