Основные принципы и технология пайки проводов

На первый взгляд – спаять провода самая простая задача. Однако, существует ряд нюансов, которые необходимо знать как начинающему, так и опытному радиолюбителю.

Прежде всего, рассмотрим технологию пайки:
Соединение пайкой – не что иное, как диффузия, то есть проникновение частиц металла друг в друга. Это свойство соединяемых материалов обеспечивает как высокую прочность, так и электропроводность соединения.

Разумеется, для взаимного проникновения, хотя бы один из металлов должен перейти в жидкое агрегатное состояние, то есть расплавиться. Чтобы обеспечить адгезию – металлы должны подходить друг к другу, а их поверхность очищена от загрязнений и окислов.

Для качественного соединения необходимо выполнить три правила:

  1. Припой, совместимый со спаиваемым металлом;
  2. Флюс, обеспечивающий очистку выбранного материала от окислов;
  3. Правильно подобранный паяльник.

Начнем с третьего пункта. Сразу оговоримся, что греть металл и плавить припой можно при помощи газовой горелки или строительного фена. Но это – тема других публикаций.

Итак, как выбрать паяльник для пайки проводов

В качестве примера рассмотрим обычные провода, сечением 0,8 – 3,5 квадратов, что является самым распространенным размером при бытовых монтажных работах.

Более тонкие провода применяются при сборке монтажных плат, и для работы с ними подходит паяльник для микросхем. Более толстые проводники применяются в энергоснабжении, там несколько иная технология пайки.

Мощность паяльника

Прежде всего, паяльник подбирается по мощности, а не по температуре жала. Провода, особенно медные, имеют высокую теплопроводность. Когда вы касаетесь кончиком паяльника места пайки, часть тепловой мощности моментально рассеивается по проводнику. Это необходимо учитывать, зная толщину жилы.

Паяльник для проводов должен иметь мощность 40-60 Вт. Меньшая мощность будет распределяться по кабелю, и вам придется затрачивать много времени на разогрев места соединения.

Во-первых, качество пайки ухудшится.

Во-вторых – от продолжительного нагрева повредится изоляция.

Слишком высокая мощность моментально выпарит флюс и также расплавит изоляцию.

Неправильно подобранная температура доставляет дискомфорт радиолюбителю. Как правило, один из спаиваемых проводов приходится удерживать руками. Если он разогревается по всей длине – можно обжечь пальцы.

Мощность считается достаточной, если на спайку уходит не более 2-3 секунд. Разумеется, при условии полного расплавления припоя и растекании его по металлу проводника.

ВАЖНО! Лучше выбрать более «холодный», но мощный паяльник с толстым жалом, чем маломощный но «горячий».

Правильное жало

Идеальный вариант для соединения проводов – медное жало с расплющенным концом.

Медь позволит накопить достаточно тепловой энергии, чтобы она не рассеивалась по проводам. А плоский конец обеспечит широкое пятно контакта. Недостаток медного наконечника – склонность к окислению. Даже тончайший слой окисла становится теплоизолирующей прокладкой, ухудшая нагрев рабочей зоны.

Можно паять и современными коническими жалами из композитных материалов или керамики.

Разница лишь в методике. Такое жало необходимо прижимать не поперек, а вдоль, что не всегда удобно.

Паяльный пистолет мгновенного нагрева

Неплохой вариант для пайки проводов. Высокая температура наконечника и протекающий ток от трансформатора моментально прогревают место спайки, не успевая расплавить изоляцию.

Если жало имеет форму петли – можно охватывать спайку со всех сторон, повышая эффективность нагрева. Однако такие паяльники стоят дороже обычных.

Правильный набор для пайки

С основным инструментом определились. Кроме собственно паяльника, необходим определенный набор сопутствующих материалов и приспособлений.

  • Устройство для снятия изоляции, или монтажный нож. Особых критериев нет, главное – чтобы жилы при зачистке не обрывались. Также надо иметь нож для снятия лакового покрытия с оголенных жил;
  • Флюс. Его выбор – это почти религия. Делают из самых разных материалов, он может быть твердым, желеобразным или жидким – назначение одно. Точнее два: очистить поверхность и не дать образоваться окислу.

Наиболее удачный вариант – банальная сосновая канифоль. Единственный недостаток – слабая текучесть (в нашем случае должна проникать в скрутку), и при перегреве образуется нагар. Многие пользуются т.н. паяльным салом. Отдать предпочтение какому-то варианту бессмысленно. Всякий кто знает, как работать с паяльником – имеет в арсенале любимый флюс.

