Технология и оборудование производства электрической аппаратуры — Пайка и лужение
10-7. ПАЙКА И ЛУЖЕНИЕ
Пайка — технологический процесс соединения металлических (или металлизированных) деталей расплавленным припоем, который, затвердевая, скрепляет спаиваемые детали. Соединение деталей происходит вследствие диффузии припоя в основной металл без расплавлена последнего. При этом температура плавления припоя значительно ниже температуры плавления основного металла.
Припои — это некоторые цветные металлы и их -сплавы. В зависимости от механических свойств припои принято делить на мягкие и твердые.
Мягкими называют легкоплавкие припои с температурой плавления примерно до 400°С. Эти припои имеют малый предел прочности при растяжении — обычно не выше 50 — 70 МПа. Наиболее распространенными являются оловянно-свинцовые припои с содержанием олова от 18 до 90% марок ПОС-18 — ПОС-90. Надежное контактное соединение дает припой ПОС-30. Он имеет большую жидкотекучесть и дает лучшую смачиваемость поверхности в сравнении с менее дорогим ПОС-18. Для пайки алюминиевых деталей применяются оловянно-цинковые и другие припои.
Твердые припои имеют температуру плавления выше 500°С. Они имеют предел прочности при растяжении до 500 МПа. Наиболее распространенными являются медно-цинковые припои ПМЦ, медно-серебряные ПСР и медно-фосфористые ПМФ, в частности ПМФ-7 (последние припои не требуют флюса при пайке медных деталей).
Технологический процесс пайки состоит из следующих операций: подготовки поверхностей деталей, покрытия спаиваемых поверхностей флюсом, лужения поверхностей, пайки.
Подготовка поверхностей деталей заключается в удалении загрязнений жировых и окисных пленок. Очистка производится механическими и химическими способами.
Покрытие поверхностей флюсом производится непосредственно перед лужением и пайкой.
Флюс образует жидкую и газообразную защитную зону, предохраняющую поверхность металла и расплавленного припоя от окисления. Кроме того, он растворяет пленки окислов и загрязнения, образуя шлак, который легко удаляется. Большинство флюсов способствует лучшему смачиванию расплавленным припоем спаиваемой поверхности и уменьшает поверхностное натяжение припоя. По действию на металл флюсы разделяются на кислотные (хлористый цинк и флюсы на его основе);
бескислотные (канифоль и флюсы на ее основе), активированные (на основе канифоли с добавкой некоторых реактивов и кислот, применяются для металлов, плохо поддающихся лужению и пайке) и др. При пайке твердыми припоями в качестве флюса применяются бура и флюсы на ее основе. Остатки флюса и шлак для предотвращения коррозии места пайки необходимо тщательно удалять механическим путем и промывкой. Исключение представляют канифольные флюсы, которые нет необходимости удалять. Поэтому они применяются для пайки изолированных проводов, которые нельзя промывать.
Лужение — это покрытие поверхности металла пленкой мягкого припоя или олова, которое производят электропаяльником погружением в ванну с расплавленным металлом, в том числе и в ультразвуковую (рис. 10-13), а также в гальваническую ванну. При лужении необходимо применять флюс (кроме гальванического лужения). Флюс и шлак после окончания процесса необходимо удалить.
При ультразвуковой пайке кавитационные пузырьки тщательно очищают поверхность, обеспечивая прочную пайку, в том числе и алюминиевых деталей.
Процесс пайки заключается в прогревании места
соединения деталей до температуры выше температуры плавления припоя и в выдержке спаиваемых деталей в сжатом состоянии до полного затвердевания припоя. После этого остатки флюса и шлак необходимо удалять. Способы пайки:
а) пайка мягкими припоями производится теми же способами, что и лужение, за исключением гальванического;
б) пайка алюминиевых деталей производится:
электро- и ультразвуковым паяльником, паяльной лампой, газовой горелкой, погружением в ванну или ванночку с расплавленным металлом, в том числе ультразвуковую (рис. 10-13);
в) пайка твердыми припоями производится: паяльной лампой, газовой горелкой, токами высокой частоты, на машинах для контактной электросварки с угольными электродами (рис. 10-14), в печах (камерных, конвейерных и др.).
