В контексте Флюсы и паяльные жидкости для пайки металлов.Припои для пайки.Простой способ лужения.Холодная спайка.

Пайка — это процесс соединения металлов, находящихся в твердом состоянии, посредством расплавленного связующего металла или сплава — припоя. Припоем называют присадочный материал или сплав, вводимый в зазор между соединяемыми поверхностями изделия (детали), способный образовывать полное соединение. Химикаты, применяемые при пайке, способствующие удалению окислов и загрязнений из мест пайки и защищающие поверхности при нагреве от новых образований, называют флюсами.

Пайка — один из наиболее надежных методов соединения деталей. В народном хозяйстве применяют различные способы пайки: горелкой, в паяльных печах и аппаратах, индукционную пайку, пайку с помощью электронного луча, лазера и др.

В ювелирной промышленности пайка распространена в связи с универсальностью ее как в отношении типов и размеров паяемых соединений, так и в отношении применяемого оборудования. В отечественной ювелирной промышленности пайка золотых сплавов производится ручными горелками, в конвейерных печах с защитной газовой атмосферой и на специальных паяльных аппаратах точечной пайки. Пайка же изделий из серебра и цветных металлов до сих пор производится только ручными горелками, поэтому она является одной из наиболее трудоемких и малопроизводительных операций.

В процессе пайки между припоем и паяемым металлом возникают межкристаллитные формы связи. При этом основным технологическим условием создания паяного соединения является обеспечение такого взаимодействия припоя с паяемым металлом, при котором атомы жидкого припоя вступают во взаимодействие с атомами паяемого металла, т. е. происходит смачивание жидким металлом твердого. Для качественной пайки необходимо, чтобы возникшие при смачивании механические связи сохранились и после полного затвердевания припоя.

Смачивание поверхности паяемых металлов припоем зависит от соотношения поверхностных натяжений твердого металла и расплава на границе твердого металла с газовой фазой. Поверхностное натяжение как твердых, так и жидких металлов зависит от свойств той среды, на границе с которой оно определяется. Поэтому смачивание каждой конкретной пары металлов можно улучшить, если взять в качестве третьей среды, участвующей в процессе смачивания, не обычную атмосферу, а например, расплав солей — флюсы.

Из производственной практики известно, что без применения флюсов пайку осуществить трудно. Воздействие флюса на смачивание и растекание припоя по поверхности металла определяется влиянием флюса на соотношение значений поверхностных натяжений. Флюс может улучшить растекание жидкого припоя по поверхности твердого металла только в том случае, если флюс увеличивает поверхностное натяжение твердого металла, что достигается за счет удаления пленки оксидов, или уменьшает поверхностное натяжение припоя, что достигается адсорбцией на нем металлических ионов и целых молекул солей — флюсов.

Степень смачивания расплавленным металлом металлической поверхности резко изменяется в присутствии даже очень небольших количеств примесей, которые, адсорбируясь в поверхностном слое, резко изменяют свободную энергию поверхности на границе раздела твердое тело — жидкость. Оценка смачиваемости производится измерением площади растекания припоя по поверхности основного металла. Растекание жидкого припоя по твердому металлу зависит также от шероховатости поверхности, представляющей собой своеобразные капилляры, по которым движется жидкий припой. В результате такого капиллярного течения припой заполняет  пространство  между плотно соединяемыми частями.

Выбор оптимального зазора при температуре пайки очень важен, так как он определяет способность припоя к полному заполнению зазора и прочность паяных соединений. Необходимо учитывать, что в связи с шероховатостью поверхностей соединяемых деталей фактический зазор по величине непостоянен даже при плотном контакте деталей. Заполнение зазора жидким припоем может происходить также под действием небольшого разрежения, создаваемого расплавленным припоем в зазоре между соединяемыми деталями.

При наличии значительного физико-химического взаимодействия между жидким припоем и металлом может происходить растворение шероховатых выступов, разрушение капиллярных каналов, и оно тем больше, чем выше температура пайки, увеличивающая растворяющую способность припоя.

Формирование структуры металла на месте паяных швов связано с протеканием на межфазовой границе ряда процессов, зависящих от природы взаимодействующих элементов, степени кристаллографического соответствия растущих кристаллов в структуре основного металла, распределения температуры между твердой и жидкой фазами и др.

Между расплавленным припоем и основным металлом при пайке на небольшой глубине происходят процессы взаимного растворения и диффузии, в результате которых при затвердевании припоя получается прочное соединение деталей. При обычной капиллярной пайке паяемый металл взаимодействует с жидким припоем, вследствие чего происходит диффузия компонентов основного металла в жидкий припой, диффузия их в жидком припое и диффузия компонентов жидкого припоя в твердый паяемый металл.

Процессы диффузии припоя в основной металл при достаточно большой растворимости в нем компонентов жидкого припоя в значительной степени и определяют состав шва. При охлаждении начинается кристаллизация металла в паяемом шве и затвердевание. В результате формируется первичная структура, типичная для неравновесной кристаллизации. Неравновесные диффузионные процессы могут продолжаться и в твердом состоянии. Продолжительный нагрев или последующий отжиг после пайки значительно усиливают процес диффузии.