  • Паяльные тиски. Приспособление очень полезное. Их необходимо либо купить, либо изготовить самостоятельно;
  • Именно при пайке проводов чаще всего не хватает третьей руки. Да и сам объект нагревается настолько сильно, что лучше закрепить его в стороннем держателе.

  • Подставка для паяльника. Обязательный атрибут радиолюбителя. Изготовьте ее из любого негорючего материала. Главное – чтобы паяльник не лежал на столе включенным, а тем более – не скатился вам на колени или на пол;
  • Губка для очистки жала. Подойдет любая несинтетическая плотная ткань, смоченная мыльным раствором. Хороший вариант – сукно, прибитое на деревянный брусок.

Подготовка проводов и паяльника к работе

Это покажется странным, но многие радиолюбители не знают, как правильно облудить паяльник. Мало того, как залудить провода – тоже знают немногие.

Сразу оговоримся – лудить необходимо только медные наконечники. Жала из керамики или композитных материалов достаточно очистить без использования абразива.Для начала, жало извлекают из нагревательной трубки. Напильником или надфилем придают ему необходимую форму кончика.

Затем зачищают наждачной бумагой (мелкой) до блеска. Обработке подлежит вся поверхность жала, а лужению – только кончик. После этого, в баночку с канифолью кладут кусок припоя, и помещают нагретый паяльник под олово.

Видео урок пайки проводов с применением обычной канифоли.

ВАЖНО! Температура не должна превышать 300 градусов, в противном случае жало моментально покроется окислом .

Расплавленная канифоль очистит медь, а припой растечется по поверхности. Есть еще способ, используемый во время работ. На деревяшку (лучше хвойных пород) кладется кусочек канифоли и припоя.

Кончиком разогретого паяльника надо энергично растереть эту смесь по дереву. Происходит одновременно механическая очистка и лужение.

Провода перед пайкой надо лудить обязательно. Иначе вы потратите много времени на прогрев, изоляция расплавится, а пайка получится некачественной.

Исключение делается в случае, когда необходимо сделать скрутку из многожильных проводов. Тогда лужение и пайку можно совместить. В остальных случаях, кончики соединяемых проводников должны быть пропитаны расплавленным припоем.

Кончик провода разделывается, механическим способом удаляется лаковое покрытие, и немедленно производится очистка флюсом. После чего, на паяльник набирается капелька припоя, и провод покрывается оловом от края к изоляции.

Можно проделать это прямо в баночке с канифолью, просто будет больше дыма.

После подготовительных процедур, приступаем к соединению.

Как правильно паять провода

Несмотря на то, что при хорошем качестве припоя можно делать пайку внахлест, лучше будет предварительно сделать скрутку. Так и прочность, и электрический контакт будут надежней.
Варианты скруток на схеме:

Если провод одножильный, после облуживания делается скрутка и производится пайка. Многожильный провод можно сразу после зачистки скрутить, а затем спаять. Жало паяльника должно иметь контакт с проводом, максимально возможной площади, для обеспечения прогрева.

Хорошая пайка получается, если соединение греется паяльником, а припой подается в рабочую зону отдельно. Тогда не придется отрывать жало от места нагрева для забора очередной порции олова.

Как только вы увидите «закипание» припоя, и он заполнит все полости – можно убирать паяльник.

ВАЖНО! Нельзя перемещать провода до появления матового налета на олове, свидетельствующем о «схватывании» спайки.

Качественно пропаянное соединение выглядит так:

Нигде не видно голого металла, поверхность припоя гладкая, без раковин, ровного матового оттенка.

ВАЖНО! По окончании пайки не забудьте изолировать провода.

Пайка металлов появилась задолго до изобретения электрической сварки. Ее использовали в Древнем Риме и Вавилоне, о чем говорят археологические раскопки.

За это время технологии усовершенствовались, и появились новые виды пайки, в которых для нагрева металла используется электрический ток, пламя газовой горелки, энергия лазера или иные источники тепловой энергии.

Капиллярный

Капиллярный вид пайки – самый распространенный. Многие, применяя его, даже не подозревают о таком названии. Суть технологии заключается в следующем.

Припой расплавляют, он нагревается и заполняет собой пространство между двумя подготовленными деталями. Смачивание поверхности деталей и удержание припоя происходит во многом благодаря эффекту капиллярности.

Капиллярный вид пайки распространен в быту и на различных производствах. Для его проведения потребуется паяльник или горелка. По сути, любой вид пайки можно считать в определенной мере капиллярным, поскольку в каждом присутствует капиллярное смачивание поверхностей заготовок жидким припоем.

Диффузионный

Этот вид паяния отличается от остальных длительностью процесса, поскольку на диффузию требуется время.

