Бессвинцовая пайка что это

Все о бессвинцовых припоях

Бессвинцовый припой — безопасная для экологии альтернатива материалам и сплавам, содержащим тяжелые металлы. Их введение обусловлено необходимостью снизить использование таких веществ в промышленности и бытовом потреблении, а также тем, что многие высокоточные электронные компоненты нельзя подвергать интенсивному нагреву. О том, какой может быть температура плавления припоя без свинца, о его марках, особенностях выбора и использования стоит поговорить более подробно.

Общая информация

Бессвинцовый припой — разновидность составов для пайки – считается наиболее экологичным вариантом при соединении металлов. В его составе отсутствуют опасные соединения и тяжелые металлы. С 2006 года припои без свинца являются обязательным требованием к производству электроники в странах ЕС и США. Бессвинцовыми не считаются составы с содержанием кадмия, ртути, 6-валентного хрома.

Температура плавления — одно из основных отличий таких составов. В случае со свинецсодержащими припоями температурный диапазон, оптимальный для их нагрева, составляет от +180 до +230 градусов по Цельсию. Это позволяет использовать паяльники без строгого контроля за термическими характеристиками прибора. Составы бессвинцовой группы не столь однородны. Некоторые припои имеют температуру плавления ниже +180 градусов, но основная масса требует нагрева до +200… 250 градусов Цельсия.

В качестве веществ, замещающих свинец, используют редкоземельные и благородные металлы. В ход идет золото, серебро, медь, реже висмут и индий. Бессвинцовыми являются и медно-цинковые составы, но они имеют более высокую температуру плавления — свыше +300 градусов, в бытовом применении неактуальны.

Из-за более слабой смачиваемости не содержащие свинец припои требуют более тщательного нанесения и подбора флюса. Созданный с их помощью шов также выдерживает меньшие механические нагрузки, чем при пайке оловянно-свинцовыми составами.

Обзор видов

Базовыми считаются всего 4 группы бессвинцовых припоев.

• Оловянные (обозначаются Sn). Они имеют светлый цвет, хорошую электропроводность. Температура плавления составляет +232 градуса по Цельсию.

• Оловянно-медные. Они на 99% состоят из олова, примесь меди не превышает 0,7%. Этот припой применяется для пайки волной в случае сквозного крепления компонентов на печатных платах. В России этой маркировке соответствует ПОМ-07 от «Завода припоев», за рубежом продукт производит японская Asahi, американская компания Tamington. Состав с 3% содержанием меди используется при пайке труб, в том числе в системах питьевого водоснабжения.

• Оловянно-серебряные. Эта группа бессвинцовых припоев обладает повышенными адгезионными свойствами, лучшей текучестью, имеет температуру плавления +221 градус. Процентное соотношение материалов варьируется от 97/3 до 95/5%. Прочность оловянно-серебряных припоев выше, чем у свинцовой группы.

• Мультикомпонентные. Припои, в составе которых присутствует более 2-х металлов, относятся к этой категории. Чаще всего это сплав из олова, серебра и меди с температурой плавления +217 градусов. Оптимальной считается пропорция составляющих 95,5/3,8/0,7%. Такие припои классифицируются как электротехнические, наиболее широко они представлены в радиоэлектронной отрасли. Иногда в состав добавляется сурьма для повышения надежности соединения.

В микроэлектронике также могут применяться сплавы из 52% олова и 48% индия, оловянно-цинковые с пропорцией 91/9%.

Встречаются припои с добавлением серебра и висмута. Они имеют низкую температуру плавления, что несколько ограничивает сферу применения такой продукции. При этом по показателям спаиваемости данный сплав один из лучших.

Популярные марки

Сегодня на рынке представлены десятки марок припоев, не имеющих в своем составе свинца или компонентов на его основе. Среди лидеров индустрии можно выделить нескольких производителей.

• ELSOLD. Европейская компания, успешно работающая более 50 лет. Продукция поставляется потребителям с сопроводительным химическим анализом партии, ориентирована на производство электроники и другой высокоточной техники. Бессвинцовые припои марки сертифицированы для РФ и стран ЕС, используются в космической отрасли, имеют специальную маркировку.

