Пайка алюминиевых сплавов

Алюминий сочетает весьма ценный комплекс свойств: малую плотность, высокие теплопроводность и электрическую проводимость, высокую пластичность и высокую коррозионную стойкость. Он легко поддается ковке, штамповке, прокатке, волочению.

Обладая большим сродством к кислороду, алюминий на воздухе покрывается тонкой, но очень прочной плёнкой оксида алюминия Al₂O₃, защищающей металл от дальнейшего окисления и обусловливающей его высокие антикоррозионные свойства. Прочность окисной плёнки и защитное действие её сильно убывают в присутствии примесей ртути, натрия, магния, меди и др.

Трудности пайки алюминиевых сплавов связаны прежде всего с физико-химическими свойствами алюминия и высокой стойкостью его оксида. Пайка алюминия имеет следующие особенности­­­­:

- поверхность алюминия всегда покрыта тугоплавким (Т_пл=2045°С), химически и термически стойким оксидом, который препятствует контакту расплавленного жидкого припоя с поверхностью алюминия;

- алюминий имеет сравнительно низкий отрицательный электродный потенциал, что снижает коррозионную стойкость паяного соединения при воздействии окружающей среды;

- склонность алюминия и его сплавов к нежелательным металлургическим взаимодействиям при повышенных температурах (оплавление границ зерен, значительная химическая эрозия в расплавах припоев, образование хрупких интерметаллидов и т.д.);

- алюминий обладает высокой теплоемкостью – теплоемкость алюминия в интервале температур 0-300°С составляет 0,953 кДж/кг×°С, т. е. в 2,5 раза выше теплоемкости меди в этом интервале температур, поэтому при пайке изделий из алюминия требуются достаточно мощные источники теплоты для нагрева изделий, что приводит к образованию широкой зоны разогрева и значительным деформациям паяемых изделий;

- алюминий и его сплавы имеют большой относительный коэффициент линейного расширения, который в интервале температур 20-400°С равен 26,5×10^-6°С^-1 (для железа 13,9×10^-6°С^-1 ), это вызывает значительную деформации изделия при нагреве под пайку и накладывает дополнительные трудности при получении точных размеров, так как оснастку для пайки алюминиевых сплавов обычно выполняют из коррозионно-стойких аустенитных сталей или нихромовых сплавов, коэффициент линейного расширения которых существенно отличается от коэффициента линейного расширения алюминиевых сплавов;

- флюсы, применяемые при пайке алюминия и его сплавов, в большинстве своем вызывают активную коррозию паяемых материалов, поэтому остатки их должны быть тщательно удалены после пайки;

- многие припои, обеспечивающие высокую механическую прочность паяных соединений из алюминиевых сплавов и коррозионную стойкость, являются сплавами на основе алюминия, поэтому в отличие от пайки большинства других металлов разность между температурой пайки и температурой, при которой паяемый металл может разрушаться под действием собственного веса, сравнительно мала. Так, пайку эвтектическим силумином ведут при температуре 610°С, а температура начала плавления наиболее широко применяемых для пайки сплавов АМц и АМг составляет 640°С и 630°С соответственно, это накладывает жесткие требования к соблюдению температурного режима при пайке и технологическому процессу.

Основная трудность при пайке алюминия связана с наличием на его поверхности тонкой, самовосстанавливающейся пленки из тугоплавкого и химически инертного оксида, которая препятствует контакту расплавленного припоя с поверхностью паяемого металла.

Алюминий имеет высокое сродство к кислороду. Протекающая поверхностная реакция окисления фактически прекращается через 1 час, в результате образуется пленка окисла толщиной 2,5-5,0 нм, а в присутствии влаги она может составлять до 10 нм. Дальнейшее окисление алюминия тормозится, так как образовавшаяся пленка надежно изолирует металл от кислорода.

Температура плавления α-Al₂O₃ составляет 2045°С, температура кипения равна 2980°С. Давление паров α-Al₂O₃ при температуре его плавления равно 45,5∙10 Па; давление диссоциации α-Al₂O₃ при температуре 2000°С – 1.33∙10^-3 Па, т. е. оксид Al₂O₃ практически не восстанавливается в используемых для этой цели газообразных средах и не испаряется при пайке.

Наличие окисной пленки на поверхности алюминия и его сплавов препятствует взаимодействию с ней расплавленного припоя и приводит к возникновению непропаев, окисных и газовых включений, что мешает получению качественных паяных соединений.

Другим затруднением при пайке алюминия и его сплавов является отрицательный электродный потенциал алюминия по отношению к большинству других металлов, что ограничивает выбор состава припоя для обеспечения коррозионной стойкости паяной конструкции.

