Способы пайки алюминия

Пайку алюминия можно осуществлять практически всеми известными способами, но не все они пригодны в условиях серийного и массового производства.

Низкотемпературная пайка применяется для алюминия и его сплавов достаточно широко. Полученные соединения, как правило, имеют невысокие прочностные характеристики. Такую пайку проводят обычно оловянно-цинковыми, кадмиево-цинковыми и цинковыми припоями.

Соединения из алюминия и его сплавов, паяные легкоплавкими припоями на основе олова или олова со свинцом, имеют низкую коррозионную стойкость. Для снижения склонности к коррозии в легкоплавкие припои вводят цинк. Однако, соединения, паяные цинковыми припоями с повышенным содержанием примесей олова, свинца, сурьмы, кадмия склонны к развитию в паяных швах межкристаллитной коррозии. Кроме того, цинковые припои склонны к межзеренной и общей химической эрозии паяемых алюминиевых сплавов. Для устранения негативных явлений в состав таких припоев дополнительно вводят в небольших количествах алюминий, хром, галлий и т.п.

Для получения ответственных высокопрочных соединений наиболее широко применяется высокотемпературная пайка алюминия. Для этой цели применяют главным образом готовые припои на основе алюминия Al-Si, Al-Zn, Al-Cu-Si, Al-Mg-Si, а также контактно-реактивные флюсы.

Трудности, связанные с пайкой некоторых алюминиевых сплавов и удалением оксидной пленки, могу быть устранены предварительным нанесением на контактные поверхности металлических покрытий, обеспечивающих пайку труднопаяемых алюминиевых сплавов. Эти покрытия предотвращают межкристаллитное проникновение припоя в основной металл, возникновение высокого электродного потенциала припоя в паре с основным металлом или образование химических соединений. В качестве покрытий, обеспечивающих надежное смачивание и устранение указанных явлений, используют чистые металлы (Sn, Zn, Al, Cu, Ni, Ag и др.) и припои. В этом случае механическая прочность паяемого соединения лимитируется прочностью сцепления основного металла с металлом покрытия.

Предварительное нанесение металлических покрытий осуществляют лужением (абразивным или ультразвуковым), плакированием, напылением или гальваническим методом. Широко применяют алюминий, плакированный силуминовыми сплавами (АПС, АМцПС).

Флюсовая пайка.

Флюсовая высокотемпературная пайка алюминия и его сплавов готовым припоем может быть выполнена с локальным нагревом в пламени паяльных ламп, горелок, токами высокой частоты и общим нагревом в печах и погружением в флюсовые ванны.

Для пайки с локальным нагревом, как правило, используют флюсы типа 34А (NaF – 9…11%, ZnCl₂ – 8…12%, LiCl – 29…30%, KCl – 54…56%).

Для пайки алюминия с общим нагревом используют печи с воздушной и защитной атмосферой. Пайка осуществляется путем нагрева деталей с заранее нанесенными на них припоем и флюсом.

При пайке в воздушных печах чаще всего используют флюсы Ф5 (KCl– 44-46%, LiCl– 37-39%, NaF– 9-11%, SnCl₂– 3%, CdCl₂– 4%), температура пайки – выше 500°С, Ф124 (KCl– 41,2%, LiCl– 22,8%, NaF– 6,1%, NaCl–21,9%, ZnCl– 8%), 34А, ТПИ-3. Флюсы можно наносить в виде спиртовой пасты, а последние два погружением в водный раствор флюса.

Более эффективен метод флюсовой печной пайки алюминиевых изделий в контролируемой атмосфере, состоящей из полностью обезвоженного «сухого» воздуха или очищенного инертного газа, что позволяет уменьшить количество используемого флюса в 6-10 раз.

Наиболее отработанным способом на сегодняшний день является процесс пайки алюминиевых изделий в соляных ваннах. При пайке в соляных ваннах припой чаще всего наносят в виде плакирующего слоя на поверхности паяемых деталей. При пайке теплообменников хорошо себя зарекомендовал флюс состава, %: NaCl – 18…22, KCl – 33…37, LiCl – 9…11, KF, CaCl2 – 23…27, температура пайки 600-610°С, припой – эвтектический силумин.

Основным недостатком всех способов флюсовой пайки является высокая коррозионная активность применяемых флюсов, что требует их тщательного удаления с поверхности изделия после пайки.

На сегодняшний день наиболее перспективным направлением развития флюсовой пайки является использование сложных флюсов на основе алюмокалиевых фтористых солей KAlF₄ – K₃AlF₆. Температура плавления таких флюсов находится в интервале 835–875 К и ниже. В расплавленном состоянии они активны, а в твердом состоянии остатки негигроскопичны, малорастворимы в воде, коррозионнонеактивны, что позволяет исключить операцию отмывки флюса из технологического процесса.

