Книги по строительству и ремонту

Мастеру на все руки

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Технология пайки намного проще, чем обычно считается. Изучив внимательно следующие рекомендации и проведя затем пробные пайки, можно убедиться, что это во многих случаях практичная и дешевая техника соединения.

Пайка — это такая техника, при которой твердые металлические детали очень прочно, неподвижно и герметично соединяют друг с другом с помощью расплавленного металла. Этот метод был открыт египтянами 5 тыс. лет назад. Все без исключения упомянутые в этой книге металлы можно паять.

Пайка и сварка очень тесно связаны между собой (25). В отличие от сварки, в результате которой края металлических деталей расплавляются и при остывании образуют очень плотное соединение, при пайке соединяемые металлические детали только нагреваются, но остаются твердыми. В качестве соединительного средства (припоя) используют металлические сплавы, которые плавятся при нагревании и, сплавляясь с нагретыми поверхностями, соединяют детали. Чтобы предохранить зачищенные поверхности соединяемых деталей от окисления, используют паяльный флюс.

При пайке температура плавления припоя ниже температуры плавления соединяемых дателей, в то время как при сварке эти температуры очень близкие. Качественно выполненное пайкой соединение иногда выдерживает даже более высокие механические нагрузки, чем основной материал. Определенные виды спаянных соединений можно даже сгибать и перекручивать. Спаянные и сварные соединения, как и клеевые соединения, являются неразъемными.

Сейчас металл в строительстве и быту в значительной мере вытеснен синтетическими материалами (трубопроводы, легкие строительные конструкции, емкости, посуда и т. п.). Поэтому к пайке обращаются уже не так часто, как раньше. Она, однако, не потеряла своего значения как техника соединения металлов, прежде всего в случаях ремонта металлических предметов.

Основные понятия

Для пайки наиболее важно определить необходимый припой и паяльный флюс. При пайке место спайки следует нагреть до такого состояния, чтобы начал плавиться припой, а не металл соединяемых деталей. Припой — это сплав, который при нагреве сначала размягчается, и лишь при дальнейшем повышении температуры становится жидким. Интервал между этими температурами называют зоной плавления припоя. Рабочая температура — это такая температура, при которой происходит сплавление жидкого припоя с нагретыми металлическими деталями. Этот процесс может начинаться при температуре припоя, превосходящей температуру его плавления.

Время пайки — это промежуток времени от начала нагревания места спайки до затвердения припоя. В этот промежуток времени происходит и собственно процесс пайки. На время пайки влияет качество паяльного флюса, который наносят на место спайки перед нагреванием, но в целом процедура занимает 4—5 минут. Паяльный инструмент должен выделять достаточно тепла, чтобы 2 мин нагрева было достаточно для расплавления припоя и его схватывания с металлом. В противном случае возможен недопустимый перегрев флюса и детали.

Различают мягкую, твердую и высокотемпературную пайку. Последняя не используется в работах по дому. Техника пайки твердым и мягким припоем одинакова, разница только в том, что при мягкой пайке рабочая температура не превосходит 450°С, а при твердой пайке температура выше 450°. (При высокотемпературной пайке температура достигает 600—900°С.) Соединения твердой пайкой обладают большей прочностью, тугоплавкостью, а при использовании медного припоя — и ковкостью. Соединения мягкой пайкой обычно упругие и гибкие.

Паяльные приборы

Они служат для нагревания мест спайки и для расплавливания припоя.

Паяльники предназначают

только для мягкой пайки, пре

жде всего для спайки металли

ческих листов (26). Паяль

ник состоит из медной головки,

которая отдает тепло, необхо

димое для нагрева места

спайки и для расплавления

припоя. Для крупных изделий,

таких, как листы кровли, исполь

зуют тяжелый медный наконе

чник массой до 500 г в форме

молотка, для мелких деталей,

например электровыключате

лей, применяют медные нако

нечники в виде изогнутой

отвертки (27). Медный

наконечник отдает тепло сое

диняемым      металлическим

частям, припою и воздуху,

поэтому к нему необходимо

постоянно подводить тепло.

Его нагревают либо в открытом

пламени при горении пропана

или бутана, бензина или керо-

сина, либо при помощи электроподогрева. Изготовляют электропаяльные приборы различной мощности от 25 до 500 Вт в зависимости от цели применения.

