Припой для алюминия

Пайка алюминия и его сплавов — одна из наиболее сложных задач в практике соединения металлов. Главная причина — оксидная плёнка Al₂O₃, которая мгновенно образуется на зачищенной поверхности и препятствует смачиванию припоем. Температура плавления этой плёнки (около 2050 °C) многократно превышает температуру плавления самого алюминия (660 °C). Для получения надёжного паяного соединения необходимо одновременно решить три задачи: разрушить оксидный слой, обеспечить смачивание основного металла расплавом припоя и подобрать состав присадочного материала, совместимого с алюминием по физико-химическим свойствам.

Ниже рассмотрены основные группы припоев, применяемых для пайки алюминия, их составы, температурные характеристики и области использования.

Особенности и сложности пайки алюминия

Алюминий обладает рядом свойств, которые существенно затрудняют процесс пайки по сравнению с медью или сталью:

Цинк обладает хорошей взаимной растворимостью с алюминием, поэтому именно цинксодержащие припои обеспечивают наиболее прочные и коррозионно-стойкие паяные соединения. Чем выше содержание цинка в припое, тем выше прочность и коррозионная стойкость шва.

Классификация припоев для пайки алюминия

Припои для алюминия подразделяются на две основные группы по температуре плавления.

Низкотемпературные (мягкие) припои

Температура плавления — до 300 °C. Основа — олово, цинк, кадмий и их комбинации. Эти припои удобны для работы обычным паяльником, не перегревают деталь, однако дают соединения с относительно невысокой механической прочностью (до 50–70 МПа на разрыв). Соединения, выполненные оловянно-цинковыми припоями, требуют защиты от коррозии, если эксплуатируются во влажной среде.

К этой группе относятся припои серий ПОЦ (П250А), ЦОП-40, АВИА-1 и аналогичные составы.

Высокотемпературные (твёрдые) припои

Температура плавления — от 400 до 600 °C. Основа — алюминий с добавками кремния, меди, цинка, германия. Эти припои обеспечивают прочные соединения (80–190 МПа на разрыв), близкие по коррозионной стойкости к основному металлу. Применяются в ответственных конструкциях — теплообменниках, трубных системах испарителей и конденсаторов, авиационных узлах.

К этой группе относятся припои 34А, силумины (Al–Si), составы систем Al–Cu–Si, Al–Zn (П575А), Al–Si–Ge.

Оловянно-цинковые припои для алюминия

Это наиболее доступная и распространённая группа низкотемпературных припоев для работы с алюминием. Олово обеспечивает хорошую жидкотекучесть и смачиваемость, цинк — совместимость с алюминием.

Припой П250А (ПОЦ-80)

Один из наиболее распространённых оловянно-цинковых припоев для алюминия. Применяется для лужения и пайки погружением алюминиевых проводов с алюминиевыми и медными наконечниками.

Благодаря хорошей жидкотекучести ПОЦ-80 пригоден для механизированного лужения. Паяные соединения обладают удовлетворительной коррозионной стойкостью в обычных условиях, но при повышенных температурах (свыше 650 °C) припой интенсивно окисляется.

Припой ЦОП-40

Оловянно-цинковый припой с обратным соотношением компонентов: олово ~60 %, цинк ~40 %. Повышенное содержание цинка улучшает прочность и коррозионную стойкость паяного соединения по сравнению с ПОЦ-80, однако увеличивает температуру плавления и снижает жидкотекучесть. Применяется для пайки алюминиевых деталей, где от соединения требуется повышенная прочность.

Высокотемпературные алюминиевые припои на основе силуминов

Наиболее распространённая основа твёрдых припоев для алюминия — эвтектика системы Al–Si (11,7 % кремния), температура плавления которой составляет 577 °C. На базе этой системы созданы многочисленные промышленные припои.

Силуминовые припои обладают хорошими литейными свойствами и наилучшей среди алюминиевых припоев коррозионной стойкостью. Их основной недостаток — голубовато-серый цвет шва, который отличается от цвета основного металла.

Припой 34А (Al–Cu–Si)

Один из наиболее распространённых и универсальных высокотемпературных припоев для алюминия. Представляет собой эвтектический сплав системы Al–CuAl₂–Si.

Припой 34А применяется для газопламенной пайки, пайки в вакуумных печах и погружением в расплав. Обеспечивает прочное соединение чистого алюминия, алюминиевых сплавов между собой, а также алюминия с медью и её сплавами. Не рекомендуется для пайки дюралюминов Д1 и Д16 из-за близости температур плавления этих сплавов к рабочей температуре припоя. При работе с 34А обязательно применение специального флюса Ф-34А.

Припой П590А (Al–Cu–Si с пониженным содержанием меди)

Припой системы Al–Cu–Si с содержанием около 10 % меди и 1 % кремния, остальное — алюминий. Имеет температуру плавления выше, чем у 34А (около 590 °C), но обладает меньшей эрозионной активностью по отношению к основному металлу. Это особенно важно при пайке тонкостенных алюминиевых конструкций, где растворение основного металла в припое должно быть минимальным.