• Asahi. Японский бренд, один из крупнейших на рынке. Предлагает довольно ограниченный выбор продукции. Доверием покупателей пользуется состав SCS7, а также Sn-Cu0.7, легированный медью. Именно продукция Asahi считается эталонной, высоко ценится профессионалами и любителями.

• Alpha Metals. Фирма выпускает популярный бессвинцовый припой Alloy H с температурой плавления +212 градусов. В его составе олово, висмут, медь и серебро. Не подходит припой для пайки сплавов с индием и свинцом. При соблюдении определенных условий может применяться для нанесения методом волны.

• AT&T. Производитель, выпускающий припой Tin-Zinc Indium с 81% олова и 19% цинка в составе. Его отличает низкая температура плавления — всего +178 градусов. Не подходит для спаивания проводов и других компонентов со свинцом в составе.

• ЗАО «Завод припоев». Новосибирское предприятие располагает собственной научно-исследовательской базой, уделяет большое внимание совершенствованию производственных процессов. Среди продукции компании можно выделить припои ПОВи 0,5, ПОМ 0,7, ПОСу 95-5, ПСрО 3-97. Все представленные составы соответствуют актуальным требованиям ГОСТ.

Это основные марки, завоевавшие популярность. Большую часть составов в бюджетных ценовых категориях представляют оловянно-медные сплавы — недорогие и вполне эффективные при правильном применении.

Правила выбора

Подобрать подходящий бессвинцовый припой можно, если учитывать свойства, тип и назначение соединяемых материалов. Некоторые из составов категорически исключают любой контакт со свинцом. Другие допускают соединение с ним. Для нанесения методом наплыва чаще других применяются оловянно-медные составы. Они довольно текучие, имеют подходящую температуру плавления.

Важно понимать, что замена свинцово-оловянного припоя не всегда целесообразна. К примеру, если речь идет об электронных компонентах, имеющих определенные ограничения по термическому воздействию, придется подбирать припой, который будет это учитывать. При этом большинство припоев на основе серебра требует значительного нагрева свыше +220 градусов по Цельсию.

Особенности использования

Процесс пайки с применением бессвинцовых припоев не слишком отличается от работы с составами, в которых этот тяжелый металл присутствует. Сначала поверхность соединяемых деталей освобождается от окислов и загрязнений. Подготовленные таким образом провода или другие объекты пайки покрываются расплавленным припоем, соединяются до полного остывания. Температура плавления большинства бессвинцовых составов ниже, чем у оловянно-свинцовых — при работе важное значение имеет контроль за этими показателями.

Именно поэтому рекомендуется использовать паяльники и станции с терморегуляторами.

А также при выборе жала лучше отдать предпочтение не медному, а никелевому или нихромовому варианту. Выбор флюса тоже имеет значение. Чаще всего в этом качестве выступают жидкие химикаты, а также гели и пасты, не требующие удаления с поверхности детали.

Фактически чем меньше окислов будет скапливаться на жале, тем легче будет идти работа. Соответственно, при использовании бессвинцовых припоев нужно регулярно очищать наконечник инструмента от нагара, следить, чтобы он всегда был покрыт слоем полуды, не подвергался окислению. Нелишним будет приобрести специальные расходные материалы. Обычные жала не рассчитаны на постоянное высокотемпературное воздействие. Специальные – легко переносят его без сокращения сроков службы.

Более детальную информацию о бессвинцовых припоях смотрите в следующем видео.

Секреты бессвинцовой пайки

1. Евросоюз принял директиву 2002/95/ЕС RoHS (Restriction of Hazardous Substances – запрет вредных веществ). Согласно этому документу, с 1 июля 2006 года начинают действовать ограничения на использование в промышленной электронной продукции и в новой электронной технике некоторых химических материалов, опасных для здоровья и окружающей среды. Среди прочих, действие директивы распространяется и на соединения свинца. Таким образом, запрещается использование свинцовосодержащих припоев.

Даже несмотря на то, что в электронной промышленности используется менее 1% объема всего используемого в промышленности свинца, более того – многие Pb-free припои гораздо токсичнее оловянно-свинцовых, а так же официальный стандарт Green на данный момент отсутствует, ведущие производители выработали общие критерии и собираются их придерживаться в ближайшем будущем. Аналогичные RoHS директивы приняли Китай, Япония и некоторые штаты США.

