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

Мнение о том, что очень трудно спаять элементы, изготовленные из алюминия или сплавов на его основе, во многом ошибочно. Конечно, если применять для этого составы, предназначенные для работы с медью, латунью или сталью, то получить положительный результат практически невозможно. Специальные припои для пайки алюминия значительно упростят этот процесс.

Особенности алюминия и сплавов на его основе

Трудности, которые возникают при пайке алюминия, обусловлены его специфическими особенностями:

  • высокой стойкостью оксидной пленки на поверхности;
  • низкой температурой плавления;
  • высокой теплоемкостью.

По температурным показателям, при которых производят пайку алюминия, различают два основных способа:

  • низкотемпературный в диапазоне 150-300⁰С (мягкая пайка);
  • высокотемпературный – 390-580⁰С (твердая пайка).

Учитывая особенности металла, производители разработали специальные припои и флюсы для пайки алюминия.

Преимущества пайки

Раньше для соединения алюминиевых деталей использовали специальную аргоновую сварку. Для проведения таких работ было необходимо дорогостоящее оборудование, да и использовать его мог только высококвалифицированный специалист. К тому же в месте сварки происходило разрушение металла в глубину.

Пайка алюминия припоями и флюсами лишена всех вышеперечисленных недостатков и обладает целым рядом преимуществ:

  • Для скрепления деталей применяются доступные приспособления.
  • Работы может производить даже неквалифицированный исполнитель, то есть, их вполне можно выполнить самостоятельно в домашних условиях.
  • Не нарушается целостность и структура соединяемых деталей.
  • При правильном соблюдении технологии пайки механическая прочность соединения не уступает сварочным швам.
  • Повторный нагрев позволяет легко изменить взаимное расположение деталей и места пайки.

Пайка алюминия в высокотемпературном режиме

Для того чтобы прочно соединить достаточно крупные алюминиевые элементы, применяют так называемую твердую пайку. Для этого потребуются:

  • газовая горелка;
  • металлическая щетка;
  • припой.

Алгоритм производства работ довольно прост:

  • В местах пайки детали тщательно зачищаем, используя стальную щетку.
  • Прогреваем место соединения деталей с помощью газовой горелки до температуры плавления припоя (для современных составов это обычно 390-400⁰С).

  • Плотно прижимаем пруток припоя к месту пайки и возвратно-поступательными движениями наносим его на поверхность.
  • Стальной щеткой удаляем оксидную пленку под расплавленным припоем.
  • Даем деталям остыть естественным путем.

Припои для твердой пайки

Долгое время российскому потребителю был доступен только припой 34А. Основной составляющей этого состава является алюминий (до 66%). Температура пайки составляет 530-550⁰С. Работать с ним надо предельно осторожно, чтобы не расплавить или не повредить скрепляемые детали, ведь плавление самого алюминия начинается уже при 660⁰С. К тому же при производстве работ по рекомендации изготовителя пруток припоя необходимо периодически обмакивать во флюс Ф-34А.

Температура пайки алюминия припоем HTS-2000 (американского производства) составляет около 400 градусов. Соединение элементов осуществляют без применения флюса. Это в значительной мере упрощает технологический процесс.

Еще одним довольно популярным и распространенным припоем с флюсовым сердечником является швейцарский Castolin 192 FBK. Температура пайки у него немного выше – 440 градусов. Наличие флюса в структуре прутка облегчает удаление оксидной пленки с поверхности и обеспечивает надежное сцепление припоя с алюминием.

Оба вышеописанных импортных состава изготавливают на основе цинка, поэтому место пайки имеет высокие антикоррозионные свойства.

Недавно у иностранных производителей появился достойный конкурент – припой для пайки алюминия «Супер А+», который разработали и теперь изготавливают в Новосибирске. По своим техническим характеристикам он ни в чем не уступает западным аналогам. Процесс твердой пайки осуществляют при тех же приемлемых для металла 400 градусах. Причем нет нужды использовать флюс. А вот цена на него гораздо ниже (в 2-3 раза), чем у его западных аналогов. Состав ингредиентов разработчики предусмотрительно пока не публикуют.

Пайка алюминия в низкотемпературном режиме

Так как мягкую пайку осуществляют обычно при температуре в диапазоне 230-300 ⁰С, то для нее понадобятся:

  • электрический паяльник;
  • припой для пайки алюминия;
  • флюс;
  • удобные инструменты для зачистки деталей (металлическая щетка, напильник или наждачная бумага).

