Технология сварки-пайки металлоконструкций из оцинкованной стали. Способы пайки Классификация пайки по температурным режимам

В современном нестабильном мире и агрессивной внешней среде человек особенно тщательно старается сохранить пространство вокруг себя, сделать более надежным свой «маленький» мир. Автомобиль давно уже стал необходимым элементом повседневной жизни, но, выезжая на дорогу, мы попадаем в зону повышенной опасности. Приобретая автомобиль, покупатель большое внимание уделяет проблемам безопасности. Любой участник движения желает не только избежать возможных аварий на дорогах, но и остаться в живых, если авария все-таки произойдет.

С 1997 г. Европейский комитет EuroNCAP занимается проведением независимых краш-тестов безопасности автомобиля, проверяет машины в разных нестандартных аварийных ситуациях, ставит оценку его безопасности для водителей и пассажиров, составляет рейтинг безопасности автомобилей «Safety assist».

Все эти усилия по разбиванию авто направлены на проверку эффективности пассивных систем защиты автомобилей. И ненапрасно, так как при аварии надежная работа этих систем может спасти жизнь водителю и пассажирам.

Производители автомобилей уделяют должное внимание безопасности пассажиров. Например, кузов Ford Fusion имеет специально сконструированный силовой каркас для поглощения энергии удара в случае столкновения, а двери усилены стальными брусьями. Кузов Audi A3 имеет повышенную жесткость и энергопоглощающую обшивку для пространства ног пассажиров, что при ударе обеспечит водителю и пассажирам надежную защиту.

Новые требования — новые стали

Для повышения конкурентоспособности производители стараются создать экономичные и безопасные автомобили. Новые требования, предъявляемые к современному кузову автомобиля, продиктованы желанием получить более экономичный, а значит, более легкий кузов; в то же время требования к пассивной безопасности должны быть на самом высоком уровне. Все это заставляет автопроизводителей двигаться вперед.

Новые конструкции кузова, инновационные технологии

Новые концепции построения кузова автомобиля напрямую связаны с инновационными технологиями. Как правило, это легкая конструкция с использованием ультравысокопрочной стали, легких металлов - сплавов алюминия и магния, применение армированного волокном пластика или разнообразные сочетания всех этих материалов в одной конструкции кузова. Все это продиктовано как экономическими задачами, решаемыми на массовом производстве, так и желанием потребителей получить экономичный и безопасный автомобиль.

Сегодня есть два пути, по которым идут производители: технологии гибридных соединений, легких сплавов, с применением клея, который позволяет распределить нагрузки в соединениях по всей поверхности контакта, и механическо-тепловые методы соединения. Целью является поиск процессов, легко осуществимых в производстве и воспроизводимых впоследствии при восстановлении кузова после ДТП. Сейчас невозможно сказать, какой из способов получит более широкое распространение, поскольку поставщики металлопроката в содружестве с автопроизводителями ведут постоянные разработки новых сплавов и методов обработки металлов с целью получения требуемых характеристик. Часто новые сплавы и новые методы обработки металла открывают новые возможности применения.

Виды сталей и сплавов, используемых в конструкции кузова автомобиля

Сталь

Мягкая сталь до 200 Н/мм2

Высокопрочная сталь HSS 210-450 Н/мм2

Сверхпрочная сталь EHS 400–800 Н/мм2

Алюминиевые сплавы

Алюминий магний AlMg около 300 Н/мм2

Алюминий кремний AlSi около 200 Н/мм2

Новые стали - новые технологии ремонта

MIG-пайка (MIG brazing) - новая технология соединения, называемая также сварко-пайкой, – применяется для соединения высокопрочных сталей автомобильных панелей кузова. Высокопрочные стали, такие как Boron, получили свои высокие показатели по жесткости благодаря термической обработке. Но при обычной сварке полуавтоматом температура сварочной ванны составляет 1500–1600°С, что приводит к изменениям характеристик соединяемых металлов и, как следствие, к изменениям всей конструкции кузова. В итоге мы получаем «кузов-инвалид», несущий скрытую угрозу.

Процесс MIG-пайки является процессом пайки твердым припоем. Сварочный процесс MIG-пайки (Metal-Inert-Gas), как понятно из названия, происходит в среде инертного газа аргона. Газ защищает дугу, расплавленный припой и кромки деталей от влияния окружающего воздуха. Сам процесс прост, как и MIG/MAG-сварка, и применим в условиях восстановления кузова. Благодаря более низкой температуре плавления припоя - приблизительно 1000°C - диффузия металлов не происходит, а вследствие относительно небольшой температуры ванны сохраняются заложенные свойства соединяемых сталей. Этот метод практически исключает деформацию соединяемых листов.

Особенно хочется отметить, что благодаря более низкой температуре плавления припоя происходит минимальное выгорание цинка во время пайки (цинк плавится при 419°C, испаряется при 906°C). Полученный шов имеет высокую устойчивость к коррозии. Проволоки для пайки сделаны из сплава на основе меди с добавками кремния (CuSi3) или алюминия (CuAl8). Припой вступает в соединение с цинком, и в результате получается шов с высокими антикоррозионными свойствами.

Процесс сварки-пайки происходит при более низких настройках тока, гораздо ниже, чем при сварке обычной мягкой стали, что необходимо для получения низкой температуры ванны. При этом используется метод толкания: горелка ведется под тупым углом по направлению сварочного шва. Горелку необходимо отклонить от вертикали не более чем на 15°, чтобы газ не выдувался из зоны ванны и защищал ее. Расход газа должен быть в пределах 20–25 л/мин, для этого необходимо использовать редуктор с расходомером.

