Применение высокотемпературных и низкотемпературных припоев

Согласно классификации, приведенной в государственном стандарте, припои разделяются на группы по нескольким признакам, одним из которых является температура плавления. В процессе пайки при температуре, превышающей 450 ℃, могут применяться только высокотемпературные припои.

Другие составы такой термической нагрузки не выдержат. Высокотемпературная пайка осуществляется в разных режимах. При проведении процесса до 1100 ℃ пригодны к использованию составы со средней плавкостью.

В интервале от 1100 ℃ до 1850 ℃ следует применять высокоплавкие смеси. При более высоких температурных показателях годятся только тугоплавкие композиции.

Общие свойства

Удивительно, что, несмотря на классификацию ГОСТа, даже в учебниках существует разная подача материалов.

Так, некоторые авторы в качестве минимальной температуры, рекомендуемой для применения высокотемпературных припоев, называют 500 °С.

Существует большое количество готовых композиций, рекомендуемых к применению при повышенных температурах. Часто в состав высокотемпературных припоев входит:

• медь;
• серебро;
• цинк;
• фосфор.

Для изменения свойств в высокотемпературные сплавы добавляют кремний, германий и некоторые другие элементы. Низкотемпературными считаются припои:

• на основе свинца;
• олова;
• с добавлением сурьмы.

Выбор конкретных припоев определяется видом сплава, из которого сделаны детали, и условиями пайки.

Иногда в низкотемпературные припои вводят цинк для повышения коррозионной стойкости шва, и разрабатывают специальные низкотемпературные сплавы для конкретных условий использования. В быту низкотемпературную пайку проводят с применением паяльника, а высокотемпературную – газовой горелкой.

Для жаропрочных сплавов

Высокотемпературные припои применяют для нержавеющих и жаропрочных стальных сплавов. Пайку таких сплавов проводят с применением припоев на основе меди, меди с цинком, серебра.

Процесс осуществляется в печах в окружении водорода или паров раствора аммиака. При пайке с помощью меди, медно-цинковых композиций в качестве флюсовой добавки используют буру.

Серебряные высокотемпературные припои можно применять только в сочетании с активными флюсами. Полученные таким методом швы выдерживают нагревание до 600 ℃. Соединения, полученные с медьсодержащими составами, высокие температуры переносят хуже.

В качестве альтернативы иногда применяют никель-хромовые припои с платиной или палладием. Такие высокотемпературные материалы стоят дороже. Швы обладают большой термической и коррозионной устойчивостью.

При наличии на стальных изделиях из нержавеющих и жаропрочных сплавов больших зазоров, хорошее соединение дают порошковые припои, содержащие компоненты, идентичные химическим элементам сплавов.

Полученные швы выдерживают нагревание до 1000 ℃. Процесс проводят в вакуумированной среде, наполненной аргоном и газообразным флюсом.

Для алюминия и его сплавов

Алюминий и его сплавы – материалы, с которыми работать сложно. Низкотемпературная пайка алюминия усложняется наличием тугоплавкого поверхностного слоя оксидов.

Помочь могли бы активные флюсы, но их применение чревато усиленным образованием продуктов коррозии на месте шва. Разработаны специальные технологические приемы проведения спаивания по предварительно нанесенным покрытиям.

Помимо этого для алюминия используют низкотемпературные составы с добавками дорогостоящего галлия.

Высокотемпературную пайку проводят посредством применения высокотемпературных припоев на основе алюминия с добавками меди, цинка, кремния.

Чаще всего для спаивания алюминиевых деталей используют составы 34А, а также силумин. Для каждого из этих припоев предназначен соответствующий флюс. Припой 34А способствует образованию шва, устойчивого при 525 ℃.

Высокотемпературная припойная масса из алюминия и кремния позволяет получить соединение, выдерживающее 577 ℃. При проведении работы применяют флюсы, сделанные из хлоридов щелочных металлов. Прочность образованных швов не всегда соответствует требованиям производства.

При необходимости получения соединений высокой термической и коррозионной стойкости пайку проводят в глубоком вакууме в окружении паров магния.

Процесс выполняется без флюсов по сложной технологии. В качестве припоя применяют силумин. Полученный таким методом шов выдерживает значительные нагрузки.

Работа с медью

В системах водоснабжения, отопления и некоторых производственных схемах осуществляется монтаж медных труб, не предназначенных для повышенной термической нагрузки. В таких ситуациях для пайки допустимо применение низкотемпературного припоя.

Трубопроводы большого диаметра, сделанные из медных сплавов, иногда подвергаются большому нагреванию. В таких случаях для меди и сплавов на ее основе нужны специальные тугоплавкие композиты.

Обычно применяют высокотемпературные припои на медной, серебряной основе, содержащие другие металлы, а также кремний или фосфор.

Составы из меди и цинка обозначают сочетанием букв ПМЦ и числами, указывающими на процентное содержание меди. Такие высокотемпературные припои обладают многофункциональным действием, пригодны для работы с другими сплавами.

Образующиеся швы обладают умеренной стойкостью к механическим нагрузкам. Для улучшения прочностных качеств соединений припойные средства легируют различными добавками.

На основе меди и фосфора

Высокотемпературные составы на основе меди и фосфора обозначаются буквосочетанием ПМФ и числами, указывающими на концентрацию фосфора в общей массе.

Средство переходит в жидкое состояние при температуре 850 ℃, позволяет получать швы хорошей коррозионной стойкости. Припой применим не только для медных, но и ювелирных изделий из благородных металлов.

Только стали нельзя паять таким методом. В результате на стальных швах образуются фосфиты, которые уменьшаю механическую прочность шва, приводят к образованию хрупкого соединения. Достоинство медьсодержащих припоев с фосфором заключается в возможности проведения пайки без флюсов.

Для работы с медными, некоторыми стальными, чугунными деталями также рекомендуются высокотемпературные припои на основе латуни. Это может быть чистый латунный сплав или композит с оловом и кремнием. Средства обладают текучестью, достаточной для образования прочного, стойкого шва.

На основе серебра

Очень хорошие свойства имеют высокотемпературные припойные средства на основе серебра. Они подходят практически для всех металлических изделий. Единственный недостаток – цена благородного металла лимитирует возможности частого применения.

Существуют сплавы (ПСр-15) с невысокой концентрацией серебра. Они стоят меньше, чем концентрированные композиции, могут применяться чаще.

Составы (ПСр-45) с содержанием серебра – 45 %, меди – 30 %, цинка – 25 % обладают очень хорошими свойствами: вязкостью, текучестью, ковкостью, стойкостью к окислению и механическим воздействиям. Эти сплавы применяются по необходимости, при наличии финансовой возможности.

Варьируя соотношение указанных компонентов, можно изменять максимальные температурные значения, которые выдержит будущий шов. Еще лучшие качества демонстрирует высокотемпературная композиция с содержанием серебра 65 %, но стоит она очень дорого.

Работа с титаном

Для пайки тугоплавких металлов и сплавов возможностей большинства описанных припоев недостаточно. Нужны совершенно другие высокотемпературные компоненты. Таким химическим элементом является титан, имеющий температуру плавления около 1700 °С.

Он образует прочные швы даже на изделиях с остатками оксидов. Процесс нужно проводить в атмосфере чистого аргона или гелия при значительном понижении давления в рабочей зоне.

Высокотемпературные составы из титана и меди, никеля, кобальта, других металлов проявляют свойства эвтектических систем. Сами по себе они обладают хрупкостью, применяются в виде порошков, паст.

Проволоку, ленты, полосы их этих сплавов изготовить не удается. Работать паяльником с тугоплавкими композитами невозможно.

В некоторых случаях на практике реализуют технологию контактного плавления. В зазор изделия, подлежащего пайке, помещают фольгу из титана или его сплавов.

При достижении температуры 960 ℃ начинается, а при показаниях 1100 ℃ заканчивается образование эвтектического сплава, играющего роль припоя.

Изделия, подлежащие эксплуатации при очень высоких температурах, подлежат спайке при помощи сплавов с добавками кремния, железа. Для реализации таких технологических процессов нужны мощные источники энергии.

Требуемой температуры достигают в вакуумных печах, плазменными горелками. Можно применять с этой целью электроконтактный способ или воздействие электронным лучом.

Высокотемпературное спаивание деталей – трудоемкий процесс, требующий специальных знаний и квалификации. Располагая хорошими вспомогательными средствами, оборудованием можно справиться с производственной задачей любой степени сложности.

Высокотемпературная и низкотемпературная пайка | Сварка и сварщик

Пайка — это процесс получения неразъемного соединения материалов в твердом состоянии при нагреве ниже температуры их плавления путем смачивания, растекания и заполнения зазора между ними расплавленным припоем с последующей кристаллизацией жидкой фазы и образованием спая.

Преимущества пайки как технологического процесса и преимущества паяных соединений обусловлены главным образом возможностью формирования паяного шва ниже температуры плавления соединяемых материалов. Такое формирование шва происходит в результате контактного плавления паяемого металла в жидком припое, внесенном извне (пайка готовым припоем), либо восстановленным из солей флюса (реактивно-флюсовая пайка), либо образовавшемся при контактно-реактивном плавлении паяемых металлов, контактирующих прослоек или паяемых металлов с прослойками (контактно-реактивная пайка). В отличие от автономного плавления (одностадийного процесса, протекающего в объеме при температуре, равной или выше температуры солидус соединяемых материалов), контактное плавление того же материала протекает при контактном равновесии по поверхности контакта с твердым, жидким, газообразным телом, иными по составу. Это многостадийный процесс, протекающий по разным механизмам; жидкая фаза при контактном плавлении твердого тела образуется ниже его температуры солидус.

Пайка обеспечивает получение бездефектных, прочных и работоспособных в условиях длительной эксплуатации, паяных соединений, если учтены физико-химические, конструктивные, технологические и эксплуатационные факторы.

Возможность образования спая между паяемым металлом и припоем характеризуется паяемостью, т.е. способностью паяемого металла вступать в физико-химическое взаимодействие с расплавленным припоем и образовывать паяное соединение. Практически пайкой можно соединить все металлы, металлы с неметаллами и неметаллы между собой. Необходимо только обеспечить такую активацию их поверхности, при которой стало бы возможным установление между атомами соединяемых материалов и припоя прочных химических связей.

Для образования спая необходимым и достаточным является смачивание поверхности основного металла расплавом припоя, что определяется возможностью образования между ними химических связей. Смачивание принципиально возможно в любом сочетании основной металл — припой при обеспечении соответствующих температур, высокой чистоты поверхности или достаточной термической или другого вида активации. Смачивание характеризует принципиальную возможность пайки конкретного основного металла конкретным припоем. При физической возможности образования спая (физической паяемости) уже в какой-то мере гарантирована паяемость с технологической точки зрения при обеспечении соответствующих условий проведения процесса пайки.

