Пайка алюминия: особенности способы, материалы и инструменты, состав припоя и рекомендации

Так же, как и остальные виды пайки, пайка алюминия, позволяет соединять компоненты, состоящие из паяемых сплавов и припоя. Точка плавления припоя ниже точки плавления паяемого материала. Материал припоя помещается между изделиями, подлежащих пайке, в виде пластины или валика. Обрабатываемые изделия и припой нагревают. Как правило, припой расплавляется при температурах 580-62СГС. Расплавленный материал припоя растекается и заполняет пространство между паяемыми изделиями. Затем температуру в рабочем пространстве понижают, и припой, охладившись и затвердев, образует шов между двумя обрабатываемыми изделиями.

При осуществлении пайки изделий из алюминия специалисты сталкиваются с рядом проблем, без решения которых очень трудно обеспечить желаемый результат. Рассмотрим факторы, мешающие обеспечить высокое качество пайки.

Алюминий является материалом с высокой способностью к окислению. На поверхности изделий образуется слой оксида алюминия (А120 ). Данное химическое соединение появляется за счет контакта материала детали, алюминия, с газовой смесью, содержащей кислород, например, с воздухом. Отличительная особенность оксида алюминия — высокая твердость. Расплавленный материал припоя, контактируя со слоем оксида, не вступает в контакт с материалом обрабатываемого изделия. Процесс пайки изделий происходит не в полной мере, что ведет к образованию брака. Поэтому очень важно устранить данный слой перед проведением пайки и предотвратить его формирование перед завершением плавки и повторным затвердением присадочного материала. Удаление слоя оксида производят, используя коррозийно-активный флюс, кислоту или магний. Подготовку поверхности можно провести и с помощью механического воздействия, например, методом пескоструйной очистки.

При производстве пайки изделий из алюминия необходимо очень точно регулировать и отслеживать температуру нагрева. Ведь интервал температур плавления основного и присадочного металла очень невелик. Специалисту необходимо точно подобрать температуру процесса и гарантировать равномерное распределение тепла по деталям садки.

Температура перехода алюминиевых сплавов из жидкого в твердое состояние определяет, могут ли они подвергаться пайке. Эта температура должна быть выше минимальной температуры пайки припоя.

Таким образом, температура солидуса материала обрабатываемого изделия должна быть выше 600°С. Поэтому многие сплавы алюминия с температурой солидуса около 570СС не могут подвергаться операции пайки. Также необходимо учитывать содержание магния в сплаве, подвергаемом пайке. Если содержание магния в сплаве более 2%, образующийся на поверхности детали оксид становится слишком твердым, и потому пайку данного изделия производить крайне не рекомендуется.

К материалам, которые рекомендуется обрабатывать, относят следующие сппавы алюминия:

•Алюминий технический с содержанием AI > 99% (марки типа АО, А5, А6, А8, А85, А995, А999 и им подобные). Механические свойства данных сплавов могут быть невозвратно ухудшены при осуществлении пайки

•Силумин, сплавы Al-Mn, Al-Mg, Al-Si-Mg (марки типа АЛ4, АЛ9, АК9, АК8М, АК12, АМ4,5, АМ5, АМгЮ и им подобные)

•Дюралюминий, сплавы Al-Cu, Al-Zn-Mg (марки типа АЛ11, АЛЗ, АЛ5, АЛ6, Д16, Д18, АДЗЗ, АД31Е, АД35 и им подобные)

При осуществлении пайки силумина или дюралюминия рекомендуется обеспечить высокую скорость охлаждения по завершении процесса с последующим натуральным или искусственным старением.

Высокое содержание магния в сппавах понижает температуру плавления, но уменьшает склонность сплава к пайке. Данные марки наиболее часто используются в вакуумной пайке без флюса.

На данный момент в промышленности используется около 2019 марок припоев. Их основными отличиями друг от друга являются температуры плавления и интервал температур ликвидус-солидус. При выборе припоя для пайки алюминия и его сплавов руководствуются близостью к эвтектике алюминий-кремний (табл. 1). Это позволяет понять точку плавления материала припоя.

Табл. 1. Соотношение влияния кремния в материале припоя на точку солидус-ликвидус

Содержание Si, %  Солидус-ликвидус, °С   
 7,5 575 — 615°С 
10    575 — 590°С   
12    575 — 585°С   

Альтернативой данному методу пайки служит метод пайки изделий в среде защитного газа с использованием флюса, основным назначением которого является подготовка поверхностей обрабатываемых изделий.