При сварке-пайке встык двух листов необходимо создать зазор между ними, примерно равный толщине свариваемого листа (около 1–1,2 мм), и оставить место для заполнения припоем. Скорость подачи проволоки выше, чем обычно используется при сварке.

Насколько крепок шов сварки-пайки вы можете проверить сами; у нас получилось примерно около 30 циклов сгибания места шва. Результат можно посмотреть на фотографиях: шов остался цел, соединение получилось крепче основной пластины стали. Испытание проводилось с простыми стальными пластинами, первая проба с высокопрочной сталью так и не сломалась; видимо, для этого необходимо специальное устройство, а не просто тиски.

Новые технологии ремонта - новое оборудование для ремонта

Качество ремонта аварийного кузова требует не только бескомпромиссной точности восстановления конструкции кузова в соответствии с данными производителя, но и использования тех методов, которые позволят не нарушить прочностные характеристики конструкции. Если вы собираетесь производить ремонт в соответствии с требованиями автопроизводителя, необходимо применять современные методы ремонта, которые решаются с помощью OEM (Original Equipment Manufacturer) оборудования.

Сейчас для кузовных мастерских стали доступны полуавтоматы MIG/MAG с возможностью производить сварку-пайку. Французский производитель GYS предлагает две модели с этой функцией: TRIMIG 205-4S и DUOGYS AUTO. Оба аппарата созданы специально для кузовного ремонта. Наибольший интерес вызывает модель DUOGYS AUTO, именно ее мы и рассмотрим подробней.

Профессиональный полуавтоматический сварочный аппарат DUOGYS AUTO идеален для кузовного ремонта на сервисных станциях, работающих с современными кузовами. Он предназначен для работы со сталью, алюминием и сварки-пайки высокопрочных сталей при помощи проволоки CuSi3 или CuAl8.

■ Проволока CuSi3 применяется по технологическому требованию OPEL и Mercedes.

■ Проволока CuAl8 применяется по технологическому требованию Peugeot, Citroеn, Renault.

■ Алюминиевая проволока AlSi12 применяется для сварки автомобильных листов толщиной 0,6–1,5 мм.

■ Алюминиевая проволока AlSi12 применяется для сварки автомобильных листов толщиной более 1,5 мм.

Этот аппарат оснащен двумя четырехроликовыми механизмами с возможностью подключения горелки со встроенным подающим механизмом Spool Gun. В комплекте с ним идут две трехметровые горелки 150 А: одна для работы со сталью, а другая для сварки-пайки, и Spool Gun с четырехметровым рукавом. Благодаря синергетическому режиму аппарат легко перестраивается под разные режимы работы.

DUOGYS AUTO имеет два режима настройки: автоматический и ручной. В автоматическом режиме необходимо выбрать тип и диаметр сварочной проволоки, поставить нужный уровень тока на семипозиционном переключателе, а скорость подачи проволоки автоматически подстроится согласно заданным условиям. При этом предусмотрена возможность для тонкой подстройки скорости. При необходимости всегда можно перейти в ручной режим и работать как с обычным полуавтоматом.

Аппарат имеет два полезных режима. Точечный режим SPOT удобен для операции прихвата. Режим задержки DELAY удобен для сварки тонких листов стали и алюминия, ограничивая при этом риск прожога или деформации свариваемых листов.

Для кузовных станций с небольшой проходимостью можно рекомендовать профессиональный сварочный полуавтомат TRIMIG 205-4S. Он имеет точно такой же генератор тока, как и его старший собрат DUOGYS AUTO, но только один встроенный двухроликовый приводной механизм и потребует дополнительного времени на переустановку катушек со сварочной проволокой.

В остальном это такой же аппарат, с его помощью можно выполнить сварку сталей, сварку-пайку, а подключив горелку со встроенным механизмом подачи проволоки Spool Gun, и сварку алюминия.

15.05.2013

В прошлой статье кратко описывалась проблема соединения деталей кузова современного автомобиля из высокопрочной стали. Одно из решений, сварка-пайка , слово знакомое лишь в узких кругах профессионалов кузовного ремонта.

Что такое сварка-пайка , какие задачи она решает, какое оборудование необходимо для сварки этим способом и какие материалы применяются для соединения деталей из высокопрочной стали, мы попытаемся кратко изложить в нашей статье.

Высокопрочные или многофазные : эти стали последнего поколения были дообработаны с целью увеличения прочности до 1600 MПa. Они в основном применяются для создания противоударных зон в кузове автомобиля. Например: Porsche 997, OpelCorsa 07.

Высокопрочные или многофазные стали, это соединение бейнита, аустенита и феррита. Эти стали обеспечивают высокую прочность и хорошую деформируемость. Их используют при производстве сложных деталей, которые важны для устойчивости автомобиля.

При всех преимуществах, у высокопрочной стали есть и недостатки. Более сложный процесс производства, уменьшение прочности при сильном нагреве, необходимость использования на СТО специального оборудования и применения современных методов работы, обязательная замена элемента кузова в случае повреждения, выправление повреждённых деталей запрещена, использование полуавтоматической сварки стальной проволокой строго запрещена.

Пайка MIG в среде защитного газа наиболее современный метод сварки для новейших видов сталей. Этот метод также называется MIG brazing (по-английски) илисваркой медью MIG.

Этот метод сварки все больше и больше используется различными автомобилестроителями и его все больше и больше рекомендуют для ремонта (Mercedes, Opel, VW, Peugeot, Toyota, Honda). Используется термин пайка т.к.листы металла, которые соединяют не плавятся, в отличие от сварки MIG/MAG или полуавтоматической сварки . Причина этому - работа при более низкой температуре, приблизительно 900°C.

Благодаря низкой температуре сварочной ванны, слой цинка практически не повреждается, и, таким образом, сохраняется антикоррозийная защита. Для современных сталей с высоким пределом упругости свойства материалов не меняются и деформации незначительны. Этот метод также позволяет уменьшить разбрызгивание при сварке.