Паяемость того или иного материала нельзя рассматривать как способность его подвергаться пайке различными припоями. Можно рассматривать только конкретную пару, и в конкретных условиях пайки. Важным моментом в оценке паяемости, как физической, так и технической, является правильный выбор температуры пайки, которая нередко является решающим фактором не только для обеспечения смачивания припоем поверхности металла, но и дополнительным важным резервом повышения свойств паяных соединений. При оценке паяемости нужно учитывать температурный интервал активности флюсов.

Паяльный флюс — это активное химическое вещество, предназначенное для очистки и защиты поверхности паяемого металла и припоя, в первую очередь, от окисных пленок. Однако флюсы не удаляют посторонние вещества органического и неорганического происхождения (лак, краску). Механизм флюсования флюсами, самофлюсующими припоями, контролируемыми газовыми средами, в вакууме, физико-механическими средствами может выражаться:

1. В химическом взаимодействии между основными компонентами флюса и окисной пленкой, образующиеся при этом соединения растворяются во флюсе, либо выделяются в газообразном состоянии;
2. В химическом взаимодействии между активными компонентами флюса и основным металлом, в результате происходит постепенный отрыв окисной пленки от поверхности металла и переход ее во флюс;
3. В растворении окисной пленки во флюсе;
4. В разрушении окисной пленки продуктами флюсования;
5. В растворении основного металла и припоя в расплаве флюса.

Окисные флюсы взаимодействуют преимущественно с окисной пленкой. Основой флюсования галоидными флюсами является реакция с основным металлом. Для повышения активности оксидных флюсов вводят фториды и фторборы, в результате одновременно с химическим взаимодействием между окислами происходит растворение окисной пленки во фторидах.

К активным газовым средам относятся газообразные флюсы, которые работают самостоятельно или как добавка в нейтральные или восстановительные газовые среды для повышения их активности. При пайке металлов в активных газовых средах удаление окисной пленки с поверхности основного металла и припоя происходит в результате восстановления окислов активными компонентами сред или химического взаимодействия с газообразными флюсами, продуктами которого является летучие вещества или легкоплавкие шлаки, к восстановительным средам относятся водород и газообразные смеси, содержащие водород и окись углерода в качестве восстановителей окислов металлов.

В качестве нейтральных газовых сред используют азот, гелий и аргон, роль газовой среды сводится к защите металлов от окисления. Как газовая среда вакуум защищает металлы от окисления и способствует удалению с их поверхности окисной пленки. При пайке в вакууме, в результате разрежения, парциальное давление кислорода становится ничтожно малым и, следовательно, уменьшается возможность окисления металлов. При высокотемпературной пайке в вакууме создаются условия для диссоциации окислов некоторых металлов.

По условиям заполнения зазора способы пайки разделяются на капиллярные и некапиллярные.

Капиллярная пайка по методу образования спая разделяется на пайку готовым припоем, контактно-реактивную, диффузионную и реактивно-флюсовую. При капиллярной пайке расплавленный припой заполняет зазор между паяемыми деталями и удерживается в нем под действием капиллярных сил. Капиллярная пайка, при которой используется готовый припой и затвердевание шва происходит при охлаждении, называется пайкой готовым припоем. Контактно-реактивной называется капиллярная пайка, при которой припой образуется в результате контактно-реактивного плавления соединяемых материалов, промежуточных покрытий или прокладок с образованием эвтектики или твердого раствора. При контактно-реактивной пайке нет необходимости в предварительном изготовлении припоя. Количество жидкой фазы можно регулировать изменением времени контакта, толщиной покрытия или прослойки, т.к. процесс контактного плавления прекращается после расходования одного из контактирующих материалов.

Диффузионной называется капиллярная пайка, при которой затвердевание шва происходит выше температуры солидус припоя без охлаждения из жидкого состояния. Припой, применяемый при диффузионной пайке, может быть полностью или частично расплавленным, может образовываться при контактно-реактивном плавлении соединяемых металлов с одной или несколькими прослойками других металлов, нанесенных гальваническими способами, напылением или уложенных в зазор между соединяемыми деталями, или в результате контактного твердо-газового плавления. Цель диффузионной пайки — проведение процесса кристаллизации таким образом, чтобы обеспечить наиболее равновесную структуру соединения, повысить температуру распайки соединений.

При реактивно-флюсовой пайке припой образуется в результате восстановления металла из флюса или диссоциации одного из его компонентов. В состав флюсов при реактивно-флюсовой пайке входят легковосстанавливаемые соединения. Образующиеся в результате реакции восстановления металлы в расплавленном состоянии служат элементами припоев, а летучие компоненты реакции создают защитную среду и способствуют отделению окисной пленки от поверхности металла.

Некапиллярная пайка разделяется на пайку-сварку и сварку-пайку. Пайко-сварка относится к процессам исправления дефектов в чугунных, алюминиевых и др. деталях, выравнивания поверхности, устранения вмятин, т.е. заливку расплавленным припоем с использованием технических возможностей низко- и высокотемпературной пайки. Обычно используется для изделий из чугуна и выполняется припоями из латуни с добавлением кремния, марганца, аммония. Сварко-пайка применяется при соединении разнородных металлов за счет расплавления более легкоплавкого металла и смачивания им поверхности более тугоплавкого металла. Необходимая температура подогрева поверхности тугоплавкого металла достигается за счет регулирования величины смещения электрода от оси шва к более тугоплавкому металлу. При подготовке изделий к пайке, при необходимости, на паяемую поверхность наносят металлические покрытия. Технологические покрытия (медь, никель, серебро) наносят на поверхность труднопаяемых металлов, либо металлов, поверхность которых при пайке интенсивно растворяется в припое, что вызывает ухудшение смачивания и капиллярного течения припоя в зазоре, хрупкость в соединениях, по месту нанесения припоя появляется эрозия, подрезы основного металла. Назначение покрытия — предотвращение нежелательного растворения основного металла в припое и улучшение смачивания; в процессе пайки покрытие должно полностью растворяться в расплавленном припое.

При капиллярной пайке используются нахлесточные, стыковые, косостыковые, тавровые, угловые, соприкасающиеся соединения. Нахлесточные соединения наиболее распространены, т.к. изменяя длину нахлестки, можно изменять характеристики прочности изделия. Нахлесточные паяные соединения обладают некоторыми преимуществами перед нахлесточными сварными, передача усилий в которых происходит по периметру элемента. В сварных конструкциях любые швы являются источником концентрации напряжений в переходной зоне от основного металла к шву, и при неблагоприятных очертаниях шва концентрация достигает значительных величин. Сопоставление механических свойств паяных и сварных соединений позволяет сделать следующие выводы:

1. Применение пайки наиболее эффективно в тонкостенных конструкциях, толщиной не более 10 мм;
2. Производительность технологического процесса пайки оказывается часто более высокой;
3. Паяные соединения вызывают, как правило, меньшие остаточные деформации;
4. Паяные конструкции в большинстве случаев имеют меньшую концентрацию напряжений по сравнению со сварными.

Прочность паяных соединений определяется также влиянием дефектов, которые могут образовываться при несоблюдении оптимальных условий и режима пайки. Типичные дефекты, которые снижают прочность паяных соединений — поры, раковины, трещины, флюсовые и шлаковые включения, непропаи.

Все дефекты сплошности в паяных соединениях разделяются на дефекты, связанные с заполнением жидким припоем капиллярных зазоров, и дефекты, возникающие при охлаждении и затвердевании паяных швов. Возникновение первой группы дефектов определяется особенностями движения расплавов припоев в капиллярном зазоре (поры, непропаи). Другая группа дефектов появляется из-за уменьшения растворимости газов в металле при переходе из жидкого состояния в твердое (газо-усадочная пористость). К этой группе относится также пористость кристаллизационного и диффузионного происхождения.

Трещины в паяных швах могут возникнуть под действием напряжений и деформаций металла изделий или шва в процессе охлаждения. Холодные трещины возникают в зоне спаев при образовании прослоек хрупких интерметалидов. Горячие трещины образуются в процессе кристаллизации; если в процессе кристаллизации скорость охлаждения высока и возникающие при этом напряжения велики, а деформационная способность металла шва мала, то возникают кристаллизационные трещины. Полигонизационные трещины в металле шва возникают уже при температурах ниже температуры солидус после затвердевания сплава по так называемым полигонизационным границам, которые образуются при выстраивании дислокации в металле в ряды и образовании сетки дислокации под действием внутренних напряжений. Неметаллические включения типа флюсовых или шлаковых могут возникать в результате недостаточно тщательной подготовки поверхности изделия к пайке или при нарушении режима пайки. При слишком длительном нагреве под пайку флюс реагирует с основным металлом с образованием твердых остатков, которые плохо вытесняются из зазора припоем.

Пайка высокотемпературная — Справочник химика 21

    Пайка высокотемпературными припоями осуществляется специальными сменными наконечниками с подогревом изделия, припоя и волновода в специальных печах. [c.150]

    Припои. Различают пайку высокотемпературными припоями, состоящими иа основе меди и серебра, и пайку низкотемпературными припоями, в основе которых лежат оловянно-свинцовые сплавы. Высокотемпературные припои имеют температуру плавления выше 500° С и обладают достаточно высокой механической прочностью (до 50 кгс/мм2). Температура плавления низкотемпературных припоев не более 400° С, и предел прочности не превышает 7 кгс/мм . [c.85]

    При пайке высокотемпературными припоями флюсы применяют в виде густой пасты, замешанной на спирте или воде (бура или смесь буры с борной кислотой замешивается на воде). Пасту наносят перед пайкой на подогретые до 40—60°С поверхности и на припой волосяной щеткой тонким слоем. В процессе пайки при необходимости вводят дополнительно порошкообразный флюс. [c.228]

    При пайке высокотемпературными припоями флюсы применяют в виде густой пасты, замешанной на спирте или воде (бура [c.234]

    Соединение листов из ДКМ в сложных композитах производится методами диффузионной сварки и высокотемпературной пайки. [c.120]

    Другой сложностью процесса пайки алюминиевых сплавов является то, что паяные швы этих сплавов весьма чувствительны к коррозионно-агрессивным средам. В этих условиях возникает опасность быстрого разрушения таких соединений. Получение достаточно стойких в коррозионном отношении паяных соединений деталей из алюминиевых сплавов достигается в настоящее время лишь при условии применения тугоплавких высокотемпературных припоев, содержащих кремний, цинк и медь. [c.193]

    Особенно большая газовая пористость в швах наблюдается после флюсовой газовой пайки высокотемпературными (серебряными) припоями крупногабаритных латунных волноводов (массой 5 кг). Образование такой пористости может привести к ухудшению прочностных, коррозионных, радиотехнических характеристик паяных соединений и их герметичности брак, связанный с образованием такой пористости, достигает 20—30 %. [c.307]

