Пайка стали, меди, алюминия, нержавейки, оцинковки

Отличия пайки металла от сварки

Существует два основных метода скрепления двух металлов: cварка и пайка. В первом случае элементы скрепляются за счет расплавления кромки металла. Это может быть как нагрев, так и скрепление при помощи нагнетания давления. В случае пайки заготовки скрепляют между собой при помощи присадочного материала – припоя.

В некоторых случаях пайка является более щадящим и экономичным способом скрепления заготовок. Также пайка обладает рядом преимуществ:

Обе детали не нагреваются да температуры плавления. Таким образом получается сохранить их физические и химические свойства.
Заготовки не требуют тщательной очистки и обработки, как это требуется при сварке.
Оборудование для пайки стоит намного меньше, чем сварочные аппараты.
Возможность изготовления сложных узлов и конструкций.
Прочность полученного стыка. Детали не гнуться и не деформируются после спаивания.

Рассмотрим подробнее методы пайки разных металлов.

Где применяется?

Технология пайки занимает почетное второе место по частоте использования для соединения материалов. Первенство принадлежит сварке. Однако существуют сферы, где по определенным причинам невозможно применить сварочное оборудование и достойной альтернативы пайке не существует. Утверждение справедливо для следующих отраслей промышленности:

Производство электронных плат управления. Для крепления миниатюрных компонентов применяют спаивание.
Холодильное оборудование. Медные трубки, теплообменники соединяют только с помощью пайки. Ремонт радиаторов для наземного транспорта и спецтехники осуществляют с применением данной технологии.
Соединение высоколегированных сплавов, которые плохо поддаются действию сварки.
Авиационная промышленность. Промежуточный слой обшивки самолетов имеет сотовую структуру. Для ее производства используют пайку в термических печах.

Технологию применяют в тех случаях, когда прочие виды соединения, такие как клепка, склеивание или болтовое, невозможно применить по каким-либо причинам. Важным условием является отсутствие требований по высокой прочности контакта.

Пайка цветных металлов

Изделия из цветных металлов требуют точной подгонки. Именно поэтому их чаще паяют, а не варят. Изучим отдельные виды цветных металлов и их скрепление при помощи пайки.

Важно:

Всегда фиксируйте обе заготовки при помощи тисков, струбцин либо других крепежных элементов. Особенно, если вы работаете с габаритными деталями. Колебания или сдвиги во время пайки могут перекосить шов, припой может стечь. Это повлечет за собой хрупкость стыка и со временем на нем могут образоваться трещины или свищи.

Пайка меди

Медь – это довольно часто встречающийся металл в повседневной жизни. Водопроводные трубы, электрические кабели, электронные компоненты – все они частично или полностью состоят из меди.

В основном существует два метода пайки меди:

Высокотемпературная (рабочая температура порядка 600 ˚С);
Низкотемпературная (рабочая температура до 450 ˚С).

В рамках данной статьи мы рассматриваем пайку в домашних условиях, поэтому возьмем низкотемпературную технологию.

Для пайки меди вам потребуется:

Припой. В основном его изготавливают из сплавов олова (95—97 %) с медью, сурьмой, висмутом, серебром, селеном. Лучшими свойствами обладают серебросодержащие припои. Широкое применение получили и трёхкомпонентные виды, в состав которых входит олово, медь и серебро. Использование оловянно-свинцовых припоев на производстве ограничено из-за вредности свинца. В домашних условиях также стоит поберечь свои легкие от паров свинца. Используйте активную вытяжку.
Флюс для пайки меди (активированный, кислотный, некислотный, антикоррозийный).
Газовая горелка.

Информация:

На крупных производствах и заводах часто используют паяльную пасту. Чаще всего в ее состав входят: флюс, маленькие частицы припоя и специальные добавки.

Рассмотрим пошаговую технологию пайки двух медных элементов:

На обе детали наносят флюс. Им покрывают место стыка и область, на которую будут наносить припой.
В место стыка закладывают припой. Это может быть оловянная проволока или специальная паста.
Полученное соединение нагревают при помощи газовой горелки. Припой распределяется по месту стыка, а также частично на область около пайки.
Полученную заготовку оставляют остывать. В этот момент нельзя крутить или гнуть полученную деталь. Место стыка должно полностью остыть, чтобы припой смог полностью затвердеть.
Остатки флюса удаляют при помощи абразивной щетки.