Температура плавления медных сплавов значительно ниже: между 750°C и 1080°C. Так как температура плавления стали приблизительно 1500°C, пайка MIG не расплавит стальной лист и не изменяет первоначальных свойств, специальных сталей.

При пайке MIG плавится только проволока, но не свариваемые листы

Используемая проволока сделана из сплава меди и цинка. Это более благородный металл с очень хорошими антикоррозийными свойствами. Чаще всего используется проволока диаметром 0,8 - 1,0 мм в зависимости от аппарата и, как правило, это CUSI3. Принцип сварки-пайки состоит в наплавлении проволоки CUSI3 или CUAL8 настальную деталь при не очень высокой температуре. Диаметр проволоки 0,8 мм для аппарата с программой «Сварка-пайка » и 1 мм для импульсного аппарата.

При пайке MIG, соединение происходит диффузией. Речь идет о поверхностной, но очень стойкой спайке, позволяющей очень хорошее наполнение. Присадочный металл (медь) переносится капиллярным действием (хорошее наполнение в соединениях и трещинах) и, таким образом, полностью защищает оголенные края листового металла в зоне пайки.

Вдоль края пайки слой цинка расплавляется и соединяется с медью, образовывая защитный слой. Другими словами, обратная сторона сварки защищена от ржавчины.

Для сварки-пайки (металла с высоким пределом упругости) с помощью проволоки из сплава меди с кремнием CusI3 или сплава меди с алюминием CuAl8 (Ø 0,8мм и Ø 1мм) сварщик должен использовать нейтральный газ: чистый аргон (Ar). Для выбора газа спросите совета специалиста по продаже газа. Расход газа приблизительно между 15 и 25 Л/мин.

Сварочные аппараты RedHotDot HOTMIG-19 , HOTMIG-27 и HOTMIG-29 производят сварку-пайку, для этого необходимо подключить баллон с Аргоном, выбрать режим NORMAL 2T, выбрать диаметр проволоки 0,8 или 1.0, выбрать положение на панели управления CuSi/CuAl.

Работники авторемонтных мастерских, монтажники и другие специалисты по сварочным работам сегодня активно обращаются к пайке сварочным полуавтоматом. За подобным методом будущее, технология во многом сравнима со сваркой MIG/MAG. И отличается, в основном, применяемой присадочной проволокой сплошного сечения, а также тем, что при пайке MIG не происходит расплавления основного материала. Подробнее о положительных моментах метода, его нюансах и сферах его применения предлагаем узнать из нашей статьи.

Что такое пайка полуавтоматом

Пайка методом MIG в инертном газе, или MIG-пайка в защитном газе, как он иногда называется в соответствии с имеющимися международными стандартами, представляет собой процесс пайки твёрдым припоем в виде медной проволоки. Электрическая дуга устанавливается между постоянно плавящимся припоем из проволоки и свариваемым металлом. Подаваемый газ защищает дугу и расплавленный припой от воздействия окружающего воздуха, а именно кислорода, который имеется в воздухе и который стремительно окисляет расплавленный металл и в разы снижает качество сварки.

Особенности пайки полуавтоматом

Пайка полуавтоматом высокотехнологичный процесс, имеющий свои особенности.

Осуществляя пайку методом MIG/MAG, в качестве электрода нужно использовать специальную сварочную проволоку из бронзы , включающую алюминий или кремний. К примеру, CuSi3 , или более качественный аналог , 19.30, 19.40. Проволока на основе бронзы или меди достаточно дорогостоящая, и разница в цене между европейского производства или к примеру, китайского не будет существенной. Если MAG сварка (в атмосфере активного газа) характеризуется обилием брызг, наличием пористости, нестабильной дугой и сильным парообразованием, то в процессе MIG пайки, напротив, основной металл не плавится, поэтому цинк испаряется в гораздо меньшей степени. Так происходит за счет того, что температура плавления бронзовой проволоки намного меньше, чем у стали, и поэтому свариваемые детали не расплавляются. Из-за низкого тепловложения снижается риск деформации, даже на очень тонких листах от 0,3 миллиметров толщиной. То есть процесс, фактически являясь пайкой, обеспечивает скорость работы и прочность соединений как при сварке.
В связи с тем, что при пайке полуавтоматом тонкий металл не проплавляется, можно спаять листы стали с покрытием (фосфатированным, гальванизированным, алюминизированным) и без покрытия, листы из двухслойной стали и из нержавейки.
Получившийся шов является крепким, Такое паяное соединение имеет более высокую механическую прочность, если сравнивать со швом, образованным в процессе MAG сварки. Степень термической деформации деталей в ходе паяного процесса существенно ниже, чем при сварке, поэтому на готовом изделии меньше заметно коробление. Шов практически не подвержен коррозии, так как цинковый слой оказывается целым даже в месте сварного шва. Еще одним достоинством такой технологии является хорошая способность по перекрытию зазора.
Паять рекомендуется в «точечном», импульсном режиме или методом «углом назад», при котором сварщик ведет электрод слева направо. В обоих случаях необходимо соблюдать «короткую» дугу.

В чем принцип метода пайки полуавтоматом и разница от MIG сварки?

Основной принцип пайки-сварки МИГ-МАГ заключается в том, что металлическая проволока в ходе процесса подается посредством сварочной горелки и расплавляется под воздействием электрической дуги. Если говорить о разнице технологий сварки и пайки, то в первом случае разрушенное цинковое покрытие образует шлак с расплавленным металлом шва, а также различные раковины и поры. Это говорит о пониженном качестве шва и отсутствии цинкового покрытия в месте сварки. Приходится отправлять детали на гальваническую операцию повторно с целью восстановления антикоррозионного покрытия. Открытие метода МИГ-пайки позволило избежать таких проблем.