Порядок работ:

  • Зачищаем соединяемые детали любым механическим способом.
  • Фиксируем их в нужном положении.
  • На место пайки наносим флюс (например, кисточкой).
  • Жало (предварительно разогретого) паяльника и пруток припоя упираем в место соединения.
  • Припой начинает плавиться. Продвигая паяльник, пропаиваем весь шов соединения.

  • Даем скрепленным деталям остыть.
  • Тщательно очищаем место пайки от остатков флюса (например, смоченной в спирте салфеткой или тряпкой).

Припои для мягкой пайки алюминия

Для низкотемпературной пайки алюминия в настоящее время применяют составы от самых разных производителей. Многие с успехом осуществляют пайку алюминия припоем П250а российского производства. Он изготовлен на основе олова (80%). Также в его состав входят цинк (19,85%) и незначительные добавки меди (0,15%). Невысокая цена и доступность приобретения обеспечили ему достаточную популярность.

Довольно распространен в нашей стране и швейцарский припой Castolin 2019 для пайки алюминия. В его состав входят серебро, кадмий и цинк. Однако цена на него значительно выше российского аналога. К тому же производители убедительно рекомендуют применять его только с флюсами своего же производства.

Флюсы для пайки алюминия

Флюсы растворяют и удалят оксидную пленку с поверхности металла, а также способствуют лучшей растекаемости расплавленного припоя, что в конечном итоге сказывается на качестве и прочности соединения. Поэтому выбирать их надо так же тщательно, как и припои для пайки алюминия.

Российские производители («СмолТехноХим», «Коннектор», Rexant, «Зубр») предлагают две основных разновидности жидких активных флюсов: Ф-59А и Ф-61А. Буквенный индекс «А» в маркировке означает, что их состав разработан специально для пайки алюминия, сплавов на его основе, а также комбинированных соединений с медью, сталью и другими металлами.

Среди импортных жидких флюсов для мягкой пайки российскому пользователю наиболее известен швейцарский Castolin AluTin 51. Тщательно разработанный и хорошо сбалансированный состав подходит как для пайки алюминиевых элементов, так и в сочетании с другими металлами.

Все перечисленные выше флюсы предназначены для низкотемпературной пайки (в диапазоне от 150 до 300 градусов). Твердую пайку алюминия осуществляют в основном либо без применения флюсов, либо его компоненты встроены в структуру припойного прутка.

В заключение

Из всего вышеизложенного можно сделать однозначный вывод: процесс пайки алюминиевых элементов достаточно прост и доступен каждому. Зная, какие расходные материалы купить и какие приспособления использовать, вы сможете как спаять вместе алюминиевые электрические провода, так и отремонтировать треснувший поддон картера автоматической коробки передач.

Процесс соединения заготовок, в результате которого их материал не расплавляется, называется пайкой. То есть, материал не изменяет своих технических характеристик и качеств.

Пайка металлов происходит за счет смачивания поверхностей заготовок жидким припоем, которым заполняется зазор между двумя металлическими изделиями. При этом припой – это металл или сплав нескольких металлов, обычно олова и свинца.

Соединение с помощью пайки, без расплавления, дает возможность в будущем разъединить детали (распаять или перепаять заново), не нарушая их свойств. Качество пайки зависит от типов соединяемых металлов, от припоя и флюса, нагрева и вида соединения.

Преимущества и недостатки

К преимуществам процесса пайки можно отнести:

  • возможность соединять сталь с цветными металлами;
  • высокая технологичность процесса;
  • возможность проводить паяльные операции в труднодоступных и неудобных местах;
  • возможность соединять сложные по конструкции узлы и детали;
  • процесс можно проводить не точно по контуру соединения, а по всей плоскости;
  • нагрев при пайке обеспечивает термическую обработку металлических заготовок.

Что касается недостатков пайки, основной – это невысокая прочность паяного соединения на отрыв и сдвиг за счет мягкости припойного металла. Сложно проводить операции, которые касаются высокотемпературной технологии.

Где применяется

После сварки пайка находится на втором месте по применению в категории стыковки металлов. А в некоторых областях производства она занимает главенствующую позицию.

К примеру, в производстве компьютеров, сотовых телефонов и другой IT-ной техники. Ведь мельчайшие детали этой техники требуют компактного контакта между собой.

