Современная пайка металла: чем пайка черных металлов отличается от цветных и какие бывают способы?

Коротко

• По ГОСТ 17325-79 при пайке детали нагревают ниже температуры их плавления, соединение дает припой.
• Граница мягкой и твердой пайки - 723 К, около 450 °C.
• ГОСТ 17349-79 описывает способ пайки по семи признакам, один из них - источник нагрева.
• Сталь и чугун плохо берут оловянно-свинцовый припой; для стали названы серебряные припои.
• Медь, латунь и бронза паяются легче, медно-фосфористые прутки рассчитаны на медь и ее сплавы.

Тем, кто выбирает способ соединения деталей без расплавления кромок и подбора сварочного оборудования, приходится разбираться, что называют современной пайкой металла. Ниже разбираем, что говорят стандарты о пайке, припое и флюсе, чем различаются источники нагрева и как меняется подход для чёрных и цветных металлов.

Пайка нужна там, где плавить кромки нельзя или незачем. Отсюда две задачи, под которые ее берут: пайка тонкого металла, который боится поводки, и пайка различных металлов в одном узле.

1. Пайка, припой и флюс в определениях ГОСТ 17325-79

В ГОСТ 17325-79 «Пайка и лужение. Основные термины и определения» четыре термина определены дословно - в них уже заложено, почему основной металл при пайке остается твердым:

• Пайка (п. 1) - «образование неразъемного соединения с межатомными связями путем нагрева соединяемых материалов ниже температуры их плавления, их смачивания припоем, затекания припоя в зазор и последующей его кристаллизации».
• Припой (п. 5) - «материал для пайки и лужения с температурой плавления ниже температуры плавления паяемых материалов».
• Паяльный флюс (п. 7) - «вспомогательный материал, применяемый для удаления окислов с поверхности паяемого материала и припоя и предотвращения их образования».
• Паяемость (п. 21) - «свойство материала образовывать паяное соединение при заданном режиме пайки».

Последний термин и объясняет разницу между черными и цветными металлами. Процесс один, паяемость разная. Под нее подбирают припой, флюс и нагрев.

2. Мягкая и твердая пайка: где проходит граница?

Низкотемпературная, она же мягкая, пайка - это «пайка при температуре, не превышающей 723 К» (п. 39). Высокотемпературная, или твердая, идет при температуре выше 723 К (п. 40). В градусах Цельсия это около 450 °C, так ее и дает ISO 857-79 в приложении к стандарту. Считают ее по температуре пайки, то есть по температуре деталей и расплавленного припоя в месте контакта (п. 26), а не по температуре плавления припоя.

Мягкий припой ПОС 61 по ГОСТ 21930-76 плавится в интервале 183-190 °C (солидус-ликвидус) и предназначен для лужения и пайки электро- и радиоаппаратуры, печатных схем и точных приборов с высокогерметичными швами, где недопустим перегрев. Паяльник, канифоль и ПОС-61 лежат в разделе паяльного оборудования для проводов и мелких деталей. Твердые припои - медно-цинковые, медно-фосфористые, серебряные; латунные, медные, серебряные и алюминиевые прутки Castolin собраны среди сварочных припоев для твердой пайки.

3. Семь признаков, по которым ГОСТ 17349-79 делит способы пайки

ГОСТ 17349-79 «Пайка. Классификация способов» описывает способ по семи независимым признакам:

• удаление окисной пленки: флюсовая, ультразвуковая, в активной или нейтральной газовой среде, в вакууме;
• получение припоя: готовым или композиционным припоем, контактно-реактивная, реактивно-флюсовая;
• заполнение зазора: капиллярная или некапиллярная;
• кристаллизация шва: при охлаждении или при выдержке, то есть диффузионная;
• источник нагрева;
• давление на детали: без давления или под давлением;
• одновременность швов: одновременная пайка или ступенчатая, когда швы делают по очереди и не распаивают готовые.

Название собирают слева направо по чертежу, по одному слову от каждого признака. Пример из самого стандарта: «Пайка в вакууме композиционным припоем капиллярная диффузионная в печи под давлением ступенчатая».