Метод MIG-пайки отличается от метода полуавтоматической-сварки в среде защитных газов еще и видом применяемой проволоки. Для MIG –braizing используют медную проволоку CuSi3. Из-за небольшой температуры плавления, как говорилось выше, основной металл не плавится. Цинковое покрытие в итоге образует на ее поверхности химическое соединение, защищающее сварочный шов от коррозийных процессов.

Настраиваемся на работу

Прежде, чем начать работу, важно корректно настроить сварочный полуавтомат :

Определите силу сварочного тока в зависимости от толщины свариваемого металла. В инструкции к агрегату представлена таблица соответствия этих величин. В случае недостатка сварочного тока полуавтомат сваривает не достаточно хорошо.
По имеющейся инструкции определите требуемую скорость подачи сварочной проволоки. Этот показатель возможно отрегулировать, воспользовавшись сменными шестернями в агрегате. Он напрямую будет влиять на скорость наложения свариваемого шва. Сегодня в продаже представлены модели, оснащенные специальными коробками скоростей.
Настройте источник тока на нужные вам параметры (напряжение и силу тока). Рекомендуем проверить ваши настройки на каком-либо примере. Основанием того, безошибочности действий, устойчивая сварная дуга, нормальное формирование валика. В этом случае уже можно действовать на основном материале.
Настройка проволоки не вызовет затруднений. Ее поступление по специальному шлангу в мундштук либо в обратном направлении обусловлено положением рычага, который вы увидите на аппарате.
Важным моментом является и регулировка расхода защитного газа. Для этого надо медленно открыть вентиль, и выкрутить его до упора. Это необходимо для того, чтобы из вентиля не происходило утечек. Затем нужно нажать на клавишу, находящуюся на рукояти сварочной горелки. Проволока должна остаться «стоять», а газовый клапан открыться. Будет слышно лёгкое шипение газа, который выходит из сопла газовой горелки. В это время расход газа (его величину можно видеть на манометре по шкале расхода) должен равняться 8 -10 л в мин. Это оптимальный показатель при пайке металла толщиной 0,8мм. Поэтому нужно скорректировать величину расхода газа исходя из вашей задачи.

Где чаще всего применяется MIG пайка?

Данная технология имеет широкий диапазон применения в различных областях.

Автосервис и автомобилестроение. Пайка MIG используется и в ремонте автокузовов, поскольку цинковое покрытие стальных листов при этом не повреждается. В крупносерийном производстве автомобилей этот метод применяют как в установках с ручным управлением, так и в полностью автоматизированных системах.

Кроме того, к пайке сварочным полуавтоматом прибегают для различных целей малые и средние промышленные предприятия, осуществляя:

монтаж систем кондиционирования, вентиляции и охлаждения,
выпуск легких металлоконструкций, элементов фасадов и кровли, труб, корпусов электроагрегатов, дымоходов.

Для пайки подходят все сварочные позиции в среде защитного газа и все виды сварочных швов. Швы в вертикальном и потолочном положении получаются одинаково безупречными при должном умении обращаться со сварочной горелкой. Благодаря незначительному тепловложению метод эффективен как при соединении листов из нелегированных сталей и оцинкованных листов, так и листов хромоникелевой.

Какое оборудование и материалы подойдут для пайки полуавтоматом

Материалы для пайки полуавтоматом:

проволока - медь с добавками,
газ - аргон.

Необходимость в применении каких-либо стандартных флюсов, используемых в стандартных технологиях сварки и способных вызывать серьезные проблемы, отсутствует. Дуга самостоятельно активизирует поверхность.

Проволока при данном методе является одновременно и токопроводящим электродом, и присадочным материалом.

Производя МИГ-пайку оцинкованных деталей, наиболее часто пользуются проволокой SG-CuSi3. Её достоинство заключается в незначительной твердости паяного шва, что позволяет без труда осуществлять механообработку. За счет присутствия в составе проволоки 3% кремния существенно повышается жидкотекучесть наплавляемого материала.
Медная проволока состава SG-CuSi2Mn также применяется для пайки оцинкованных деталей, но наплавленный материал довольно жёсткий, поэтому последующая механообработка усложняется.
Сварочные проволоки SG-CuAL18Ni2 и SG-CuAL18 используют, если необходимо спаять сталь с алюминизированным покрытием.

Сварочные проволоки для MIG-пайки более мягкие в сравнении со стальными, поэтому механизм подачи проволоки должен быть 4-х роликовым, оснащенным гладкими полукруглыми канавками. Для небольшого трения в шланговом механизме горелки нужно применять тефлоновый направляющий канал и массивные токосъёмники.

Как правило, в процессе пайки в качестве защитного газа используется аргон с небольшими добавками кислорода и углекислоты. Защитный газ, подаваемый в зону сварки, защищает дугу и сварочную ванну с расплавленным металлом.

Наш интернет-магазин предлагает ознакомиться с большим ассортиментом сварочного оборудования, используемого для MIG-пайки.

Модели с уже заложенной функцией полуавтоматической пайки. Чаще всего, такие инверторные аппараты отличаются упрощенным способом настройки, который подходит для неопытных сварщиков и углубленным - для настоящих профессионалов.
Модели, пайка которыми возможна, хотя специальные программы по ней и не заложены, тут усложняется процесс настройки аппарата.

Технологический процесс пайки включает комплекс выполняемых операций, основными из которых являются следующие.