    Пайка высокотемпературными припоями в вакууме. Несомненными преимуществами этого способа пайки являются, во-первых, равномерный нагрев паяемых деталей и — как следствие этого — отсутствие поводок и, во-вторых, отсутствие окисления деталей при нагреве, что исключает необходимость использования флюсов. [c.100]

    Были попытки применения гидрида NaH для создания восстановительной атмосферы при высокотемпературной пайке, однако при этих условиях металл изделия обогащается водородом. [c.296]

    Получение вакуумноплотных паяных металлических соединений возможно при использовании различных способов пайки. Однако наиболее надежной является пайка высокотемпературными припоями в водороде и в ва-щ ме в спещ1альных печах (высокотемпературные припои — с температурой плавления выше 450°С). Разогрев изделий до температуры пайки в таких печах может осуществляться разными методами теплоизлучением — от спещ1альных нагревателей, пропусканием через изделия электрического тока — кондуктив-ный нагрев, токами высокой частоты (ТВЧ) — индукционный нагрев. [c.154]

    Большинство экспериментальных поверхностей теплообмена было рассчитано на работу при низких температурах соединение деталей осуществлялось пайкой мягким или твердым припоем. Однако главная цель намеченной программы состояла в исследовании влияния геометрии поверхности теплообмена на конвективный теплообмен и гидравлическое сопротивление при этом предполагалось, что преимущества, обеспечиваемые новой геометрией, дадут толчок для разработки технологии изготовления высокотемпературных теплообменников и новых более совершенных поверхностей [c.5]

    Спеченный слой на основе молибдена может быть в дальнейшем подвергнут гальваническому наращиванию никелем или медью для последующей пайки низкотемпературными припоями. Непосредственная пайка к слою молибдена возможна высокотемпературными припоями в защитной среде при 780—1000° С. [c.69]

    Высокотемпературная пайка твердым припоем представляет собой процесс соединения металлических деталей, при котором металл-наполнитель затягивается капиллярными силами в пространство между соединяемыми поверхностями. Необходимая для пайки твердым припоем температура должна быть выше 500 °С и на 50—200 °С ниже точки плавления спаиваемых металлов.

Высокотемпературная пайка / Словарь / Велорама

Припой образует переходный шов.

Высокотемпературная пайка (ВТ-пайка, англ. brazing) — процесс соединения металлических деталей путем заполнения зазора между ними расплавом другого металла при температурах выше 450 °C. Расплав металла, которым заполняют зазор, должен смачивать поверхности спаиваемых деталей, с тем, чтобы капиллярный эффект затягивал расплав внутрь зазора. Если процесс протекает при температурах, ведущих к расплавлению основного металла соединяемых деталей, то такой процесс называется сварка (англ. welding) или пайка-сварка (англ. braze-welding).

Материал соединяемых деталей называется основным металлом (англ. base metal), расплав, который соединяет спаиваемые детали, называется припой (англ. filler metal). Припой также может называться паечным прутком, цинковым припоем, паечным сплавом (англ. brazing rod, spelter, brazing alloy)

Последующая информация относится в основном к материалам и техникам используемым при пайке велосипедных рам, но может быть применена и к пайке других легких стальных деталей.

Безопасность

При любых высокотемпературных паечных работах выделяются ядовитые пары, а в газовых горелках применяются нестабильные топлива. Обязательно читайте инструкции по безопасности при работе с этими материалами и следуйте этим инструкциям.

Пайка бронзой

Как видно из названия, вт-пайка обычно выполняется при помощи припоев на основе бронзы или латуни, сплавов меди с цинком, оловом и др. металлами. Бронзовые и латунные припои для вт-пайки плавятся при температурах от 800 °C до 1000 °C. Такая температура может привести к отжигу стали, сводя на нет предварительную термообработку деталей для их укрепления. По этой причине термообработанные трубы (например, Reynolds 731) не подвергают вт-пайке бронзой/латунью.

Трубы, не проходившие термообработки (Reynolds 531 или простые трубы из хром-молибденовой стали 4130), вполне подходят для пайки бронзой или латунью. Получаемаые соединения достаточно прочны для нагрузок, которым подвергается велосипедная рама, к тому же цена бронзового припоя заметно ниже, чем цена серебряного. Да и процесс пайки проще и менее требователен к квалификации мастера, точности подгонки деталей и терморежиму. Большая часть массово-производимых паяных велосипедных рам, да и заметная часть заказных рам паяется именно бронзой-латунью. Этот припой — хороший выбор, особенно для начинающего мастера.

Пайка серебром

Пайка серебряными припоями позволяет использовать более низкие температуры и при этом получать более прочные швы. Серебряные припои плавятся и текут при температурах заметно более низких, чем бронзовые-латунные, и лучше затекают в тонкие сочленения. Оба этих фактора увеличивают прочность соединения.

Замечание: серебряную вт-пайку (англ. silver brazing) часто путают с низкотемпературной пайкой серебро-содержащими припоями, использующейся в сантехнических и др. работах. При неясностях, следует детально уточнить марки припоя и температуры пайки.

Обыкновенно припой для серебряной вт-пайки содержит от 60% до 20% серебра, остальное составляет сплав металлов, включающий медь, цинк, никель и олово. Припои, применяемые в серебрянной вт-пайке, плавятся при температурах порядка 620 °C, что сильно уменьшает отжиг и сопутствующее снижение прочности спаиваемых термообработанных деталей. Вблизи спайки остается зона отожженноо металла, но утолщение трубы в этих местах компензирует потерю прочности. На удалении от места пайки отжиг не происходит из-за малого прогрева. В сохранении предварительной термообработки деталей играет роль также квалификация мастера, поскольку более долгий прогрев приводит к более глубокому распространению тепла в деталях.

Серебряные вт-припои часто содержат кадмий, металл, пары которого смертельно ядовиты. Кадмий позволяет снизить температуру процесса вт-пайки и повысить прочностные и другие характеристики изделия, однако применять его следует только при наличии опыта и высокопроизводительной вытяжки. Паять кадмий-содержащими припоями у себя в гараже — крайне вредно для здоровья, так что, если вы хотите паять серебряными припоями в домашних условиях, поищите припои без кадмия.

Серебряные припои также хорошо подходят для пайки нержавеющей стали. Большинство бронзовых припоев не смачивают нержавейку, и даже если смачивают, то качество соединения получается низким. ВТ-пайка нержавейки — процесс более сложный и требовательный, чем пайка обычных сталей, в некоторых случаях необходим специальный припой, который предотвращает коррозию между основным металлом и припоем. Для предотвращения коррозии в припой вводится небольшое количество никеля. При пайке обычным припоем соединение может быстро скорродировать.

Никелево-серебряная пайка

Последний класс вт-припоев, который следует упомянуть — никелево-серебряные припои. Несмотря на название, в этих припоях практически нет серебра, состоят они в основном из никеля и меди. У таких припоев температура плавления заметно выше, чем у настоящих серебряных, потому применять их на термоупроченных трубах не следует.

С другой стороны, никель-серебряный припой прочнее, а зачастую и сильно прочнее бронзового, и его хорошо применять для пайки некоторых видов нержавеек. Припой №11 марки All States специально предназначается производителем для пайки велосипедных рам, и соединения с ним получаются очень прочные. У этого припоя очень широкий дипазон рабочих температур — от 650 °C до 970 °C и прочночть на разрыв до 60 кг/кв.мм.

Флюсы

При высоких температурах в процессе вт-пайки большинство металлов быстро окисляется. Окисловая пленка мешает припою смачивать поверхность базовго металла и затекать в соединение. Чтобы предотвратить окисление используются специальные химикаты, которые называются флюсами. Их функция — растворить оксидную пленку и защитить поверхность металла от дальнейшего окисления. Чаще всего флюсы наносятся в виде пасты на поверхности соединяемых деталей внутри соединения и вокруг него, хотя иногда они нанесены на пруток припоя или добавляются прямо в пламя горелки.

Припой обычно не смачивает необработанную флюсом поверхность. Хотя внутри соединения это мешает, вне него может быть полезно — если вы выполняете соединение, размер которого меньше размера пламени горелки, припой будет пытатьтся растечься по все прогреваемой площади. При этом обработанная флюсом зона ограничит растекание припоя, что облегчит последующую очистку. Но не переусердствуйте — вам надо, чтобы внутри соединения присутствовал флюс, и вам не надо, чтобы металл вокруг соединения выгорел. Вы всегда сможете потом удалить излишки припоя напильником, а со временем научитесь контролировать растекание припоя при помощи температуры пламени.

Разные флюсы обеспечивают защиту при разных температурах, поэтому важно использовать флюс, который подходит к используемому вами припою. Обычно флюсы разрабатываются либо для серебряного, либо для бронзового припоя, и они не взаимозаменяемы. Существуют также специальные флюсы, обеспечивающие лучшую защиту при пайке нержавеек, или при длительном нагреве.

Информацию о том, для каких температур, базовых металлов и припоев разработан флюс надо искать у производителя флюсов.

Методы вт-пайки

Обычно, заказные рамы паяются вручную. Детали рамы сводятся вместе на стенде, и мастер пропаивает узлы сочленения последовательно с помощью ручной кислород-ацетиленовой горелки. Такие же горелки используются для сварки, но при вт-пайке процесс несколько отличается, т.к. базовый металл не расплавляется.

В прошлом, многие рамы паялись методом прогрева над печью, а не горелкой. При объемном прогреве использование стенда было затруднительно, потому предварительная сборка узлов рамы осуществлялась прихватыванием сваркой или пайкой, а затем узлы последовательно прогревались в открытом пламени. Этот устаревший метод оставался в ходу у консервативных изготовителей рам вплоть до 1970−х годов, но был вытеснен более простым и точным методом ручной газовой пайки.

вело — высокотемпературная пайка — Укрывайтесь в складках местности. — LiveJournal

Небольшое руководство по пайке рам (вдруг пригодится когда).
Высокотемпературная пайка: краткое введение (by Josh Putnam)
Что такое высокотемпературная пайка (ВТ-пайка, brazing)?
Высокотемпературная пайка (ВТ-пайка, brazing) — процесс соединения металлических деталей путем заполнения зазора между ними расплавом другого металла при температурах выше 450 гр. Ц. Расплав металла, которым заполняют зазор, должен смачивать поверхности спаиваемых деталей, с тем, чтобы капиллярный эффект затягивал расплав внутрь зазора. Если процесс протекает при температурах, ведущих к расплавлению основного металла соединяемых деталей, то такой процесс называется сварка (welding) или пайка-сварка (braze-welding).