Важно:

Не направляйте открытый огонь прямо на припой. Он должен расплавиться и заполнить собой шов вследствие нагрева кромок деталей.

Пайка алюминия

Алюминий достаточно капризный материал. Многие эксперты считают, что в домашних условиях скрепить две алюминиевые заготовки просто невозможно, так как место скрепления необходимо прогревать до температуры порядка 600 ˚С, а это чревато прогоранием самого листа алюминия.

Но это утверждение не совсем верно. Спаять два элемента из алюминия можно, если использовать особый флюс и припой. Рассмотрим подробнее все компоненты, которые понадобятся для работы с алюминием:

Припой. Лучше всего для работы с алюминием подходят припои в составе которых есть: кремний, алюминий, медь, серебро и цинк. К таким можно отнести отечественный припой «34А» или его зарубежный аналог «Aluminium-13».
Флюс. Лучше, если в его составе будет фторборат аммония с добавлением триэтоналомина. Некоторые используют обычную буру.
Паяльник, мощностью не менее 100 Вт.

Полезно:

Припои с высоким содержанием цинка обладают лучшими антикоррозийными свойствами.

Пошаговое руководство по пайке алюминиевых заготовок:

Зачистить обе заготовки от грязи и пыли.
Удалить при помощи наждачной бумаги оксидную пленку. Эту операцию проделывают с целью уменьшения оксидного слоя, который моментально образовывается на поверхности алюминия.
На место соединения наносят флюс.
Припой закладывают равномерно и постепенно, не подвергая постоянному нагреву поверхности алюминиевых заготовок.
Полученный стык зачищают при помощи металлической щетки или мелкой наждачной бумаги.

Пайка листов жести

Обычная жесть скрепляется довольно просто. Металл без примесей или нанесения чаще всего дает ровный шов и не меняется под воздействием высоких температур. Для пайки жести потребуется:

Припой. В основном используют припои на основе олова и сурьмы. К ним относят ПОС-40 или ПОС-30. В некоторых случаях используют ПОС-90, в состав которого входит свинец.
Флюс. Подойдет как соляная кислота, так и обычная канифоль. Свежая оксидная пленка на жести удаляется очень легко.
Паяльник мощностью не менее 40 Вт.

Технология пайки:

Зачистить жестяные элементы от грязи и пыли.
Нанести канифоль на место стыка.
Положить припой на стык и при помощи паяльника расплавить его.
Зачистить полученное место при помощи мелкой наждачной бумаги или металлической щетки для ровного шва.

Пайка оцинкованного железа

В отличие от обычной жести, оцинкованное железо имеет ряд специфических характеристик. Во-первых, цинк на поверхности листа испаряется при температуре 960 ˚С. Поэтому не рекомендуется использовать мощные горелки в работе с оцинкованным листом.

Во-вторых, не все припои подходят для работы с оцинкованным железом. Например, крайне не рекомендуется использовать припой ПОС-90, так как он разрушает структуру листа.

Компоненты для пайки:

Припой. Лучше всего выбрать ПОС-30.
Флюс — борная кислота или хлористый цинк.
Паяльник мощностью не менее 40 Вт.

Технология спайки двух элементов из оцинковки аналогична работе с обычной жестью. Главное — греть место спайки равномерно, не допуская перегрева отдельных областей.

Пайка нержавеющей стали

Нержавеющая сталь — это сплав, в котором присутствует никель и хром, а также титан. Пайка нержавейки немного отличается от аналогичной работы с обычным или оцинкованным железом. В зависимости от количественного содержания того или иного металла в составе нержавейки, она будет иметь разные физические характеристики.

Так, лист с большим содержанием никеля при температуре 500 — 700 ˚С может выделять карбидные соединения. Подобные листы подвергают равномерному и быстрому нагреву, чтобы избежать разрушения структуры материала.

Рассмотрим необходимые компоненты:

Припой. Его выбирают в зависимости от условий пайки. В условиях открытой местности или повышенной влажности отдают предпочтение припоям на основе серебряных сплавов с незначительным содержанием никеля. В сухих помещениях или доменных печах используют хромникелевые или серебряно-марганцевые припои. Для первичного лужения двух деталей используют обычный припой на основе олова и свинца.
Флюс — бура в виде порошка или пасты.
Мощная газовая горелка выдающая температуру свыше 800 ˚С. Пригодится паяльник с мощностью выше 100 Вт для первичного лужения.

