Пайка алюминия и его сплавов

Алюминий, обладая большим сродством к кислороду, образует стойкий оксид Аl₂O₃, находящийся на его поверхности в виде плотной и прочной пленки. Состав и структура оксидных пленок на поверхности алюминиевых сплавов зависят от состава последних. Так, на поверхности алюминиево-магниевых сплавов присутствует смесь оксидов Аl₂O₃ и MgO. При пайке алюминиевых сплавов оксиды удаляют с помощью флюсов, в вакууме с добавлением паров магния, трением и ультразвуком. Кроме того, разработаны способы пайки контактным плавлением, а также по защитным и барьерным покрытиям и др.

Для высокотемпературной пайки алюминиевых сплавов в качестве флюсов применяют смеси солей хлоридов щелочных и тяжелых металлов с добавками фторидов металлов. Пайку алюминия с указанными флюсами производят припоями на основе алюминия типа силумин, 34А, П425А, В62 и др. Зазор при флюсовой пайке должен быть не менее 0,1...0,25 мм. Высокотемпературная флюсовая пайка алюминия и его сплавов может производиться с применением газопламенного, печного, индукционного и контактного нагрева, а также путем погружения в расплавы флюсов.

Для пайки алюминиевых деталей применяют бензовоздушные и газовоздушные горелки. Ацетилено-кислородное пламя непригодно, так как снижает активность флюсов.

Для пайки ажурных тонкостенных конструкций из алюминиевых сплавов хорошие результаты обеспечивает печной нагрев. Скорость нагрева для пайки зависит от толщины стенок соединяемых деталей. Температуру печной пайки с применением припоя 34А и флюса 34А поддерживают 550...560 °С; при пайке эвтектическим силумином - 580...600 °С. Применение флюса 34А при печном нагреве опасно ввиду возможности значительного растворения паяемого металла цинком, выделяющимся из флюса; в случае пайки тонкостенных деталей это может привести к сквозному проплавлению. Лучшие результаты дает применение флюсов, в которых хлористый цинк заменен на хлористое олово, хлористый кадмий или хлористый свинец. Это приводит к резкому снижению растворения паяемой поверхности металлом, выделяющимся из флюса.

Пайка в солевых ваннах отличается высокой производительностью В связи со значительной температурой пайки (580...620 °С) этим способом паяют сплавы с высокой температурой ликвидуса - АД1, АМц и др. Припои должны быть заранее нанесены на паяемые поверхности в виде покрытия или плакирующего слоя (пайка пластинчатых теплообменников). В случае пайки в солевых расплавах состав флюсовой ванны не должен содержать активных хлоридов типа ZnCl₂ из-за сильного растворения в них паяемого металла. Для нормальной работы ванны необходимо тщательное удаление из расплава влаги и солей тяжелых металлов. Для этого солевую ванну обезвоживают алюминием при температуре около 600 °С. Еще более высокой степени очистки удается достигнуть применением порошка сплава, состоящего из 30 % Аl  и 70 % Mg.

При подготовке поверхности изделий из алюминиевых сплавов к пайке рекомендуется после обезжиривания поверхностей производить их травление в 7...10 %-ном растворе едкого натра при 60 °С с последующей промывкой в холодной воде и обработкой в 20 %-ном растворе азотной кислоты, после чего следует тщательная промывка в проточной горячей и холодной воде и сушка горячим воздухом. Пайку рекомендуется производить не позже чем через 2-3 суток после травления.

При пайке погружением в расплав флюса необходим предварительный подогрев изделий до 400...500 °С. Сборку изделий под пайку производят с помощью специальных приспособлений, не взаимодействующих с солевыми расплавами. Приспособления изготовляют из коррозионно-стойких сталей, инконеля, керамики.

Своеобразной разновидностью флюсовой высокотемпературной пайки алюминия и его сплавов является реактивно-флюсовая. Флюсы-пасты для этой цели, как правило, содержат до 90 % активных хлоридов. При использовании таких паст наблюдается заметная эрозия основного металла. Для избежания указанного недостатка пайку производят погружением в солевую ванну, в состав которой вводят небольшое количество (в сумме до 1 %) активныххлоридов типа хлористого цинка, хлористого олова, хлористого кадмия и др.

