Источники тепла
Существует множество способов нагрева паяемых деталей. К самым распространенным и наиболее подходящим для пайки в домашних условиях относится нагрев паяльником, горелкой с открытым пламенем и строительным феном.
Нагрев паяльником осуществляют при низкотемпературной пайке. Паяльник нагревает металл и припой за счет тепловой энергии, аккумулированной в массе его металлического наконечника. Кончик паяльника прижимается к металлу, в результате чего происходит нагрев последнего и расплавление припоя. Паяльник может быть не только электрическим, но и газовым.
Газовые горелки - наиболее универсальный вид нагревательного оборудования. К этой категории можно отнести и паяльные лампы, заправляемые бензином или керосином (в зависимости от типа паяльной лампы). В качестве горючих газов и жидкостей в горелках может использоваться ацетилен, пропан-бутановая смесь, метан, бензин, керосин и пр. Газовая пайка может быть как низкотемпературной (при паянии массивных деталей), так и высокотемпературной.
Существуют и другие способы нагрева при пайке:
Пайка индукционными нагревателями, которая активно используется для припаивания твердосплавных резцов режущего инструмента. При индукционной пайке паяемые детали или их части нагреваются в катушке-индукторе, через которую пропускается ток. Преимуществом индукционной пайки является возможность быстрого нагрева толстостенных деталей.
Пайка в различных печах.
Пайка электросопротивлением, при которой детали нагреваются теплотой, выделяющейся вследствие прохождения электротока через паяемые изделия, являющиеся частью электрической цепи.
Пайка погружением, выполняющаяся в расплавленных припоях и солях.
Прочие виды пайки: дуговая, лучами, электролитная, экзотермическая, штампами и нагревательными матами.
Припои
В качестве припоев используются как чистые металлы, так и их сплавы. Чтобы припой мог хорошо исполнять свое предназначение, он должен обладать целым рядом качеств.
Смачиваемость. Прежде всего, припой должен обладать хорошей смачиваемостью по отношению к соединяемым деталям. Без этого будет просто отсутствовать контакт между ним и паяемыми деталями.
В физическом смысле смачивание подразумевает явление, при котором прочность связи между частицами твердого вещества и смачивающей его жидкости оказывается выше, чем между частицами самой жидкости. При наличии смачивания жидкость растекается по поверхности твердого вещества и проникает во все его неровности.
Если припой не смачивает основной металл, пайка невозможна. В качестве такого примера можно привести чистый свинец, который плохо смачивает медь и поэтому не может служить припоем для неё.
Температура плавления. Припой должен иметь температуру плавления ниже температуры плавления соединяемых деталей, но выше той, при которой соединение будет работать. Температура плавления характеризуется двумя точками - температурой солидуса (температура, при которой плавится самый легкоплавкий компонент) и температурой ликвидуса (наименьшим значением, при которой припой становится полностью жидким).
Разница между температурами ликвидуса и солидуса называется интервалом кристаллизации. Когда температура соединения находится в интервале кристаллизации, даже незначительные механические воздействия приводят к нарушениям кристаллической структуры припоя, в результате чего может возникнуть его хрупкость и возрасти электрическое сопротивление. Поэтому необходимо соблюдать очень важное правило пайки - не подвергать соединение никакой нагрузке до полного окончания кристаллизации припоя.
Кроме хорошей смачиваемости и необходимой температуры плавления, припой должен обладать еще рядом свойства:
Содержание токсичных металлов (свинца, кадмия) не должно превышать установленных значений для определенных изделий.
Должна отсутствовать несовместимость припоя с соединяемыми металлами, которая может привести к образованию хрупких интерметаллических соединений.
Припой должен обладать термостабильностью (сохранением прочности паяного соединения при изменении температуры), электростабильностью (неизменностью электрических характеристик при токовых, тепловых и механических нагрузках), коррозионной стойкостью.
Коэффициент теплового расширения (КТР) не должен сильно отличаться от КТР соединяемых металлов.
Коэффициент теплопроводности должен соответствовать характеру эксплуатации паяного изделия.
