Пайка - це процес отримання нероз'ємного з'єднання матеріалів в твердому стані при нагріванні нижче температури їх плавлення шляхом змочування, розтікання і заповнення зазору між ними розплавленим припоєм з подальшою кристалізацією рідкої фази і утворенням спаяний.
Переваги пайки як технологічного процесу і переваги паяних з'єднань обумовлені головним чином можливістю формування паяного шва нижче температури плавлення матеріалів, що з'єднуються. Таке формування шва відбувається в результаті контактного плавлення паяється в рідкому припої, внесеному ззовні (пайка готовим припоєм), або відновленим з солей флюсу (реактивно-флюсова пайка), або утворився при контактно-реактивному плавленні паяються металів, що контактують прошарків або паяються металів з прошарками (контактно-реактивна пайка). На відміну від автономного плавлення (одностадійного процесу, що протікає в обсязі при температурі, яка дорівнює або вище температури солидус з'єднуються), контактна плавлення того ж матеріалу протікає при контактному рівновазі по поверхні контакту з твердим, рідким, газоподібним тілом, іншими за складом. Це багатостадійний процес, що протікає за різними механізмами; рідка фаза при контактному плавленні твердого тіла утворюється нижче його температури солидус.
Пайка забезпечує отримання бездефектних, міцних і працездатних в умовах тривалої експлуатації, паяних з'єднань, якщо враховані фізико-хімічні, конструктивні, технологічні та експлуатаційні фактори.
Можливість утворення спаю між паяемим металом і припоєм характеризується паяемости, тобто здатністю паяється вступати в фізико-хімічну взаємодію з розплавленим припоєм і утворювати паяні з'єднання. Практично пайкою можна з'єднати всі метали, метали з неметалами і неметали між собою. Необхідно тільки забезпечити таку активацію їх поверхні, при якій стало б можливим встановлення між атомами, що з'єднуються й зварювання міцних хімічних зв'язків.
Для освіти спаяний необхідним і достатнім є змочування поверхні основного металу розплавом припою, що визначається можливістю утворення між ними хімічних зв'язків. Змочування принципово можливо в будь-якому поєднанні основний метал - припій при забезпеченні відповідних температур, високої чистоти поверхні або достатньої термічної або іншого виду активації. Змочування характеризує принципову можливість пайки конкретного основного металу конкретним припоєм. При фізичної можливості освіти спаяний (фізичної паяемости) вже в якійсь мірі гарантована паяемости з технологічної точки зору при забезпеченні відповідних умов проведення процесу пайки.
Паяемости того чи іншого матеріалу не можна розглядати як здатність його піддаватися пайку різними припоями. Можна розглядати тільки конкретну пару, і в конкретних умовах пайки. Важливим моментом в оцінці паяемости, як фізичної, так і технічної, є правильний вибір температури пайки, яка нерідко є вирішальним фактором не тільки для забезпечення змочування припоєм поверхні металу, але і додатковим важливим резервом підвищення властивостей паяних з'єднань. При оцінці паяемости потрібно враховувати температурний інтервал активності флюсів.
Паяльний флюс - це активна хімічна речовина, призначене для очищення і захисту поверхні паяється і припою, в першу чергу, від окисних плівок. Однак флюси не видаляють сторонні речовини органічного та неорганічного походження (лак, фарбу). Механізм флюсування флюсами, самофлюсуючі припоями, контрольованими газовими середовищами, в вакуумі, фізико-механічними засобами може виражатися:
1. У хімічній взаємодії між основними компонентами флюсу і окисної плівкою, що утворюються при цьому з'єднання розчиняються у флюсі, або виділяються в газоподібному стані;
2. У хімічній взаємодії між активними компонентами флюсу і основним металом, в результаті відбувається поступовий відрив окисної плівки від поверхні металу і перехід її у флюс;
3. У розчиненні окисної плівки у флюсі;
4. У руйнуванні окисної плівки продуктами флюсування;
5. У розчиненні основного металу і припою в розплаві флюсу.