Подготовка поверхности под пайку. Качество подготовки поверхности под пайку во многом определяет уровень и стабильность свойств паяного соединения. Существуют следующие основные способы очистки поверхности: 1) термический (горелками, отжигом в восстановительной атмосфере, в вакууме); 2) механический (обработка режущим инструментом или абразивом, гидропескоструйная или дробеструйная галтовка); 3) химический (обезжиривание, химическое травление, электрохимическое травление, травление с ультразвуковой обработкой, комбинированное с обезжириванием и травлением).

Подготовка детали под пайку включает в себя также нанесение специальных технологических покрытий гальваническим или химическим способом, горячим лужением (погружением в расплавленный припой), с помощью ультразвука, плакированием, термовакуумным напылением. Часто сборка включает в себя нанесение припоя, укладку его в виде дозированных заготовок из проволоки или фольги. При размещении припоя необходимо учитывать условия пайки: расположение изделия в печи или другом нагревательном устройстве, режимы нагрева и охлаждения.

Нанесение флюса. Иногда при сборке деталей под пайку требуется нанести флюс. Порошкообразный флюс разводят дистиллированной водой до состояния негустой пасты и наносят шпателем или стеклянной палочкой, после чего детали подсушивают в термостате при 70–80°С в течение 30–60 мин. При газопламенной пайке флюс подают на прутке разогретого припоя, при пайке паяльником – рабочей частью паяльника или вместе с припоем, в случае применения оловянно-свинцового припоя – в виде трубок, наполненных канифолью.

Пайка (нагрев места соединения или общий нагрев собранных деталей) выполняется при температуре, превышающей температуру плавления припоя, как правило, на 50–100°С. В зависимости от температуры плавления применяемых припоев пайка подразделяется на высокотемпературную и низкотемпературную.

Поверхности, не подлежащие пайке, предохраняют от контакта с припоем специальной обмазкой из графита с добавками небольшого количества извести. Пайку погружением в расплавленный припой используют для стальных, медных, алюминиевых и твердых сплавов, деталей сложных геометрических форм. На этот процесс расходуется большое количество припоев. Разновидностью пайки погружением является пайка бегущей волной припоя, когда расплавленный припой подается насосом и образует волну над уровнем расплава. Паяемая деталь перемещается в горизонтальном направлении. В момент касания ванны проходит пайка. Бегущей волной паяют в радиоэлектронной промышленности при производстве печатного радиомонтажа.

3. Способы пайки

Способы пайки классифицируют в зависимости от используемых источников нагрева. Наиболее распространены в промышленности пайка радиационным нагревом, экзофлюсовая, паяльниками, газопламенная, погружением, электродуговая, индукционная, электросопротивлением, пайка в печах.

Пайка радиационным нагревом. Пайку выполняют за счет излучения кварцевых ламп, расфокусированного электронного луча или мощного светового потока от квантового генератора (лазера). Конструкцию, подлежащую пайке, помещают в специальный контейнер, в котором создают вакуум. После вакуумирования контейнер заполняют аргоном и помещают в приспособление, с двух сторон которого устанавливают для обогрева кварцевые лампы. После окончания нагрева кварцевые лампы отводят, а приспособление вместе с деталями охлаждают. При применении лазерного нагрева сосредоточенная в узком пучке тепловая энергия обеспечивает испарение и распыление окисной пленки с поверхности основного металла и припоя, что позволяет получать спаи в атмосфере воздуха без применения искусственных газовых сред. При радиационном способе пайки лучистая энергия превращается в тепловую непосредственно в материале припоя и паяемых деталей. Этот способ пайки непродолжителен.

Экзофлюсовая пайка. В основном этим способом паяют коррозионно-стойкие стали. На очищенное место соединения наносят тонкий порошкообразный слой флюса. Соединяемые поверхности совмещают, на противоположные стороны заготовок укладывают экзотермическую смесь. Смесь состоит из разных компонентов, которые укладывают в форме пасты или брикетов толщиной в несколько миллиметров. Собранную конструкцию устанавливают в приспособлении и помещают в специальную печь, в которой происходит зажигание экзотермической смеси при 500°С. В результате экзотермических реакций смеси температура на поверхности металла повышается и происходит расплавление припоя. Этим методом паяют соединения внахлестку и готовые блоки конструкций небольших размеров.

Пайка паяльниками. Основной металл нагревают и припой расплавляют за счет теплоты, аккумулированной в массе металла паяльника, который перед пайкой или в процессе ее подогревают. Для низкотемпературной пайки применяют паяльники с периодическим нагревом, с непрерывным нагревом, ультразвуковые и абразивные. Рабочую часть паяльника выполняют из красной меди. Паяльник с периодическим нагревом в процессе работы иногда подогревают от постороннего источника теплоты. Паяльники с постоянным нагревом делают электрическими. Нагревательный элемент состоит из нихромовой проволоки, намотанной на слой асбеста, слюды или на керамическую втулку, устанавливаемую на медный стержень паяльника. Паяльники с периодическим и непрерывным нагревом чаще используют для флюсовой пайки черных и цветных металлов мягкими припоями с температурой плавления ниже 300–350°С. Ультразвуковые паяльники применяют для бесфлюсовой низкотемпературной пайки на воздухе и для пайки алюминия легкоплавкими припоями. Оксидные пленки разрушаются за счет колебаний ультразвуковой частоты. Абразивными паяльниками можно паять алюминиевые сплавы без флюса. Оксидная пленка удаляется в результате трения паяльника о металл.

Важное значение имеет сборка узлов под пайку. Сборка должна обеспечивать фиксацию взаимного положения деталей с требуемым зазором и поступление припоя в зазор. В тех случаях, когда припой заранее закладывают в соединение в виде фольги и затем нагревают узел (например, в вакуумной печи), необходимо обеспечить сжатие деталей при температуре пайки с определенным усилием. Если это усилие будет недостаточным, то получится слишком толстый шов с неудовлетворительной прочностью. Чрезмерное сжатие может повредить паяемый узел.