Припой имеет первоначальную структуру только посередине соединения, а в краевых зонах шва обогащен кристаллами паяемого металла. На границе основного металла также образуется узкая смешанная зона, и только за ней видна характерная структура основного металла. Практически эти зоны могут выглядеть различно: припой может смешаться с основным металлом вплоть до своей средней зоны, можно и совсем визуально не обнаружить смешанную зону в паяном шве, если ее ширина различается только под микроскопом.

Таким образом, в зависимости от свойств основного металла, припоя и технологии пайки металл паяного шва может иметь различную структуру.

При выборе основного металла и припоя в процессе конструирования паяного соединения необходимо учитывать физико-химические свойства применяемых металлов и взаимодействие основного металла с припоем и флюсом (электродный потенциал, удельное сопротивление, температуру плавления, коэффициент линейного расширения, плотность, модуль упругости, твердость). Так, электродный потенциал является существенной характеристикой при определении вероятности коррозии. Детали могут выйти за пределы допуска, если не учитывать коэффициент линейного расширения. Необходимо, чтобы коэффициенты линейного расширения основного металла и припоя находились в диапазоне, исключающем при росте температуры возникновение в узле значительных напряжений.

Существуют два основных типа применяемых при пайке соединений: внахлестку и встык. Однако для разных конструкций можно применять их различные комбинации и варианты.

При соединении внахлестку площадь перекрытия можно изменять так, что прочность паяного соединения будет равна прочности самой тонкой детали паяемого соединения, несмотря на более низкую удельную прочность припоя или наличие небольших дефектов на шве. Максимальная прочность паяного соединения внахлестку получается в том случае, когда перекрытие (нахлестка) имеет толщину более трех толщин самой тонкой части паяемого изделия. Соединение внахлестку обеспечивает максимальную эффективность, так как толщина металла в месте соединения увеличивается.

При соединении встык соединяемая площадь не может быть больше поперечного сечения паяемой детали. Для получения прочного соединения в этом случае необходимо устранить какие бы то ни было дефекты поверхности стыка. Применяют соединения встык в тех случаях, когда герметичность и прочность соединения не имеют особо большого значения.

Скошенные соединения являются разновидностью стыкового соединения и применяются для увеличения соединяемой площади. Однако такое соединение труднее поддается выравниванию во время процесса пайки, чем соединение внахлестку или встык.

Паяные соединения могут подвергаться различного рода нагрузкам: растяжению, сжатию, удару, усталостному нагру-жению. Из факторов, влияющих на механическую прочность паяных соединений, можно выделить следующие:

• размер соединительного зазора, который определяет толщину слоя припоя в паяемом шве и является основным фактором, обеспечивающим максимальную прочность соединения (для разнородных металлов или металлов с большой разницей в массе соединительный зазор из-за разных коэффициентов термического расширения следует устанавливать с расчетом на температуру пайки, а пригонку зазора при нормальной температуре производить так, чтобы при температуре пайки он достиг требуемой величины);
• распределение напряжений (предпочтение следует отдавать соединениям внахлестку, а стыковые и скошенные соединения применяют лишь в тех случаях, когда соединения внахлестку выполнить нельзя вследствие ограниченности площади);
• размещение припоя (при пайке вручную припой присаживают с внешней стороны и пайка не вызывает затруднений). Припой можно укладывать в виде проволоки, полосок, кусочков, порошка и т. д. В ювелирной промышленности наиболее часто применяются проволока и кусочки припоя.

Перед пайкой с поверхностей необходимо удалить оксиды и загрязнения для проявления действия капиллярного притяжения между припоем и металлом. Пайку после очистки поверхности рекомендуется производить как можно быстрее. Время, в течение которого поверхность остается чистой, зависит от свойств применяемого металла, состава атмосферы, условий хранения и других факторов.

Существуют химический и механический способы очистки поверхностей.

Наиболее эффективна химическая очистка, при этом можно применять четыреххлористый углерод, трихлорэтилен, тринатрийфосфат. Выбор очистителя зависит от индивидуальных особенностей очищаемого материала. При этом необходимо, чтобы применяемый реактив легко смывался с поверхности металла, так как его остатки могут повредить основному металлу или образовать на поверхности нежелательную пленку.

Механическую очистку осуществляют шлифовкой, опиловкой, зачисткой стальной щеткой и т. д. В некоторых случаях после механической применяется еще и химическая очистка.

В настоящее время основным видом нагрева изделий при пайке является пламенный нагрев ручными горелками различных конструкций и нагрев в конвейерных печах с защитной газовой атмосферой.

Наиболее широко распространена пайка с использованием ручной пламенной горелки; при этом не применяют стандартные ручные горелки, а изготовляют специальные. По принципу действия они отличаются от стандартных. Несколько уступая им в универсальности, они имеют значительно облегченную конструкцию. Масса горелок, как правило, не должна превышать 300 г.

Основные требования, предъявляемые к горелке: точность и простота регулировки пламени; устойчивость факела; легкость, компактность, удобство в обращении; безопасность для человека.