В зависимости от температуры плавления припои подразделяют на легкоплавкие (мягкие) с температурой плавления до 450°С и тугоплавкие (твердые) с температурой плавления выше 450°С.
Легкоплавкие припои. Наиболее распространенными легкоплавкими припоями являются оловянно-свинцовые, состоящие из олова и свинца в различном соотношении. Для придания определенных свойств в них могут вводиться другие элементы, например, висмут и кадмий для понижения температуры плавления, сурьма для увеличения прочности шва и т.д.
Оловянно-свинцовые припои имеют низкую температуру плавления и относительно невысокую прочность. Их не следует применять для соединения деталей, испытывающих значительную нагрузку или работающих при температуре выше 100°С. Если все же приходится применять пайку мягкими припоями для соединений, работающих под нагрузкой, нужно увеличивать площадь соприкосновения деталей.
К наиболее широко используемым относятся оловянно-свинцовые припои ПОС-18, ПОС-30, ПОС-40, ПОС-61, ПОС-90, имеющие температуру плавления примерно 190-280°С (из них самый тугоплавкий - ПОС-18, самый легкоплавкий - ПОС-61). Цифры означают процентное содержание олова. Кроме основных металлов (Sn и Pb) припои ПОС содержат также небольшое количество примесей. В приборостроении ими паяют электросхемы, соединяют провода. В домашних условиях с их помощью соединяют самые различные детали.
Припой. Назначение
ПОС-90 Пайка деталей и узлов, подвергающихся в дальнейшем гальванической обработке (серебрение, золочение)
ПОС-61 Лужение и пайка тонких спиральных пружин в измерительных приборах и других ответственных деталей из стали, меди, латуни, бронзы, когда не допустим или нежелателен высокий нагрев в зоне пайки. Пайка тонких (диаметром 0,05 - 0,08 мм) обмоточных проводов, в том числе высокочастотных, выводов обмоток, выводных концов ротора двигателей с ламелями коллектора, радиоэлементов и микросхем, монтажных проводов в полихлорвиниловой изоляции, а также пайка в тех случаях, когда требуется повышенная механическая прочность и электропроводность.
ПОС-40 Лужение и пайка токопроводящих деталей неответственного назначения, наконечников, соединение проводов с лепестками, когда допускается более высокий нагрев, чем в случаях использования ПОС-61.
ПОС-30 Лужение и пайка механических деталей неответственного назначения из меди и её сплавов, стали и железа.
ПОС-18 Лужение и пайка при пониженных требованиях к прочности шва, деталей неответственного назначения из меди и её сплавов, пайка оцинкованной жести.
Тугоплавкие припои. Из тугоплавких припоев чаще всего используются две группы - припои на основе меди и серебра. К первым относятся медно-цинковые припои, которые используются для соединения деталей, несущих лишь статическую нагрузку. Из-за определенной хрупкости их нежелательно применять в деталях, работающих в условиях ударов и вибрации.
К медно-цинковым припоям относятся, в частности, сплавы ПМЦ-36 (примерно 36% Сu, 64% Zn), с интервалом кристаллизации 800-825°C, и ПМЦ-54 (примерно 54% Cu, 46% Zn), с интервалом кристаллизации 876-880°C. С помощью первого припоя паяют латунь и прочие медные сплавы с содержанием меди до 68%, осуществляют тонкую пайку по бронзе. ПМЦ-54 используют для пайки меди, томпака, бронзы, стали.
Для соединения стальных деталей в качестве припоя используют чистую медь, латуни Л62, Л63, Л68. Соединения, паянные латунью, обладают более высокой прочностью и пластичностью в сравнении с соединениями, паянными медью, они способны вынести значительные деформации.
Серебряные припои относятся к наиболее качественным. Сплавы марки ПСр кроме серебра содержат медь и цинк. Припоем ПСр-70 (примерно 70% Ag, 25% Cu, 4% Zn), c температурой плавления 715-770°C, паяют медь, латунь, серебро. Его используют в тех случаях, когда место спая не должно резко уменьшать электропроводность изделия. ПСр-65 используют для пайки и лужения ювелирных изделий, фитингов из меди и медных сплавов, предназначенных для соединения медных труб, используемых в системах горячего и холодного питьевого водоснабжения, им паяют стальные ленточные пилы. Припой ПСр-45 используют для пайки стали, меди, латуни. Его можно применять в тех случаях, когда соединения работают в условиях вибрации и ударов, в отличии, например, от ПСр-25, который удары выдерживает плохо.