Пошаговая технология пайки:

Тщательно зачистить места соединения двух элементов из нержавейки.
Закрепить оба листа и на место стыка нанести флюс из паяльной кислоты.
Место стыка залудить тонким слоем припоя на основе олова. На этом этапе используют обычный паяльник. Следите за тем, чтобы припой не скатывался с листа. Если этого избежать не удалось, предварительно прогрейте листы и повторите лужение.
Повторить лужение флюсом.
Спаять оба листа, используя припой в зависимости от условий пайки. На этом шаге используйте газовую горелку.

Важно:

Если припой скатывается с листа даже после предварительного прогревания, используйте металлическую щетку. Она помогает удалить оксидную пленку, которая может оставаться на залуженной поверхности после нанесения флюса.

Разновидности

Скелетная

Скелетной называется технология, при которой под слоем припоя рассматривается базовая поверхность. Характеризуется экономным потреблением металла для пайки и удобством визуального контроля. Применяется при работе в электротехнической сфере, в частности для соединения проводов.

Волновая

Данный вид пайки применяют для крепления элементов на печатные платы. Волновой метод был разработан в 50-х годах ХХ века, с активным внедрением электронных схем в различные приборы бытового и промышленного назначения. На массовом производстве действуют полностью автоматизированные линии.

Одной из разновидностей волновой, является селективная пайка. Она характеризуется избирательностью воздействия припоя. Ее применяют для обработки элементов, монтируемых в отверстия.

Холодная

Холодная пайка – это метод, при котором соединение образуется за счет взаимного проникновения элементов друг в друга. Скорость реакции зависит от температуры и продолжительности контакта. Одна из самых простых схем для пайки. Применяется для соединения полиэтиленовых и полипропиленовых изделий.

В бытовых условиях холодный метод применяются для монтажа линолеума и ремонта труб из полиэтилена.

К рассматриваемой технологии имеет косвенное отношение.

Бессвинцовая

Современная технология, которая начала активно развиваться после ужесточения требований по экологической безопасности. В настоящее время все Японские производители электроники полностью отказались от использования свинцовых припоев. В качестве рабочего сплава в бессвинцовом методе применяют комбинацию олова, серебра, цинка и меди. Соотношение и добавочные элементы зависят от сферы деятельности.

Контактная

Вид пайки, при котором соединяют детали с различными составами. Технологический цикл включает в себя кратковременное изменение агрегатного состояния контактной области. Для надежного скрепления часто используют прослойку, которая помогает добиться нужного результата. Несоблюдение данного правила ведет к тому, что прочность контакта будет очень низкой. Расходные материалы называют эвтектиками. Так можно соединить медь с алюминием, где между деталями будет алюминиево-медный сплав. Отличительная особенность – высокая скорость реакции.

Высокотемпературная

Отличительная особенность данного способа спаивания – высокая температура воздействия на заготовку. В результате соединение будет обладать устойчивостью к перепадам температур, а также высоким показателем крепости. За качестве придется платить – данный метод считается наиболее сложным, с технологической точки зрения.

В отдельных случаях температура должна достигать 1000 Сº. По этой причине при высокотемпературной пайке невозможно использовать обычные паяльники – требуются более мощные генераторы тепловой энергии.

Индукционная

В качестве источника тепла используется высокочастотный ток, который воздействует на соединяемые изделия. Генератор являются специальные индукторы, которые можно изготовить самостоятельно. Существуют установки стационарного и мобильного типа.

Во избежание активации окислительных процессов, работы проводят в вакуумной среде. Разрешено соединять детали при атмосферном воздухе, при условии использования специальных самофлюсующихся припоев.

Инфракрасная

Еще один современный способ, в основе которого лежит принцип нагрева заготовок электромагнитными волнами. Нагревательные элементы изготавливают из кварца или керамики.

Инфракрасная паяльная станция – сложный прибор, стоимость которого не позволяет применять его в бытовых условиях. Основное преимущество заключается в том, что электромагнитные волны невидимого спектра не представляют угрозы здоровью человека.

Капиллярная

Наиболее распространенный способ спайки изделий. Суть технологии заключается в том, что при увеличении температуры пропой, нанесенный на поверхность, расплавляется и занимает все пространство между соединяемыми деталями.