Прежде чем начинать работу новым, только что купленным паяльником, необходимо медный наконечник освободить от окиси и покрыть оловом. Наконечник нагревают и трут его о кусок нашатырного камня и затем на медном наконечнике расплавляют немного мягкого припоя. Как только кончик паяльника нагреется до нужной температуры и начнет дымиться, им берут олово и равномерно его распределяют, пока оно не заблестит на кончике паяльника. На одном таком луженом кончике остается довольно много припоя для дальнейших паяльных работ. Если медный наконечник очень горячий, то в результате сильного парообразования оловянный припой окисляется до серо-черной золы, в результате чего наконечник теряет способность удерживать олово. Кроме того, при этом происходит растворение меди кончика паяльника в оловянном припое.

На обыкновенном медном наконечнике при паянии постепенно образуется слой окалины, который нарушает теплопроводность, а в электропаяльниках это может привести к перегреву нагревательного элемента. Слой окалины удаляют с холодного наконечника напильником и заново лудят наконечник.

В продаже имеются наконечники повышенного качества, стойкие к образованию окалины, в противоположность простым наконечникам. Например, паяльный наконечник фирмы Ersadur-Dauer, который достаточно лишь протереть тряпкой для подготовки к паянию, так что потребность в напильнике не возникает.

Чтобы горячий паяльник не прожег поверхность стола, используют в качестве подставки выгибаемую из проволоки опору.

Паяльные пистолеты. Эти электрические паяльные приборы служат для мягкой пайки и используются только для мелких паяльных работ. Они отличаются тем, что уже через несколько секунд после включения готовы к работе. Существуют паяльные пистолеты с взаимозаменяемыми наконечниками и локальным освещением (подсветкой) места паяния, работающие от встроенных аккумуляторных батарей, которые могут многократно заряжаться. И наконец, имеется ряд паяльных пистолетов, предназначенных для других работ, например для разрезания стиропора и сварки термопласта.

Паяльная лампа, паяльная горелка. Эти паяльные приборы работают с открытым пламенем (28). Паяльная горелка служит для твердой пайки, а паяльной лампой можно работать только с низкоплавким твердым припоем. Оба типа приборов пригодны, конечно, и для мягкой пайки, а также для оплавления краски, сгибания и правки различных деталей.

Паяльную лампу заправляют бензином, спиртом или керосином; паяльная горелка работает на жидком газе (пропане или бутане), поступающем из баллонов массой 5—10 кг или из зарядных устройств, содержащих от 100 до 200 г газа. Собираясь паять или вести сварку, следует проверить, не взят ли вместо паяльной горелки или сварного аппарата автогенный сварочный прибор, который также применяют для твердой пайки.

Для работы с открытым огнем требуется огнеупорная подкладка. До недавнего времени для этой цели использовали     асбестовую    пластину, однако обнаруженная токсичность этого материала свела на нет его использование. В качестве альтернативы предлагаются плитки из искусственного камня, шамота, твердой древесины или кирпича. Металлические пластины в качестве подкладки не рекомендуются, так как они быстро выводят тепло из изделия. При паянии с открытым огнем образуются вредные для здоровья пары. Поэтому паяльные работы следует проводить в хорошо проветриваемом помещении.

Флюсы

Непосредственно после того, как соединяемые металлические части деталей основательно зачистят до блеска, на место спайки наносят соответствующий флюс. Флюс препятствует окислению зачищенного металла, на котором при нагревании свыше 100°С оксид образуется в доли секунды и является причиной того, что припой не соединяется с металлом и не образует с ним сплав. Кроме того, флюс препятствует окислению припоя и уменьшает его поверхностное натяжение. Благодаря этому припой хорошо растекается и заполняет щели шириной до миллиметра. В определенной мере флюс растворяет даже оксиды, его также можно применять как растворитель ржавчины. Твердый припой, а также в небольшом объеме мягкий припой поставляют в торговлю в виде спицеобразных стержней (29). Эти стержни одновременно содержат флюс в виде оболочки снаружи вокруг припоя или внутри его. При мягком паянии во многих случаях флюс отделяют от припоя. Флюс для мягкой пайки бывает саблевидным, пастообразным, жидким и в виде порошка. Этот флюс после очистки и перед нагреванием наносят кисточкой на место пайки таким образом, чтобы вся зачищенная поверхность металла была равномерно покрыта.