Другие виды припоя. Существует множество других припоев, предназначенных для пайки изделий, состоящих из редких материалов или работающих в особых условиях.
Никелевые припои предназначены для пайки конструкций, работающих в условиях высоких температур. Обладая температурой плавления от 1000°C до 1450°C, они могут использоваться для пайки изделий из жаропрочных и нержавеющих сплавов.
Золотые припои, состоящие из сплавов золота с медью или никелем, используются для пайки золотых изделий, для пайки вакуумных электронных трубок, в которых недопустимо наличие летучих элементов.
Для пайки магния и его сплавов применяют магниевые припои, содержащие помимо основного металла также алюминий, цинк и кадмий.
Материалы для пайки металлов могут иметь различную форму выпуска - в виде проволоки, тонкой фольги, таблеток, порошка, гранул, паяльных паст. От формы выпуска зависит способ их ввода в стыковую зону. Припой в виде фольги или паяльной пасты укладывается между соединяемыми деталями, проволока подается в зону соединения по мере расплавления ее конца.
основного металла с расплавленным припоем, которое в свою очередь зависит от наличия физического контакта между ними. Оксидная пленка, присутствующая на поверхности паяемого металла, препятствует контакту, взаимной растворимости и диффузии частиц основного металла и припоя. Поэтому ее необходимо удалять. Для этого применяются флюсы, в задачу которых входит не только удаление старой окисной пленки, но и препятствие образованию новой, а также снижение поверхностного натяжения жидкого припоя с целью улучшения его смачиваемости.
При пайке металлов применяются различные по составу и свойствам флюсы. Флюсы для пайки имеют различия:
по агрессивности (нейтральные и активные);
по температурному интервалу пайки;
по агрегатному состоянию - твердые, жидкие, геле- и пастообразные;
по виду растворителя - водные и неводные.
Кислые (активные) флюсы, например "Паяльную кислоту" на основе хлорида цинка, нельзя использовать при пайке электронных компонентов, так как они хорошо проводят электрический ток и вызывают коррозию, однако, из-за своей агрессивности, они очень хорошо подготавливают поверхность и поэтому незаменимы при пайке металлических конструкций. И чем химически более стоек металл нем активнее должен быть флюс. Остатки активных флюсов нужно обязательно тщательно удалять после завершения пайки.
Широко распространенными флюсами являются борная кислота (H3BO3), бура (Na2B4O7), фтористый калий (KF), хлористый цинк (ZnCl2), канифольно-спиртовые флюсы, ортофосфорная кислота. Флюс должен соответствовать температуре пайки, материалу паяемых деталей и припоя. Например, бура используется для высокотемпературной пайки углеродистых сталей, чугуна, меди, твердых сплавов медными и серебряными припоями. Для пайки алюминия и его сплавов применяют препарат, состоящий из хлористого калия, хлористого лития, фтористого натрия и хлористого цинка (флюс 34А). Для низкотемпературной пайки меди и её сплавов, оцинкованного железа используется, например, состав из канифоли, этилового спирта, хлористого цинка и хлористого аммония (флюс ЛК-2).
Флюс может применяться не только в виде отдельного компонента, но и входить составным элементом в паяльные пасты и таблетированные виды так называемых флюсующихся припоев.
Паяльные пасты. Паяльная паста - это пастообразное вещество, состоящее из частиц припоя, флюса и различных добавок. Паяльная паста обычно используется для поверхностного монтажа SMD-компонентов, но удобна и для пайки в труднодоступных местах. Пайка радиодеталей такой пастой осуществляется с помощью термовоздушной или инфракрасной станции. Получается красивая и качественная пайка. Однако из-за того, что большая часть паяльных паст не содержит активных флюсов позволяющих паять, например сталь, большинство их подходят только для пайки электроники.