Пайка и лужение
ГОСТ 17325-79 Пайка и лужение. Основные термины и определения.
- Пайка – технологическая операция, применяемая для получения неразъёмного соединения деталей из различных материалов путём введения между этими деталями расплавленного металла (припоя), имеющего более низкую температуру плавления, чем материал соединяемых деталей;
Сварка — один из рарешенных ПУЭ способов соединения проводов, отличается высокой надежностью и минимальным переходным сопротивлением скрутки.
В чем отличие пайки от сварки?
- Сварка — технологическая операция, применяемая для получения неразъёмного соединения деталей из различных материалов путём нагревания и плавления деталей. Расплав, застывая, образует соединение с установлением межатомных связей.
- Разделить сварное соединение можно только разрезав его – пилой, углошлифмашиной (болгарка), сваркой. Геометрическая форма деталей при этом не сохраняется.
- При пайке расплавляются не спаиваемые детали, а легкоплавкий припой. Расплавленный припой, затекая в зазор между деталями (0,1-0,2 мм), застывает и образует спай.
- Разделить паяное соединение можно без нарушения геометрии деталей, нагрев его до температуры плавления припоя.
- Существуют припои с температурой плавления ниже, чем 100 0 C – сплав Розе (состав: 25% олова, 25% свинца, 50 % висмута, tпл +94 0 C), сплав Вуда (состав: 12,5% олова, 25% свинца, 50% висмута, 12,5 % кадмия, tпл +60-68 0 C, отличается токсичностью!), паяное соединение разъединится в горячей воде или под струей горячего воздуха.
- Припой – материал, применяемый при пайке для соединения заготовок и имеющий температуру плавления ниже, чем соединяемые металлы;
Припои условно делятся на две группы – мягкие и твердые (табл. 1).
Табл 1. Характеристики припоев
Предел прочности при растяжении, МПа
бессвинцовые и пр.
медно-фосфористые, серебряные и пр.
В электромонтажной мастерской для пайки используются только оловянно-свинцовые припои, в основном марок ПОС-40 и ПОС-61 (табл. 2).
Расшифровка маркировки: ПОС-61 — Припой Оловянно-Свинцовый.
61 – процентное содержание олова (Sn), остальное – свинец (Pb).
(61:39 — эвтектика олово-свинец, т.е. сплав с наименьшей температурой плавления)
Табл 2. Характеристики припоев ПОС
Температура плавления, °C
Лужение контактов реле
Пайка кабелей, медных труб
Медицинская и пищевая аппаратура
Олово для пайки не используется!
Почему чистое олово не используется для пайки?
Все дело в свойстве олова менять свою кристаллическую структуру при низких температурах, устойчивой оказывается та форма, которая существует в виде серого порошка (α-олово). Причем, если куском металла, начавшего перекристаллизацию, коснуться куска белого олова (β-олово), оно тоже быстро начинает фазовый переход в порошковидную форму. Этому явлению дали название «Оловянная чума».
Из-за поражения «чумой» оловянных пуговиц сильно пострадала отступающая из России наполеоновская армия, та же причина привела в негодность обмундирование русской армии в балканском походе по время освободительной войны с Турцией в 1878 г. «Оловянная чума» – одна из причин гибели экспедиции Роберта Скотта к Южному полюсу в 1912 году. Она осталась без горючего и провизии из-за того, что топливо просочилось из запаянных оловом баков, пропитав припасы. Припою делают «прививку», добавляя в состав свинец, сурьму или висмут. Это гарантирует защиту от «оловянной чумы» даже при самых низких температурах.
[Жолондковский О.И., Лебедев Ю.А. Бой с пожирателями металла. М.: Знания. 1984]
- Флюс – вещества (смесь) органического и неорганического происхождения, предназначенные для:
- удаления оксидов с поверхности под пайку;
- снижения поверхностного натяжения, улучшения растекания жидкого припоя;
- защиты металла от действия окружающей среды.
- Виды флюсов по химическому составу:
- На основе соединений бора;
- На основе фтористых соединений металлов;
- На основе хлористых соединений металлов;
- Окисные;
- Кислотные;
- На основе канифоли (смесь смоляных кислот).