Материал соединяемых деталей называется основным металлом (base metal), расплав, который соединяет спаиваемые детали, называется припой (filler metal). Припой также может называться паечным прутком, цинковым припоем, паечным сплавом (brazing rod, spelter, brazing alloy)

Последующая информация относится в основном к материалам и техникам используемым при пайке велорам, но может быть применена и к пайке других легких стальных деталей.

Безопасность
При любых высокотемпературных паечных работах выделяются ядовитые пары, а в газовых горелках применяются нестабильные топлива. Обязательно читайте инструкции по безопасности при работе с этими материалами и следуйте этим инструкциям.

Пайка бронзой
Как видно из названия, вт-пайка обычно выполняется при помощи припоев на основе бронзы или латуни, сплавов меди с цинком, оловом и др. металлами. Бронзовые и латунные припои для вт-пайки плавятся при температурах от 800 до 1000 гр. Ц. Такая температура может привести к отжигу стали, сводя на нет предварительную термообработку деталей для их укрепления. По этой причине термообработанные трубы (например, Reynolds 731) не подвергают вт-пайке бронзой/латунью.

Трубы, не проходившие термообработки (Reynolds 531 или простые трубы из хроммолибденовой стали 4130), вполне подходят для пайки бронзой или латунью. Получаемаые соединения достаточно прочны для нагрузок, которым подвергается велорама, к тому же цена бронзового припоя заметно ниже, чем цена серебряного. Да и процесс пайки проще и менее требователен к квалификации мастера, точности подгонки деталей и терморежиму. Большая часть массово-производимых паяных велорам, да и заметная часть заказных рам паяется именно бронзой-латунью. Этот припой — хороший выбор, особенно для начинающего мастера.

Пайка серебром
Пайка серебряными припоями позволяет использовать более низкие температуры и при этом получать более прочные швы. Серебряные припои плавятся и текут при температурах заметно более низких, чем бронзовые-латунные, и лучше затекают в тонкие сочленения. Оба этих фактора увеличивают прочность соединения.

Замечание: Серебряную вт-пайку (silver brazing) часто путают с низкотемпературной пайкой серебро-содержащими припоями, использующейся в сантехнических и др. работах. При неясностях, следует детально уточнить марки припоя и температуры пайки.

Обыкновенно припой для серебряной вт-пайки содержит от 60% до 20% серебра, остальное составляет сплав металлов, включающий медь, цинк, никель и олово. Припои, применяемые в серебрянной вт-пайке, плавятся при температурах порядка 620 гр. Ц., что сильно уменьшает отжиг и сопутствующее снижение прочности спаиваемых термообработанных деталей. Вблизи спайки остается зона отожженноо металла, но утолщение трубы в этих местах компензирует потерю прочности. На удалении от места пайки отжиг не происходит из-за малого прогрева. В сохранении предварительной термообработки деталей играет роль также квалификация мастера, поскольку более долгий прогрев приводит к более глубокому распространению тепла в деталях.

Серебряные вт-припои часто содержат кадмий, металл, пары которого смертельно ядовиты. Кадмий позволяет снизить температуру процесса вт-пайки и повысить прочностные и другие характеристики изделия, однако применять его следует только при наличии опыта и высокопроизводительной вытяжки. Паять кадмий-содержащими припоями у себя в гараже — значит, нарываться на неприятности, так что, если вы хотите паять серебряными припоями в домашних условиях, поищите припои без кадмия.

Серебряные припои также наиболее хорошо подходят для пайки нержавеющих сталей. Большинство бронзовых припоев не смачивают нержавейку, и даже если смачивают, то качество соединения получается низким. ВТ-пайка нержавейки — процесс более сложный и требовательный, чем пайка обычных сталей, в некоторых случаях необходим специальный припой, который предотвращает коррозию между основным металлом и припоем. Для предотвращения коррозии в припой вводится небольшое количество никеля. При пайке обычным припоем соединение может быстро прокорродировать, будучи подвержено воздействию воды.

Никелево-серебряная пайка.
Последний класс вт-припоев, который следует упомянуть — никелево-серебряные припои. Несмотря на название, в этих припоях практически нет серебра, состоят они в основном из никеля и меди. У таких припоев температура плавления заметно выше, чем у настоящих серебряных, потому применять их на термоупроченных трубах не надо.

С другой стороны, никель-серебряный припой прочнее бронзового, часто заметно прочнее, и некоторые никель-серебряные припои хороши для пайки некоторых видов нержавеек. Припой №11 марки All States специально предназначается производителем для пайки велорам, и соединения с ним получаются очень прочные. Судя по его книге, Тим Патерек также предпочитает этот припой для шовной пайки. У этого припоя очень широкий дипазон рабочих температур — от 650 до 970 гр. Ц. и прочночть на разрыв до 60 кг/кв.мм.

Флюсы
При высоких температурах в процессе вт-пайки большинство металлов быстро окисляется. Окисловая пленка мешает припою смачивать поверхность базовго металла и затекать в соединение. Чтобы предотвратить окисление используются специальные химикаты, которые называются флюсами. Их функция — растворить оксидную пленку и защитить поверхность металла от дальнейшего окисления. Чаще всего флюсы наносятся в виде пасты на поверхности соединяемых деталей внутри соединения и вокруг него, хотя иногда они нанесены на пруток припоя или добавляются прямо в пламя горелки.

Припой обычно не смачивает необработанную флюсом поверхность. Хотя внутри соединения это мешает, вне него может быть полезно — если вы выполняете соединение, размер которого меньше размера пламени горелки, припой будет пытатьтся растечься по все прогреваемой площади. При этом обработанная флюсом зона ограничит растекание припоя, что облегчит последующую очистку. Но не переусердствуйте — вам надо, чтобы внутри соединения присутствовал флюс, и вам не надо, чтобы металл вокруг соединения выгорел. Вы всегда сможете потом удалить излишки припоя напильником, а со временем научитесь контролировать растекание припоя при помощи температуры пламени.

Разные флюсы обеспечивают защиту при разных температурах, поэтому важно использовать флюс, который подходит к используемому вами припою. Обычно флюсы разрабатываются либо для серебряного, либо для бронзового припоя, и они не взаимозаменяемы. Существуют также специальные флюсы, обеспечивающие лучшую защиту при пайке нержавеек, или при длительном нагреве.

Информацию о том, для каких температур, базовых металлов и припоев разработан флюс надо искать у производителя флюсов.

Методы вт-пайки
Обычно, заказные рамы паяются вручную. Детали рамы сводятся вместе на стенде, и мастер пропаивает узлы сочленения последовательно с помощью ручной кислород-ацетиленовой горелки. Такие же горелки используются для сварки, но при вт-пайке процесс несколько отличается, т.к. базовый металл не расплавляется.

В прошлом, многие рамы паялись методом прогрева над печью, а не горелкой. При объемном прогреве использование стенда было затруднительно, потому предварительная сборка узлов рамы осуществлялась прихватыванием сваркой или пайкой, а затем узлы последовательно прогревались в открытом пламени. Этот устаревший метод оставался в ходу у консервативных изготовителей рам вплоть до 1970-х годов, но был вытеснен более простым и точным методом ручной газовой пайки.

Как научиться паять
Конечно, данное описание — всего лишь краткое введение в вт-пайку. Чтобы по настоящему научиться паять, лучше всего записаться на спец-курсы. Конечно и без курсов можно приобрести нужный опыт, но вт-пайка это одновременно и наука, и искусство, потому многих полезных тонкостей в книгах можно не найти.

Что читать по теме:
Brazing Manual , from The American Welding Society (AWS), available from many libraries and better technical book stores. An expensive book, with more information than you really need, but a very thorough discussion of safety concerns and a good introduction to brazing methods. Also full specifications for most brazing alloys, silver as well as brass and nickel.

The Brazing Book, Handy & Harman. H&H is a major manufacturer of silver brazing alloys, and this book is a guide to the use of their products. It also lists a number of more specialized technical bulletins from H&H. Call 1-800-558-3856 for a copy of The Brazing Book or other data.

Lucas Milhaupt, Inc., A Handy & Harman Subsidiary
5656 S Penna. Ave
Cudahy, WI 53110
Silvaloy Brazing & Soldering Products, Englehard Corp. Another major manufacturer of silver brazing alloys, Englehard also has an informative catalog, though it is not as good as The Brazing Book. Still, if your local supplier stocks Englehard fillers, having a copy of the catalog is a good idea so you know what you’re buying.

Englehard Corp. Joining Products
235 Kilvert St.
Warwick, RI 02886
401/739-9550
1-800-225-213.

Harris Welco Alloy Products Technical Guide, J.W. Harris Co. Another catalog of brazing products, again with some application information. Unlike H&H or Englehard, Harris makes no silver alloys with cadmium, so if you buy a Harris silver alloy, you don’t need to know its composition to be certain it has no cadmium.

J.W. Harris Co. Inc.
4501 Quality Place
Mason OH 45040-1971
Tel. 513-754-2000
800-733-4043
Fax 513-754-8778

All-State Welding, Brazing, Soldering Instruction Manual and Catalog, All-State Welding Products. All-State makes only a few silver alloys, but its catalog has brief «Typical Applications» and «Procedures» summaries for each alloy they sell.

All-State Welding Products
5112 Allendale Lane
P.O. Box 600
Taneytown, MD 21787
410/756-4330
1-800-638-1647

Пайка твердым припоем — Сварпост. Переносные газосварочные посты ПГСП

Разделение пайки на низкотемпературную и высокотемпературную носит, в некоторой степени, условный характер. По своей физической природе пайка твердыми припоями не отличается от пайки мягкими. Как и последняя она представляет собой процесс образования неразъемного соединения двух металлов с помощью третьего (называемого припоем), температура плавления которого ниже температуры плавления соединяемых металлов.

Пайка твердыми припоями

Низкотемпературная и высокотемпературная пайки представляют собой явления одной сущности. Их технология, используемые материалы и оборудование, характеристики получаемого соединения существенно различаются. Основанием для разделения этих способов принято считать пограничную температуру плавления припоев 450°C.

Отличия высокотемпературной пайки от низкотемпературной

Что отличает высокотемпературную пайку от низкотемпературной, кроме температуры плавления припоев? Прежде всего, значительно более высокая прочность паяного соединения, обусловленная большей прочностью твердых припоев в сравнении с мягкими.

