Пайка меди с алюминием: почему это сложно и чем паяют?

Коротко

• Медь плавится при 1083,4 °C, алюминий - при 658-660 °C, предел нагрева задаёт алюминий.
• Оксидная плёнка алюминия затрудняет пайку, поэтому поверхность очищают и работают с флюсом.
• Для пайки алюминия применяют оловянно-цинковые припои (ОЦ).
• Медные и алюминиевые провода соединяют холодной сваркой давлением: её преимущество как раз в соединении металлов, образующих интерметаллиды.
• Для пайки меди и стали применяют серебряные припои.

Если нужно соединить медный и алюминиевый провод или трубу, для этого выбирают подходящий способ пайки или сварки. Ниже разбираем пайку меди с алюминием: почему возникают хрупкие интерметаллиды, какими припоями и способами соединяют эти металлы, чем отличается пайка проводки в электрике и труб в холодильнике, и какие ошибки чаще всего портят соединение.

С этим сталкиваются, когда соединяют алюминиевую проводку с медной или ремонтируют старую электропроводку. Для электрических соединений у алюминия есть ещё одна особенность: его оксидная плёнка - диэлектрик, она ухудшает контактное сопротивление, и место соединения нагревается сильнее.

1. Почему медь и алюминий трудно соединить между собой?

Медь плавится при 1083,4 °C, алюминий - при 658-660 °C: 658 °C у технического алюминия и 660 °C у алюминия высокой чистоты. При пайке детали нагревают выше температуры плавления припоя, но ниже температуры плавления самих деталей. Для пары медь-алюминий это значит, что предел нагрева задаёт алюминиевая деталь, хотя медная к этому моменту ещё далека от своей температуры плавления.

Вторая причина - оксидная плёнка. На воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al2O3: она защищает металл от дальнейшего окисления и одновременно затрудняет пайку. Для удаления загрязнений и лучшего растекания припоя применяют флюсы, а при пайке легкоплавкими припоями, где химические флюсы не помогают смачиванию, - ультразвуковую активацию поверхности.

2. Чем опасны интерметаллиды и контакт разных металлов?

Если медь и алюминий сплавляются между собой, на границе образуются интерметаллиды - химические соединения металлов, например Al2Cu. Как правило, они отличаются высокой твёрдостью, придают сплаву повышенную хрупкость и часто имеют более высокую температуру плавления. В шве такой слой не гнётся вместе с металлом, а работает как хрупкая прослойка.

Вторая проблема - коррозия. По условиям протекания коррозионного процесса контактная коррозия выделена в отдельный вид, а контакт двух разных металлов во влажной среде - как раз такой случай. Поэтому стык меди с алюминием на улице и во влажном месте защищают от влаги, а не оставляют голым.

3. Какими припоями паяют медь с алюминием?

По ГОСТ 19248-90 припои классифицируют по составу и назначению, и припои для алюминия выделены в нём отдельной группой. Среди мягких припоев для пайки алюминия применяют оловянно-цинковые (ОЦ). Оловянно-свинцовые припои (ПОС) - другой состав: например, для пайки медных проводов в электромонтаже подходят оловянно-свинцовые припои Sn60Pb40, а для алюминия по классификации предусмотрены свои марки.

Пайка делится на низкотемпературную, с нагревом припоя до 450 °C, и высокотемпературную - свыше 450 °C. Для низкотемпературной пайки используют в основном электрический нагрев, для высокотемпературной - в основном нагрев горелкой. Какой припой и флюс взять для конкретной пары металлов, указывает паспорт припоя.

4. Сварка меди с алюминием: какой способ подходит?

Плавлением эту пару затрудняют те же причины, что и пайку: разные температуры плавления и интерметаллиды на границе металлов. Для такой пары есть холодная сварка - сварка давлением без нагрева, при которой детали соединяются за счёт пластической деформации в месте контакта.

• Преимущество холодной сварки перед другими способами особенно велико при соединении разнородных металлов, чувствительных к нагреву или образующих интерметаллиды.
• Её широко применяют в электротехнической промышленности и на транспорте для соединения алюминиевых и медных проводов, а также алюминиевых проводов с медными наконечниками.
• Её же используют в электромонтажном производстве, при производстве теплообменников и бытовых приборов.

Для пайки горелкой используют компактные газовые горелки на баллон, а деталь фиксируют зажимом из раздела паяльного оборудования.

5. Пайка меди с алюминием в холодильнике: что там особенного?

Такое соединение нужно там, где медные трубки контура соединяются с алюминиевыми. Такие узлы делают при производстве техники: холодную сварку, например, применяют при производстве теплообменников и бытовых приборов. Ремонт контура с хладагентом - работа с герметичной системой, которую выполняют специалисты по холодильному оборудованию.

6. Чем пайка меди и стали отличается от пайки меди с алюминием?

Серебряные припои подходят для этой пары металлов: пайка стали с медью прямо входит в область их применения, наряду с пайкой меди, латуней и бронз. Температура плавления серебряных припоев - от 183 до 1133 °C в зависимости от состава, поэтому режим пайки берут из паспорта конкретной марки. Для меди и медных сплавов применяют также медно-фосфористые припои.

7. Пайка меди латунью с бурой бензиновой горелкой: для чего нужен такой набор?

Латунь здесь - это медно-цинковый твёрдый припой марки ПМЦ, у него температура плавления 825-970 °C в зависимости от состава, а порог между низко- и высокотемпературной пайкой проходит на уровне 450 °C. Для такой высокотемпературной пайки нагрев ведут горелкой, а не паяльником. Бура (натрия тетраборат) входит в состав сварочных флюсов и припоев - это прямо указано в области применения буры марки Б по ГОСТ 8429-77.

8. Как называется пайка меди разветвление труб?

Разветвление трубопровода называется тройник - это фитинг с тремя отверстиями, который позволяет подключить к основной трубе дополнительное ответвление. Медный тройник паяют тем же способом, что и прямой стык: капиллярным - припой заполняет зазор между трубой и фитингом и удерживается в нём поверхностным натяжением.

9. Частые ошибки при соединении меди с алюминием

• Берут оловянно-свинцовый припой для электромонтажа вместо припоя, предназначенного для алюминия.
• Не снимают оксидную плёнку и паяют без флюса для алюминия.
• Греют алюминиевую деталь, не следя за температурой: нагрев при пайке должен оставаться ниже температуры плавления деталей, а у алюминия она 658-660 °C.
• Оставляют стык меди с алюминием во влажном месте без защиты от влаги.
• Соединяют медный и алюминиевый провод простым контактом: оксидная плёнка алюминия ухудшает контактное сопротивление, и место соединения нагревается.

Если алюминиевую деталь нужно не паять, а варить, пригодится статья «Сварка алюминия аргоном и полуавтоматом: что учесть».