- Виды флюсов по коррозионной активности:
- Некоррозионные (канифоль и её растворы в спирте);
- Слабокоррозионные (органические кислоты);
- Коррозионные (органические кислоты, фториды, хлориды металлов);
- Реактивные (для пайки алюминия без припоя).
Пайка без использования флюса, так называемая «сухая пайка», не должна использоваться, т.к. при этом не удаляются имеющиеся на металле окислы, при нагреве образуются новые, жидкий припой плохо растекается, переходное сопротивление получается слишком высоким, всё это приводит к отказу паяного соединения
«Сухая» пайка (без флюса) запрещена!
- Лужение – образование на поверхности материала металлического слоя путем плавления припоя, смачивания припоем поверхности и последующей его кристаллизации.
Лужение используется для защиты металлов от коррозии (лужёные жилы проводов, корпуса машин), для подготовки поверхности к пайке, для склеивания проволок многопроволочных жил в монолит.
Лужение осуществляется тремя способами:
- натиранием;
- с помощью паяльника или паяльной станции;
- погружением с помощью паяльной ванны. Погружение используется для массивных металлических изделий или при лужении большого количества изделий.
Табл 3. Виды брака при лужении
При лужении припой не соединяется с поверхностью изделия
Поверхность недостаточно хорошо очищена и протравлена
Качественно очистить и протравить (обработать флюсом)
На поверхности, подлежащей лужению, припой в отдельных местах не соединяется с изделием
Перегрев (непрогрев) изделия в месте лужения
Нагрев изделия производить до необходимой температуры
После лужения на поверхности изделия в отдельных местах полуда имеет синий радужный цвет
Пайка и лужение
Пайкой называют процесс соединения двух металлических частей с помощью расплавленного металла или сплава, называемого припоем и имеющего более низкую температуру плавления, чем соединяемые части. Пайку применяют для создания неразъемных соединений деталей из стали, цветных металлов и их сплавов, а также их сочетаний. Пайка распространена при выполнении электромонтажных работ, монтаже контрольно-измерительной аппаратуры, радио7 и электроприборов, изготовлении сосудов, радиаторов, твердосплавного режущего инструмента и т.п.
Процесс пайки состоит из прогрева спаиваемых частей до температуры плавления припоя, расплавления последнего, растекания и заполнения зазоров под действием капиллярных сил, диффундирования в металл с последующей кристаллизацией в паяном шве. При этом соединение деталей достигается без расплавления их кромок в результате смачивания поверхностей более легкоплавкими жидкими металлами.
Очистку поверхностей перед пайкой от окалины, оксидов, грязи и жира проводят с помощью напильников, металлических щеток, шаберов и химическими способами (травлением). После травления детали промывают и сушат. Обезжиривание осуществляют протиркой поверхности бензином, ацетоном, растворителем. Перед пайкой детали плотно подгоняют одну к другой, используя струбцины или другие приспособления.
При нагреве деталей, соединяемых пайкой, их поверхности окисляются. Для удаления оксидной пленки применяют паяльные флюсы и травильные вещества, которые растворяют оксиды, образуют легко удаляемые шлаки, способствуют лучшему смачиванию спаиваемых поверхностей расплавленным припоем и затеканию его в зазоры. При пайке деталей из стали, бронзы и латуни используют хлористый цинк, деталей из латуни — нашатырный спирт, деталей из цинка и чугуна — соляную кислоту. После травления соляной кислотой деталь промывают в содовом растворе, а затем в чистой воде. Хлористый цинк (травленая соляная кислота) представляет собой смесь из 50 % соляной кислоты и 50 % воды, в которую добавлены небольшие кусочки и стружка цинка. Чтобы хлористый цинк был коррозионно-стойким, его разбавляют нашатырным спиртом в количестве, равном 1/3 взятого объема.
По назначению припои подразделяют на мягкие и твердые с температурой плавления соответственно 180…300 и 700…1000 °С. Мягкие припои состоят в основном из свинцово-оловянных сплавов с σв = 28…47 МПа. Кроме высокой температуры плавления твердые припои характеризуются более высокими механическими свойствами; временно’е сопротивление разрыву паяных швов 260…300 МПа. Химический состав и область применения твердых припоев приведены в табл. 19–21, а составы флюсов — в табл. 22.