Процесс пайки данным методом осуществятся по следующему принципу:

-На контактную поверхность изделия, которая будет паяться, наносят тонким слоем флюс — фторалюминат калия

-Между обработанными флюсом поверхностями помещают припой

-Изделия нагревают в среде защитного газа до температуры 565- 572°С, флюс расплавляется и вступает во взаимодействие с поверхностью обрабатываемой детали. По отношению к материалу припоя флюс абсолютно нейтрален. Происходит подготовка поверхности изделия с материалом припоя, и при достижении необходимой температуры происходит пайка изделий

Данный метод является более прогрессивным, чем описанный выше, но имеет ряд особенностей, без соблюдения которых невозможно обеспечить требуемое качество пайки:

•Обязательна тщательная подготовка поверхности обрабатываемых изделий. Необходимо удалить слой оксида алюминия. В противном случае, оксид вступит в реакцию с флюсом, что приведет, в конечном итоге, к получению низкого качества пайки

•В рабочем пространстве оборудования во время проведения пайки необходимо обеспечить полное отсутствие воздуха или соединений кислорода. Иначе,произойдет коррозия материала обрабатываемого изделия и самого припоя

•В качестве защитного газа необходимо использовать только азот. Газ должен быть сухим и иметь чистоту содержания основного элемента не менее 99,99% от объема

Следующим методом пайки явпяется пайка изделий в условиях вакуума. Например, с использованием вакуумной печи серии ВА производства французской фирмы Fours Industriels B.M.I, (рис. 1).

При осуществлении технологического процесса пайки на данном оборудовании также используется флюс. 

 Технология пайки состоит из четырех последовательных фаз: 

 I фаза: подготовка поверхности обра­батываемых изделий флюсом, размеще­ние припоя и сборка изделия; достижение необходимого уровня вакуума и нагрев изделия до температуры 400°С. На данном этапе процесса необходимо обеспечить высокую степень точности и необходимую скорость нагрева. За счет этого происхо­дит частичное разрушение слоя оксида алюминия. Это происходит потому, что оксид алюминия и сплав алюминия имеют несколько разную степень термического расширения

 2 фаза: при достижении температуры 560°С материал изделия, припоя и флюса остаются в твердом состоянии 

 3 фаза: флюс, нагретый до темпера­туры 565°С начинает плавиться и вступать во взаимодействие с материалом обра­батываемого изделия. Соединения оксида алюминия крошатся при вступлении в реак­цию с материалом флюса 

 4 фаза: припой в диапазоне темпера­тур 577^-600°С расплавляется и вступает в реакцию с материалом обрабатываемых изделий. По завершению выдержки про­изводится охлаждение обработанных дета­лей и их выгрузка 

 Представленное Вашему вниманию оборудование для обработки изделий в условиях вакуума отвечает самым высо­ким технологическим требованиям и по­зволяет вести четкий учет параметров процесса, точно регулировать темпера­туру нагрева. Обработка в условиях ваку­ума обеспечивает чистоту обработанной поверхности обработанного изделия. 

Мы рассмотрели три метода пайки изделий, изготовленных из алюминия. Суммируем недостатки и преимущества каждого из методов. 

1. Метод пайки алюминия в условиях окислительной атмосферы: — необходимость проведения дополни­тельной подготовки поверхности обраба­тываемых изделий; — присутствие в рабочем пространстве воздуха создает условия для восстановле­ния слоя оксида за счет контакта газовой смеси с материалом обрабатываемого из­делия. Из-за этого очень трудно обеспе­чить достойный уровень качества пайки; — негативным фактором является также процентное соотношение содержания кремния и магния как во флюсе, так и в припое — они вступают в реакцию и обра­зуют соединения с кислородом. Отсут­ствие кремния повышает стойкость окси­да алюминия и препятствует улучшению качества пайки. Магний предотвращает образование оксида алюминия. При его отсутствии ничего не мешает образова­нию слоя и его увеличению; — низкая степень повторяемости резуль­татов пайки 

 2. Метод пайки алюминия в условиях защитной атмосферы: — по сравнению с методом пайки в сре­де окислительной атмосферы — сокраще­ние степени воздействия кислорода на ма­териал изделий, флюса и припоя; — не требуется подготовка поверхности обрабатываемых изделий; — необходима дополнительная терми­ческая обработка; — необходимость и сложность обеспе­чения высокой скорости охлаждения обра­батываемых изделий; — средняя степень повторяемости резуль­татов пайки; — невозможность использования конвек­тивного нагрева за счет наличия в рабочем пространстве печи остаточного кислорода 