Кроме того, в настоящее время происходит активная замена флюсовой пайки на более экологически чистую бесфлюсовую пайку.

Бесфлюсовая пайка.

Низкотемпературная бесфлюсовая пайки алюминия и его сплавов основана механическом удалении оксидной пленки с поверхности изделия. Основными способами низкотемпературной бесфлюсовой пайки являются абразивная, ультразвуковая и абразивно-кавитационная пайка.

Пайка алюминия без применения флюсов возможна при нагреве паяемого металла в безокислительной среде (вакуум, инертные газы), что позволяет сохранить малую толщину слоя окисла, возникшего после предварительного травления, и способность к нарушению его сплошности при нагреве.

В случае использования защитных газов (азот, аргон, гелий и др.) бесфлюсовая пайка возможна при точке росы не выше –60°С и содержании кислорода не более 0,002 %. В этом случае в припои системы Al-Si (в виде плакировки) рекомендуется вводить в микроколичествах специальные присадки, например Li, Ca, Mg, Bi, Sb, Ba и др. Эти поверхостно-активные элементы снижают поверхностное натяжение некоторых припоев на основе алюминия, уменьшает его вязкость, улучшает смачиваемость и затекание припоя в зазор, обеспечивая проведение бесфлюсовой пайки в атмосфере аргона чистотой 99,95%. Известна технология пайки крупногабаритных теплообменников в среде аргона, при которой нагрев собранной под пайку конструкции производится в камере потоком циркулирующего газа. В процессе нагрева производится дополнительная очистка газа с помощью нераспыляемого геттера.

Недостатки технологии пайки в среде инертных газов – использование оборудования для их осушки и дополнительные затраты на газ.

Более широко применяется технология высокотемпературной пайки в вакууме. Первоначально пайку проводили в условиях высокого вакуума (10^-3–10^-4 Па) при одновременном приложении определенного усилия осадки в месте контакта. Обеспечение минимального зазора и приложение сжимающего усилия в месте контакта паяемых деталей является необходимым условием для качественного формирования паяного соединения при вакуумной пайке. Современная технология предусматривает использование высокого вакуума с остаточным давлением 10^-2 – 10^-3 Па и введение паров магния в рабочий объем камеры.

Положительное влияние магния на паяемость алюминия была обнаружена К. Дж. Миллером в начале 60-х годов. Существует два мнения по поводу действия магния:

– роль магния сводится главным образом к очистке вакуумированного пространства печи (2MgO + O₂ = 2MgO и Mg + H₂O = MgO + H₂) и частичному восстановлению алюминия из окисной пленки (Al₂O₃ + 3Mg = 3MgO + 2Al);

– известно, что в системе Al-Si-Mg образуются две эвтектики: богатая кремнием с температурой плавления 550°С и богатая магнием с температурой плавления 450°С. Возможность ведения процесса пайки алюминия силумином в парах магния при 560°С доказывает наличие при этом контактного твердо-газового плавления.

Магний наиболее часто вводят в зону пайки в компактных заготовок, или путем использования плакированных алюминиевых листов, содержащих 0,2-2,0% Mg.

При бесфлюсовой вакуумной пайке алюминия повышается коррозионная стойкость изделий, снижается себестоимость производства и расширяются возможности изготовления паяных конструкций сложной формы, имеющих замкнутые каналы, которые довольно трудно очистить при флюсовой пайке.

Повысить производительность вакуумной пайки можно применением многокамерных проходных печей непрерывного действия. Такие печи могут иметь от трех до семи камер: для подсушивания изделия, создания вакуума, предварительного нагрева, пайки, напуска инертного газа и охлаждения.

Кроме этого повысить производительность процесса можно путем перехода на более низкий вакуум. Величина остаточного давления при вакуумной пайке характеризует количество остаточного кислорода и влаги. Поэтому при увеличении остаточного давления для сохранения низких значений парциальных давлений кислорода (Ро₂) и воды (Рн₂о) необходимо использовать геттеры, активно поглощающие О₂ и H₂O при температуре пайки. Применение только паров магния в условиях форвакуума не дает положительного эффекта из-за окисления источников паров, вследствие чего процесс испарения нарушается и может прекратиться. В качестве неиспаряющегося геттера могут применяться титан или цирконий. Например, разработана технология пайки высокоактивных металлов, при которой пайка ведется в специальном вспомогательном контейнере с затвором, уплотняемым неиспаряющимся геттером – измельченной титановой губкой, которая при температурах 500-550°С начинает активно поглощать в основном кислород, частично азот и другие газы, снижая парциальное давление О₂ и H₂O и создавая внутри контейнера безокислительную атмосферу, обеспечивающую качественную пайку Al-сплавов и Ti-сплавов при Р_ост ≈0,1-10 Па.