Для нагрева места пайки до рабочей температуры применяют паяльники периодического и непрерывного подогрева, паяльные лампы, газовые горелки, установки ТВЧ.
Таблица 19. Химический состав (ГОСТ 21930–76) и область применения оловянно-свинцовых припоев
Таблица 20. Химический состав (ГОСТ 23137–78) и область применения медно-цинковых припоев
Таблица 21. Химический состав (ГОСТ 19738–74) и область применения серебряных припоев
сплавов цветных металлов,
Таблица 22. Составы флюсов
Компонент Содержание, % Пайка деталей Пайка мягкими припоями Канифоль 100 Из меди и медных сплавов Насыщенный раствор хлористого цинка в соляной кислоте – Из коррозионно-стойкой стали Хлористый цинк 95 Из алюминия алюминиевым припоем Фтористый натрий 5 Паста (насыщенный раствор цинка) 34 Паяльной лампой из меди и стали Метанол 33 Глицерин Пайка твердыми припоями Бура 100 Из меди, бронзы и стали Бура плавленая 72 Из латуни, бронзы, а также пайка серебром Поваренная соль 14 Поташ кальцинированный Бура плавленая 90 Из меди, стали и других металлов Борная кислота 10 Бура плавленая 50 Из титанокарбидных твердых сплавов на режущий инструмент Фтористый калий 40 Борная кислота 10 Бура плавленая 50 Из коррозионно-стойкой и жаропрочной сталей Борная кислота (разведенная в растворе хлористого цинка) Бура 60 Из чугуна Хлористый цинк 38 Марганцево-кислый калий 2 Хлористый литий 26…35 Из алюминия и его сплавов алюминиевыми припоями Фтористый калий 12…16 Хлористый цинк 8…15 Хлористый калий 40…59 Паяльники периодического подогрева молоткового и торцового типов изготовляют из красной меди как наиболее теплопроводной. Такой паяльник периодически подогревают паяльной лампой, газовой горелкой или в горне. К паяльникам непрерывного подогрева относятся электрические паяльники, позволяющие осуществлять пайку непрерывно; температура их рабочей части достигает 400 °С. Паяльная лампа дает возможность нагревать изделие до 700…900 °С.
Пайку низкотемпературными припоями используют для создания герметичного шва, а также соединения деталей, не требующего большой прочности. Пайку проводят следующим образом.
Поверхность очищают от грязи и коррозии шабером, напильником или надфилем до металлического блеска. Шлифовальную шкурку не применяют, так как содержащийся в ней клей загрязняет поверхность пайки. Поверхность подгоняют до плотного соединения путем гибки, правки и опиливания. Кисточкой наносят тонкий слой жидкого флюса. Твердый флюс (канифоль) наносят на поверхность, предварительно нагретую паяльником. Деталь при пайке должна быть расположена швом вверх. Как только место прикосновения паяльником прогреется и припой растечется, медленно и равномерно перемещают паяльник без отрыва вдоль шва, давая возможность припою заполнить зазор. Припой наносится тонким и равномерным слоем без пропуска. После окончания пайки выступающие приливы опиливают напильником и поверхность зачищают шкуркой.
Пайку твердыми припоями применяют, когда необходимо получить прочный теплоустойчивый шов. Для пайки твердосплавного инструмента, когда требуется высокая прочность соединения, используют индукционный нагрев и порошковый припой ПАН-21. Место пайки нагревают до температуры плавления припоя, добавляя буру, которая, расплавляясь, способствует лучшему разливу припоя.
Пайку заканчивают, когда припой полностью зальет все места соединения. Охлаждение проводят медленно, не применяя воды. Места пайки очищают от буры, припоя и промывают. Качество пайки проверяют внешним осмотром мест соединения, обращая внимание на отсутствие раковин и пропусков в местах соединения. Прочность шва контролируют легким постукиванием соединенных деталей о металлический предмет.