Припой внутри зоны шва выдерживается при определенной температуре дольше, чем, скажем, при обычном капиллярном виде пайке. Соединение двух заготовок происходит за счет диффузии припоя и спаиваемых металлов.

Сам процесс диффузии заключается в проникновении молекул одного вещества в структуру другого вещества. Спайка происходит на молекулярном уровне и дает возможность получить более прочный шов.

Диффузионный вид требует строго соблюдения температурного и временного режима. Температура нагрева в зоне пайки всегда выше, чем температура плавления припоя.

Контактно-реакционный

Вид пайки под названием «контактно-реакционный» или «реактивный» означает процесс сплавления при контакте двух деталей из разных металлов.

Происходит фазовый переход металла из твердого в жидкое состояние с последующим отвердением и сплавлением. Часто такое соединение осуществляют через тонкую прослойку, которая нанесена на одну из заготовок гальваническим или иным способом.

Используются легкоплавкие материалы – эвтектики. Так можно соединить серебро и медь, где между деталями будет образован медно-серебрянный сплав. Проводят пайку олова и висмута, серебра и бериллия, графита и стали.

Можно спаивать алюминий с другими материалами через прослойку меди или кремния. Соединение получается прочным, время пайки занимает доли секунд.

Реакционно-флюсовой

В основе реактивно-флюсового вида пайки лежит химическая реакция, при которой из флюса при соединении с металлом образуется припой. Это хорошо видно, когда между собой соединяются алюминиевые детали.

Для их стыковки применяется флюс на основе хлористого цинка. При нагреве цинк начинает взаимодействовать с алюминием, превращаясь в металлический припой.

Он заполняет собой все пространство зазора, делая место зоны пайки прочным соединением. При этом очень важно точно соблюсти пропорции наносимого флюса. Его должно быть много, чтобы чистый цинк в необходимом количестве мог выделиться из флюсового порошка.

Иногда при этом виде пайки приходится добавлять цинковый припой в небольших количествах, как дополнение к основному процессу. Обычно это делают, если две заготовки соединяются внахлест.

Пайка-сварка

Такое название технология получила потому, что сам процесс очень сильно напоминает сварку металла с присадочным материалом (проволокой или порошком).

Но в данном случае вместо присадки используется припой. Этот вид чаще всего используют для того, чтобы заделать дефекты и изъяны на поверхностях металлических деталей (литых).

Сам процесс можно проводить разными способами:

  • пайка в печах;
  • окунанием в ванну с жидким припоем;
  • сопротивлением с помощью электрического тока;
  • индукционным способом;
  • радиационным;
  • с помощью паяльников и газовых горелок.

Некоторые виды появились сравнительно недавно, еще исследуются и дорабатываются.

В печах

Первый вариант обеспечивает равномерное распределение припоя по дефектным участкам детали и равномерное прогревание, что особенно важно, когда приходится паять крупногабаритные заготовки со сложной конфигурацией.

При этом разогрев в печи может проходить одним из многих существующих способов, начиная от нагрева пламенем, и до сложно технологических процессов, таких как индукция, электросопротивление.

Конструкция самих печей отличается друг от друга лишь подами, на которые укладывают паяемые заготовки. Для крупных деталей используются печи, в которых под не движется, а для маленьких – подвижные в виде конвейеров на роликах.

Главная задача этого вида пайки – создать внутри печи специальную газообразную субстанцию. Пайка в печах может быть полностью механизирована, что ведет к повышению производительности труда. А для производств с массовым выходом готовой продукции это идеальный вариант.

Применение индукции и сопротивления

Что касается индукционного вида, то для него используют токи высокой частоты. Электричество пропускается через спаиваемые детали, отчего они и нагреваются.

Здесь реализуются два способа пайки: стационарная и с перемещением детали или индуктора. В случае соединения крупногабаритных заготовок используется вторая технология.

Способ пайки сопротивлением чем-то схож с индукционным видом. Просто в этой технологии ток пропускается и через заготовки, и через паяльный элемент. То есть, соединяемые детали становятся частью электрической цепи.

Проводят такой процесс в электролитах или в специальных контактных машинах, действие которых очень похоже на стандартную электросварку. Контактные машины обычно используются в производствах, где необходимо паять между собой изделия из тонкого листового металла.

Пайка же в электролитах используется сегодня не часто за счет сложности настройки параметров технологического процесса. Ведь процесс проходит по принципу теплового эффекта, возникающего между катодом (спаиваемые детали) и анодом.

Вокруг заготовок образуется водородная оболочка, у которой очень высокое электрическое сопротивление. Отсюда и выделение большой тепловой энергии.