В связи с тем что остатки флюсов чрезвычайно коррозионно-активны, особенно при эксплуатации паяных соединений в электропроводящих средах, необходимо сразу же после пайки изделия подвергать тщательной обработке с целью удаления остатков флюсов; с этой целью их промывают в горячей и холодной проточной воде с последующей обработкой в 5 %-ном растворе азотной кислоты или в 10 %-ном растворе хромового ангидрида Однако флюсы могут оказаться и внутри паяного шва, и такая обработка не устранит опасности возникновения очагов коррозии. В этом заключается основной недостаток флюсовой пайки алюминиевых сплавов.

Прочностные характеристики паяных соединений при применении наиболее распространенных припоев приведены в табл. 10.

10. Прочность паяных соединений из алюминиевых сплавов

Низкотемпературную пайку алюминия и его сплавов припоями на основе олова можно осуществить с применением флюсов на основе высококипящих органических соединений типа триэтаноламина с добавками в качестве активных компонентов борфторидов кадмия и цинка. Применение этих флюсов хотя и обеспечивает удаление оксида алюминия при пайке, но в промышленности они не нашли широкого распространения, так как не обеспечивают получения надежных и герметичных соединений. Кроме того, компоненты легкоплавких припоев в паре с алюминием образуют коррозионно-нестойкие соединения вследствие большой разности нормальных электродных потенциалов. Такие соединения не способны работать в коррозионно-активных средах. Указанные недостатки и затруднения исчезают при использовании технологических покрытий под пайку. В качестве таких покрытий при низкотемпературной пайке алюминия принято использовать медь, никель, серебро, цинк и т.п. Покрытие может быть нанесено электролитически, химически, термовакуумным напылением и другими способами.

Наиболее высокое качество сцепления покрытия с основным металлом и коррозионную стойкость паяных соединений обеспечивает применение никельфосфорных покрытий, наносимых на поверхность алюминия химическим способом из специальных гипофосфитных растворов. Оптимальная толщина покрытия 17...25 мкм. После нанесения покрытия деталь подвергают термической обработке в защитной среде (аргон или вакуум) при 200 °С в течение 1 ч, что приводит к повышению прочности сцепления покрытия с поверхностью паяемого металла.

Пайка по покрытию легкоосуществима оловянно-свинцовыми припоями с применением канифольно-спиртовых флюсов или флюсов на основе водных растворов хлористого цинка. Коррозионная стойкость таких соединений намного выше стойкости соединений из алюминия, выполненных без защитных покрытий. Соединения из сплавов АМц и Д16. выполненные по никельфосфорному покрытию припоем ПОС61, обеспечивают σ_ср = 30...50 МПа. После годичных испытаний в 3 %-ном растворе поваренной соли прочность соединений снижается лишь на 15...18 %.

Коррозионная стойкость соединений, выполненных по медному покрытию, особенно в коррозионно-активных средах, гораздо ниже, чем, по никельфосфорному покрытию; коррозионная стойкость повышается при пайке по цинковым покрытиям и, в частности, по слою цинкового сплава, содержащего 5 % Аl. Слой нанесен на поверхность алюминия методом горячего плакирования. Пайку по цинковому покрытию рекомендуется вести припоем типа ПОСК51 с удалением оксидных пленок механическим способом или с помощью флюса на основе эвтектики NaOH-KOH, вводимой в количестве до 20 % в глицерин.

Бесфлюсовую высокотемпературную пайку алюминия можно осуществить в вакууме, в газовых средах без применения защитных покрытий (контактно-реактивным методом). В качестве припоя применяют кремний, медь или серебро, которые наносят на алюминий гальванически, термовакуумным напылением или методом горячего плакирования. Высокое качество паяного соединения получают при пайке в вакууме 10^-3 Па и толщине покрытия 10...12 мкм. Пайку алюминия припоями типа силумин осуществляют в специальных газовыхсредах: смесях аргона с парами магния. Такая атмосфера способна при 550...580 °С восстанавливать оксид алюминия и обеспечивать смачивание паяемой поверхности припоями типа силумин. При пайке алюминиевых сплавов в атмосфере паров магния последний переходит из газообразной фазы в расплав. Предел прочности на срез соединений сплава АМг6, выполненных этим способом, 352...358 МПа, а для сплава АМц - 115...125 МПа. Коррозионная стойкость получаемых соединений намного выше, чем при флюсовой пайке.