2. Прежде всего, эта директива коснется практически всех разработчиков и производителей электронной техники и в первую очередь тех, кто экспортирует продукцию в вышеперечисленные страны. Остается очень мало времени, чтобы полностью перейти на выпуск компонентов, не содержащих свинца. В самое ближайшее время крупные фирмы-производители интегральных микросхем — Texas Instruments, AMD, Fairchild Semiconductor, Philips и прочие планируют полностью перейти на бессвинцовые технологии. Так же поступят и производители дискретных полупроводников и пассивных компонентов (ON Semiconductors, Vishay, Samsung Electro-Mechanic). Компоненты, выполненные по традиционной технологии, будут доступны только под заказ. В связи с этим, использование компонентов, не содержащих свинца во всей выпускаемой продукции – это вопрос ближайшего времени для всех производителей электроники. В обозримом будущем данная проблема рано или поздно коснется и всех остальных.

3. Но в сложившейся ситуации, необходимо понимать следующее — мнение о том, что компоненты, не содержащие свинца, требуют особых технологий ручной пайки, не категорично! Такая точка зрения распространена среди разработчиков, производителей электронной техники и специалистов, занимающихся ремонтом. В данном вопросе все ведущие производители единодушны – большинство Pb-free компонентов полностью совместимы со стандартными технологиями ручной пайки оловянно-свинцовыми припоями. И, как раз, очередное противоречие заключается в том, что совместимость с требованиями RoHS, так же как и знак «Pb-free» не означают, что элемент необходимо паять обязательно бессвинцовым припоем. Ведь в процессе пайки необходимо предотвратить термодиструкцию электронных компонентов. И эта неприятность может возникнуть потому, что большинство из «Pb-free» припоев имеют повышенную температуру плавления, которая несовместима с максимальной температурой пайки выбранных компонентов.

4. Таким образом, если выполнять ряд рекомендаций для ручной пайки, приведенных ниже, качество пайки не пострадает:

• Когда речь идет о ручной пайке, выбираются паяльные станции, обладающие достаточным запасом мощности, термостабильностью и возможностью поддержания постоянной температуры при работе на более высоких уровнях, необходимых для бессвинцовых материалов.
• Так как температура плавления бессвинцового припоя выше, чем у свинцовосодержащего, температура жала повышается до 343°C (по сравнению с 315°C). В таком режиме долговечность традиционных паяльных жал резко снижается. Поэтому, в процессе пайки, необходимо использовать насадки, разработанные специально под «Pb-free» пайку.
• Современные паяльные станции обеспечивают приведенные выше требования, но при работе с бессвинцовыми припоями, для соблюдения необходимых температурных профилей некоторых компонентов, имеет смысл быстрее убирать жало пальника с места пайки.
• Смачиваемось у бессвинцовых материалов хуже, чем у свинцовосодержащих (и многое другое у них хуже, например: окисляемость во время пайки, образование кристаллических нитей и пр.). Чем меньше окислов, тем легче идет пайка. Здесь два варианта:
  1. Пайка в среде азота. Азот, будучи инертным газом, предохраняет от окисляемости нагреваемые при пайке металлические поверхности. В этом случае требования к флюсу не категоричны, смачиваемость повышается, с припоями легче работать, качество соединений повышается.
  2. Задачу снятия окислов и обеспечения растекаемости припоя, при ручной пайке в условиях несерийного производства в не меньшей степени выполняет флюс. Это серьезная альтернатива пайке в азотной среде.
• В процессе пайки необходимо следить за состоянием жала паяльной станции во избежание его окисления. Если применяется «Pb-free» припой, следует более тщательно очищать его и, постоянно держать его полностью покрытым припоем.
• При работе с «Pb-free» компонентами, их монтаже-демонтаже, на плате смешанного типа необходимо тщательно очищать посадочные места компонентов, во избежание смешивания припоев «Pb-free» и традиционных, так как несоблюдение этой рекомендации, в случае смешивания припоев образуется «холодная» пайка. Становится более актуальным использование оловоотсосов, оплетки для удаления припоев и пр.
• Так же, следуя вышеприведенному пункту, следует использовать разные жала для пайки «Pb-free» и свинцовосодержащими припоями.