Спаянная рама велосипеда

Важным отличием высокотемпературной пайки от низкотемпературной является повышенная термоустойчивость соединения. Поскольку температура плавления твердых припоев значительно выше температуры плавления мягких, соединение, выполненное высокотемпературной пайкой, способно работать при более высоких температурах, сохраняя все свои свойства. Во многих случаях при выборе способа пайки, эта особенность является определяющей.
Но есть и то, в чем пайка твердыми припоями уступает пайке мягкими припоями. Относительно высокая температура может вызывать структурные изменения в некоторых металлах. Такое, в частности, наблюдается в чугуне, в котором при пайке могут возникать закалочные структуры, приводящие к повышенной хрупкости металла в зоне шва.
Высокая температура плавления твердых припоев предъявляет свои требования к источникам нагрева. Они должны обеспечивать расплавление припоев, температура плавления которых достигает иногда 1000°C. Это исключает использование при высокотемпературной пайке удобных паяльников, являющихся основным инструментом при пайке мягкими припоями.
Резюмируя вышесказанное, можно подвести итог сравнения высокотемпературной и низкотемпературной паек.

К достоинствам первой относится высокая прочность и термоустойчивость соединения, к недостаткам — сложность технологического процесса, обусловленная необходимостью прогрева паяемых деталей до относительно высоких температур.

Применение пайки твердыми припоями

Область применения пайки твердыми припоями определяется ее промежуточным положением между низкотемпературной пайкой и сваркой. Везде, где требуется получить более прочное соединение, чем это можно сделать с использованием мягких припоев, способное к тому же работать в условиях высоких температур, и в то же время сохранить структуру соединяемых металлов, не допустить их разупрочнения и деформации (как это имеет место при сварке), применяют высокотемпературную пайку
Пайка твердыми припоями является основным способом при изготовлении металлорежущего инструмента с твердосплавными пластинами. Припаивание последних обеспечивает достаточную прочность соединения и не оказывает отрицательного воздействия на твердость и геометрию режущих пластин.

Резцы

• Изготовление всевозможных сосудов из цветных металлов и нержавеющих сталей, соединение стальных и медных трубопроводов, работающих под высоким давлением или повышенной температуре в различных системах — холодильных, теплообменных и пр. — также не может обойтись без пайки твердыми припоями.
• Широко используется высокотемпературная пайка при ремонте автомобилей — радиаторов, трубопроводных систем двигателя и трансмиссии, кузовов, различных деталей — везде, где нельзя или нежелательно применять сварку.
• Целесообразно использование высокотемпературной пайки для соединения между собой тонкостенных деталей, работающих при значительных нагрузках и упругих деформациях.
• Для ремонта медных и латунных бытовых изделий, подвергающихся в процессе эксплуатации высоким температурам, высокотемпературная пайка является способом ремонта не имеющим альтернативы.Таких, например, как старинный самовар, растапливаемый дровами. В этом случае мягкие припои не могут применяться из-за неспособности выдерживать высокую температуру нагрева.

Источники нагрева при высокотемпературной пайке

В качестве источников нагрева при высокотемпературной пайке может использоваться любое оборудование, которое позволяет нагревать паяемые детали несколько выше температуры плавления используемых припоев. Эта температура может колебаться в пределах 450-1200°C. При использовании тугоплавких материалов, таких как латунь или технически чистая медь, требуется нагрев, превышающий 1000°C, при использовании среднеплавких припоев требуется температура нагрева в 700-800°C.
Основными источниками нагрева при высокотемпературной пайке являются газовые горелки различных типов, индукторы и печи. Применяется также нагрев электросопротивлением. В быту чаще всего твердыми припоями паяют с помощью горелок.

Припои

Основная заслуга в образовании прочных и термоустойчивых соединений при высокотемпературной пайке принадлежит меди. Она не только входит практически во все твердые припои, но в большинстве из них выполняет главную роль, являясь основой припоев.
Иногда используют в качестве припоя и технически чистую медь. Однако гораздо чаще используют пайку медными припоями, представляющими собой соединения меди с другими металлами — цинком, серебром, кремнием, оловом и пр. Каждый из этих элементов вносит свою лепту в технологические свойства припоев. Почти все они снижают температуру плавления (у чистой меди она составляет 1083°C).
При высокотемпературной пайке используются медно-цинковые, медно-фосфорные, серебряные припои и латуни.

Твердый припой

Твердый припой покрытый флюсом

Медно-цинковые припои

Существует большое количество медно-цинковых припоев (ПМЦ-35, ПМЦ-39, ПМЦ-50, ПМЦ-54, ПМЦ-57 и пр.). Цифры указывают процентное содержание меди. Их используют для пайки бронзы, меди, стали. Недостатком чисто медно-цинковых материалов является плохая работа в условиях ударных, вибрационных и изгибающих нагрузок. Чтобы убрать или снизить этот недостаток используют легирование их другими металлами (например, латуни можно рассматривать как легированные медно-цинковые припои). Легированные медно-цинковые припои используются, в частности, при пайке твердосплавных резцов.

Медно-фосфорные припои

Медно-фосфорные припои (ПМФ-7, ПМФ-9, ПМФОЦр-6-4-0,03) представляют собой сплав меди с фосфором. Следующая за буквами цифра указывает на процентное содержание фосфора. Припой ПМФОЦр-6-4-0.03, кроме меди и фосфора, содержит олово и цирконий.
Медно-фосфорные припои относятся к среднеплавким (700-850°C), обладают высокой текучестью и хорошей коррозионной устойчивостью к агрессивным средам. Используются для пайки меди и ее сплавов (бронзы, латуни, мельхиора). Можно их использовать и в качестве заменителя серебряных припоев при ремонте ювелирных изделий.
Пайка сталей и чугуна медными припоями, содержащими фосфор, не применяется из-за повышенной хрупкости соединения и его неспособности переносить ударные, вибрационные и изгибающие нагрузки. Это вызвано образованием по границе шва пленки фосфитов.
Отличительную особенность медно-фосфорных припоев является то, что они являются самофлюсующимися. При пайке ими медных изделий, применение флюса не обязательно.

Латуни

Широкое распространение в качестве припоев получили латуни, которые являются сплавом меди с цинком. Латуни Л62 и ЛОК-62-06-04 дают прочные паяные соединения. ЛОК-62-06-04 отличается от Л62 наличием олова и кремния, обеспечивающих более высокие технологические свойства припоя. Олово увеличивает жидкотекучесть и снижает температуру плавления, а соединения кремния предохраняют цинк от окисления и испарения. Латуни применяются при пайке меди, стали, чугуна.

Серебряные припои

Серебро является отличным материалом для пайки. Серебряным припоям, которые представляют собой в основном сплав серебра с медью и цинком, принадлежит первое место по растеканию, смачиваемости, прочности и антикоррозионности. Не будь они такими дорогими, можно было бы отказаться от всех остальных припоев, используя только серебряные. Благо они обладают универсальностью и способны паять практически любой металл.
Припои на основе серебра обозначаются буквами ПСр (ПСр-15, ПСр-25, ПСр-45, ПСр-65, ПСр-70). Марки ПСр-15 и ПСр-25 используются для пайки не очень ответственных деталей. Если требуется получить особо качественное соединение, используют припой ПСр-45, имеющий 45% серебра, 30% меди и 25% цинка. ПСр-45 обладает отличными качествами — вязкостью, ковкостью, жидкотекучестью, устойчивостью против коррозии, способностью выдерживать вибрацию и удары. Припой ПСр-65 не уступает ПСр-45, но слишком дорог.
 Серебряными припоями можно паять практически любой металл — медь и ее сплавы, серебро, стали и пр. Однако в силу их дороговизны пайку серебряными припоями применяют только там, где это экономически целесообразно, в частности, для соединения нержавеющих сталей, относящихся к разряду труднопаяемых и требующих припоев, обладающих хорошей смачиваемостью и позволяющих избежать коррозии, которая может возникнуть в спае.

Флюсы

Основным компонентом флюсов для пайки твердыми припоями являются борные соединения — бура (Na2B4O7), борная кислота (h4BO3), борный ангидрид (B2O3). Для усиления активности борных флюсов, например при пайке нержавеющих и жаростойких сталей, в них добавляются соединения фтора — фтористый кальций, фтористый калий. Применяются специальные флюсы, регламентированные ГОСТ 23178-78 — под марками ПВ200, ПВ201, ПВ209, ПВ209Х, ПВ284Х. В первые два входят борная кислота, бура и фтористый кальций. Они используются для пайки нержавеющих и конструкционных сталей и жаропрочных сплавов. Флюс ПВ209 состоит из фтористого калия, борного ангидрида, калия тетрафторбората. Флюсы ПВ209Х, ПВ284Х состоят из борной кислоты, гидроксида калия, плавиковой кислоты. Флюсы ПВ209, ПВ209Х, ПВ284Х можно использовать для пайки меди и ее сплавов, нержавеющих и конструкционных сталей.
 Пайка меди и ее сплавов может производиться с помощью чистой буры, которая является универсальным флюсом для высокотемпературной пайки.

Бура

Используются различные формы выпуска флюсов — жидкости, порошок, кусочки (кристаллы буры, например). Чтобы облегчить их дозирование (избыток флюса так же нежелателен, как и недостаток), используют объединение их с припоем. Делается это разными способами — добавлением в виде порошка в сыпучие формы припоев, обмазкой прутков припоя или помещением внутрь трубочки из припоя, совместным прессованием таблетированных форм.

Технология высокотемпературной пайки

В приведенном примере в качестве паяемых деталей выбраны части гаечного ключа. В качестве припоя — материал, представляющий собой пруток, покрытый флюсом. Необходим также высокоактивный флюс, подходящий для нержавеющих сталей. Инструментом нагрева является газовая горелка. 
Пайка выполняется в такой последовательности

• Механическим путем зачищаются стыковые части деталей. Операция необходима для удаления стойкой окисной пленки, которая покрывает нержавеющие стали.
• Детали зажимаются в тисках в требуемом положении.
• Зона пайки промазывается флюсом.
• Зажигается горелка, и устанавливается необходимый режим горения. Пламя должно быть восстановительным, с небольшой нехваткой кислорода (но не до копоти и желтого огня). Пересыщенное кислородом пламя окисляет поверхность металла
• Производится разогрев паяемой зоны до начала изменения цвета детали (при прикосновении, флюс на прутке должен начать плавиться). Прогревать yужно все соединение, перемещая пламя в разные стороны.
• Осуществляется офлюсовывание стыка флюсом с прутка — трением последнего по стыку. Если используется неофлюсованный пруток, после прогрева кончика, его нужно окунуть во флюс, чтобы тот покрыл его.
• Нагрев зоны пайки доводится до вишневого цвета. Обычно пайка твердыми припоями производится в интервале цветов от темно-вишневого до светло-вишневого.
• Нагрев деталей до более высокой температуры
• Расплавляется припой. При достаточном количестве флюса он легко растекается по зоне пайки, затягивается в стык.
• Припой должен плавиться не от пламени горелки, а от теплоты прогретого соединения.
• После окончания операции производится зачистка спая.
• чистка спаянного гаечного ключа
• И вот результат — готовое изделие.
• Гаечный ключ спаянный высокотемпературной пайкой
• Гаечный ключ спаянный высокотемпературной пайкой

Источник статьи 

Вакуумная пайка — fornax

Пайка – это образование соединения с межатомными связями путём нагрева соединяемых материалов ниже температуры их плавления, смачивания их припоем, затекания припоя в зазор и последующей его кристаллизации по ГОСТ 17325-79. Спаивание соединяемых поверхностей производится также методом диффузии. Благодаря достижениям научно-технической революции пайка из древнего ремесла превратилась в один из важнейших технологических процессов целого ряда современных производств. Сегодня пайка так же, как и сварка, является одним из наиболее распространённых способов получения неразъёмных соединений в изделиях разных назначений.