Пайку в защитной атмосфере можно осуществить при использовании самофлюсующих припоев [например, составов (в %): 3 - 15 Si; 0,4 - 1,0 Mg; Аl - остальное, или 7,5-13 Si; 0,3 Сu; 0,1 Mg; 4,5 Р; 0,1 - 3,0 металлов из группы Ni и Со; 0,2 Zn; 0,5 Mn; Аl -остальное]. Пайку этими припоями следует производить в среде аргона, гелия или в вакууме.

Бесфлюсовую пайку алюминия припоями типа 34А, силумин (ПСр 5АКЦ) можно производить по предварительно луженой поверхности припоем П200А. Лужение производят механическим способом; толщина слоя 0,03...0,05 мм на сторону. Нагрев под пайку рекомендуется производить в печи в потоке аргона или на воздухе индукционным способом.

Прогрессивные способы пайки в вакууме и инертных средах значительно вытеснили пайку с применением флюсов. Пайку в вакууме осуществляют в специальных печах при разрежении 1 * 10^-3 Па (в этом случае в камере пайки содержится 3 * 10^-7 г/м³ кислорода и 2 * 10^-8 г/м³ паров воды). В процессе нагрева с изделия и с внутренней поверхности печи происходит десорбция паров воды и кислорода, что значительно ухудшает состав среды. Для улучшения состава атмосферы применяют распыляемый геттер - магний. При пайке в вакууме с распыляемым геттером получают высококачественные паяные соединения. Недостатком этих печей и способа является сложность удаления после пайки магния, конденсирующегося на стенках печного пространства, нагревателях и теплоотражающих экранах, а также длительность цикла нагрева изделия.

Альтернативой способу пайки в вакуумных печах, имеющих внутри камеры экраны и нагреватели, является пайка в аргоне в печах с аэродинамическим подогревом. Внутри рабочей камеры этих печей нет традиционных экранов и нагревателей, а нагрев в них осуществляют вращающиеся колеса с лопатками, и он происходит за счет диссипации энергии газа при его вихреобразовании на лопатках специального профиля. Примером использования такого способа нагрева является агрегат, созданный в ОАО «Криогенмаш» для бесфлюсовой пайки алюминиевых изделий в аргоне. Агрегат состоит из термобарокамеры со встроенными аэродинамическими нагревателями (АДН), систем очистки аргона и подачи его в камеру, вакуумирования, контроля и управления процессом пайки и средств загрузки и выгрузки изделия. Рабочая камера агрегата объемом 40 м³ представляет собой гладкий стальной толстостенный цилиндр, внутри которой нет экранов, поэтому она легка и доступна для очистки от конденсирующихся компонентов. Перед напуском каталитически очищенного аргона камера вакуумируется до разрежения 10^-3 Па; нагрев камеры до температуры 635 °С с градиентом по газу 3...5 °С осуществляется тремя встроенными АДН общей мощностью 450 кВт. Аэродинамические колеса, вращающиеся с переменной частотой (500, 1000, 1500 об/мин), позволяют регулировать интенсивность нагрева. Теплоотдача от газа к изделию осуществляется путем интенсивной конвекции сильно турбулизированного потока газа, а также теплопроводности по элементам конструкции. По сравнению с вакуумной пайкой, при сопоставимых габаритах и показателях качества изделий, пайка в среде аргона за счет сокращения термического цикла (интенсивный нагрев в газе и выгрузка изделия при 400 °С) является более производительной (на 20 %), менее энергоемкой (на 30 %), а конструкция камеры пайки, не содержащей экранов, облегчает очистку камеры от сконденсированного магния.