Погружение в ванну

Пайка с погружением проводится или в среде расплавленного припоя или в массе специальных солей. Последний вид пайки – это быстро проводимая операция за счет непосредственного нагрева заготовок от солей, которые выполняют функции и нагревательного элемента, и флюса. Что касается погружения в припой, то необходимо отметить возможность полного или частичного погружения.

Радиационный метод

Радиационный вид пайки производится за счет мощного светового потока, который формируется кварцевой лампой, лазером или катодным расфокусированным лучом.

Технология появилась относительно недавно, но показала, что таким способом можно достигать высокого качества пайки двух металлических заготовок. К тому же появилась реальная возможность контролировать процесс и по степени нагрева, и по временным срокам. При этом лазер удаляет оксидную пленку с припоя и с металла, что гарантирует высокое качество паяного шва.

Газовая оболочка в зоне соединения, образорванная за счет нагрева металлов, дает возможность при соединении не использовать флюсы. Поэтому, когда сегодня говорят о пайке без флюса, подразумевают лазерную технологию.

Горелка и паяльник

Что касается пайки горелками, то чаще всего применяются две технологии, которые, по сути, ничем не отличаются одна от другой. Происходит просто нагрев двух деталей и припоя, уложенного между ними в зазор.

В первом способе – за счет сгорания газа, во втором – за счет образования плазмы (это сгораемый газ, который движется тонкой струей с большой скоростью). Необходимо отметить, что способ с газовыми горелками считается универсальным.

Горелки, испускающие поток плазмы, работают при высоком температурном режиме. А это позволяет паять между собой детали из титана, молибдена, вольфрама и прочие тугоплавкие материалы.

Сложность этой технологии заключается в том, что настроить электрическую дугу под определенную температуру нагрева (до определенной точности) практически невозможно.

Пайка паяльником используется давно. Если еще 5-10 лет назад можно было говорить только об электрических приборах или нагреваемых от огня, то сегодня предложений куда больше.

Хотелось бы отметить паяльники, работающие от ультразвука. То есть, сам ультразвук имеет отношение к процессу пайки лишь с позиции разрушения оксидной пленки.

Поэтому и появилась возможность паять различные металлы в воздушном окружении без флюсовых материалов. Непосредственно пайка происходит от нагрева припоя.

Вакуумный

Пайка в вакууме и сегодня еще используется не всегда и не везде. Сложность данного вида заключается в том, что необходимо в зоне паяния создать разряженную атмосферу без воздуха.

Как известно, присутствующий в воздухе кислород является причиной образования оксидной пленки, которая покрывает собою металлические заготовки и припой.

Пленка очень тугоплавка, при пайке теряются температурные градусы для нагрева соединяемых деталей. Поэтому все ученые до сих пор и ищут способы, как удалить оксидное покрытие или провести процесс без него. Пайка в вакууме – один из таких вариантов.

Препятствуют внедрению вакуумного вида в производство такие факторы:

  • низкая производительность процесса, потому что приходится нагревать каждую отдельную деталь;
  • таким способом можно паять лишь заготовки небольших размеров;
  • сложность создания станков и дополнительного оборудования;
  • сложность проведения процесса пайки.

Однако если говорить о космосе, где отсутствует атмосфера, то вакуумный вид считается весьма перспективным.

Селективный

Нельзя сказать, что селективный вид пайки принципиально отличается от капиллярного. Точно также в нем применяют припой и нагрев. Но расплавляют припой только в выборочных местах (локальных точках), на которые планируется прикрепить элементы.

Селективную пайку применяют в основном для изготовления плат и выводов штыревых компонентов. Она схожа с волновым методом, применяемым для пайки smd-чипов.

Установка селективной пайки – оборудование, относящееся к категории полуавтоматов. Оно не дешевое, но экономит расходные материалы почти в десять раз, по сравнению с волной, поэтому распространяется все шире и шире.

Температурный режим и материалы

Классификация процессов пайки основывается на методах проведения операций, условиях, при которых получают соединения, и на видах расходных материалов. Понятия и виды пайки подробно описывает ГОСТ 17325.

Пайку называют высокотемпературной или твердой, если припой разогревается до температуры 450 ℃ и выше. В противном случае приходится иметь дело с низкотемпературным видом (мягким).

Для низкотемпературного вида применяют легкоплавкие припои. К ним относятся сплавы олова и свинца, висмута, галлия, индия. К тугоплавким принадлежат медно-серебряные, медно-цинковые припои.

В связи с повелением новых материалов и требований экологической безопасности, технологии пайки постоянно меняются. Свинцовые припои применяют все меньше, устанавливают дымоуловители, разрабатывают лазерное и ультразвуковое оборудование.

Немалую роль в развитии пайки играет внедрение роботизированных систем, позволяющих значительно ускорить работу.