В процессе электромонтажа при соединении электрических цепей для получения контактного соединения чаще всего применяют пайку.
Пайка – образование соединения с помощью расплава припоя, при котором создаются межатомные связи после нагрева соединяемых материалов ниже температуры их плавления, смачивания их припоем, затекания припоя в зазор и последующей его кристаллизации.
Припой – материал для пайки и лужения с температурой плавления ниже температуры плавления паяемых материалов.
Важными свойствами припоя являются также растекаемость и способность затекать в узкие зазоры под действием капиллярных сил.
Затекание припоя в зазор – заполнение расплавленным припоем паяемого зазора.
При наличии загрязнений соединяемых поверхностей растекаемость припоя ухудшается, и возможно образование несмачиваемых зон, что снижает качество пайки (рис. 1)
- а) отсутствие смачиваемости;
- б) полное смачивание;
- в) частичное смачивание;
- г) хорошее смачивание.
Рисунок 1 – Распределение припоя (смачиваемость) на различных поверхностях
Подготовка поверхностей деталей, подлежащих пайке, заключается в удалении загрязнений, ржавчины, окисных и жировых пленок. На смачиваемость и растекаемость припоя существенное влияние оказывает форма шероховатостей поверхности. Если неровности образуют сеть пересекающихся канавок, то смачиваемость и растекаемость припоя будет усиливаться капиллярным действием канавок.
Таким образом, способ зачистки может оказать решающее влияние на качество пайки. Зачистку с образованием пересекающихся канавок получают наждачной шкуркой (это дает лучший результат, чем травление).
Как правило, соединяемые детали перед пайкой подвергаются лужению.
Лужение заключается в покрытии поверхностей соединяемых деталей тонкой пленкой припоя. Горячее лужение выполняют паяльником или путем погружения в ванну с расплавленным припоем.
При лужении припой покрывает основной металл, поэтому при пайке луженых поверхностей соединение происходит при более низкой температуре.
Для устранения пленки окислов с поверхностей металлов и припоя при пайке, защиты поверхности металлов и припоя от окисления в процессе пайки и уменьшения сил поверхностного натяжения расплавленного припоя на границе металл-припой служат специальные материалы – флюсы.
Правильный выбор флюса обеспечивает качественное соединение и существенно влияет на скорость пайки. Выбранный флюс должен быть химически активным и растворять окислы паяемых элементов, термически стабильным и выдерживать температуру пайки без испарения и разложения, проявляя химическую активность в заданном интервале температур.
Все флюсы можно разделить на четыре группы: активные или кислотные, антикоррозионные, бескислотные – на основе канифоли (эта группа флюсов нашла наиболее широкое применение при электрическом монтаже.
Остатки бескислотных флюсов легко удаляются спиртом. Такой флюс обладает низкой химической активностью, поэтому требует особо хорошей очистки соединяемых поверхностей от окисных пленок перед пайкой) и активированные – на основе канифоли, имеющие в своем составе различные катализаторы (вещества, повышающие активность флюса).
Подготовленные поверхности покрывают флюсом непосредственно перед горячим лужением или пайкой.
Механизм действия флюса (см. рисунок 2) заключается в том, что окисные пленки металла и припоя под действием флюса растворяются, разрыхляются и всплывают на его поверхности.
Рисунок 2 – Схема зоны лужения с помощью паяльника: 1 – наконечник паяльника; 2 – припой; 3 – сплав припоя с основным металлом; 4 – зона взаимодействия припоя с основным металлом; 5 – флюс; 6 – растворенный окисел; 7 – окисел на поверхности основного металла; 8 – основной металл; 9 – газообразный флюс.
Вокруг очищенного металла образуется защитный слой флюса, препятствующий возникновению окисных пленок. Жидкий припой замещает флюс и взаимодействует с основным металлом. Слой припоя постепенно увеличивается и при прекращении нагрева затвердевает.
В зависимости от технологии флюс может использоваться в виде жидкости (см. рисунок 3), пасты или порошка. Существуют также паяльные пасты, содержащие частицы припоя вместе с флюсом.
Рисунок 3 – Виды флюсов
Для улучшения качества пайки и повышения производительности труда при монтаже электрических цепей рекомендуется применять трубчатый припой с канифольным наполнителем. Припой представляет собой трубку из оловянно-свинцового сплава, внутри которой помещен канифольный флюс. Измененная форма сердцевины уменьшает вероятность образования пустот в трубчатом припое и перерывов в подаче флюса в процессе пайки. На рисунке 4 показаны трубчатые припои, выпущенные в виде катушек.