 3. Метод пайки алюминия в условиях вакуума: — полное отсутствие воздействия кисло­рода на материал изделия, флюса и припоя; — не требуется подготовка поверхности обрабатываемых изделий; — «использование метода конвективного нагрева; — высокая точность нагрева изделий; — сохранение и использование кремния и магния в полной мере; — высокая степень повторяемости резуль­татов пайки; — полная готовность изделия. Таким образом, пайка в вакууме явля­ется самым передовым, обеспечивая высо­кое качество обрабатываемых изделий 

Источник: «Индустрия» №3/2014

Промышленное производство алюминия, по историческим меркам, началось относительно недавно. Но за это время этот материал прочно вошел в нашу жизнь. Его основные параметры – высокая электро- и теплопроводность, малый вес, стойкость к воздействию коррозии привели к тому, что этот металл стал основным материалом, применяемым в авиационной  и космической промышленности. Кроме этого, без алюминия невозможно представить улицы наших городов, из него выполняют светопрозрачные конструкции (двери, окна, витражи), рекламные конструкции и многое другое.

Пайка алюминия

При его обработке допустимо использовать практически все виды обработки – точение, штамповка, литье, сварку и пайку. Последние способы применяют для получения неразъемных соединений из алюминиевых заготовок.

Общие принципы пайки алюминия в домашних условиях

Многие искренне полагают, что пайка алюминия в домашних условиях – это довольно сложный процесс. Но на самом деле все  не так и плохо. Если использовать соответствующие припои и флюсы, то особых сложностей не должно возникнуть. В том случае если домашний мастеровой будет паять алюминиевые детали с  использованием материалов, предназначенных для меди или стали, то результат, скорее, будет отрицательный.

Инструменты для пайки

Особенности процесса

Сложности пайки алюминия обусловлены в первую очередь тем, что на его поверхности существует оксидная пленка, которая в отличии от основного металла имеет более высокую температуру плавления и высокой стойкостью к воздействию различных химических веществ. Именно это пленка и создает серьезные препятствия при использовании традиционных припоев и флюсов и например, если паять алюминий оловом, то гарантировать качественный результат сложно. Для устранения этой пленки применяют или механическое воздействие, или флюсы, которые содержат сильнодействующие химические вещества.

Сам основной металл, в данном случае алюминий обладает низкой температурой плавления, порядка 660 °C. Такая разница между температурой плавления оксидной пленки и основным металлом тоже приводит к осложнениям в пайке.

Это свойство алюминия в результате приводит к тому, разогретый алюминий становиться менее прочным. Так, алюминиевые конструкции начинают терять устойчивость уже при температуре 250-300 °C. Кроме этого в составе алюминиевых сплавов могут входить материалы, начинающие плавиться при температуре в 500-650 °C.

Схема пайки алюминия

В состав большого количества припоев входят – олово, кадмий и другие компоненты. Алюминий с трудом входит в контакт с этими материалами и это в свою очередь приводит к тому, что швы, получаемые с использованием этих припоев, отличаются низкой надежностью и прочностью. Между тем, хорошей растворимостью друг в друге обладают цинк и алюминий. Использование цинка в составе припоев позволяет придавать шву высокие прочностные параметры.

Использование трансформаторного масла

Как уже отмечалось выше, основное препятствие при выполнении пайки – это наличие оксидной пленки. Перед тем как паять алюминий ее необходимо устранить. Для ее удаления используют разные методы, начиная от использования абразивного инструмента и заканчивая специальными флюсами. Кроме этого, существуют и «народные» способы. Один из них связан с применением трансформаторного масла.

Трансформаторное масло

Для удаления оксидной пленки применяют следующий состав – в абразивный порошок добавляют трансформаторное масло. При постоянном перемешивании, в результате должна получиться пастообразная масса. Ее необходимо нанести на заранее очищенное место пайки. После этого жало паяльника необходимо тщательно пролудить и натирают подготовленные места до появления олова. После этого места пайки необходимо промыть и можно продолжать работу.

Какой припой применяется для пайки алюминия

Большинство припоев содержат в своем составе вещества, не растворяющиеся в алюминии. Именно поэтому для создания неразъемных соединений деталей из алюминия применяют так  называемые тугоплавкие припои, изготовленных на основе алюминия, кадмия, цинка и некоторых других веществ.

Для пайки алюминия применяют и легкоплавкие припои.