4. Источник нагрева: от паяльника до лазера

ГОСТ 17325-79 дает определения не только для паяльника и горелки, но и для нагрева индукцией, дугой, плазмой, электронным лучом, лазером и даже тлеющим разрядом - так устроена современная пайка металла. Основные способы:

• Способ пайки: Паяльником
  • Чем нагревают: паяльником
  • Пункт ГОСТ 17325-79: 58
• Способ пайки: Газопламенная
  • Чем нагревают: газовой горелкой
  • Пункт ГОСТ 17325-79: 59
• Способ пайки: В печи
  • Чем нагревают: в печи
  • Пункт ГОСТ 17325-79: 60
• Способ пайки: Индукционная
  • Чем нагревают: теплом, которое выделяет в деталях электромагнитное поле
  • Пункт ГОСТ 17325-79: 61
• Способ пайки: Погружением в припой
  • Чем нагревают: в ванне с расплавленным припоем
  • Пункт ГОСТ 17325-79: 62
• Способ пайки: Дуговая
  • Чем нагревают: электрической дугой
  • Пункт ГОСТ 17325-79: 67
• Способ пайки: Электросопротивлением
  • Чем нагревают: током, пропущенным через детали и припой
  • Пункт ГОСТ 17325-79: 71
• Способ пайки: Лазерная
  • Чем нагревают: лазером
  • Пункт ГОСТ 17325-79: 74

Лазерная пайка металла

По п. 74 это пайка, при которой детали и припой нагревает лазер, «излучение оптического квантового генератора». С лазерной сваркой ее роднит только источник тепла: кромки при пайке не плавятся, шов образует припой. Как устроена ручная лазерная сварка металла, где луч расплавляет сам металл, разобрано в отдельной статье.

5. Пайка металлов газами: горелка или газовая среда?

Газ в стандарте встречается в двух разных ролях. Первая - топливо. Газовая пайка металлов в ГОСТ 17325-79 называется газопламенной: «нагрев паяемых материалов и припоя осуществляется газовой горелкой» (п. 59). Сюда относятся и горелки на баллоне, и ацетилено-кислородные: ГОСТ 1077-79 называет однопламенные универсальные горелки инструментом «для ацетилено-кислородной сварки, пайки и подогрева». Горелки на бутановом баллоне и паяльные лампы собраны в разделе бытовых горелок и паяльных ламп, температуру конкретной модели смотрите в ее паспорте.

Вторая - газ вместо флюса. Пайка в активной и в нейтральной газовой среде (пп. 51-52) бесфлюсовая: окислы убирает или не дает им образоваться газ. В ту же группу стандарт ставит пайку в вакууме (п. 53).

6. Пайка черных и цветных металлов: что меняется?

Черные металлы - это железо и сплавы на его основе: стали, чугуны, ферросплавы. Цветными называют все металлы, кроме железа и элементов его группы.

Пайка черного металла: сталь и чугун

Для стали серебряные припои по ГОСТ 19738-2015 предназначены для пайки стали с медью, никелем, медными и медно-никелевыми сплавами (марки ПСр 72, ПСр 62, ПСр 40, ПСр 25, ПСр 12М). Для цинковых и оцинкованных деталей по ГОСТ 21930-76 рекомендованы малосурьмянистые припои ПОССу.

Пайка цветных металлов: медь, латунь, алюминий

Припои на медной основе - медно-цинковые (ПМЦ) и медно-фосфористые - и есть то, чем ведут пайку металла медью. Вторые применяют при пайке меди, медных сплавов, серебра, чугуна и твердых сплавов. Пример - медно-фосфорный пруток Castolin RB5246NSR: по описанию он рассчитан на капиллярную пайку меди, бронзы и латуни, плавится при 710-820 °C, а при пайке меди с медью отдельный флюс ему не нужен.

Алюминий паяют иначе: припои на основе цинка с температурой пайки 300-450 °C подходят для любых алюминиевых сплавов, среди прутков Castolin для него есть отдельные алюминиевые марки, а абразивно-ультразвуковая пайка счищает устойчивую оксидную плёнку механически, без флюса. Пайка алюминия и металла в соседнем узле - тот же случай разнородной пары, что и ниже.

Пайка различных металлов в одном узле

Для разнородной пары в ГОСТ 17325-79 есть отдельный термин - сваркопайка: «пайка разнородных материалов, при которой более легкоплавкий материал локально нагревается до температуры, превышающей температуру его плавления, и выполняет роль припоя» (п. 45). По ГОСТ 19738-2015 серебряный припой ПСр 37,5 закрывает и такую пару, как титан с нержавеющей сталью.

7. Частые ошибки в выборе способа пайки

• Проводят границу мягкой и твердой пайки по температуре плавления припоя, а не по температуре пайки.
• Путают газопламенную пайку с пайкой в газовой среде: первая - нагрев горелкой, вторая - защита от окислов без флюса.
• Ставят мягкий оловянно-свинцовый припой ПОС 61 не по назначению - вместо электро- и радиоаппаратуры, точных приборов и печатных схем, для которых он предназначен по ГОСТ 21930-76.
• Греют только припой. На холодных поверхностях он не смачивает металл, и получается «холодная» пайка, непрочная и ненадежная.