Флюсы     проявляют    свои свойства только в расплавленном состоянии: с одной стороны, они должны быть настолько вязкими, чтобы могли удерживаться на вертикальной поверхности, а с другой — достаточно жидкими, чтобы расплавленный припой мог вытеснять флюс из зазора между деталями. Кроме того, каждый флюс проявляет свое действие только в определенном интервале температуры. Если эта температура превышена, то флюс сгорает. Отсюда следует, что рабочая температура применяемого припоя должна находиться в температурной зоне действия флюса.

Флюсы не должны соприкасаться с кожей. Поэтому следует прежде всего защищать от этого агрессивного вещества органы дыхания, глаза и слизистую оболочку.

Остатки флюса после паяния, как правило, удаляют с детали. Основательную очистку достигают стандартным протравливающим средством, которое нагревают до 40°С. Для стали — это 10%-ный раствор соляной кислоты, а для меди применяют 10%-ный раствор серной кислоты. Другой метод очистки состоит в том, что раскаленную деталь охлаждают в холодной воде или остывшую деталь очищают в горячей воде.

Универсального флюса не существует. Поэтому необходимо разбираться в обозначениях, чтобы выбрать правильный флюс или в крайнем случае воспользоваться советом специалиста. Различные флюсы распределяются по группам в соответствии с DIN 8511. Среди них есть флюсы для мягкой пайки тяжелых металлов с обозначением группы от F-SW11 до F-SW32 (F — флюс, S — тяжелый металл, W — мягкая пайка). Нагары флюсов F-SW31 и F-SW32 подвергаются коррозии. Флюсы от F-LW1 до F-LW3 предназначены для пайки мягким припоем легких металлов (L), прежде всего для алюминия; при температуре свыше 300°С эти флюсы сгорают. Флюс для пайки твердым припоем (Н) тяжелых металлов входит в группу F-SH1 — F-SH4, для пайки легких металлов — в группу F-LH1 (остатки флюса смывают разбавленной азотной кислотой или горячей водой) и F-LH2 (флюс можно оставить на детали, но место спайки должно быть защищено от влаги).

В  зависимости  от  фирмы-изготовителя флюсы поставляют под. различными торговыми марками.

Припой

Припой изготовляют в виде стержней, проволоки, пасты и порошка (29), а припойных сплавов различают намного больше, чем флюсов. Выбор припоя зависит от температуры плавления соединяемых металлических деталей. Рабочая температура припоя должна быть как можно ниже точки плавления металлических деталей, предназначенных для соединения, чтобы из-за некоторого превышения оптимальной рабочей температуры металлические детали не могли расплавиться. В таком случае выбор припоя зависит от того, какими свойствами обладают места спайки, например, устойчивы ли они к механическим нагрузкам, холодо-или жаростойкие. И наконец, выбор припоя зависит от метода пайки: мягким или твердым припоем, производится ли пайка по зазору и т. п.

Стандарт DIN 1707 включает 51 мягкий припой. Особенно широкое и важное применение находят припои L-SN SB5 и L-SN AG5, а также оловянные сплавы с 5%-ной долей сурьмы или серебра с рабочей температурой от 230 до 240°С, применяемые   для   пайки   коммуникационных медных труб с горячей или холодной водой, для обогревательных устройств и в пищевой промышленности. Оловянный стандартный припой имеет обозначения «40», «50» и «60», которые указывают процентное содержание олова в этих мягких припоях. Соответственно температура их плавления составляет 235, 210 и 190°С, понижаясь с возрастанием доли олова.