Алюминиево-цинковые припои

Сплавы системы Al–Zn с содержанием цинка 20–30 % обладают относительно небольшим интервалом кристаллизации и высокой коррозионной стойкостью — при условии использования цинка высокой чистоты. Примеси в цинке резко снижают коррозионные свойства таких припоев.

Припой П575А

Алюминиево-цинковый припой с температурой плавления около 575 °C. Благодаря повышенной коррозионной стойкости применяется для пайки конструкций, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности, в том числе в тропическом климате. Паяные соединения, выполненные этим припоем, хорошо сопротивляются атмосферной коррозии в умеренных и влажных условиях.

Кадмийсодержащие припои для пайки алюминия

Ряд припоев для алюминия содержит кадмий — токсичный элемент, при работе с которым необходимо строго соблюдать меры безопасности: применять приточно-вытяжную вентиляцию, использовать средства индивидуальной защиты органов дыхания, не допускать работы без вытяжки.

Припой АВИА-1 (ПОЦ-55)

Низкотемпературный припой специального назначения для пайки токоведущих и тонкостенных алюминиевых деталей.

Узкий интервал кристаллизации (163–200 °C) исключает перегрев соединяемых деталей. АВИА-1 обеспечивает достаточно прочные соединения, пригодные для эксплуатации в сложных условиях. Для пайки достаточно обычного паяльника.

Припой П300А (цинково-кадмиевый)

Двухкомпонентный припой на основе цинка и кадмия, относящийся к специальным припоям для работы с алюминием. Температура начала кристаллизации — около 270 °C, полного расплавления — около 310 °C. Из-за токсичности кадмия применяется ограниченно, преимущественно в условиях промышленного производства с надлежащей организацией охраны труда.

Германийсодержащие припои

Добавление германия в алюминиевые припои позволяет снизить температуру плавления эвтектики. Составы систем Al–Si–Ge обеспечивают температуры плавления в диапазоне 420–500 °C. Однако существенный недостаток германийсодержащих припоев — низкая пластичность. При содержании германия более 13–14 % припой не поддаётся прокатке, что ограничивает формы его выпуска.

Припой В-62 — пример германийсодержащего состава, применяемого для пайки алюминия. Ввиду хрупкости этот вид припоев используется реже, чем силуминовые и алюминиево-цинковые составы.

Роль флюса при пайке алюминия

Без активного флюса пайка алюминия практически невозможна — обычные канифольные составы не справляются с разрушением оксидной плёнки. Для алюминия применяют высокоактивные флюсы на основе хлоридов и фторидов: Ф-64, Ф-59А, Ф-61А, Ф-34А (для припоя 34А), Ф-380.

Задачи флюса при пайке алюминия: разрушение оксидной плёнки Al₂O₃, защита зачищенной поверхности от повторного окисления в процессе нагрева, улучшение смачиваемости основного металла расплавом припоя. После пайки активные флюсы необходимо тщательно удалять с поверхности, так как их остатки вызывают коррозию.

Формы поставки припоев для пайки алюминия

В зависимости от способа пайки и масштаба производства припои для алюминия поставляются в различных формах:

Критерии выбора припоя для алюминия

При подборе присадочного материала для пайки алюминия и его сплавов учитываются следующие факторы:

Температурный режим. Если паяемые детали чувствительны к перегреву (тонкостенные, с термочувствительными элементами), выбирают низкотемпературные припои — ПОЦ-80 (П250А), ЦОП-40, АВИА-1. Для массивных конструкций с высокими требованиями к прочности — высокотемпературные припои 34А, П575А, силумины.

Коррозионная стойкость. Соединения, эксплуатируемые во влажном или агрессивном климате, требуют припоев с высоким содержанием цинка (П575А) или на алюминиево-кремниевой основе. Соединения, выполненные оловянно-свинцовыми припоями, нуждаются в дополнительной защите (окрашивание, лакирование).

Способ пайки. Для ручной газопламенной пайки удобны прутки (34А). Для лужения проводов погружением — чушки или прутки ПОЦ-80. Для печной пайки — фольга или паста.

Марка паяемого сплава. Не все алюминиевые сплавы допускают высокотемпературную пайку. В частности, дюралюмины Д1 и Д16 имеют температуру солидуса, близкую к рабочей температуре припоя 34А, что создаёт риск оплавления основного металла. Для таких сплавов предпочтительны низкотемпературные припои.

Требования безопасности. Кадмийсодержащие припои (АВИА-1, П300А) токсичны и допускаются только при наличии вытяжной вентиляции и средств защиты. Свинецсодержащие составы ограничены директивой RoHS в продукции для Евросоюза. Для пищевого оборудования и питьевого водоснабжения пригодны только бескадмиевые и бессвинцовые припои.

Сводная таблица припоев для пайки алюминия

Выбор конкретной марки определяется совокупностью требований: температурным режимом, механической прочностью соединения, условиями эксплуатации, маркой паяемого сплава и доступным оборудованием.