Основными видами топлива для ручных горелок являются газ, бензин и керосин, которые перед употреблением смешивают с кислородом или воздухом в различных соотношениях. Смешение топлива с воздухом может быть осуществлено либо в горелке, либо вне ее. Первый вариант применяют при использовании газообразного, второй — жидкого топлива. Принципиальная схема приготовления рабочей смеси при использовании жидкого топлива (бензина) следующая. Воздух от компрессора проходит последовательно через два сосуда, заполненных бензином. Для подогрева бензина каждый сосуд имеет «водяную рубашку». Далее воздух насыщается парами бензина и поступает в разводящую магистраль (содержание бензина в смеси можно увеличить, повышая температуру воды в «водяной рубашке») .

Конструкция горелки определяется в первую очередь видом применяемого топлива. Горелки, работающие на газовом топливе, состоят из двух трубок (стальных или латунных): для подачи газа и для подачи воздуха. Каждая трубка снабжена вентилем, выполняющим роль как запорного, так и регулировочного клапана. Для смешения газа с воздухом конец воздушной трубки впаивается в газовую трубку или две ведущие трубки впаиваются в третью. На входные концы горелок насаживают насадки. Насадки предназначены для смешения газа с воздухом, инжекции воздуха из атмосферы и придания факелу определенной формы. Насадки могут быть цилиндрическими, коническими, сходящими, расходящими и др. Мощность горелок определяется их назначением: для пайки крупногабаритных изделий применяют горелки, имеющие большие проходные сечения трубок и насадок.

Горелки, работающие на смеси бензина с воздухом, проще по конструкции, чем газовые. Корпус такой горелки представляет собой трубку, снабженную запорным вентилем, который одновременно является и регулировочным. На выходном конце трубки устанавливается насадка. По возможности регулировки характера пламени бензиновые горелки значительно уступают газовым, так как работают на готовой топливно-воздушной смеси, состав которой в зависимости от случайных факторов может меняться.

В некоторых случаях для особых видов пайки используют горелки специального назначения. К особым видам пайки могут быть отнесены точечная пайка и пайка крупногабаритных изделий, требующая нагрева всего корпуса изделия.

Точечная пайка применяется в тех случаях, когда недопустим нагрев изделий или деталей вне зоны пайки. Такие условия могут сложиться при проведении реставрационных работ, когда, например, перед пайкой невозможно извлечь из изделий вставки; при соединении сложных тонких деталей, когда нужен быстрый, интенсивный нагрев до высоких температур. С внедрением точного литья для изготовления деталей ювелирных изделий точечная пайка приобретает особое значение, так как с ее помощью можно исправить многие литейные дефекты изделий. Она может быть использована также и для многоступенчатой пайки одного изделия припоем одного состава. Осуществляется точечная пайка аппаратом модели 25А. Температура пламени в горелке аппарата 2700 К, длина факела до 40 мм, максимальный диаметр пламени 2 мм.

Для припаивания к корпусу крупногабаритного изделия (например, серебряной посуды массой 1500 г) филигранного рисунка (филигрань в некоторых случаях может занимать половину всей площади поверхности изделия) требуется высокотемпературный нагрев всего корпуса. Пайка таких изделий осуществляется многофакельными горелками. Изделие в этом случае рекомендуется устанавливать и закреплять на вращающемся столе, что позволит равномерно нагревать паяемую филигрань.

При монтировке изделий для фиксации под пайку применяется точечная сварка — наиболее универсальный метод, пригодный для подавляющего большинства ювелирных изделий. Осуществляется точечная сварка сварочными аппаратами.

Принцип работы сварочных аппаратов заключается в том, что заряженный конденсатор разряжается в момент замыкания цепи через скрепляемые детали, находящиеся, в свою очередь, между электродами.

Образовавшийся при точечной сварке шов между деталями достаточно прочен, и заготовка выдерживает нанесение флюса, припоя и транспортировку к месту пайки.

Напряжение зарядки конденсаторов и сварочный ток в зависимости от сплава подбирают опытным путем. Для сварки (прихватки) золотых сплавов рекомендуют следующие напряжения: 100—180 В — для деталей толщиной 0,5—1 мм; 150— 250 В — для деталей толщиной 1—2 мм; 280—350 В — для деталей толщиной свыше 2 мм.

Для механизации процесса пайки — наиболее трудоемкой операции при изготовлении художественных изделий — применяют специальные конвейерные печи, имеющие защитную газовую атмосферу из диссоциированного аммиака. Защитная атмосфера печей позволяет производить механизированную пайку и термическую обработку изделий без окисления, что сокращает операции по снятию или восстановлению окисленного слоя.

Электрические конвейерные печи состоят из следующих основных узлов: нагревательной камеры; канала печи сечением, по которому движется конвейерная лента; диссоциатора; охлаждающей камеры; пульта управления.

Заготовки изделий с нанесенными в местах паек припоем и флюсом устанавливают на конвейерную ленту и пропускают через печь, нагретую до температуры 1100—1153 К, где и производится пайка. Поверхность паяных изделий получается при этом чистая, без следов оксидов и окалины.