Для сжатия деталей при пайке применяют специальные приспособления. Необходимое усилие сжатия обеспечивается механическими зажимами или разницей между температурным расширением материала изделия и материала приспособления. Последний способ нередко является единственным, когда печная пайка осуществляется при высоких температурах.

Газопламенная пайка. При пайке нагрев осуществляется пламенем газовой горелки. В качестве горючего газа используют смеси различных газообразных или жидких углеводородов (ацетилен, метан, пары керосина и т. д.) и водород, которые при сгорании в смеси с кислородом дают высокотемпературное пламя. При пайке крупных деталей горючие газы и жидкости применяются в смеси с кислородом, при пайке мелких деталей – в смеси с воздухом. Пайку можно выполнять как горелками специального типа, дающими широкий факел, так и нормальными, сварочными паяльными лампами.

Пайка погружением в расплавленный припой. Расплавленный припой в ванне покрывается слоем флюса. Подготовленная к пайке деталь погружается в расплавленный припой (металлическую ванну), который также является источником тепла. Для металлических ванн обычно используют медно-цинковые и серебряные припои.

Пайка погружением в расплавленную соль. Состав ванны выбирают в зависимости от температуры пайки, которая должна соответствовать рекомендуемой температуре ванны 700–800°С при работе на смеси определенного состава. Ванна состоит из хлористых натрия, калия, бария и др. Этот метод не требует применения флюсов и защитной атмосферы, так как состав ванны подбирают таким, что он вполне обеспечивает растворение оксидов, очищает паяемые поверхности и защищает их от окисления при нагреве, т. е. является флюсом.

Детали подготавливают к пайке, на шов в нужных местах укладывают припой, после чего опускают в ванну с расплавленными слоями, являющимися флюсом и источником тепла, где припой расплавляется и заполняет шов.

Электродуговая пайка. При дуговой пайке нагрев осуществляется дугой прямого действия, горящей между деталями и электродом, или дугой косвенного действия, горящей между двумя угольными электродами. При использовании дуги прямого действия обычно применяют угольный электрод (угольная дуга), реже – металлический электрод (металлическая дуга), которым служит сам стержень припоя. Угольную дугу направляют на конец стержня припоя, касающегося основного металла, так, чтобы не расплавлять кромок детали. Металлическую дугу применяют при токах, достаточных для расплавления припоя и очень незначительно оплавляющих кромки основного металла. Для пайки дугой прямого действия пригодны высокотемпературные припои, не содержащие цинка. При помощи угольной дуги косвенного действия можно выполнять процесс пайки высокотемпературными припоями всех типов. Для нагрева этим способом применяют специальную угольную горелку. Ток к электродам подается от машины для дуговой сварки.

Индукционная пайка (пайка токами высокой частоты ). При индукционной пайке детали нагреваются индуктируемыми в них вихревыми токами. Индукторы изготовляются из медных трубок, преимущественно прямоугольного или квадратного сечения, в зависимости от конфигурации деталей, подлежащих пайке.

При индукционной пайке быстрый нагрев детали до температуры пайки обеспечивается использованием энергии высокой концентрации. Для предохранения индуктора от перегрева и расплавления применяется водяное охлаждение.

Пайка электросопротивлением. При этом способе пайки электрический ток низкого напряжения (4–12 В), но сравнительно большой силы (2000–3000 А) пропускают через электроды и за короткое время нагревают их до высокой температуры; детали нагреваются как за счет теплопроводности от нагретых электродов, так и за счет тепла, выделяемого током при его прохождении в самих деталях.

При прохождении электрического тока паяемое соединение нагревается до температуры плавления припоя, и расплавленный припой заполняет шов. Контактную пайку производят или на специальных установках, обеспечивающих питание током большой силы и малого напряжения, или на обычных машинах для контактной сварки.

Пайка в печах. Для пайки используются электрические печи и реже пламенные печи. Нагрев деталей под пайку производят в обычной, восстановительной или обладающей защитными свойствами средах. Пайку высокотемпературными припоями производят с применением флюсов. При пайке в печах с контролируемой средой подлежащие пайке детали из чугуна, меди или медных сплавов собирают в узлы.

Пайка соединений металлов с неметаллическими материалами. Пайкой можно получить соединения металлов со стеклом, кварцем, фарфором, керамикой, графитом, полупроводниками и другими неметаллическими материалами.

Обработка после пайки включает в себя удаление остатков флюса. Флюсы, частично оставшиеся после пайки на изделии, портят его внешний вид, изменяют электрическую проводимость, а некоторые вызывают коррозию. Поэтому остатки их после пайки должны быть тщательно удалены. Остатки канифоли и спиртоканифольных флюсов обычно коррозии не вызывают, но если по условиям эксплуатации изделий требуется их удалить, то изделие промывают спиртом, спиртобензиновой смесью, ацетоном. Агрессивные кислотные флюсы, содержащие соляную кислоту или ее соли, тщательно отмывают последовательно горячей и холодной водой с помощью волосяных щеток.

Типовые паяные соединения показаны на рис. 2.1. Паяные швы отличаются от сварных по конструктивной форме и способу образования.

Тип паяного соединения выбирают с учетом эксплуатационных требований, предъявляемых к узлу, и технологичности узла в отношении пайки. Наиболее распространенным видом соединения является пайка внахлестку.

Рис. 2.1. Типовые паяные соединения

В узлах, работающих при значительных нагрузках, где, кроме прочности шва, необходима герметичность, детали следует соединять только внахлестку. Швы внахлестку обеспечивают прочное соединение, удобны привыполнении и не требуют проведения подгоночных операций, как это имеет место при пайке встык или в ус.