В группе твердых припоев различают очень низкоплавкие припои на алюминиевой основе, среди которых отметим особенно удобный для пайки по зазору алюминиевых сплавов всех видов — это L-AL SL12. Кроме    того,    низкоплавкими твердыми припоями являются припои, содержащие не менее 20% серебра. Так, например, припой L-AG 2P с относительно высоким диапазоном температуры плавления (от 650 до 810 °С) применяют для пайки меди и всевозможных медных сплавов во всех отраслях, где используют медь. Из группы твердых припоев, содержащих не менее 20% серебра, следует особо упомянуть припой L-AG 40CD — низкоплавкий твердый припой (595-630°С), относящийся к разновидности твердых припоев, служащих для пайки по зазору стали, меди и латуни. Припои на основе меди имеют температуру плавления около  900°С   и   используются при пайке стали, ковкого чугуна, меди и медных сплавов — это, например, L-Cu Zn 40, L-Cu Zn 39 Sn и так называемый ней-зильбор L-Cu Ni 10 Zn 42.

Важно также знать, что медные, серебряные и мягкие припои проявляют оптимальную прочность только при ширине зазора от 0,05 до 0,1 мм, в то время как алюминиевые припои пригодны для зазоров шириной от 0,2 до 0,4 мм.

Вышеупомянутые припои (как и флюсы) различные фирмы-изготовители поставляют в торговлю под разными названиями, но так как на них имеется также маркировка по DIN, то специалисты без затруднений   могут   составить ясную картину возможности применения этих материалов. В случае специализированных работ может потребоваться совет квалифицированного специалиста.

Техника паяния

Пайка по зазору и стыку. Если интервал между соединяемыми деталями меньше 0,5 мм, то его называют зазором. Если интервал превосходит 0,5 мм или детали стыкуют так, что образуется соединение в форме V или X (30), то речь идет о стыке.

При пайке по зазору жидкий припой благодаря капиллярному эффекту устремляется в зазор. При пайке по стыку расплавленный припой под действием силы тяжести заполняет стыки.

Пайка по стыку очень напоминает левую сварку. Она находит применение при соединении оцинкованных стальных труб, так как при таком методе оцинкованная наружная поверхность труб нагревается не слишком сильно, что препятствует сгоранию цинка и потере защиты от коррозии. На место спайки наносят толстый слой флюса, и сталь нагревают в стыке до цвета спелой вишни. Пламя должно быть направлено не на трубу, а только на стержень припоя (L-Cu Zn 39 Sn). Большинство паяных соединений выполняют методом пайки по зазору, которая в дальнейшем описывается в деталях.

Положение деталей при пайке. Поверхности деталей, предназначенных для пайки, должны быть достаточно большими, чтобы обеспечить необходимую прочность. Для деталей с тонкими стенками следует выбрать специальную форму — внахлест, складку, отбортовку или отгибание кромок, чтобы получился достаточно широкий паяльный шов (31). Соединение внахлест или   отгиб  увеличивает   мощность стенки в 3—16 раз. Обжимными клещами (32) можно очень быстро сделать отгиб. Как правильно спаять проволоку, показано на рис.31.

Очень важно, чтобы зазор между соединяемыми деталями не превышал оптимального расстояния, выбранного для припоя, и края зазора были по возможности параллельными. Это обеспечивается точностью изготовления отдельных деталей.

Очистка поверхностей, предназначенных для пайки. Места для пайки должны быть полностью и тщательно очищены от всех инородных частиц, то есть от грязи, ржавчины, смазки, масла, лака и т. п., так как только зачищенный до блеска металл воспринимает припой. Очистку производят механически: наждаком, шабрением или шлифованием, или же химически — тетрахлористым углеродом. Поверхности должны быть гладкими, без царапин и вмятин.

Нанесение флюса. На очищенную холодную поверхность равномерным слоем с помощью кисточки наносят флюс. Если используют припой, содержащий флюс, то дополнительно флюс не наносят.

Лужение. Если необходимо спаять металлические листы, особенно внахлест, то места соединения на отдельных деталях перед стыковкой и пайкой рекомендуется подвергнуть лужению, так как припой очень хорошо ложится на луженую поверхность. Места пайки после очистки смазывают паяльной пастой, а спайку наклоняют и нагревают. На верхнем конце спайки расплавляют капельку паяльного олова и проводят паяльником по всей поверхности детали. Пока паяльная паста с шипением испаряется, олово тонким слоем покрывает место спайки (33). Для цинковых листов предварительное лужение не требуется.