Окисні флюси взаємодіють переважно з окисної плівкою. Основою флюсування галоїдного флюсами є реакція з основним металом. Для підвищення активності оксидних флюсів вводять фториди і фторбори, в результаті одночасно з хімічним взаємодією між оксидами відбувається розчинення окисної плівки під фторидах.
До активних газовим середах відносяться газоподібні флюси, які працюють самостійно або як добавка в нейтральні або відновлювальні газові середовища для підвищення їх активності. При пайку металів в активних газових середовищах видалення окисної плівки з поверхні основного металу і припою відбувається в результаті відновлення оксидів активними компонентами середовищ або хімічної взаємодії з газоподібними флюсами, продуктами якого є летючі речовини або легкоплавкі шлаки, до відновних середах відносяться водень і газоподібні суміші, що містять водень і окис вуглецю в якості відновників окислів металів.
Як нейтральних газових середовищ використовують азот, гелій і аргон, роль газового середовища зводиться до захисту металів від окислення. Як газове середовище вакуум захищає метали від окислення і сприяє видаленню з їх поверхні окисної плівки. При пайку у вакуумі, в результаті розрідження, парціальний тиск кисню стає мізерно малим і, отже, зменшується можливість окислення металів. При високотемпературної пайку у вакуумі створюються умови для дисоціації оксидів деяких металів.
За умовами заповнення зазору способи пайки поділяються на капілярні і некапіллярние.
Капілярна пайка за методом освіти спаяний розділяється на пайку готовим припоєм, контактно-реактивну, дифузійну і реактивно-флюсових. При капілярної пайку розплавленийприпой заповнює зазор між паяемимі деталями і утримується в ньому під дією капілярних сил. Капілярна пайка, при якій використовується готовий припой і затвердіння шва відбувається при охолодженні, називається пайкою готовим припоєм. Контактно-реактивної називається капілярна пайка, при якій припой утворюється в результаті контактно-реактивного плавлення матеріалів, що з'єднуються, проміжних покриттів або прокладок з утворенням евтектики або твердого розчину. При контактно-реактивної пайку немає необхідності в попередньому виготовленні припою. Кількість рідкої фази можна регулювати зміною часу контакту, товщиною покриття або прошарку, тому що процес контактного плавлення припиняється після витрачання одного з контактуючих матеріалів.
Дифузійної називається капілярна пайка, при якій затвердіння шва відбувається вище температури солидус припою без охолодження з рідкого стану. Припій, застосовуваний при дифузійної пайку, може бути повністю або частково розплавленим, може утворюватися при контактно-реактивному плавленні металів, що сполучаються з однією або декількома прошарками інших металів, нанесених гальванічними способами, напиленням або укладених в зазор між сполучаються деталями, або в результаті контактного твердо газового плавлення. Мета дифузійної пайки - проведення процесу кристалізації таким чином, щоб забезпечити найбільш рівноважну структуру сполуки, підвищити температуру розпаювання з'єднань.
При реактивно-флюсового пайку припой утворюється в результаті відновлення металу з флюсу або дисоціації одного з його компонентів. До складу флюсів при реактивно-флюсового пайку входять легковосстанавліваемие з'єднання. Утворені в результаті реакції відновлення метали в розплавленому стані служать елементами припоев, а летючі компоненти реакції створюють захисну середу і сприяють відділенню окисної плівки від поверхні металу.