5. Не стоит забывать и о микросхемах в корпусах BGA, с ними сложнее, но эта ситуация «на руку» ассортименту компании «ERSA», а именно модернизированным инфракрасным паяльным центрам IR550plus. С точки зрения работы с «Pb-free» микросхем BGA, аргументы неоспоримы:

SamsPcbGuide, часть 10: Технологии — пайка бессвинцовых компонентов

Данная статья – первая статья о технологиях сборки печатных плат. Последний семинар от PCB SOFT был посвящён проектированию, обеспечивающему технологичность изготовления печатной платы (англ. DFM, design for manufacture). Был поднят вопрос о целесообразности реболлинга бессвинцовых BGA-компонентов для высоконадёжных применений. И организаторы семинара, и участники уверенно говорили о том, что эту трудоёмкую операцию никто не выполняет и с проблемами никогда не сталкивался. В данной статье я критически рассмотрю этот вопрос и постараюсь показать опасность таких «общепринятых в отрасли» мнений и о пользе метода универсального сомнения старины Рене Декарта.

В 2006 году была принята директива RoHS, ограничивающая применение свинца и других признанных вредными элементов в потребительской и промышленной электронике. Это привело к тому, что большинство производителей электронных компонентов перешло на бессвинцовые корпуса, а заказ компонентов в исполнении со свинцовосодержащими выводами не всегда доступен. При этом технология пайки с применением припоев с высоким содержанием свинца никуда не делась (в ГОСТ Р 56427-2015 она, к слову, названа традиционной). Выбор припоя и/или паяльной пасты остаётся за разработчиком печатной платы, поэтому, если выбор сделан в пользу свинцовосодержащего припоя, возникает проблема пайки бессвинцовых компонентов (англ. mixed-alloy process), особенно в корпусах BGA-типа (соразмерность долей припоев). Основной вопрос заключается во влиянии смешения припоев на надёжность соединения. Вышеуказанный ГОСТ даёт однозначный ответ:

Для РЭС класса С по ГОСТ Р МЭК 61191-1-2010 недопустим отказ, аппаратура должна функционировать в любое время включения, в том числе в жёстких условиях. Эти требования относятся не только в аппаратуре военного и космического применения, надёжными должны быть, например, и ответственные промышленные системы.

Откуда в ГОСТе возникло такое требование? Это вопрос к разработчикам стандарта, которые, скорее всего, перевели зарубежный стандарт, которому, вероятно, уже 5-10 лет, а откуда требование возникло там, вообще не разобраться. И при этом участники семинара, о котором я писал в начале, представляющие срез отечественной электроники именно ответственного применения, отрицательно качали головой головой при слове «реболлинг». Возможно, у них есть положительный опыт, я не спорю, я просто против обобщений и уверенности, базирующихся на невежстве. Кто их них (и из вас, читатели) читал стандарт? А те, кто следуют стандарту, уверены, что данная операция в техпроцессе обязательна в их конкретном случае? Сама операция не снижает надёжность? Кто проводил экспериментальное исследование надёжности используемой технологии поверхностного монтажа? Потому что всё дело в эксперименте, в правильно поставленном эксперименте. Другой источник информации – анализ доступных данных от сторонних исследователей. Ниже я приведу обобщение нескольких статей на тему надёжности пайки бессвинцовых компонентов.

Температура плавления (ликвидус, T_L) бессвинцовых припоев на 30-40 o C выше, чем свинцовосодержащих, поэтому, в зависимости от термопрофиля пайки и распределения теплового поля на печатной плате, можно получить различную степень смешивания в паяном соединении (рис. 1). Наличие зон концентрации и неоднородностей как самих металлов, так и интерметаллидов в припойном соединении (рис. 2) снижает его долговременную надёжность, так как такие макроструктуры являются наиболее вероятными местами образования и распространения трещин (особенно при низких температурах). Хотя в большинстве статей из списка литературы приводится анализ микрофотографий сечения соединений, единой теории причины образования трещин не прослеживается.