Качество паяных соединений из алюминиевых сплавов зависит как от выбора эффективного способа предварительной подготовки поверхностей деталей к пайке, включающего удаление жировых загрязнений и «старых» оксидных пленок, так и от состава газовой среды, в которой производится пайка. Для подготовки поверхностей деталей к пайке распространение получили в основном два способа: травление в щелочных растворах и в растворах кислот. Однако эти способы подготовки поверхности нельзя отнести к экологически чистым. Между тем в настоящее время созданы универсальные кислотные и щелочные очищающие средства, представляющие собой водорастворимые, нетоксичные, взрывопожаробезопасные, полностью биоразлагаемые жидкости широкого спектра применения, в составе которых присутствуют поверхностно-активные вещества и компоненты, способные удалять с поверхностей алюминиевых сплавов жировые загрязнения и оксидные пленки. Такие средства в виде концентратов производит, например, российская компания «ЕСТОС». Продукция компании сертифицирована, по гигиеническим показателям допущена к производству на территории России в качестве очищающих средств, в промышленности и в быту.

Активность растворов очистителей на основе ортофосфорной кислоты, например ЕС-очиститель фасадов ФФ (ЕС - ФФ), начинается с 10 %-ной концентрации. В отличие от широко распространенных кислотных и щелочных способов подготовки поверхностей деталей обработка в растворе ЕС - ФФ производится при значительно меньшей потере металла (7,0 мкм/мин в NaOH и 0,09 мкм/мин в очистителе ЕС - ФФ). Раствор ЕС - ФФ сохраняет высокую активность после обработки не менее 1,0 м² на 1 л раствора без корректировки состава.

При пайке в вакуумных печах с разрежением в камере пайки 1 * 10^-3 Па газовая среда содержит 3 * 10^-7 г/м³ кислорода и 2 * 10^-8 г/м³ паров воды. При пайке в аргоне содержание паров воды и кислорода на 2-3 порядка выше, что неблагоприятно для пайки Аl-сплавов. Так, в аргоне высшего сорта по ГОСТ 10157-79 содержится 7 * 10^-4 г/м³ кислорода. При пайке алюминиевых сплавов припоями типа силумин в таком непроточном аргоне качественных соединений не образуется. Это еще связано и с непрерывным ухудшением атмосферы в процессе пайки за счет термической дегазации паров воды и кислорода с поверхностей изделия, камеры и приспособления. Улучшить состав газовой среды в данном случае можно за счет предварительного и промежуточного вакуумирования камеры до 1 * 10^-3 Па, подогрева изделия с приспособлением, дополнительной осушки аргона от паров воды и кислорода и применения нераспыляемого геттера - пористого титана. Например, в процессе пайки в аргоне высокой чистоты (ТУ 6-21-1279) при использовании названных приемов среда для пайки улучшается на порядок и содержит 6 * 10^-4 г/м³ кислорода и 1 * 10^-4 г/м³ паров воды. Однако в аргоне при пайке сплава АМц эвтектическим силумином даже в такой среде не удается получить стабильное качество соединения. Условия пайки существенно улучшаются, если в паяемом металле или припое содержится магний в количестве не более 1 %. При нагреве в атмосфере аргона алюминиевых сплавов, легированных магнием, магний практически не испаряется, а диффундирует к поверхности детали и способствует разрушению оксидной пленки и улучшению растекания припоя.

В результате технологический процесс, включающий каталитическую очистку аргона, двукратное вакуумирование камеры, использование нераспыляемого геттера, ампулирование изделия и подготовку паяемых поверхностей экологически чистыми растворами, реализован при пайке крупногабаритных пластинчато-ребристых теплообменников (ПРТ) длиной 3000 мм и сечением 850 х 1100 мм. Пайка производится при температуре 605 ± 5 °С. Общее время цикла составляет 22 ч.

Конструктивно ПРТ представляет собой паяный пакет из проставочных листов толщиной 1...1,5 мм и гофрированной насадки, выполненной из ленты толщиной 0,2...0,7 мм. Припоем служит эвтектический (11,7 % Si) или близкий к эвтектическому силумин, которым с обеих сторон на толщину 80...120 мкм плакирован проставочный лист. Количество припоя, наносимого на паяемые поверхности, должно быть расчетным, поскольку при недостаточной толщине плакированного слоя снижаются качество и прочность соединений, а при избыточной возможно растворение тонкостенных элементов.