Их использование позволяет выполнять работы при низких температурах. Это позволяет создавать соединения, избегая при этом изменений свойств алюминия. Но надо сразу отметить то, что использование таких материалов не может обеспечить в должной степени коррозионной стойкости и прочности стыка.

Припой для пайки

Оптимальный результат пайки можно получить при использовании состава, который содержит алюминий, медь, цинк. Работы с такими припоями необходимо выполнять паяльником, жало которого разогрето до 350 °C. При выполнении соединения деталей нужно использовать флюс, который состоит из смеси олеиновой кислоты и йодида лития.

Состав для соединения деталей из алюминия может приготовить в домашних условиях, а можно просто приобрести его в магазине.

Один из серийно выпускаемых припоев по алюминию — HTS -2000. Выполнять пайку этим припоем можно без применения флюса. Отличительная черта этого  состава заключается в том, что он может проникать через оксидную пленку и может создавать прочные соединения молекул. Срок эксплуатации соединений изготовленных с применением этого сплава составляет 10 лет.

Как правильно паять с помощью горелки

Необходимость в пайке алюминия и его сплавов может возникнуть как в производственных, так и бытовых условиях. Это процесс может быть использован при выполнении ремонта деталей, но иногда приходится сталкиваться с более масштабными работами.

Обработка алюминия сопряжена с рядом сложностей и поэтому традиционные материалы  технологии пайки не всегда гарантируют получение надлежащего результата.

Один из часто применяемых способов получения неразъемных соединений напрямую связан с использованием газовой горелки.

Работа с алюминием подразумевает то, что оксидная пленка, которая находится на поверхности детали, препятствует соединению деталей.

Пайка с помощью горелки существенно отличается от работы с паяльником и по праву считается более практичным. Работая с горелкой, мастер может выполнять настройку температуры. И это предоставляет дополнительные возможности для обработки поверхности заготовок. При этом не играет особой роль толщина материала. Иногда при работе с горелкой применяют флюсы и дополнительные средства обработки поверхности.

Пайка алюминия при помощи газовой горелки

Пайка алюминия газовой горелкой в домашней мастерской позволяет выполнить предварительное прогревание заготовок и расходных материалов.

Бесспорно, для получения соединения высокого качества необходим опыт работы. Дело в том, что алюминий обладает низкой температурой плавления, соответственно расходные материалы, применяемые при совершении пайки, обладают хорошей текучестью. Если мастер совершит ошибку, то высока вероятность того, что припой просто растечется по заготовке, так и не попав в шов.

Какой флюс использовать

Флюс для пайки алюминия надо подбирать, руководствуясь набором факторов. Существует так называемый бинарный флюс основу, которого составляет ортофосфорная кислота. Флюсы этого класса не нуждаются в дополнительной промывке. С помощью этого материала можно паять и другие металлы.

Разновидности флюсов для пайки алюминия

Преимущества

Пайка – это один и способов получения неразъемных соединений металлов. Но в отличии от других методов он, до последнего времени отличался невысокой производительностью, малой прочностью на стыке. Это и ряд других причин послужило тому, что она не получила широкого, промышленного применения.

С развитием технологий стали доступны способы соединения деталей с помощью электронного луча, ультразвуковых волн. Появление специальных припоев и флюсов позволило значительно поднять качество паяного соединения.

Современные технологии пайки позволяют использовать готовые изделия без дальнейшей обработки на механическом оборудовании. Пайка вошла число основных технологических процессов в машиностроении, авиационной и космических отраслях и конечно электронике.

Пайка имеет ряд несомненных достоинств в сравнении со сваркой. Процесс соединения деталей этим способом проходит при существенно меньшем расходе теплоты. Другими словами, при проведении этого процесса не происходит каких-либо серьезных изменений в структуре металла. Его физико – химические параметры остаются практически без изменений. После пайки могут возникать такие явления как остаточная деформация, ее размеры несравнимы  с теми, которые остаются после выполнения, например, сварки в облаке защитных газов.

Именно поэтому использование пайки гарантирует более точное соблюдение размеров указанных в технической документации на изделие. Использование этого метода позволяет соединять разнородные металлы. Ко всему прочему можно сказать и то, что эти процессы довольно легко можно автоматизировать.

Недостатки

Говоря о пайке алюминиевых деталей надо всегда помнить о том, что для работы с ним необходимо использовать специальные припои и флюсы, которые в состояние обеспечить требования к качеству получаемых соединений.

Малейшее нарушение технологии или использование неподходящих материалов приведет к тому, что полученный шов не будет отвечать требованиям по качеству.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Если вам потребовалось спаять алюминий в домашних условиях, не стоит заблуждаться, что для этого необходимо специальное оборудование или какие-либо особые навыки. Вполне можно обойтись простыми и дешёвыми инструментами, которые имеются в каждом доме.