Метод используется как в быту, так и на производстве. В основе любого метода лежит капиллярная технология, как сама идея пайки – нанесение на поверхность горячего припоя.

Пайка черных металлов

Качество скрепления стальных изделий зависит от нескольких факторов:

марки стали;
пористости заготовок;
уровня очищенности стыковочного шва.

В качестве припоя выбирают оловянные или латунные сплавы. Их используют в зависимости от поставленной задачи. Более простой способ — использование олова. С ним проще работать, однако, конечный шов не будет обладать высоким уровнем прочности.

Припои на основе латуни намного прочнее, но для работы с ними потребуется особое оборудование.

Рабочий процесс на подготовительном этапе практически не различается. В обоих случаях детали зачищают от грязи и ржавчины. Фиксируют при помощи струбцин или тисков. В качестве флюса используют обычную ортофосфорную кислоту. После этого наступает этап самой пайки.

Пайка стали оловом

При пайке оловом подбирают паяльник мощностью от 100 Вт. Для получения качественного шва обе детали предварительно залуживают, после чего в готовый шов подают оловянный припой и завершают пайку.

Пайка стали латунью

Латунь плавится при температуре свыше 900 ˚С, поэтому для работы с таким припоем потребуется газовая горелка. Важно нагревать оба элемента равномерно. В противном случае латунь быстро расплавится. Она будет хорошо прилипать только на краях стальных заготовок (что может вызвать хрупкость и разрушение под напряжением), что поспособствует образованию трещин в конечном изделии.

Контактно-реакционный

Вид пайки под названием «контактно-реакционный» или «реактивный» означает процесс сплавления при контакте двух деталей из разных металлов.

Происходит фазовый переход металла из твердого в жидкое состояние с последующим отвердением и сплавлением. Часто такое соединение осуществляют через тонкую прослойку, которая нанесена на одну из заготовок гальваническим или иным способом.

Используются легкоплавкие материалы – эвтектики. Так можно соединить серебро и медь, где между деталями будет образован медно-серебрянный сплав. Проводят пайку олова и висмута, серебра и бериллия, графита и стали.

Можно спаивать алюминий с другими материалами через прослойку меди или кремния. Соединение получается прочным, время пайки занимает доли секунд.

Советы по правильной и прочной пайке металлов

Работая со сталью или другими металлами необходимо придерживаться базовых правил безопасности, а также знать некоторых нюансов пайки.

Как нагревать и охлаждать металл

Важный шаг перед началом работы — подготовка заготовок. И здесь необходимо знать наверняка, какой сплав вы будете спаивать или проверить его самостоятельно:

Посмотрите, как реагирует металлическая заготовка на нагрев паяльником или горелкой. Как быстро образуется оксидная пленка на поверхности. Об этом лучше знать заранее и наверняка, иначе последующая работа будет проходить в спешке.
Подготовленные и закрепленные детали лучше всего прогревать постепенно. Следите, чтобы на металле не появлялось перегретых очагов. Область пайки должна быть прогрета равномерно по всей площади.
Не прогревайте только стыковочный шов, работайте также по площади возле стыка. Чаще всего нужно прогреть 0,5 — 2 см в зависимости от целей пайки и габаритов соединяемых элементов.
Используйте только те паяльники или горелки, которые выдают рабочую температуру плавления припоя.
Не охлаждайте готовый шов при помощи холодной воды или других жидкостей. Дайте металлу «отдохнуть» и равномерно остыть несколько минут на открытом воздухе.
Спаянные заготовки снимайте из тисков или струбцин только после полного остывания припоя.

Флюсы

Его – защита контактной поверхности от оксидной пленки. Качественный флюс должен удалить следы ржавчины перед работой, а также препятствовать появлению свежих следов коррозии. Они отличаются по следующим параметрам:

Химическая активность.
Температура нагрева.
Содержание воды в составе (водные/безводные).
Форма выпуска (паста, гель, жидкость).

Наиболее популярными флюсами являются:

Борная кислота;
Бура (натриевая соль борной кислоты);
Канифоль;
Ортофосфорная кислота;
Хлорид цинка.

При необходимости можно изготовить кислоту для пайки своими руками.