Одним из важнейших достоинств пайки можно считать формирование паяного соединения при температуре ниже, чем температура плавления соединяемых базовых материалов. Это даёт возможность вести процесс в условиях общего нагрева и позволяет производить:

• групповую пайку с широкой автоматизацией и механизацией, что обеспечивает высокую производительность процесса в массовом и серийном производстве;
• пайку в труднодоступных местах; пайку за один нагрев в случае тонкостенных изделий с большей плотностью мест пайки и их объёмным расположением;
• пайку деталей не только последовательно по контуру шва, но и одновременно и по поверхности, что даёт возможность варьировать прочность паек и конструкции изделий;
• пайку с меньшим давлением, чем при сварке давлением;
• пайку разнородных материалов;
• пайку с выбранной температурой процесса в зависимости от требований к сохранению механических свойств материалов после пайки;
• пайку, совмещённую с термообработкой;
• пайку ступенчатых соединений.

Отсутствие факта плавления базовых материалов при пайке обеспечивает плавность структуры галтельных участков паяного шва, что даёт более высокую надёжность и прочность изделий в условиях знакопеременных и вибрационных нагрузок, а также возможность разъединения (распайки) паяных изделий. При пайке, производимой с помощью припоя, не происходит автономного плавления паяемого материала, так как процесс осуществляется при нагреве до температуры ниже температуры солидуса. Однако паяемый металл контактирует с припоем в ином агрегатном (жидком) состоянии. При этом паяемый металл и припой, имеющие химическое сродство, представляют собой компоненты неравновесной системы, поскольку 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.

При капиллярной пайке, производимой с помощью метода диффузии (диффузионной пайке), затвердевание шва происходит выше температуры солидуса припоя без охлаждения из жидкого состояния. Процесс диффузионной пайки может развиваться только при условии отвода легкоплавкой основы или депрессанта припоя из шва. Отвод может происходить в результате диффузии их в паяемый материал, либо испарения, либо связывания их в тугоплавкие соединения, либо при сочетании данных процессов. Цель диффузионной пайки как самостоятельного способа получения паяного соединения заключается в проведении процесса кристаллизации таком образом, чтобы обеспечить наиболее равновесную структуру соединения, повышение температуры распайки шва, увеличение прочности и пластичности, усиление электрической проводимости соединения, устранение возможных образований малопрочной и хрупкой литой структуры и интерметаллидных прослоек, повешение коррозионной стойкости соединения без существенного ухудшения характеристик основного материала.

Следует отличать диффузионную пайку от диффузионной обработки паяных соединений, производимой при нагреве их в твёрдом состоянии с целью главным образом гомогенизации шва, то есть приведения его в более равновесное состояние и снятия остаточных напряжений. Диффузионная пайка имеет 3 стадии:
– органическое взаимодействие между твёрдой и жидкой фазами;
– затвердевание жидкой фазы;
– выравнивающая диффузия в твёрдом состоянии (гомогенизация пайки).

Вакуумная пайка – это перспективный, современный и качественный метод неразъёмного соединения двух и более металлических объектов путём введения между ними определённого присадочного материала – припоя или же путём обеспечения условий диффузии соединяемых объектов. Вакуумная пайка выполняется в специальном термо-вакуумном оборудовании – печах, где возможно создавать контролируемые атмосферы требуемых значений. Пайка в таком оборудовании осуществляется как без использования флюсов и кислот, так и с их применением. Пайка в печи подобна пайке с помощью паяльника или термофена, но происходит она при более высоких температурах и в условиях контролируемой среды.

Капиллярный эффект втягивает расплавленный припой в область соединения, где он и удерживается. В зоне пайки такого вида обеспечивается определённая среда – пространство, свободное от вещества, или безокислительная атмосфера – вакуум. Вакуум препятствует образованию тугоплавких оксидных плёнок на соединяемых предметах и на припое. Изделия, соединённые методом такой пайки, могут выдержать самые жёсткие условия эксплуатации: прочностные нагрузки, сверхвысокие температуры или вакуум.

Свойства некоторых сплавов

При нагревании металлы как со стабильными, так и с нестабильными оксидами стремятся вступить в реакцию с кислородом: чем выше температура, тем выше термодинамическая сила, способствующая их оксидированию. Например, золото и никель являются металлами с нестабильными оксидами при любых температурах; оксиды железа и меди быстро распадаются только при высоких температурах; окись хрома достаточно стабильна и выдерживает в атмосфере вакуумной печи температуру под 1000ºС до момента своего распада; окись алюминия и титана хорошо сохраняют свою стабильность при стандартной температуре.

В среде вакуума пары высокоактивных элементов могут существенно влиять на процессы пайки: связывать атмосферную влагу, окружающую объекты пайки, и оставшийся кислород; восстанавливать оксидную плёнку на спаиваемых поверхностях; уменьшать или предотвращать испарение одноимённого металла из расплавленного припоя; насыщать расплавленный припой определёнными компонентами; участвовать в контактном плавлении. К элементам, испаряющимся при пайке, относятся висмут, магний, кадмий, цинк и литий. В определённых случаях, при спаивании объектов в парах высокоактивных элементов, разумно использовать низкий вакуум в качестве защитной среды. Возможности вакуумной пайки в инертной среде можно расширить благодаря использованию легированного литья, а также применению лантана, бора, германия, фосфора, калия, бария, кремния, натрия и самофлюсующихся припоев.

Большинство металлов, спаиваемых в вакуумных печах, имеют на своих поверхностях естественную оксидную плёнку. У некоторых металлов формирование оксидной плёнки происходит не только в естественной среде, но и при повышении температур. В Таблице 1 представлены характеристики некоторых сплавов, часто подвергающихся соединению методом пайки в вакуумных печах. Из-за неудовлетворительного затекания припоя в места соединения оксидная плёнка на спаиваемых поверхностях приводит к дефектному паяному соединению и, как следствие, к исправимому или неисправимому браку готового изделия.

Таблица 1 – Характеристики некоторых сплавов

Сплав	Характеристики и рекомендации
Алюминий, титан, кобальт, сплавы и суперсплавы на основе никеля, стали серий 300 и 400, углеродистые и нержавеющие стали	Имеют свойство образовывать на поверхности оксидную плёнку при воздействии на них высоких температур. Места пайки таких сплавов предварительно зачищают, или химически травят, или используют самофлюсующиеся присадочные материалы. Пайка таких материалов происходит при высоком и относительно высоком вакууме 2х10-4 мм. рт. ст. и выше
Непосредственно алюминиевые сплавы	При нагревании выделяют магний, который быстро загрязняет оборудование, из-за чего следующие загрузки приходится спаивать при более высокой температуре, поэтому такие сплавы спаивают в специальных печах, обеспечивающих максимально равномерную температуру менее 650ºС
Сплавы на основе титана и циркония	Паяются с применением специальных формул присадочных материалов. Такие сплавы имеют тенденцию загрязняться даже при небольшом количестве кислорода, поэтому их паяют при высоком уровне вакуума

Для соединения металлов при пайке используются вспомогательные присадочные (связующие) материалы. Прочность и качество соединения достигается за счёт плотного контакта базового металла и присадочного материала. В отличие от сварки, где соединение формируется через сплавление базового металла, при пайке расплавления базового материала не происходит.

Основные и вспомогательные связующие материалы

На рисунке 1 схематично показан процесс соединения базовых деталей между собой при помощи связующего материала (припоя). Структура базовых деталей при этом не плавится.

Рисунок 1 – Графическое представление процесса соединения при вакуумной пайке

Основным соединяющим материалом в процессе пайки является припой – присадочный связующий материал для соединения мест пайки между собой. Припой имеет температуру плавления ниже, чем температура плавления соединяемых материалов. В качестве присадочных материалов обычно применяются сплавы на основе свинца, олова, меди, кадмия, никеля, серебра и другие. Выпускаются припои в форме проволоки, порошка, гранул, прутков, паст, фольги, платин. Припой создаёт механически прочное или герметичное соединение, также он применяется с целью получения электрического контакта малого переходного сопротивления.

При пайке припой нагревают выше температуры его плавления до перехода в жидкую фазу. Жидкий припой смачивает соединяемые поверхности, растекаясь по ним и заполняя швы между соединяемыми объектами. Компоненты припоя диффундируют в материал соединяемых объектов, они растворяются в припое, в результате чего образуется промежуточная прослойка, которая после застывания соединяет объекты в месте шва. Соединения сложной формы спаивают с помощью низкотемпературных припоев.

При выборе припоя учитываются физико-химические свойства соединяемых материалов, требования к конечной механической прочности шва пайки, коррозионная устойчивость и экономические показатели. По характеру затекания припоя в зазор различают:
– капиллярную пайку – ширина зазора < 0,5 мм;
– некапиллярную пайку – ширина зазора ≥ 0,5 мм.

Типы современных припоев весьма разнообразны, и их количество продолжает увеличиваться. Это обусловлено повышением требований к качеству паяных соединений, к служебным и механическим свойствам этих соединений, а также к паяльным свойствам самих припоев. Общая классификация припоев показана на рисунке 2.

Рисунок 2 – Классификация припоев

При пайке активация поверхностей в среде вакуума может осуществляться как с помощью вспомогательных материалов – флюсов, так и без них. Это зависит от применяемой технологии и от требуемого уровня «чистоты» соединения. При определённых технологиях вакуумной пайки вспомогательным материалом для активации процесса является флюс – смесь органических и неорганических веществ, предназначенная для удаления оксидов с поверхности мест соединений. В качестве флюсов могут использоваться: канифоль и её спиртовые растворы, нашатырь, глицерин, различные соли, ортофосфорная и ацетилсалициловая кислоты. Флюс смачивает места соединений, уменьшает поверхностное натяжение, улучшает растекание припоя, находящегося в жидкой фазе, защищает соединяемую область от действия окружающей среды – окисления.