Фиксирование деталей. Детали должны быть установлены в удобное для пайки положение и зафиксированы с помощью зажимного инструмента. Если детали зажаты в тиски, то последние необходимо защитить от сильного нагревания. Если место спайки находится очень близко к тискам, то деревянным бруском следует изолировать губки тисков от детали. В качестве надежных фиксирующих средств наряду со струбцинами применяют сварочные клещи (34).

Нагревание места спайки. Место спайки равномерно нагревают паяльником сначала слабым, а затем сильным пламенем в течение 3 мин до рабочей температуры, при которой правильно подобранный припой начинает плавиться. Не следует превышать рабочую температуру для стали, меди и латуни. Ее можно узнать по цвету раскаленного металла: для стали — это тёмнокрасный цвет, для меди и латуни — светлокрасный. По достижении рабочей температуры вначале плавится флюс, а затем припой.

Пайка. Когда весь флюс расплавится, предварительно нагретый припой наносят на зазор. При соприкосновении с деталью, доведенной до рабочей температуры, припой плавится и проникает в зазор. Припой не должен расплавляться на открытом огне. В дальнейшем паяльный прибор используют только для поддержания рабочей температуры.

Если два места пайки близко находятся друг от друга, то уже спаянное место следует охладить мокрой тряпкой, так как может возникнуть опасность, что при пайке второго места первая пайка может разойтись.

Охлаждение  детали.

Зажимы    следует    ослаблять только в том случае, когда остынет припой. Деталь можно охлаждать на воздухе или погружением в холодную воду, однако последний метод может привести к нежелательной закалке деталей (для стали и меди).

Удаление остатков флюса. Остатки флюса необходимо тщательно удалить, так как они могут вызывать коррозию металла. Виды флюсов и способы их удаления описаны выше.

Удаление припоя. Лишний припой за пределами паяльного шва удаляют с помощью напильника или шабера. Следует очень осторожно обращаться с лужеными, оцинкованными и освинцованными листами, чтобы не повредить наружный слой цинка, олова или свинца вследствие чего металлические листы теряют корро-зиеустойчивость.

Запрещается непрофессионалам паять любые виды емкостей для горючих жидкостей или газов.

Пайка медных труб. Медную трубу можно предварительно отбортовать, тогда перед пайкой трубы можно воткнуть друг в друга. Для домашнего мастера интерес представляет пайка фитингом, так как в этом случае не требуются инструменты и работы по отбортовке. Однако фитинг дорого стоит.

Очищенные    от    грязи    и ные паяные соединения. Соединяемые детали не следует плотно сжимать, так как иначе будет отсутствовать зазор для пайки. Если зазор шире, чем требуется, то соединение также не будет обладать максимально возможной прочностью.

При сварке края соединяемых деталей расплавляют и при добавлении расплавленного металла (сварочного флюса) соединяют друг с другом. Сварка — это одно из прочнейших соединений. Эти соединения, как и паяные соединения, смазки концы труб покрывают флюсом и насаживают на них фитинг. Между фитингом и трубой оставляют лишь небольшой зазор. Трубу и фитинг нагревают до необходимой температуры с помощью электронагревателя (например, фирмы Georg Fierier) или пламени, припой удерживают на зазоре. При достижении рабочей темпера- СВсЮКЗ туры припой плавится и проникает в зазор. Особым преимуществом обладает паяльный прибор для медных труб с оболочкой из синтетического изо-

ляционного материала, который хорошо предохраняет от пламени. Эту искусственную оболочку разрезают, оголяют место спайки и после окончания работы вновь изолируют.

Пайка свинца. На самом деле это не пайка, а сварка, так как соединяемые детали из свинца плавятся одновременно с припоем, поэтому в некоторых случаях не применяют припой, а детали просто сплавляют друг с другом внахлест.

Ошибки при паянии

Самыми распространенными ошибками являются очень слабое или очень сильное нагревание мест спайки и невыдерживание правильной рабочей температуры. Здесь необходимы тренировка и опыт. Если нагревание недостаточное, то не произойдет сплавления припоя и детали, а возникнет так называемая клеящая спайка, при которой припой находится только на поверхности детали и при малейшей нагрузке соединение разрушается. Если рабочая температура превышена, то флюс сгорает и на детали тотчас же образуются окись и окалина, что делает невозможным надежную пайку.