В таблице 1 представлены сводные результаты исследовательских работ, в основе которых лежал следующий типовой эксперимент: для фиксированного сочетания припоев BGA-компоненты (в некоторых экспериментах это нефункциональный макет компонента, в котором есть только межсоединения выводов для построения последовательной цепи), запаянные при различных термопрофилях, термоциклировались до возникновения функционального сбоя или неконтактирования. Также исследовалась зависимость от размера корпуса, в ряде работ изучалось влияние расположения компонента на печатной плате, влияние адгезива типа «underfill», финишного покрытия печатной платы и др.

В статьях нет явных указаний, выполнялся ли реболлинг BGA-компонентов для получения свинцовосодержащих шариков, но пониженные значения надёжности для этих случаев позволяет предположить, что реболлинг может приводить к снижению надёжности. В статье, посвящённой реболлингу [8], сообщается о положительных результатах термоциклирования, однако заявленная продолжительность эксперимента в 24 часа не могла обеспечить достаточного количества циклов. Поэтому вопрос снижения надёжности в результате реболлинга остаётся открытым, а в качестве базового сценария рекомендуется смешанная пайка с экспериментальным подбором термопрофиля.

Призываю отнестись к представленным данным с универсальным сомнением и поделиться в комментариях своим экспериментальным опытом.

Бессвинцовая пайка соединений медных сплавов

На фоне стремлений к повышению качества питьевой воды законодательством ограничивается содержание свинца, допускаемое в конструкции, контактирующей с питьевой водой. В частности, параметр, рассчитанный как средневзвешенное значение общей площади поверхности компонента, контактирующего с водой (площадь увлажненной поверхности), ограничен максимум 0,25% содержания свинца. Отсюда выводятся определённые требования к выполнению таких операций, как бессвинцовая пайка медных сплавов, что нередко применяются при построении сетей водоснабжения. Рассмотрим нюансы процесса.

Бессвинцовые паяные соединения высокого качества

Компоненты бессвинцовых паяных соединений включают трубы, фитинги для труб, клапаны, прочую сантехническую арматуру. Широко распространены в сантехнике сплавы на основе меди, включающие латунь и бронзу.

Между тем резкое снижение допустимого содержания свинца оказывает влияние на химический состав медных сплавов с латунью и бронзой. Этот момент, в свою очередь, некоторые специалисты связывают с качеством пайки.

Утверждается, что различия в параметрах теплопроводности некоторых из отмеченных сплавов (например, содержащих кремний), способны привести к проблемам пайки без свинца или к существенным ограничениям возможностей выполнять бессвинцовую пайку в полевых условиях.

Высококачественные бессвинцовые паяные соединения, сделанные между медной трубкой и компонентами из новых сплавов вполне реально готовить, с использованием любого ранее приемлемого метода очистки поверхностей.

Допустимо применять весь набор традиционно используемых паяльных флюсов, не способствующих образованию трещин в результате охлаждения сделанной бессвинцовой пайки. Рекомендуется применять наконечники газовых горелок соответствующего размера.

Бессвинцовую пайку новых сплавов характеризовать «проблематичной», конечно же, некорректно. Правда, работа с новыми сплавами может сопровождаться определёнными сложностями. Особенно в случаях, когда бессвинцовая пайка не соответствуют стандартным рекомендациям.

Результат недостаточного нагрева при бессвинцовой пайке шва — видны следы щётки, которой производилась механическая очистка. Эти недостатки приводят к дефектам внутри капиллярного пространства

Как правило, новые медные сплавы «не прощают» пайку старыми методами. Однако довольно многие мастера привыкли использовать устаревшие технологии при выполнении бессвинцовой пайки соединений «медная труба — медные фитинги».

Критерии теплопроводности и процесса нагрева

Проблемы при создании бессвинцовой пайки соединений на основе медных сплавов кроются в фундаментальном непонимании термических свойств сплавов такого рода. Также актуальной проблемой видятся последующие воздействия на соединение, изготовленное бессвинцовой пайкой.

Необходимо тщательное тестирование каждого элемента, участвующего в создании соединения бессвинцовой пайкой между медной трубой и другими сплавами, включая:

• различные базовые сплавы,
• методы очистки,
• используемые флюсы,
• размер используемых наконечников горелок,
• порядок нагрева компонентов соединения,
• методы закалки после бессвинцовой пайки и другие.