Для пайки различных материалов используются соответствующие конкретным требованиям флюсы:
– чёрные металлы: активные флюсы, флюсы средней и малой активности;
– электроника: спиртовые растворы канифоли, глицерин, кислоты, соли;
– алюминиевые сплавы: бинарный флюс;
– нержавеющие стали: ортофосфорная кислота;
– борная кислота, борный ангидрид, тетраборат натрия (для высокотемпературных режимов пайки).

Пайка с флюсом

Если для соединения поверхностей технологически обусловлено применение флюса, то контролируемая атмосфера обеспечивает лишь отсутствие окисления на спаиваемых поверхностях. В этом случае в качестве инертной среды можно использовать любые инертные газы. Эти газы имеют свои характеристики, достоинства и недостатки, представленные в таблице 2.

Таблица 2 – Достоинства и недостатки инертных газов при пайке со флюсом

Газ	Достоинства	Недостатки	Примечание
Азот	Отсутствие окисления при пайке	Отсутствие способности подготовки поверхности к пайке	Благодаря своей химической инертности газообразный азот широко используется в производстве
	Доступность и безопасность при работе
Формир-газ	Создание инертной атмосферы и активация спаиваемых поверхностей	Низкая способность подготовки спаиваемых поверхностей	Смесь: 95 % азота + 5 % водорода. Водород способствует разрушению оксидных пленкок на поверхностях – удалению окислений
	Отсутствие окисления при пайке

Пайка без флюса

Если для соединения поверхностей применяется технология пайки без использования флюса, то в термокамере вакуумной печи создаётся специальная атмосфера, обеспечивающая активацию поверхностей при пайке, а также препятствующая образованию окислений. Бесфлюсную, «чистую» пайку применяют при соединении ответственных деталей. После такой пайки в местах паяных соединений отсутствуют флюсовые трудноудаляемые загрязнения. Для технологии бесфлюсовой пайки подбираются варианты специальной атмосферы: плазменная пайка; пайка в парах муравьиной кислоты; пайка в водороде. Эти атмосферы также имеют свои характеристики, достоинства и недостатки, представленные в таблице 3.

Таблица 3 – Достоинства и недостатки специальных атмосфер

Атмосфера	Достоинства и/или влияние	Недостатки	Примечание
Пайка в водороде	Активное восстановление, эффективное удаление окислений	Открытое пламя при удалении водорода из термокамеры	Активный восстановитель водород (Н2) очищен от примесей газов и водяных паров. Водород – более активный восстановитель, чем пары муравьиной кислоты или формир-газ
	Оптимальная смачиваемость поверхностей соединений	Специальные повышенные требования безопасности
	Отсутствие загрязнений
Плазменная пайка	Механическое воздействие подобно пескоструйной обработке	Повышенные требования к вакууму	Плазма – это ионизированный газ из нейтральных молекул или атомов и заряженных частиц. Квазинейтральность плазмы даёт такой эффект, что объёмная плотность отрицательно и положительно заряженных частиц почти одинакова
	Подготовка поверхностей ионизированным газом	—
	Использование УФ-излучения для отверждения покрытий и разрушения длинных цепей соединений углерода	—
	Оптимальная активация и смачиваемость поверхностей	—
	Отсутствие брака	—
Пайка в парах муравьиной кислоты	Удаление слоя оксидов	Специальные повышенные требования безопасности	Муравьиная кислота (HCOOH) – это химический реагент, позволяющий очистить спаиваемые поверхности от окисления. В вакуумных установках инертный газ проходит сквозь сосуд с HCOOH, в результате чего получается «влажный газ» с парами этой кислоты. Пар удаляет окисления и подготавливает поверхности к пайке
	Отсутствие необходимости применения флюса

Пайка в вакуумных печах

Вакуумная пайка производится в вакуумных печах – специализированном герметичном оборудовании, предназначенном для проведения термообработки в вакууме. В таких печах пайка производится путём безокислительного нагрева с объёмным расположением мест пайки (паяных швов). В зависимости от соединяемых материалов и припоя температура должна достигнуть примерно 1200°C, чтобы обеспечить стабильность ее значения. В вакууме передача тепла происходит благодаря тепловому излучению (закон излучения Планка), которому соответствует наилучшая однородность температуры – ее градиент в горячей зоне равен ± 3°С. Пайка может быть штучной или групповой.

В течение термического цикла в печах регистрируются и контролируются параметры давления остаточных газов, скорость нагрева, температура пайки, время пайки, время промежуточных изотермических выдержек (их длительность и температура), скорость охлаждения, температура выдачи готового изделия. Типичная вакуумная печь работает под давлением ≈ 1/10 – 1/100 мм. рт. ст. Уровни вакуума принято разделять на низкий (грубый), средний (мягкий) и высокий (жёсткий) вакуум (рисунок 3).

Рисунок 3 – Рабочие уровни вакуума

При уровне вакуума ≈ 1/10 – 1/100 мм. рт. ст. в термокамере создаётся достаточно сухая атмосфера с существенно пониженным содержанием кислорода и влаги. Среднестатистическая вакуумная печь при условии удовлетворительного её обслуживания без труда создаёт заданную низкокислородную атмосферу. Такие условия невозможны в ни в одной из печей со стандартной атмосферой, и это является главной причиной того, что многие производства, ориентированные на условия работы в безокислительных чистых средах, выбирают вакуумные печи для такого рода пайки.

Соответствующий «сухой» уровень атмосферы в вакуумных печах можно получить, задействовав только механические наносы вакуумной печи, ещё до того, как начнут откачку диффузионные крионасосы. Однако когда давление в печи падает до 1 мм. рт. ст. и менее, диффузионные насосы подключаются к циклу работы автоматически. Для некоторых соединяемых материалов пайка при давлении в 1 мм. рт. ст. показывает прекрасный результат (например, углеродистые стали). Если возникает необходимость опустить давление ещё ниже, то вакуумную установку дополнительно оснащают вторичным диффузионным насосом (или турбомолекулярным).

Для хорошей пайки необязателен высокий вакуум. Степень вакуума должна удовлетворять условию: объём кислорода, присутствующего в термокамере, необходимо уменьшить насколько, чтобы кислород не вызывал окисление спаиваемых поверхностей. Главное условие, к которому надо стремиться, – это качественный результат пайки.

В современных вакуумных печах управление общим циклом, температурой и парциальным давлением полностью автоматизировано и компьютеризировано. В вакуумной среде применение определённых элементов (металлов) может оказывать влияние на параметры парциального давления. При безокислительном нагреве одним из способов снижения давления отдельно взятого компонента газовой смеси – парциального давления – возможно за счёт взаимодействия паров легко испаряющихся элементов и вакуума. При вакуумной пайке в термокамеру вместе со спаиваемыми объектами вводят определённый объём легко возгоняемого или низко кипящего металла, откачивают воздух и нагревают термокамеру. В контейнере остаётся ограниченный объём кислорода, определяемый остаточным давлением кислорода в камере и внутренним её объёмом. Пары низкокипящего металла, образующиеся в термокамере, связывают весь объём свободного кислорода, находящегося в ней. Ускорению этого процесса способствует вакуум.

Пайка в вакуумных печах имеет неоспоримые преимущества:

– обеспечение необходимой контролируемой атмосферы, предотвращающей окисление спаиваемых поверхностей;
– обеспечение качественной термообработки и повторяемости достигнутого положительного результата;
– минимальное изменение размеров и геометрического профиля соединяемых изделий;
– высокая степень однородности и стабильности температуры;
– обеспечение однородности свойств по сечению;
– обеспечение оптимальной твёрдости изделий;
– формирование чистых и блестящих поверхностей, что позволяет избежать дальнейшей механической обработки;
– управление всем процессом и воспроизводимость регистрации данных;
– соответствующий контроль;
– уверенность в результате.

Вакуумные печи предназначены не только для пайки в безокислительной атмосфере. Это универсальное оборудование, в котором можно проводить такие технологические процессы термообработки, как газовая закалка, отпуск, цементация, нитроцементация, карбонитрирование, отжиг, плазменное нитрирование, спекание керамики, спекание порошков металлов, дегазация, литье и другие технологические операции, требующие обработки или соединения деталей в безокислительной атмосфере.

Особенности пайки в вакуумных печах при определении технологии

Для обеспечения оптимального паяного соединения выбирается вид вакуумной пайки:

– обратимая вакуумная низкотемпературная пайка;
– необратимая высокотемпературная пайка.

Обратимая низкотемпературная пайка обеспечивается посредством активного процесса адгезии соединяемых деталей с применением связующего материала – припоя. При необратимой высокотемпературной пайке в области паяного шва происходит диффузия соединяемых материалов, их проникновение друг в друга, что обеспечивает более прочное соединение по сравнению с низкотемпературной пайкой. Вакуумная высокотемпературная пайка применяется для соединения деталей из высоколегированных коррозионностойких, термостойких, жаропрочных сталей, а также при соединении изделий с труднодоступными полостями и с целью исключения коррозии, создаваемой остатками флюсов.

Надёжность и качество готового изделия невозможны без оптимального технологического цикла пайки, который определяется в зависимости от базовых металлов, состава припоя, массы изделия или деталей, схемы соединения паяных швов. Типичный процесс такого вида соединения имеет следующие этапы:

– откачка воздуха и удаление водяного пара;
– установка начальной скорости нагрева;
– доведение температуры до температуры выдерживания;
– набор температуры до температуры пайки после завершения выдержки;
– пайка и выдержка при температуре пайки;
– процесс охлаждения;
– разгерметизация.

Пайка в вакууме – сложный технологический процесс термообработки, состоящий из различных операций и имеющий ряд важных особенностей, которые нужно учитывать при работе на вакуумно-термическом оборудовании в целях получения качественных паяных соединений. При оптимальной отладке параметров цикла вакуумная печь способна обеспечить стабильность и повторяемость результата, а система управления технологическим процессом даёт возможность регистрировать все ключевые параметры во время процесса пайки, что вкупе гарантирует высокое качество конечного изделия.

Исходную информацию для выбора и осуществления технологического процесса даёт конструкторская документация (КД). Технологи изучают учтённые экземпляры КД (чертежи, спецификации, пояснительные записки, ТУ и другие) и определяют последовательность работы. Результаты решений по каждому технологическому этапу становятся исходными данными для выполнения следующих технологических этапов: конструкторско-технологический анализ; разработка оснастки; определение операций и критериев технологии пайки, в том числе:

– подготовка поверхностей;
– использование покрытий;
– определение вида пайки – капиллярная/некапиллярная;
– установление зазоров;
– определение коэффициентов разупрочнения;
– установление температурных интервалов активности по объектам пайки, активирующим и вспомогательным материалам;
– проверка качества паяных соединений и др.
Некоторых из них будут описаны ниже.