Стыковые соединения обычно применяют для деталей, которые нерационально изготовлять из целого куска металла, а также в тех случаях, когда нежелательно удваивать толщину металла. Их можно применять для малонагруженных узлов, где не требуется герметичность. Механическая прочность припоя (особенно низкотемпературного) обычно бывает ниже прочности соединяемого металла; для того чтобы обеспечить равнопрочность паяного изделия, прибегают к увеличению площади спая путем косого среза (в ус) или ступенчатого шва; часто с этой целью применяют комбинацию стыкового соединения с нахлесткой.

Пайкой можно изготавливать сложные по конфигурации узлы и целые конструкции, состоящие из нескольких деталей, за один производственный цикл (нагрев), что позволяет рассматривать пайку (в отличие от сварки) как групповой метод соединения материалов и превращает ее в высокопроизводительный технологический процесс, легко поддающийся механизации и автоматизации.

При пайке возможны следующие дефекты: смещение паяемых элементов; раковины в швах; пористость в паяном шве; флюсовые и шлаковые включения; трещины; непропай; деформации местные и общие.

Операции пайки достаточно распространены не только в профессиональных сферах на производстве и в строительстве, но и в быту. Их используют для получения межатомных между небольшими деталями и элементами. Существуют разные виды пайки, отличающиеся технологическими нюансами, применяемыми расходными материалами, заготовками и т.д.

Общие сведения о технологии

Это метод соединения, при котором задействуется связующий расплав (припой) с подходящими для конкретных условий характеристиками. И активный элемент пайки, и заготовки подвергаются предварительному нагреву, благодаря которому формируется податливая для соединения структура материалов. Температурный режим должен быть превосходить пиковую точку нагрева, минуя которую металлические детали размягчаются и начинают переход в жидкое состояние. Важной характеристикой любого вида пайки является время термического воздействия под расплавом. Это промежуток от начала нагрева до отвердения припоя уже после выполнения соединения. В среднем операция занимает 5-7 мин, но могут быть и отклонения от этого диапазона - это зависит от характеристик заготовки и площади обрабатываемого узла.

Лампы для пайки

Наиболее распространенный инструмент для пайки различных заготовок, позволяющий получать высокотемпературный нагрев путем сжигания спирта, керосина и других видов жидкого топлива. В процессе работы из сопла аппарата вырывается факельный запал, который в дальнейшем направляется на целевой участок расплава. Такие приборы можно использовать не только для соединения деталей, но и в операциях нагрева конструкций и механизмов. Также аппараты для пайки используют перед удалением лакокрасочных покрытий. Средняя температура нагрева у лампового паяльника составляет 1000 - 1100°С, поэтому его можно использовать и в сварочных работах. К самым производительным моделям относятся бензиновые лампы. Они быстро обретают оптимальную рабочую температуру и справляются с большинством стандартных операций пайки. В конструкции приборов предусматривается баллончик для топлива, а также регулятор пламени, позволяющий варьировать мощность термического воздействия.

Горелки для пайки

Широкая группа газовых паяльников, которые могут подключаться к баллончику с топливом или же к центральному источнику с горючим. Первый вариант снабжения имеет преимущество в виде автономности. Горелку с баллончиком, как и можно использовать независимо от внешних коммуникаций. В выборе такого аппарата следует учитывать мощность, рабочую температуру, тип применяемого газа, время готовности к работе и т.д. Например, стандартная газовая горелка для пайки работает на пропан-бутане и достигает температуры нагрева до 1300°С. Период непрерывного термического воздействия может достигать 3 ч, но это время будет зависеть и от объема подключаемого баллончика. Различают горелки и по типу системы воспламенения. Простейшие модели включаются механическим способом, а в более современных модификациях применяется пьезорозжиг.

Электрические паяльники

Тоже распространенный в бытовой среде вид паяльного оборудования, которое отличается безопасностью (по сравнению с газовыми аппаратами) и компактными размерами. Но сразу стоит подчеркнуть и недостатки. Во-первых, такие приборы зависимы от электросети, что ограничивает их сферы применения. Во-вторых, электрическое паяльное оборудование поддерживает невысокую температуру нагрева в диапазоне 400 - 450°С. Связано это с тем, что часть энергии утрачивается в процессе преобразования электричества в теплоту.

В выборе устройства надо учитывать максимальное напряжение. Так, в мастерских и на производствах используют стандартные модели на 220 В. В бытовых условиях нередко применяют аппараты, работающие от трансформаторов на 12 и 24 В. Задачи, которые можно решать электрическими паяльниками, в основном ограничиваются починкой мелкой аппаратуры, восстановлением контактов микросхем, соединением пластиковых деталей и т.д.

Паяльные станции

Для выполнения групповых или поточных операций пайки используется многофункциональное оборудование. Паяльная станция отличается широкими возможностями регулировки рабочих параметров, а также более высокими температурными показателями нагрева. Достаточно сказать, что приборы такого типа работают при мощности 750 - 1000 Вт, подключаясь к сетям с напряжением 220 В. Как правило, это профессиональное паяльное оборудование, но существуют и аналоги бытового назначения. Например, аппараты для групповых операций в домашних условиях могут включать несколько сменных жал разного формата, подставки, средства для удаления припоя, кусачки и другие вспомогательные аксессуары. Теперь стоит ознакомиться с разными технологическими подходами к процессам пайки.

Основные виды пайки

Различают техники выполнения операций по стыку и зазору. Так, если промежуток между соединяемыми элементами составляет менее 0,5 мм, то пайка будет с зазором. Превышение этого интервала означает, что соединение выполняется встык. Причем и стыки могут иметь разные конфигурации - например, X- и V-образные. Пайка с зазором производится только с жидким припоем, который в процессе работы направляется в промежуточную зону. пайки встык предполагают заполнение свободного пространства припоем под влиянием силы тяжести.