Какие металлы прочнее всего между собой паяются

В отличие от сварки, в пайке основным показателем качества готового изделия является не марка стали или металла, а выбор припоя, а также технологии формирования самого шва пайки. Так что тут вопрос скорее про то, на какой металл какой припой липнет лучше всего. Конечно, чем ближе по составу и плотности припой и металл, тем лучше будет адгезия. В итоге все сводится к выбору правильного припоя для каждого случая в отдельности.

А еще нужно следить, чтобы при соединении двух металлов не образовывалось электропары. Иначе соединение будет ржаветь и разрушаться от малейшей влаги. Так что тут будет уместна таблица совместимости при соединении цветных металлов между собой.

Буква «А» в таблице совместимости означает «ограниченно допустимый в атмосферных условиях».

Приведу еще несколько простых советов:

Выбирайте более тугоплавкие припои.
Тщательно зачищайте стыки скрепляемых деталей. Обрабатывайте наждачной бумагой не только сам шов, но и 0,5 — 2 см около стыка по поверхности металла.
Залуживайте и запаивайте внахлест. Таким образом, вы увеличиваете общую площадь скрепления двух или нескольких деталей.

Техника безопасности при пайке стали в домашних условиях

Часто пренебрежение элементарными правилами работы с электрическими или горючими приборами приводит к потере здоровья или порче имущества.

Настоятельно рекомендую соблюдать технику безопасности при пайке:

Держите паяльник на металлической площадке или специальном держаке, который отводит нагретое жало инструмента от плоскости стола.
Выключайте паяльник от сети сразу после окончания работ.
Проверяйте качество подключения газового баллона к самой горелке. Не допускайте утечек газа.
Работайте в хорошо проветриваемом помещении.
Не оставляйте горелку во включенном состоянии, если вы уже закончили работу.
Уберите любые легковоспламеняющиеся вещества из рабочей зоны.
Не хватайтесь голыми руками около нагретого шва. Вы можете получить ожог.
Не трогайте пальцами припой, чтобы проверить прочность шва.

Соблюдая данные меры можно избежать травм, а также сохранить имущество в целостности. Паяйте с удовольствием и знанием дела!

Реакционно-флюсовой

В основе реактивно-флюсового вида пайки лежит химическая реакция, при которой из флюса при соединении с металлом образуется припой. Это хорошо видно, когда между собой соединяются алюминиевые детали.

Для их стыковки применяется флюс на основе хлористого цинка. При нагреве цинк начинает взаимодействовать с алюминием, превращаясь в металлический припой.

Он заполняет собой все пространство зазора, делая место зоны пайки прочным соединением. При этом очень важно точно соблюсти пропорции наносимого флюса. Его должно быть много, чтобы чистый цинк в необходимом количестве мог выделиться из флюсового порошка.

Иногда при этом виде пайки приходится добавлять цинковый припой в небольших количествах, как дополнение к основному процессу. Обычно это делают, если две заготовки соединяются внахлест.

Селективный

Нельзя сказать, что селективный вид пайки принципиально отличается от капиллярного. Точно также в нем применяют припой и нагрев. Но расплавляют припой только в выборочных местах (локальных точках), на которые планируется прикрепить элементы.

Селективную пайку применяют в основном для изготовления плат и выводов штыревых компонентов. Она схожа с волновым методом, применяемым для пайки smd-чипов.

Установка селективной пайки – оборудование, относящееся к категории полуавтоматов. Оно не дешевое, но экономит расходные материалы почти в десять раз, по сравнению с волной, поэтому распространяется все шире и шире.

Классификация припоев

Условно можно разделить современные припои на две группы:

Плавящиеся под низкими температурами.
Плавящиеся под высокими температурами.

Как уже отмечалось, низкотемпературная пайка выполняется под 450°C и ниже. Сам припой для такого рода операций должен размягчаться уже при 300°C. К подобным материалам относят широкую группу оловянных сплавов с добавлением цинка, свинца и кадмия.

Высокотемпературные средства расплава задействуются для пайки при температурах порядка 500°C. Преимущественно это медные составы, в которые также входит никель, фосфор и цинк. Важно отметить, что, к примеру, припой олово-свинец-кадмий помимо более низкой температуры плавления будет отличаться от медных сплавов и механической прочностью. Соотношение по стойкости перед физическим давлением можно представить так: 20 – 100 МПа против 100 – 500 МПа.