Правильная подготовка поверхностей к пайке очень важна для получения качественных и надёжных паяных швов. Присадочные материалы (припои) потенциально сложно вступают в связь с неочищенными поверхностями. Если соединяемые поверхности не подготовлены к пайке, то припой попадёт в капилляры соединяемых материалов в недостаточной степени. То же самое можно сказать и о соединениях, выполняемых методом диффузии: поверхности с наличием оксидной плёнки достаточно плохо соединяются между собой. Спаиваемые поверхности должны быть зачищены от оксида, очищены и обезжирены, так как равномерный капиллярный эффект возможен только при условии удаления всех загрязнений с поверхности базового материала и припоя. Временной интервал, в течение которого материал считается очищенным, определяется исходя из используемого материала, атмосферных условий, методов хранения и количества операций с деталями. Рекомендуется, чтобы размещение очищенных соединяемых деталей в печь и пайка выполнялась сразу после очистки спаиваемых поверхностей.

Важным параметром, определяющим вид и цикл вакуумной пайки при работе с металлами, является фактор их термического расширения. Обычно зазоры между базовыми металлами не должны превышать 0,12 мм, однако многое зависит от конкретного случая и особенностей соединения. Чтобы избежать слишком больших зазоров между соединяемыми деталями или же слишком плотного прилегания соединяемых поверхностей, необходимо учитывать коэффициенты термического расширения всех деталей, участвующих в процессе пайки. Учёт коэффициентов термического расширения напрямую влияет на качество паяных швов: если при термообработке зазор между соединяемыми поверхностями слишком большой, то капиллярное затекание припоя может быть недостаточным для плотного и качественного соединения; если же поверхности будут слишком туго прилегать друг к другу – припой может не попасть между соединяемыми поверхностями. В обоих случаях паяный шов может разрушиться. Поэтому определение термического расширения необходимо проводить для всех соединений, где деталь из металла одного вида соединяется с деталью из металла другого вида.

Выбор присадочного материала (припоя) и базового сплава – очень важный фактор для определения параметров и режимов пайки. Специфики присадок кратко уже рассмотрены выше, однако их взаимосвязь с базовыми металлами через диапазоны температур плавления и методы нанесения – важные нюансы при конечном определении технологии. Чистые металлы плавятся при определённой температуре. Но многие металлы являются сплавами, состоящими из элементов разного рода. У них плавление происходит в пределах определённого диапазона: начало плавления – температура солидуса; полное расплавление – температура ликвидуса; промежуточная температура плавления, в которой в материале присутствуют как жидкие, так и твёрдые фазы. В связи с этим при выборе сплава припоя необходимо убедиться, что диапазон плавления выбранного припоя не пересекается с диапазоном плавления базового металла. Обычно выбор основан на том, чтобы солидус базового металла был выше ликвидуса припоя минимум на 55ºС. В настоящее время на промышленном рынке есть припои как с очень узким диапазоном плавления, так и с достаточно широким.

При выборе припоев необходимо учитывать не только диапазон плавления, но и их совместимость с базовыми металлами. В процессе пайки происходит взаимодействие между всеми соединяемыми компонентами, степень которого зависит от состава компонентов и выбранного цикла пайки. В определённых условиях расплавленный припой может растворить базовый металл, создавая эрозию, и/или диффузировать в базовый металл. Кроме того, существуют припои, содержащие нестабильные элементы – припои на основе меди, серебряные и никелевые. Такие припои требуют внимания при установке давления газа и температуры в сочетании с базовым металлом. Все эти факторы могут вызвать изменение свойств базового металла, поэтому нужно предельно тщательно подходить к выбору цикла пайки.

Выбор и нанесение припоев также играет немаловажную роль. При выборе припоя нужно учитывать то, в каком виде он доступен для приобретения, и то, каким методом он будет нанесён на место шва пайки. Можно выделить требования к нанесению припоя:

– нанесение припоя допустимо только после удаления загрязнений со спаиваемых поверхностей;
– припой в тонких прокладках и листах может быть установлен непосредственно в место соединения;
– порошковый припой может быть преобразован в пасту путём смешивания со связующим материалом и нанесения полученной пасты на место соединения;
– при очень плотном соединении припой может быть нанесён предварительно, чтобы гарантировать полное заполнение такого соединения;
– для эффективного капиллярного затекания припою могут потребоваться зазоры;
– в случае необходимости ограничения затекания припоя может быть использована специальная изолирующая краска;
– в некоторых случаях, чтобы способствовать затеканию припоя, можно производить механическое загрубление мест соединения;
– недопустимо слишком обильное нанесение припоя, нужно тщательно оценивать его объём;
– припой размещается над зоной соединения, чтобы использовать действие силы тяжести как преимущество;
– место соединения не должно быть запечатано припоем полностью, так как каждое соединение должно иметь возможность вентиляции в процессе падения давления в вакуумной печи.

Раскрепление соединяемой конструкции в камере вакуумной печи выполняется один раз и сохраняется на протяжении всего цикла пайки. Самофиксирующиеся сборки – это наилучший вариант для пайки сборных элементов. Если фиксация принудительная, то во время сборки конструкции необходимо убедиться в том, что при раскреплении обеспечены необходимые зазоры в соединениях. В некоторых случаях для фиксации допускается использовать точечную сварку. Применение крепёжных элементов (винты, болты) не допускается, так как резьбовые соединения могут спекаться и затем их будет весьма трудно разобрать. Если при раскреплении целесообразно применение пружин или других механизмов, то такие механизмы должны выдерживать температуру, воздействию которой будут подвергаться в процессе пайки. При использовании металлических креплений все точки контакта со спаиваемой сборкой должны быть покрыты изолирующей краской.

Важна правильная обработка паяного соединения. Если пайка производилась с использованием флюса, то по завершении процесса необходимо очистить места пайки от флюсовых загрязнений. После завершения пайки и изъятия объектов из термокамеры на поверхности паяных соединений существуют остаточные явления флюса – флюсовые загрязнения и/или продукты его реакции при взаимодействии с паяемыми объектами. Такие остаточные явления удаляют обычной промывкой соединения в растворителях, спирто-бензиновой смесью или же с использованием ультразвука. Очистка проходит более эффективно, если изделия не успели остыть после пайки. Тщательность удаления флюсовых загрязнений влияет на эксплуатационные характеристики и надёжность готового изделия.

Одним из условий качества паяных в вакууме соединений являются испытания полученных изделий, особенно если речь идёт о сложных конфигурациях и/или о серийной продукции. Технологический цикл необходимо отладить на тестовых образцах, провести испытания паяных швов, своевременно выявить возможность их разрушения и в соответствии с этим скорректировать цикл. В зависимости от требований к конечному изделию для проверки качества можно использовать визуальный осмотр, рентген-контроль, метод разрушающего контроля, проверку образцов на герметичность, коррозионные испытания, измерение сопротивления на отсутствие обрывов и витковых замыканий. Только после получения стабильно-удовлетворительных результатов образцов рекомендуется приступать к пайке сложных и/или серийных изделий.

При любом виде пайки, в том числе и вакуумной, возможно получение дефектного конечного результата – исправимого и неисправимого брака. Выделяются такие причины дефектов соединений вакуумной пайки, как ошибки в выборе технологии, различные нарушения процесса температурной обработки, человеческий фактор, некачественная подготовка поверхностей. Большинство дефектов исправляются повторным нагревом – перепайкой, с добавлением дополнительного объёма припоя в дефектной зоне и повторной пайкой при меньшей температуре относительно изначальной. Дефектное изделие с неисправимым браком бракуется по установленной на производстве процедуре и далее подлежит переработке, утилизации или срочному/бессрочному хранению.

Представленная информации обобщена на рисунке 4, где схематично показана зависимость выбора способов пайки по ГОСТ 17349-79 от различных альтернативных признаков. В наименование способа пайки конкретного изделия должны войти по одному или несколько наименований способов из каждой группы и в том же прядке, в каком они представлены на этом рисунке. Например, «контактно-реактивная капиллярная диффузионная печная пайка в вакууме под давлением».

       Рисунок 4 – Технологическая классификация способов пайки

Пример использования пайки в вакууме в производстве электронной промышленности

В определённых сферах производства РЭ-продукции необходимо создавать паяные соединения повышенной надёжности. Такие соединения должны быть механически прочны, устойчивы к коррозии, к агрессивным воздействиям окружающей среды, к воздействию солевого тумана и влаги, а также к воздействию повышенных температур. Наличие разного рода дефектов пайки в изделиях такого типа недопустимо, так как может спровоцировать выход этих изделий из строя.

Принцип действия пайки в вакууме схематично представлен на рисунке 5, где показан цикл с использованием двухступенчатого образования контролируемой среды для решения разного рода задач, позволяющий оценить влияние такой пайки на конечный результат.

Рисунок 5. Пайка с помощью вакуума

Первая ступень – откачка вакуумной камеры – реализуется сразу после установки изделия в термокамеру, что сделано с целью удаления из неё воздуха. После создания вакуума определённого разрежения термокамера может быть наполнена необходимыми газами. Вторая ступень – фаза оплавления – наступает, когда припой переходит в жидкую фазу, созданный вакуум вытесняет воздух из паяного соединения и способствует удалению образовавшихся пустот. По требованиям техпроцесса при достижении определённого уровня разрежения в термокамеру могут быть поданы различные газы. При пайке в естественной атмосфере и пайке в условиях вакуума такие соединения выглядят по-разному и имеют различную внутреннюю структуру, что показано на рисунке 6.

Рисунок 6. Различия между пайкой в естественной атмосфере и пайкой в условиях вакуума

Вакуумная пайка является ответственным и сложным технологическим процессом термической обработки и производится с помощью серьёзного современного оборудования. На сегодняшний день соединение ответственных деталей с использованием вакуумно-термического оборудования фирмы «Форнэкс» специализировано для широкого применения в таких отраслях, как космическая, авиационная, химическая и электронная промышленность, машиностроение, автомобилестроение, медицина и металлургия. Также оборудование фирмы используется для спекания керамики и металлических порошков. «Форнэкс» рад предложить современное оборудование достойного качества.

ООО «Форнэкс», 2019. Все права защищены.

Список литературы:

[1] «Пайка металлов» – С.В. Лашко, Н.Ф. Лашко, издательство «Машиностроение», Москва, 1988 год

«Пайка в вакуумной атмосфере» (перевод) – Дэн Кай, 2009 год

«Техники вакуумной пайки» (перевод) – Джефф Притчард, 2008 год

«Технологии в электронной промышленности» (журнал) №6, 2013 год

«Большая энциклопедия нефти и газа», Знание 2019 г.

«Пайка металлов». Конспект лекций для студентов направления 0923 «Сварка и родственные процессы» –
Е.А. Денисевич, Киев, 2006 год