Особенности процесса

Существуют две основные проблемы, которые существенно усложняют процесс пайки:

  1. При нанесении тонкого слоя расплавленного металла на поверхность (это называют лужением) возможно препятствие в виде тугоплавкой плёнки оксида алюминия, которая образуется при контакте с воздухом.
  2. Температура плавления алюминия около шестисот градусов. При этом металл быстро теряет прочность, что вносит определённые трудности в процесс пайки.

Материалы и инструменты

Поэтому чтобы запаять алюминий в домашних условиях придётся использовать флюс (канифоль) и припой, а также наждачную бумагу или напильник.

Нужен будет и сам паяльник. Их основное различие — показатель мощности. Для пайки большинства бытовых предметов из алюминия хватит 60 Ватт. Если же вам необходимо запаять микросхему или тонкий провод, то можно обойтись и 10 Ваттами. Для массивных алюминиевых изделий потребуется паяльник большей мощности.

Состав припоя

Составы припоя для пайки сильно отличаются друг от друга. Для работы с алюминием желательно использовать припои на основе дюралюминия или серебра. Припои на основе меди применять нежелательно из-за возникновения разницы потенциалов и разрушения места их соединения.

Примерами хорошего припоя могут послужить:

  1. 34А. Он на две трети состоит из дюралюминия.
  2. ЦОП-40. Отечественный припой, который является сплавом олова и цинка. Цинк в этом сплаве существенно повышает устойчивость соединения к влиянию коррозии.
  3. HTS-2000. Производится в США. Подходит для пайки без канифоли.

Выбирать канифоль нужно так, чтобы она подходила для работы с алюминием. Этот пункт обычно указывается в описании товара.

К пайке следует приступать осмотрительно, так как свойства алюминия таковы, что он легко теряет форму, поэтому можно полностью испортить изделие вместо его ремонта. Но если все делать обдуманно и не спешить, работа должна пройти успешно.

Процесс пайки

Газовой горелкой

Есть и другой способ. Пайка алюминия в домашних условиях газовой горелкой также вполне осуществима лампой GT-28 HTC. Как и в случае с паяльником, необходимо очистить место работы. Металл должен быть очищен от грязи и отшлифован.

Горелка равномерно нагревает поверхность металла, поэтому во время работы будет невозможно прикоснуться к нему даже в перчатках. Из-за этого необходимо расположить и зафиксировать детали так, чтобы их не трогать до завершения процесса пайки.

Также следует отметить, что использовать весь пруток припоя не получится из-за его нагрева, поэтому следует взять припой с запасом, чтобы не прерывать процесс нагревания. При нагреве алюминий примет оранжевый оттенок, дальнейший нагрев будет грозить плавлением, поэтому необходимо постоянно регулировать нагрев.

Как и при работе с паяльником, необходимо использовать канифоль. Хоть процесс пайки в домашних условиях достаточно прост, без должного опыта он может доставлять определенные трудности. И совершение неправильных действий может ещё больше повредить предмет вместо его восстановления. Потому к данной работе нужно подходить с пониманием того, что для её выполнения, возможно, придётся потратить большое количество сил.

Использование паяльника

Прежде чем приступить к пайке, необходимо включить паяльник и дать ему нагреться. В это время нужно обезжирить поверхность участка растворителем (например, ацетоном) и очистить поверхность металла наждачной бумагой либо напильником, чтобы пайка была более крепкой и надёжной. Долго и тщательно очищать не стоит, так как на месте старой тут же образуется новая плёнка, только тоньше и слабее — для чего и нужна зачистка.

Для начала следует очистить рабочее место, чтобы ничего не мешало. Подготовленный участок покрывается канифолью. Следует начать нагревание паяльником, постоянно касаясь поверхности участка прутком припоя. При увеличении температуры он будет плавиться, покрывая место соединения.

Использование припоя, созданного для работы без флюса, таит в себе некоторые нюансы. Необходимо совершать царапающие движения во время нанесения припоя. Так нарушается цельность оксидной плёнки, позволяя сплаву вступить в контакт с обрабатываемой поверхностью. Действуя таким образом, следует нанести припой на всю обрабатываемую поверхность.

Для высокого качества шва необходимо работать непрерывно. Если пришлось прервать процесс, то перед возобновлением работы необходимо заново хорошо прогреть весь участок с уже застывшим припоем.