Для повышения коррозионной стойкости в состав припоев вводят Zn. По мнению Дж.Д. Дауда положительное влияние Zn обусловлено улучшением соотношения потенциалов паяемого металла и шва. Однако при этом важную роль играют процессы пассивирования, т.е. образования оксидной пленки на контактирующих поверхностях металлов, тормозящие развитие коррозии.

Следующей трудностью при пайке алюминия является его склонность к нежелательным металлургическим взаимодействиям при повышенных температурах (оплавление границ зерен, значительная химическая эрозия в расплавах припоев, образование хрупких интерметаллидов и т. д.), поскольку с большинством легкоплавких элементов, составляющих основу легкоплавких припоев (Sn, Pb, Cd, Bi, In, Li, Na), он образует монотектические диаграммы состояния, с весьма слабой взаимной растворимостью компонентов (кроме цинка, образующего с алюминием эвтектику при температуре 382°С и широкую область твердых растворов со стороны алюминия и олова). Поэтому низкотемпературная пайка алюминия и его сплавов применяется весьма ограниченно.

Все перечисленные выше особенности обуславливают жесткие ограничения на выбор технологии пайки (выбор состава и способа введения припоя в паяемые зазоры, способы нагрева и активации паяемых поверхностей).

Постоянно присутствующая на поверхности алюминия и его сплавов прочная пленка оксида алюминия должна быть удалена непосредственно перед пайкой. Кроме того, на поверхностях соединяемых алюминиевых деталей, подлежащих пайке, всегда имеются частицы и вещества, оставшиеся после обработки давлением или резанием (стружка, технологические жидкости), а также пыль и грязь, осевшие при транспортировке и хранении.

Подготовка поверхностей соединяемых деталей имеет важное значение, поскольку от этого зависит результат всего процесса пайки.

Очистка должна быть проведена непосредственно перед сборкой и пайкой, поскольку на поверхности алюминия мгновенно образуется пленка его оксида в виде слоя толщиной < 0,5 нм. Поэтому, помимо предварительной подготовки, требуется разрушение Al₂O₃ в течение самого цикла пайки.

Загрязнения и жир удаляют обезжириванием паром и (или) с применением любого растворителя. Толстые слои окислов обычно удаляют механическим или химическим способом.

Механический способ наиболее простой, позволяет надежно удалить окислы различной толщины, особенно с контактных поверхностей небольшой площади и при ремонтных работах. Механическую очистку поверхности алюминиевых деталей и припоя проводят металлической щеткой или шлифовальной шкуркой, а также ультразвуком под слоем расплавленного припоя.

Химические способы применяют в тех случаях, когда нужно очистить от окислов большое количество деталей или когда форма и конфигурация очищаемых деталей исключают возможность применения механических средств. Химическая очистка (травление) сравнительно недорога, быстра и надежна.

Для травления алюминия его сплавов используют и щелочи, и кислоты. Щелочи более активны, поэтому их чаще применяют для удаления окислов. Однако при их использовании на поверхности материала остается шлам, образованный компонентами сплава, не взаимодействующими с травильным раствором. Поэтому для его удаления металл погружают в кислоту – эта операция называется осветление.

Очищенные детали следует подвергать пайке не позднее чем через 12 часов после обработки поверхности.

Основным недостатком химических способов очистки поверхности с использованием щелочей и кислот является низкая экологичность этого процесса. В настоящее время ведутся активные исследованиях области разработки новых, экологически чистых составов для удаления с поверхности алюминия оксидной пленки.

Припои

Припои, применяемые для пайки алюминия и его сплавов, можно разделить на три группы.

1. Легкоплавкие припои на основе олова, свинца, кадмия с температурой плавления ниже 300°С. Эти припои обладают низкой прочностью и образуют соединения с низкой коррозионной стойкостью, требующие специальных защитных покрытий от коррозии. Перед пайкой необходимо предварительное облуживание соединяемых поверхностей. Пайку в основном производит вручную электропаяльником или в ультразвуковых ваннах с расплавленным припоем.

2. Припои на основе цинка, обладающие достаточно высокой прочностью и являющиеся относительно коррозионностойкими, с температурой плавления в интервале 300-450° С. Пайка ими может применяться для любых алюминиевых сплавов. Способы пайки: абразивная, ультразвуковая, флюсовая с нагревом горелкой, в печах. Области применения: исправление брака алюминиевого литья, электромонтажные соединения, пайка листового алюминия, в том числе с другими металлами (оцинкованной сталью, медью).

К недостаткам данных припоев относится низкая пластичность, что обуславливает их применение в виде прутов, паст, расплавов для пайки окунанием, а также плохая способность к растеканию и затеканию в зазор, склонность к эрозии паяемого металла.

3. Припои на основе алюминия, обеспечивающие высокую прочность паяных соединений и высокую коррозионную стойкость, с температурой плавления в интервале 450-630°С.