Применение этих результатов к базовой теории проектирования и выполнения паяных соединений подтверждает следующий вывод.

Неправильно нагретый припой и дефект бессвинцовой пайки — не полностью заполненное капиллярное пространство из-за недостаточного предварительного нагрева поверхности медной трубы

Значительно меньшая теплопроводность медных сплавов (тем более кремний-содержащих) требует особого внимания по отношению к правильной процедуре нагрева и пайки без свинца. Только так можно обеспечить высококачественные паяные соединения.

Процессы нагрева и бессвинцовой пайки

Чтобы разъяснить этот момент, логично обратиться к стандартам, которые используются в США. Имеется в виду американский стандарт — ASTM B828. Этот стандарт определяет условия изготовления капиллярных соединений путём бессвинцовой пайки труб и фитингов из меди и медных сплавов.

Стандарт ASTM B828 излагает проверенные методы, необходимые для обеспечения изготовления последовательных и повторяемых высококачественных бессвинцовых паяных соединений между трубами из меди и медных сплавов, фитингами и компонентами.

Стандарт указывает на ряд последовательных шагов, выполняемых при создании бессвинцового паяного соединения:

1. Измерение и резка.
2. Развертывание (удаление заусенцев, оставшихся после реза).
3. Очистка (удаление оксида с поверхностей, подлежащих пайке).
4. Флюс (тонкая ровная пленка специальной пасты, нанесённой на поверхности, подлежащие пайке).
5. Сборка и поддержка (обеспечение равномерного капиллярного пространства по окружности соединения).
6. Нагрев (нагрев трубки, фитинга и капиллярного пространства для доводки каждого элемента соединения до температуры пайки).
7. Применение бессвинцового припоя (для заполнения стыка и соединения деталей)
8. Охлаждение и очистка (равномерное естественное охлаждение и удаление избыточного флюса после завершения процесса бессвинцовой пайки без быстрого охлаждения).

В случае соединения медной трубки и компонентов на основе сплавов, особое внимание следует уделять шестому шагу, отмеченному выше, — процессу нагрева под изготовление паяного бессвинцового соединения. Для профессиональных мастеров важно тщательно изучить науку и металлургию, связанную с изготовлением бессвинцовых паяных капиллярных соединений.

Правильный шов бессвинцовой пайки

Капиллярное паяное бессвинцовое соединение между медной трубкой и медью или фитингом из медного сплава фактически содержит четыре отдельных детали, которые вместе составляют бессвинцовый паяный узел:

1. Трубка
2. Капиллярная область.
3. Фитинг, кран, иной вспомогательный элемент.
4. Металл присадочный (бессвинцовый припой).

Все четыре отмеченных компонента бессвинцового паяного соединения имеют определённые и различные физические характеристики. Поэтому факторы пайки, например, теплопроводность, должны учитываться индивидуально для полной сборки паянного соединения.

Результат правильной бессвинцовой пайки рабочего шва. Полное заполнение капиллярного пространства, отсутствие видимых следов открытой меди

Неправильным видится рассматривать все четыре компонента как единую однородную сборку, при изготовлении бессвинцовых паяных соединений. Чтобы успешно создать высококачественное бессвинцовое паяное соединение, требуется соблюсти условие корректного прогрева.

Бессвинцовая пайка + правильный нагрев

Все четыре части «сустава» необходимо прогреть до уровня или немного выше температуры, при которой металл (бессвинцовый припой), заполняемый капиллярное пространство, расплавляется и связывается с металлом компонента (трубы, фитинга, элемента).

Рабочие компоненты узла необходимо нагреть до температуры, при которой бессвинцовый припой начинает расплавляться и течь. При этом все компоненты должны оставаться некоторое время при такой температуре, чтобы предотвратить преждевременное затвердевание бессвинцового припоя.

Требуется добиться полного расплавления и распространения припоя по всему капиллярному пространству. Недостаточно просто нагреть бессвинцовый припой с помощью горелки до момента температуры плавления этого вещества.