Рисунок 4 – Катушки с трубчатыми припоями разного диаметра
Для пайки в единичном и мелкосерийном производстве применяют электрические паяльники – см. рисунок 5. Действие таких приборов основано на выделении большого количества теплоты при прохождении электрического тока.
Основная часть паяльника – медный стержень с заостренным концом — «жалом», вставленный в металлическую трубку, вокруг которой расположен нагревательный элемент (нихромовая спираль в оболочке из жаропрочной изоляции — слюды или керамики). Концы спирали нагревательного элемента присоединены к медным изолированным проводам – шнуру, который выведен через полую пластмассовую ручку и заканчивается штепсельной вилкой. Нагревательный элемент закрыт сверху кожухом.
Рисунок 5 – Электрические паяльники
При включении паяльника в электрическую сеть ток проходит через нихромовую спираль и нагревает ее. Выделяющееся тепло передается медному стержню, который нагревается до температуры 300 — 350 °С.
Требуемую мощность паяльника выбирают в зависимости от массы и марки соединяемых деталей.
Для соединения больших, массивных деталей применяют молотковые паяльники, названные так из-за своей формы, похожей на молоток. Они разогреваются в печах или жаровнях и, обладая большой тепловой инерцией, долго остаются нагретыми.
Особый интерес представляет индукционное оборудование. В индукционных паяльниках происходит саморегуляция нагрева, они экономно расходуют электричество. Выпускают ультразвуковое паяльное оборудование (рис. 6). Ультразвуковой паяльник снабжен генератором, вырабатывающим сигнал высокой частоты.
Рисунок 6 — Ультразвуковое паяльное оборудование
Газовый. Очень удобны в работе газовые паяльники, разогрев которых происходит от сгорания газа. Газовое оборудование представлено огромным количеством моделей, отличающихся размерами, системой розжига, наличием регулятора температуры (рис. 7).
Рисунок 7 – Газовое паяльное оборудование
С помощью газового паяльного оборудования можно плавить твердые высокотемпературные припои. Выпускают посты для газовой пайки медных труб, в которые входят баллоны, редукторы, платформа и горелка.
Недостатками электрического или газового паяльников является невозможность одновременного прогрева большой площади при малой мощности. В этом случае используются другие виды оборудования.
При ручной пайке недостаточно наличия только паяльного оборудования. Не имея необходимых дополнительных приспособлений, невозможно бывает не то чтобы качественно, а вообще что-нибудь спаять. К таким приспособлениям относятся: паяльная лампа; пинцет; набор надфилей; кусачки; увеличительное стекло и штатив; струбцины; подставки.
Один из необходимых инструментов – это пинцет (рис. 8). Он служит для того, чтобы удерживать мелкие детали в положении, в котором их нужно припаять. Кроме того, зачастую металлический пинцет, зажимая выводы, служит теплоотводом, когда происходит пайка полупроводников или иных требовательных к температуре предметов.
Рисунок 8 — Пинцет
Еще одним инструментом, часто используемым при работе, является надфиль. Плоским надфилем можно очистить жало паяльника от нагара перед тем, как облудить его. Круглым надфилем с острым концом можно аккуратно прочистить монтажные отверстия на плате. Иногда приходится зачищать выводы компонентов схем, перед тем как смонтировать их на место.
Для работы с проводами и кабелями понадобятся кусачки-бокорезы. С их помощью отрезают провода, зачищают изоляцию, иногда механически снимают лишний припой.
Очень часто приходится паять крупные детали. Нагреть их паяльником, даже самым мощным, невозможно. В этом случае детали около места будущей пайки прогревают паяльной лампой, а после этого уже пропаивают паяльником. Паяльные лампы могут работать на бензине, керосине, газе. Некоторые модели работают на спирте. Чтобы зафиксировать детали между собой и на столе, неплохо иметь под рукой набор металлических струбцин. При их использовании можно точно сориентировать детали одну относительно другой и сохранить это положение в течение всего времени пайки и остывания.
Полезное приспособление для пайки – поставка. На нее можно не опасаясь возгорания помещать горячий паяльник. Такое простейшее оборудование зачастую делают своими руками.
При постоянных частых паяльных работах неплохо установить в помещении оборудование для дымоудаления.
Вакуумное паяльное оборудование используют для соединения изделий из сильно окисляющихся материалов. Паяные швы, произведенные в таких печах, отличаются чистотой и однородностью, что обеспечивает их прочность.
По причине менее высокой температуры и совершенно иного, чем при сварочных работах, воздействия на металл, паяные соединения более стойки к коррозии и к механическим воздействиям.
Контроль качества пайки проводится визуально, с использованием 4-х кратной лупы. Пайка должна быть блестящей, глянцевой или светломатовой, без пор и посторонних включений.