Классификация пайки по температурным режимам

На сегодняшний день применяют мягкую, твердую и высокотемпературную пайку, которая используется в основном на производствах и в строительстве. Первые же две техники во многом схожи - например, в обоих случаях рабочая температура составляет 450°С и ниже. Для сравнения, высокотемпературные соединения выполняются в режиме не менее 600°С, а чаще - выше 900°С.

При этом и низкотемпературная обработка может обеспечить качественное соединение. Наиболее выигрышным будет применение твердого припоя, благодаря которому достигается высокая прочность и тугоплавкость деталей. Добавление меди в зазор или стык будет способствовать и повышению ковкости заготовки. Если же требуется получить гибкую и упругую структуру, то используют мягкую пайку.

Классификация припоев

Условно можно разделить современные припои на две группы:

Плавящиеся под низкими температурами.
Плавящиеся под высокими температурами.

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

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

Виды флюсов

При термическом воздействии на поверхности металлической заготовки образуется оксидное покрытие, препятствующее образованию качественного соединения с припоем. Для устранения таких препятствий используют разные виды флюсов для пайки, некоторые из которых также ликвидируют следы ржавчины и окалины.

Флюсы можно классифицировать как раз по совместимости с припоями (твердыми и мягкими) или по температурной стойкости. Например, для мягкой пайки тяжелых металлов используют средства с маркировками F-SW11 и F-SW32. Для твердого соединения тяжелых сплавов задействуют флюсы для пайки видов F-SH1 и F-SH4. Легкие же металлы наподобие алюминия рекомендуется предварительно обрабатывать составами групп F-LH1 и F-LH2.

Метод индукционной пайки

Данная технология пайки имеет несколько преимуществ перед классическим способом соединения под расплавом. Среди них можно выделить минимальную степень окисления заготовки, что в некоторых случаях избавляет от необходимости применения флюсов, а также низкий эффект коробления. Что касается целевых материалов, то к ним относятся и мягкие, и твердые сплавы, а также керамика с пластиком. К примеру, оптимальный припой для меди в данном случае будет иметь маркировку L-SN (модификации SB5 или AG5). В качестве источника тепловой энергии при индукционном воздействии могут выступать как ручные ламповые аппараты, так и машинные агрегаты соответствующей мощности. На производствах задействуют и генераторные установки, когда нужно получить длительную спайку узлов большой площади. Также в работу включается многоместный индуктор, который может поочередно принимать заготовки. По этой технологии, в частности, изготавливают ручной режущий инструмент.

Еще один современный высокотехнологичный способ пайки, разработка которого была вызвана необходимостью устранения целого ряда характерных недостатков электрохимических методов соединения. Ключевой особенностью этой техники можно назвать возможность замены обычного флюса как средства устранения оксидов. Функцию зачистки выполняет энергия ультразвуковых волн, вызывающая процесс кавитации в жидком припое. При этом в полной мере сохраняются задачи термического связующего воздействия со стороны расплава.

Отмечается и превосходство технологии в показателях скорости соединения. Если сравнивать ультразвуковое излучение с эффектом, который дает припой олово-свинец, то интенсивность захлопывания полостей обрабатываемого узла будет выше в несколько раз. Как показывают наблюдения, ультразвуковые волны с частотой 22,8 кГц обеспечивают скорость смыкания припоя на уровне 0,2 м/с.

Есть и экономические преимущества данного метода. Они также связаны с изменением подходов к применению флюсов и припоев. На производствах электротехнических приборов при сборке монолитных конденсаторов, преобразователей тока и других устройств широко применяется металлизация пастами палладия, серебра и платины. Процесс ультразвуковой пайки позволяет заменять драгоценные металлы на более дешевые аналоги без потери в эксплуатационных качествах будущего изделия.

Особенности пайки-сварки

У пайки как таковой немало схожих черт с традиционными технологиями сварки. Также используется нагрев заготовок и сторонний материал, оказывающий влияние на формирование шва. Но, по сравнению с техниками сварки, пайка не предусматривает внутреннего расплава структуры заготовки. Края деталей, как правило, остаются твердыми, хоть и подвергаются нагреву. И все же полный расплав заготовки дает более крепкое соединение. Другое дело, что для достижения такого результата может требоваться более мощное оборудование. При использовании жидкого припоя для меди вполне реализуема некапилярная пайка с плотным заполнением шва. Данный способ соединения частично относится к сварке, так как при нем повышается сцепляемость структур двух и более заготовок. Производить некапиллярную пайку рекомендуется электродуговыми аппаратами или кислородно-ацетиленовой горелкой.

Заключение

На получение качественного соединения в процессе пайки влияет не только правильный выбор технологии, припоя с флюсом и оборудования. Зачастую решающее значение имеют мелкие организационные процедуры, связанные с подготовкой материалов и последующей обработкой. В частности, для использования твердого припоя необходима многоступенчатая зачистка целевой поверхности с применением абразивного шлифования и химического воздействия тетрахлористым углеродом. Готовая к работе деталь должна быть чистой, гладкой и по возможности ровной. Непосредственно в ходе выполнения пайки также рекомендуется особое внимание уделять способу фиксации заготовок. Желательно закреплять их в зажимном инструменте, но так, чтобы последний был защищен от химического и термического воздействия.

Не стоит забывать и о технике безопасности. Особой осторожности требуют активные расходные материалы - флюс и припой. В большинстве своем это химически небезопасные элементы, которые под высокотемпературным воздействием могут выделять токсичные вещества. Поэтому, как минимум, следует защищать кожные покровы и органы дыхания в процессе работы.

Статьи по теме