Базовые металлы (трубка, фитинг, компонент) должны нагреваться до температуры плавления припоя или чуть выше и поддерживаться при такой температуре до момента полного втягивания припоя в капиллярное пространство между компонентами.

Правильный нагрев деталей узла во многом определяет качество исполнения бессвинцовой пайки. Здесь важна каждая деталь — от расположения факела горелки до базовых точек нагрева

К сожалению, практика показывает, что этот процесс редко соблюдается в точности или последовательности, как описано выше. Врожденные привычки мастеров, основанные на выполнении соединений медной трубки с кованым медным фитингом, дают о себе знать.

В результате многие мастера разрабатывают и применяют нестандартные методы, которые позволяют всё же выполнить пайку, но, как правило, не уровне качества, неприемлемого для паяных бессвинцовых соединений с медными сплавами.

Неправильный нагрев этих соединений и особенно неправильное регулирование тепла при нанесении бессвинцового припоя — это главная причина появления дефектных паяных соединений. Изначально такие соединения не проявляют себя, но не являются безупречными в принципе и не соответствуют стандартам ASTM B828.

Оценка неправильного применения нагрева

Если мастер пытается нагреть узел только через фитинг, существуют несколько факторов, нарушающих эффективный поток тепла в области трёх частей соединения (трубка, капиллярное пространство, фитинг, компонент).

Основным дестабилизирующим фактором является теплопроводность — способность передавать тепло через материал. Соответственно, этот фактор должен учитываться при производстве работ.

Пример нового компонента на основе медных сплавов, который используется в узлах бессвинцовой пайки. Такие краны часто применяются на водных магистралях

Так, направлением пламени горелки непосредственно на фитинг (компонент), передаваемым теплом нагревается фитинг (компонент) до температуры пайки. Далее тепло проходит через капиллярное пространство (воздушную область, действующую как изолятор). Наконец, температура нагрева передаётся медной трубке, тело которой нужно нагреть до температуры пайки.

В этом случае, когда мастер фокусирует тепло только на фитинге (компоненте), без предварительного прогрева тела медной трубы, фитинг (компонент) начинает расширяться. За счёт расширения открывается (увеличивается) капиллярное пространство, одновременно увеличивая изоляционный эффект воздушной подушки.

Этот эффект сам по себе значительно снижает способность факела горелки довести поверхность медной трубки внутри стыка до необходимой температуры бессвинцовой пайки. Следует учитывать, что некоторые из новых медных сплавов (кремний-содержащие латунь или бронза) имеют коэффициент теплопроводности почти в 10 раз ниже медной трубки.

Бессвинцовая пайка влияние коэффициента теплопроводности

Вследствие разных коэффициентов теплопроводности, на корпус фитинга (компонента) необходимо направлять значительно больше тепла, чтобы достичь рабочей температуры поверхности медной трубы внутри стыка.

Но подаваемое чрезмерное тепло только на поверхность фитинга (детали) может привести к одному из четырёх результатов:

1. Поверхность фитинга (компонента) достигает температуры пайки, но тело трубы внутри стыка не достигает нужного значения температуры. По этой причине припой плавится и прилипает к поверхности стыка (из-за некоторого нагрева на поверхности трубы вне сустава), но не затекает в область капиллярного пространства.
2. Рабочий компонент (поверхность) достигает температуры пайки, но поверхность трубы внутри стыка немного не достигает температуры пайки. Припой начинает плавиться и по существу в какой-то степени охлаждает поверхности стыка. Поэтому тело медной трубки охлаждается дополнительно и утрачивает температуру пайки. Припой затвердевает, не успевая заполнить капиллярное пространство.
3. Поверхность фитинга (компонента) достигла температуры пайки. Поверхность трубки в пределах поверхности соединения достигла температуры пайки, но некоторое время, требуемое для удержания температуры тела трубы, не выдержано. Эффективный поток припоя по всей области капиллярного пространства нарушен.
4. Как поверхность фитинга (компонента), так и поверхность медной трубы в зоне соединения достигают температуры пайки. Припой растекается по всей области капиллярного пространства. Однако чрезмерное тепло поверхности фитинга (детали) и низкая теплопроводность материала приводят к перегреву, что препятствует быстрому соединению. Нарушается принцип затвердевания припоя в капиллярном пространстве соединения (расплавленный металл припоя вытекает из капиллярного пространства).