Кроме этого пайка применяется для соединения медных трубок в производстве холодильников, теплообменников, при соединении твердосплавных деталей между собой, к примеру, режущие пластины к резцам.

При проведении кузовных работах проводится соединение деталей к тонким металлическим листам. Лужение тоже является частью процесса пайки, а эту операцию применяют для защиты различных конструкций от коррозии металлов.

В общем, можно сказать, что если в каких-то ситуациях нельзя соединить две металлические заготовки между собой сваркой, болтовым соединением, шпильками, клепками, клеем или другими способами, то на помощь приходит именно пайка металла.

Разновидности

Классификация пайки металлов достаточно сложна, потому что в каждой категории приходится учитывать большое количество различных параметров. Имеет значения тип припоя, способ нагрева, присутствует ли в зазоре давление или нет, как кристаллизуется паяный шов.

Но чаще всего разделение проводится по температуре расплавленного припоя. Это низкотемпературный процесс (до 450 ℃) и высокотемпературный (свыше 450 ℃).

Низкотемпературную пайку чаще всего используют именно в электронике, потому что сама технология достаточно проста и экономична. При этом появляется возможность паять мелкие детали, что актуально для этой промышленности. К тому же этим способом можно проводить соединение разнородных металлов и материалов.

Что касается высокотемпературной технологии, то она обозначается высокими прочностными характеристиками места стыка, такое соединение может выдержать даже ударные нагрузки и высокое давление.

В мелкосерийном производстве высокую температуру обеспечивают газовыми горелками или токами индукционного типа средней или высокой частоты.

В классификации процесса пайки есть еще одно разделение, в основе которого лежит тип припоя. Самый распространенный способ – использовать готовый припой.

Кстати, это не обязательно стержни из сплавов, это может быть специальная паста. Припой просто расплавляется и затекает в зазор между деталями. Здесь проявляется капиллярное явление. Силы поверхностного натяжения заставляют расплавленный металл проникать во все поры и трещины деталей.

Вторая позиция в этом разделении – реакционно-флюсовая операция, для чего используется цинкосодержащий флюс. По сути, между нагретыми кромками заготовок из металла и флюсовым материалом происходит химическая реакция, конечный результат которой и есть припой.

Способы нагревания

Паяльные материалы можно нагревать разными способами. Если говорить о домашнем применении процесса пайки металлов, то самый распространенный вариант – паяльник или горелка.

Первый инструмент используется, если необходимо провести низкотемпературный процесс, второй – если высокотемпературный. Разнообразие современных паяльников велико. Среди них есть устройства с автоматической регулировкой температуры и другими полезными функциями.

В производстве используются в основном другие технологии: печная пайка, с помощью индукционных нагревателей, с погружением в специальные ванны с металлом или солями.

Применяется нагрев электросопротивлением, когда припой и соединяемые заготовки нагреваются за счет протекания по ним электрического тока, и прочие.

Припои

В реализации пайки элементов важны припои. Изготавливают их из чистых металлов или их сплавов. При выборе обращают внимание на две основные их характеристики: смачиваемость и температура плавления. Первое свойство – это сцепление припоя с заготовками, где прочность соединения между ними становится выше, чем между молекулами самого припойного материала.

Что касается температуры, то тут есть одно требование – температура плавления припойного металла должна быть ниже, чем тот же показатель у заготовок. Поэтому припойный материал делится на две категории: легкоплавкие и тугоплавкие.

Первые – материалы на основе олова и свинца в чистом виде или с добавлением различных компонентов. Вторые – материалы на основе серебра или меди. Это медно-цинковые припои, которыми можно паять медные, бронзовые и стальные заготовки.

Серебряные марки считаются лучшими, у них высокие прочностные характеристики, поэтому их применяют для стыка деталей, работающих под вибрацией или ударами.

Кроме основных видов в промышленности используются и другие разновидности. К примеру, никелевые применяют для деталей, работающих при высоких температурах.

Золотые – для соединения золотых украшений или пайки трубок, работающих под вакуумом. Магниевые – для стыковки магниевых заготовок или деталей из сплавов этого металла.

Сам припой может быть изготовлен в виде стержней, пасты, порошка, таблеток, тонкой фольги, гранул различного размера.