Лужением называется процесс покрытия поверхностей металлических деталей тонким слоем расплавленного олова или оловянно-свинцовыми сплавами (припоями). Лужение осуществляют для защиты деталей от коррозии и окисления, подготовки поверхностей к пайке легкоплавкими припоями перед заливкой подшипников баббитом. Поверхность очищают от грязи и коррозии механическим или химическим способом. Химическую очистку применяют как для обезжиривания, так и для очистки детали от оксидов.
Лужение проводят натиранием и погружением. После механической зачистки поверхность промывают в кипящем 10 % — ном растворе каустической соды и в воде. Непосредственно перед лужением поверхность покрывают флюсом (хлористым цинком) с помощью кисти, куска войлока или пакли и посыпают порошком нашатыря, затем нагревают до температуры плавления олова или другого сплава, который наносят на поверхность в виде кусочков или порошка. Когда припой от соприкосновения с нагретой поверхностью начнет плавиться, его растирают паклей или холщовой тряпкой, пересыпанной порошком нашатыря. Припой должен распределяться равномерным слоем по всей поверхности. При лужении погружением очищенную и протравленную деталь погружают на 1 мин в ванну с раствором хлористого цинка, затем на 2…3 мин в ванну с расплавленным припоем, после чего деталь извлекают из ванны. Качество лужения проверяют внешним осмотром на равномерность распределения полуды, отсутствие вздутий и т.п.
Технология лужения металлов
Чтобы защитить металлические изделия от разрушающего воздействия коррозии, а также подготовить поверхности заготовок к пайке мягкими припоями, задействуется технология лужения. Данный метод распространен в сфере производства разных изделий из металла, применяющиеся в авиации, электротехнике, радиотехнике. Лужение применяется по отношению к заготовкам из металла, из которых производятся различные кастрюли, тазы, консервные банки, ведра, емкости для хранения или приготовления пищи.
Что такое лужение?
Технология лужения – это один из способов создания противокоррозионной защиты металлов от неблагоприятного воздействия окружающей среды. При этом защитным барьером в данном случае выступает тонкий слой олова, либо сплава на его основе.
В отдельных ситуациях, метод применяется до пайки, в рамках подготовительных работ. Данная технология применяется давно, поэтому все процессы отработаны досконально. Работа отличается простотой, для ее выполняется не нужно использовать сложное оборудование, приспособления, а также специальные инструменты. Обработка поверхностей из металла с помощью этой технологии может осуществляться разными способами, в зависимости от базового материала. Например, алюминиевые детали обрабатываются с применением чистого олова, в котором отсутствуют примеси. При этом осуществляется предварительный нагрев металла до 180°C, далее он наносится на заготовку. Лужение осуществляется с применением разных металлов и сплавов:
- Олово и оловянные сплавы. Если в сплаве содержится в большом количестве медь, это способствует повышению твердости, но при этом снижается пластичность. Если в сплаве содержится много сурьмы или мышьяка, то это сказывается на хрупкости элемента. Существуют самые разные сплавы, применяющиеся при технологии лужения, при этом каждый из них имеет отличия по сфере применения. Для продукции из сферы пищевой промышленности используются сплавы с оловом, железом, никелем. Сплавы на основе олова, свинца и цинка применяются для лужения стальных заготовок.
- Хлористый цинк. Применяется в качестве флюса при пайке и лужении.
- Двухлористое олово. Данный компонент является базовым при лужении с помощью электрохимического способа.
Горячие технологии
Технология, при которой используется способ погружения или метод растирания. В первом случае металлическая заготовка погружается в ванну наполненную расплавленным оловом. При втором способе нанесение сплава осуществляется на плоскость заготовки, далее осуществляется дальнейшее растирание при помощи пакли.
Гальваническая технология
При этой технологии облуживание осуществляется в кислых и щелочных электролитах. Для работ применяется электрический ток, что сказывается на затратности процесса. Однако, при таком способе наносимый сплав прочно сцепляется с поверхностью металла. Слой олова получается равномерным и ровным, возможно создание покрытий с необходимой толщиной, обеспечение низкой пористости слоя.
В процессе наплавки возможно применение наплавок для металла различного типа. Технология используется для нанесения на детали слоя металла с повышенной твердостью, прочностью, стойкостью к износу, коррозии. Из-за этого увеличивается срок эксплуатации деталей, сокращается расход дефицитных материалов для их производства.