Некапілярна пайка розділяється на пайку-зварювання і зварювання-паяння. Пайко-зварювання відноситься до процесів виправлення дефектів в чавунних, алюмінієвих і ін. Деталях, вирівнювання поверхні, усунення вм'ятин, тобто заливку розплавленим припоєм з використанням технічних можливостей низько- і високотемпературної пайки. Зазвичай використовується для виробів з чавуну і виконується припоями з латуні з додаванням кремнію, марганцю, амонію. Сварко-пайка застосовується при з'єднанні різнорідних металів за рахунок розплавлення більш легкоплавкого металу і змочування їм поверхні більш тугоплавкого металу. Необхідна температура підігріву поверхні тугоплавкого металу досягається за рахунок регулювання величини зміщення електрода від осі шва до більш тугоплавких металів. При підготовці виробів до пайки, при необхідності, на паяемую поверхню наносять металеві покриття. Технологічні покриття (мідь, нікель, срібло) наносять на поверхню труднопаяемих металів, або металів, поверхня яких при пайку інтенсивно розчиняється в припої, що викликає погіршення змочування і капілярного течії припою в зазорі, крихкість в з'єднаннях, за місцем нанесення припою з'являється ерозія, підрізи основного металу. Призначення покриття - запобігання небажаного розчинення основного металу в припої і поліпшення змочування; в процесі пайки покриття повинне повністю розчинятися в розплавленому припої.
При капілярної пайку використовуються нахлесточного, стикові, косостиковие, таврові, кутові, дотичні з'єднання. Нахлесточного з'єднання найбільш поширені, тому що змінюючи довжину перепуску, можна змінювати характеристики міцності вироби. Нахлесточного паяні з'єднання мають деякі переваги перед Нахлесточного звареними, передача зусиль в яких відбувається по периметру елемента. У зварних конструкціях будь-які шви є джерелом концентрації напружень в перехідній зоні від основного металу до шву, і при несприятливих обрисах шва концентрація досягає значних величин. Зіставлення механічних властивостей паяних і зварних з'єднань дозволяє зробити наступні висновки:
1. Застосування пайки найбільш ефективно в тонкостінних конструкціях, товщиною не більше 10 мм;
2. Продуктивність технологічного процесу пайки виявляється часто більш високою;
3. Паяні сполуки викликають, як правило, менші залишкові деформації;
4. Паяні конструкції в більшості випадків мають меншу концентрацію напружень в порівнянні зі зварними.
Міцність паяних з'єднань визначається також впливом дефектів, які можуть утворюватися при недотриманні оптимальних умов і режиму пайки. Типові дефекти, які знижують міцність паяних з'єднань - пори, раковини, тріщини, флюсові і шлакові включення, непропаи.
Всі дефекти суцільності в паяних з'єднаннях поділяються на дефекти, пов'язані із заповненням рідким припоєм капілярних зазорів, і дефекти, що виникають при охолодженні і затвердінні паяних швів. Виникнення першої групи дефектів визначається особливостями руху розплавів припоїв в капілярному зазорі (пори, непропаи). Інша група дефектів з'являється через зменшення розчинності газів в металі при переході з рідкого стану в тверде (газо-усадочная пористість). До цієї групи належить також пористість кристаллизационного і дифузійного походження.
Тріщини в паяних швах можуть виникнути під дією напруг і деформацій металу виробів або шва в процесі охолодження. Холодні тріщини виникають в зоні спаев при утворенні прошарків тендітних інтерметалідов. Гарячі тріщини утворюються в процесі кристалізації; якщо в процесі кристалізації швидкість охолодження висока і виникають при цьому напруги великі, а деформаційна здатність металу шва мала, то виникають кристалізаційні тріщини. Полігонізаціонние тріщини в металі шва виникають вже при температурах нижче температури солидус після затвердіння сплаву по так званим полігонізаціонним кордонів, які утворюються при вибудовуванні дислокації в металі в ряди і освіті сітки дислокації під дією внутрішніх напружень. Неметалеві включення типу флюсових або шлакових можуть виникати в результаті недостатньо ретельної підготовки поверхні виробу до пайки або при порушенні режиму пайки. При занадто тривалому нагріванні під пайку флюс реагує з основним металом з утворенням твердих залишків, які погано витісняються з зазору припоєм.