Флюсы

Основное требование к качеству соединения – это физический контакт припоя с металлом двух деталей. Поэтому очень важно, чтобы на кромках заготовок не образовалась оксидная пленка.

Именно для этого в процессе пайки и применяют флюсы. Их основная задача – удалить старую пленку и не дать возможности образоваться новой.

Классификация флюсов основана на ряде различий по составу и свойствам. Они бывают:

  • активные и нейтральные;
  • с низкой температурой нагрева и высокой;
  • твердые, пастообразные, жидкие, в виде гелей;
  • на основе воды и безводные.

Из всех разновидностей, что сегодня используются для пайки металлов, самыми распространенными являются борная кислота и ее натриевая соль (бура), хлористый цинк, канифоль и ортофосфорная кислота.

Особенности паяния

Так как в промышленности реализуются разные проекты, то в процессе пайки могут участвовать разные металлы. Поэтому технологии пайки могут отличаться, а некоторых случаях ее применение крайне затруднено.

Сталь

Сразу надо оговориться, что стальные заготовки можно паять только припоями на основе олова. Цинкосодержащие материалы для этой операции не подходят за счет низкого смачивания. Вот технологическая карта проводимых этапов.

Кромки заготовок из металла очищают от грязи. Затем обрабатывают их наждачной бумагой или железной щеткой, удаляя тем самым оксидную пленку.

Проводится процесс обезжиривания с помощью любого растворителя. Заготовки стыкуются с зазором 2-3 мм. Производится нагрев паяльной лампой или другим нагревательным инструментом.

В зону нагрева добавляется флюс, а затем и припой. Обратите внимание, что последний должен нагреваться больше не от пламени огня, а от разогретых кромок заготовок. После окончания процесса с участка стыка удаляются остатки флюса и припоя.

Чугун

Соединять пайкой можно только серый чугун или ковкий, белый паять нельзя. Правила пайки чугуна основаны на решении двух проблем. Первая – плохая смачиваемость металла за счет большого в нем содержания графита.

Решается проблема просто. Надо перед пайкой обработать поверхности соединения борной кислотой. Вторая проблема – в процессе нагрева в металле происходят изменения его структуры, поэтому пайку чугуна рекомендуют проводить при температуре не выше +750 ℃.

Титан

Пайка титана одна из самых сложных. На поверхности этого металла расположен альфированный слой, который насыщен атмосферными газами. Его и придется удалить или с помощью травления, или пескоструйкой. И даже после этого на поверхности останется оксидная пленка.

Чтобы соединение стало качественным, пайку проводят или в вакууме, или аргоном, или специальными флюсами. Последний вариант не гарантирует высокое качество конечного результата. При этом необходимо строго соблюдать температурный режим, который варьируется для данного металла в диапазоне 800-900 ℃.

Что касается припоев, то здесь используют или серебряные, или алюминиевые. Оловянные и свинцовые припои применяют редко, потому что с самим титаном они соединяются плохо. Хотя если нанести оловянный слой или свинцовый на поверхность титановой заготовки, то можно гарантировать неплохое качество пайки.

Нихром

Пайка нихрома – самый простой процесс, потому что сам сплав (а это симбиоз хрома и никеля) является жаростойким и пластичным.

Температура его плавления в зависимости от добавок варьируется в пределах 1100-1400 ℃. То есть, для пайки можно использовать даже тугоплавкий припойный материал.

Пайка деталей из нихрома проводится при низкотемпературном режиме. Соединение сплава со сталью требует наличия высокотемпературного паяния. Многие мастера дома делают припои своими руками, смешивая вазелин (100 г), глицерин (5 г) и хлористый порошковый цинк (7 г).

Область применения пайки дает возможность соединять между собой детали из разных цветных металлов. Конечно, к выбору методов пайки надо подходить с позиции соответствия и технологии соединения, и правильного выбора расходных материалов.

Но, как показывает практика, в основе процесса лежит тип самих соединяемых заготовок, то есть, насколько высока их температура плавления.

Отталкиваясь от этого, и выбирается сам вид паяной операции. Ведь температура плавления припоя должна быть ниже, чем у металла соединяемых деталей. И нарушать этот закон нельзя ни в коем случае. Нарушили – получили некачественное соединение или, вообще, не получили спайки.