Бессвинцовая пайка пошаговая процедура соединения

Как только все подготовительные шаги завершены, медная трубка очищается, флюсуется и вставляется внутрь очищенного, обработанного флюсом фитинга. Далее начинается процесс бессвинцовой пайки.

Шаг первый: разогрев медной трубки

Чтобы преодолеть трудности при попытке довести поверхность трубы до температуры пайки, необходимо, прежде всего, сконцентрироваться на надлежащем предварительном прогреве тела трубки до температуры пайки.

Первым делом предварительно следует прогреть тело медной трубы до температуры плавления бессвинцового припоя

Этим действием достигаются две важные вещи. Очевидно, что медная трубка обладает высокой теплопроводностью. Поэтому нагревание трубной поверхности непосредственно снаружи сустава позволяет легко проводить теплоту вдоль поверхности трубы внутрь сустава. Так повышается температура медной трубки от фронта до основания фитинга.

Предварительный прогрев тела трубы приводит к радиальному расширению внутри фитинга. За счёт расширения капиллярное пространство (зазор) между трубой и фитингом сокращается до минимальной величины. Устанавливается предел допуска, необходимого для создания капиллярного потока расплавленного припоя.

Исследования показали: в случае применения новых сплавных фитингов (компонентов) полезно предварительно разогревать трубу больше, чем это практикуется обычно для меди.

Предварительный нагрев медной трубки следует проводить с помощью наконечника горелки соответствующего размера. Направление пламени газовой горелки — перпендикулярно трубе.

Расстояние от кромки наконечника горелки до тела медной трубы примерно равно длине конечной части трубки, вставленной в чашу фитинга (компонента).

Стандартом не предусмотрены нормы времени на предварительный нагрев. На практике медная трубка предварительно прогревается до того момента, когда флюс на поверхности стыка начинает растекаться, а сама поверхность приобретает золотисто-серебристый оттенок.

Шаг второй: предварительный нагрев фитинга (компонента)

Завершив предварительный нагрев медной трубы, пламя горелки переносится на поверхность фитинга (компонента) в область основания чаши.

За предварительным прогревом медной трубы пламя горелки переносится на соединительный концевик компоненты, где последняя также «догревается» до кондиции и производится пайка

Предварительный нагрев фитинга более эффективен, когда пламя направляется от задней области чаши к области закладки припоя. Поскольку внутренняя область медной трубки уже предварительно прогрета, требуемое время предварительного нагрева фитинга (компонента) обычно меньше, чем для трубки.

Необходимо следить за активностью флюса на поверхности стыка и периодически проверять припой на момент начала плавления. Если припой расплавляется, пришло время переключиться с предварительного нагрева на фактический процесс пайки. В противном случае, предварительный нагрев следует продолжить.

Шаг третий: применение тепла и припоя

Как только соответствующий предварительный нагрев достигнут, следует выбрать место на стыке, чтобы начать пайку. На вертикально ориентированных суставах выбор исходной точки пайки не столь критичен, как в случае с более сложным — горизонтальным суставом.

На достаточно разогретых (но не перегретых) поверхностях бессвинцовый припой легко расходится по всей площади капиллярной поверхности

На горизонтальных суставах пламя газовой горелки рекомендуется сместить немного в сторону от центра донной области сустава. Затем приложить пруток бессвинцового припоя к нижней точке шва и неспешно поднимать к верхней области шва сустава.

Поскольку припой начинает расплавляться от тепла тела медной трубки, эффект капиллярной тяги толкает бессвинцовый припой в область соединения. Пруток припоя необходимо удерживать в контакте с поверхностью до момента, пока капиллярное пространство не будет заполнено. После заливки первой половины шва, те же самые действия проделать на второй половине.

Шаг четвёртый: охлаждение и очистка

Завершённый бессвинцовый паяный шов следует охлаждать медленно и естественным образом. Новые медные сплавы не поддерживают быстрый отвод тепла по причине низкой степени теплопроводности. Пока ещё шов остаётся нагретым, необходимо удалить остатки флюса, а также излишки припоя.