При пайке крупногабаритных конструкций ПРТ применение сплавов, содержащих магний, для тонкостенной насадки (0,15...0,3 мм) недопустимо, так как проникновение припоя по границам зерен приводит к полной потере ее устойчивости. Поэтому насадку изготавливают из сплава АМц, в качестве материала для брусков используют сплав АД31, содержащий магний, а для проставочных листов применяют сплав АМц, плакированный эвтектическим силумином.

Известны способы низкотемпературной пайки без применения флюсов, такие, как абразивная пайка или пайка трением. При этом способе пайки оксидную пленку с поверхности алюминия можно удалить шабером, металлическими щетками, частицами абразива; помогают удалению оксида и первичные твердо-жидкие кристаллы, находящиеся в расплаве припоя. Для лужения алюминия применяют также абразивные паяльники, у которых рабочая часть представляет собой стержень из частиц припоя и абразива.

Операция пайки осуществляется уже после абразивного лужения обеспечением плотного контакта по луженым поверхностям при температуре полного расплавления припоя; возможна подпитка шва припоем. Ультразвуковое лужение можно производить с помощью ультразвуковых паяльников и в ультразвуковых ваннах. В связи с тем что при ультразвуковом лужении отмечается сильная эрозия основного металла, лужению этим способом нельзя подвергать изделия с толщиной стенок менее 0,5 мм. Применим также способ абразивно-кавитационного лужения. При этом способе твердые частицы, находящиеся в жидком припое, в ультразвуковом поле оказывают дополнительное абразивное воздействие на металл. При пайке алюминия припоями-пастами на основе галлия в качестве наполнителя паст служат алюминий и сплав алюминия с магнием. Температура пайки 200 ... 225 °С, время выдержки 4...6 ч; σ_в = 30...50 МПа. При пайке луженой поверхности чистым галлием с последующей термической обработкой σ_в = 28...38 МПа. Паяные швы выдерживают ударные, вибрационные и термоциклические нагрузки, обеспечивают вакуумную плотность не ниже 1 Па и имеют удовлетворительную коррозионную стойкость. Применяют пайку алюминия цинковыми припоями по серебряному покрытию, нанесенному на поверхности пайки предпочтительно термовакуумным напылением с последующей термической обработкой.

Разработан ряд технологических процессов, обеспечивающих надежное соединение алюминия с медью и ее сплавами, со сталью, никелевыми и другими сплавами. Основные трудности при осуществлении процесса пайки алюминия с указанными материалами заключаются в следующем: в выборе флюса или газовой среды, обеспечивающей удаление оксидов с поверхностей столь разнородных материалов; в образовании хрупких соединений из-за возникновения интерметаллидов в зоне шва; в наличии большой разности ТКЛР алюминия и перечисленных материалов. Первые две задачи успешно решаются предварительным нанесением на поверхности соединяемых материалов защитных металлических покрытий. Пайку алюминия с медью можно осуществить по никелевому покрытию, нанесенному на алюминий химическим способом. Пайку производят в водороде припоем состава (в %): 49 Ag, 20 Сu, 31 In; температура пайки близка к температуре плавления алюминия. Пайка алюминия с медью и ее сплавами может быть также осуществлена нанесением защитных покрытий типа цинка, серебра и их сплавов на поверхность меди. При этом используют припои на основе олова, кадмия, цинка. Через серебряное покрытие на меди может быть осуществлена контактно-реактивная пайка с образованием в паяном шве хрупкой эвтектики Al-Ag-Cu. Такие паяные соединения могут быть использованы только в ненагруженных конструкциях.

Соединение алюминия со сталью, в том числе и с коррозионно-стойкой, облегчается при предварительном лужении поверхности стальной детали легкоплавкими оловянисто-свинцовыми припоями, алюминием и алюминиевыми припоями с применением активных флюсов на основе хлористых и фтористых солей. При пайке алюминия со сталью очень важно строго ограничивать режим из-за опасности образования хрупких интерметаллидов в паяных швах (время выдержки не должно превышать 1...4 мин, температура пайки - заданного предела).

Пайка алюминия с титаном возможна только по слою алюминия или олова, нанесенному на поверхность титана путем горячего лужения.

См. также:

• Пайка алюминия в домашних условиях