Операции пайки алюминия получили большое распространение в изготовлении изделий для радио- и электротехнической промышленности, в авиации и других отраслях. Получение соединений таким способом отличают особая устойчивость оксидной пленки, большая теплоемкость и низкая температура солидуса большинства сплавов алюминия. Соединяясь с кислородом, алюминий дает стойкие оксиды, создающие на поверхностях деталей из него особую пленку повышенной прочности. Для ее разрушения применяются специальные припои для пайки алюминия, сильного действия флюсы и особая механическая обработка.

Большинство традиционных для припоев химических элементов имеют плохую взаимную растворимость с алюминием. А требуемую прочность соединениям способен обеспечить лишь цинк, хорошо взаиморастворимый с алюминием. Не самый удачный выбор – пайка алюминия оловом. Не считая слабой растворимости алюминия, полученные с помощью оловянно-свинцового припоя швы еще придется покрывать лакокрасочными материалами для улучшения их невысокой стойкости к коррозии.

Также серьезно стоит отнестись, выбирая флюс для пайки алюминия. Далеко не каждый из них способен поддерживать активность к данному металлу. Например, в высокотемпературной пайке алюминия флюсами служат составы, вмещающие соли хлоридов различных металлов с добавкой их фторидов.

Технология пайки алюминия

Пайка проводится при помощи газопламенного, печного, индукционного и контактного нагревания, либо погружением в расплав флюса. Применяемые для пайки алюминия газовые горелки могут быть газовоздушными либо бензовоздушными. Не подходящим для этого будет применение ацетилено-кислородного пламени, способного негативно влиять на активность флюса, а, следовательно, и паяемость алюминия.

В ходе подготовительных к предстоящей пайке работ алюминий обезжиривают и механически зачищают зону соединения. Последнее необходимо для удаления пленки из оксидов. Обезжирить металл можно бензином, ацетоном либо другим подходящим растворителем. Для зачистки поверхностей применяют абразивные круги, наждачную бумагу, специальные сетки или щетки из нержавейки. Технологией пайки алюминия допускается также удаление оксидной пленки способом травления химическими кислотами. Но этот вариант более трудоемкий и потому используется гораздо реже, чем механическая зачистка.

Весь процесс пайки аналогичен пайке стальных или медных изделий. По завершении очистки алюминиевые детали конструкции устанавливают в требуемое положение. Затем место соединения покрывают флюсом и доводят температуру до необходимой для расплавления припоя. Пайку производят, прикасаясь к стыку деталей концом электродного стержня.

При пайке без флюса припоем характерна одна особенность. Для нее необходимо сначала разрушить оксиды пленку. Это делают, царапая расплав специальным стержнем или острым краем припойного прутка. Полученное нарушение цельности пленочной поверхности облегчает проникновение частиц припоя. Также возможно разрушение оксидов пленки путем растирания ее стальной щеткой. Элементы конструкции, соединенные растертыми сторонами друг к другу, необходимо нагреть до нужной температуры. Таким образом достигается особая надежность паяного соединения.

С использованием паяльника пайка алюминия бывает также эффективна. При этом оксидную пленку удаляют как металлической щеткой, так и шабером либо абразивными частицами. Еще способствуют удалению оксидов заключенные в расплаве припоя твердо-жидкие кристаллы. Абразивный паяльник, используемый при лужении алюминия, имеет рабочую деталь стержневидной формы, состоящую из частиц абразива с припоем.

Процедура пайки проводится с плотным прилеганием луженых поверхностей при нагревании до температуры плавления припоя. Иногда требуется дополнительная подпитка припоем зоны шва. Лужение ультразвуком проводится особым ультразвуковым паяльником в специальной ванне. Отличием этого метода является усиленная эрозия металла основы, из-за чего не рекомендуется его использование для тонкостенных деталей.

Ряд технологий позволяют вести пайку алюминия с медью, сталью, никелем и их сплавами. Такие работы с неоднородными материалами осложнены трудностью выбора газов и флюсов, способствующих удалению оксидов. Возможная хрупкость соединений этих металлов предупреждается нанесением специальных защитных покрытий на детали перед пайкой. Так, никелевое покрытие, нанесенное на алюминий химическим методом, позволяет прочно соединить его с медью. А нанесение на медные поверхности цинковых или серебряных покрытий позволяет осуществить их контактно-реактивную пайку с алюминиевыми деталями. На качество паяных конструкций из алюминия еще влияют выбранные методы подготовки деталей и состав среды из газа.