Припои Al-Si для пайки алюминия

Система Al-Si: почему именно кремний

Припои на основе системы алюминий-кремний (Al-Si) — основной класс материалов для твёрдой пайки алюминия и его сплавов. Выбор кремния в качестве легирующего элемента обусловлен фазовой диаграммой: бинарная система Al-Si образует эвтектику при содержании 12,6 % Si с температурой плавления 577 °C. Это минимальная температура плавления для данной системы, что определяет нижнюю границу рабочего диапазона алюминиевых припоев.

Все доэвтектические и эвтектические сплавы Al-Si имеют одну и ту же температуру солидуса — 577 °C. Различие между марками состоит в температуре ликвидуса: чем ближе содержание кремния к эвтектическому составу, тем уже интервал плавления. Узкий интервал обеспечивает высокую жидкотекучесть и минимальный риск ликвации (расслоения жидкой и твёрдой фаз при медленном нагреве).

Добавка кремния к алюминию также снижает усадку при кристаллизации и уменьшает склонность к горячим трещинам в паяном шве. Эти свойства делают Al-Si припои пригодными для соединения конструкций из сплавов серий 1ххх, 3ххх, 5ххх (с низким содержанием Mg) и 6ххх.

Температуры пайки алюминия и ограничения по основному металлу

Стандартный рабочий диапазон твёрдой пайки алюминия составляет 580–620 °C. Это означает, что температура ликвидуса припоя должна быть ниже температуры солидуса основного (паяемого) металла, при этом разница зачастую не превышает 10–30 °C. Такой узкий технологический зазор требует точного контроля температуры: допустимое отклонение при печной пайке составляет ±5 °C на стадии выдержки.

По этой причине высокопрочные алюминиевые сплавы систем Al-Cu (серия 2ххх: Д16, 2024 и др.) и Al-Zn-Mg-Cu (серия 7ххх: В95, 7075 и др.) не паяются стандартными Al-Si припоями — их температура солидуса ниже рабочего диапазона припоя. Сплавы серии 5ххх с содержанием магния выше 2,5 % также затрудняют пайку флюсовыми методами: магний диффундирует к поверхности и образует оксиды (MgO, шпинель MgAl₂O₄), снижающие активность флюса.

Основные паяемые сплавы: АД1 (1050), АМц (3003), АМг1 (5005), АД31 (6063), АД33 (6061), 6951, 7005. Литейные алюминиевые сплавы также пригодны для пайки при условии достаточно высокого солидуса и отсутствия пористости в отливке.

Марки алюминиевых припоев системы Al-Si

Алюминиевые припои классифицируются по нескольким стандартным системам: российская (СИЛ-00, СИЛ-0, СИЛ-1, СИЛ-2), американская AWS A5.8 (BAlSi-2 … BAlSi-11), европейская EN (EN AW-4043, EN AW-4045, EN AW-4047) и обозначения сварочной проволоки по AWS A5.10 (ER4043, ER4047, ER4145). Ниже — сводная таблица основных марок.

Таблица марок Al-Si припоев: состав и температуры плавления

Обозначение	Стандарт / система	Si, %	Cu, %	Mg, %	Солидус, °C	Ликвидус, °C
СИЛ-00	ГОСТ 1521	10–13	≤ 0,01	—	577	580–590
СИЛ-0	ГОСТ 1521	10–13	≤ 0,02	—	577	580–590
СИЛ-1	ГОСТ 1521	10–13	≤ 0,03	—	577	580–590
СИЛ-2	ГОСТ 1521	10–13	≤ 0,05	—	577	580–590
BAlSi-2 / EN AW-4343 (AlSi7)	AWS A5.8 / EN	6,8–8,2	≤ 0,25	—	577	605
BAlSi-3 / AA 4145	AWS A5.8	9,3–10,7	3,3–4,7	—	521	585
BAlSi-4 / EN AW-4047 (AlSi12)	AWS A5.8 / EN	11,0–13,0	≤ 0,30	—	577	582
BAlSi-5 / EN AW-4045 (AlSi10)	AWS A5.8 / EN	9,0–11,0	≤ 0,30	—	577	590
BAlSi-7 / AA 4004	AWS A5.8	9,0–10,5	≤ 0,25	1,0–2,0	559	591
BAlSi-9 / AA 4147	AWS A5.8	11,0–13,0	≤ 0,25	0,10–0,50	577	582
BAlSi-11 / AA 4104	AWS A5.8	9,0–10,5	≤ 0,25	1,0–2,0	559	591
ER4043 / EN AW-4043	AWS A5.10	4,5–6,0	≤ 0,30	≤ 0,05	577	630
ER4043A	AWS A5.10	4,5–6,0	≤ 0,30	≤ 0,05	577	630
ER4047 / EN AW-4047	AWS A5.10	11,0–13,0	≤ 0,30	≤ 0,10	577	582
ER4047A	AWS A5.10	11,0–13,0	≤ 0,30	≤ 0,10	577	582
ER4145	AWS A5.10	9,3–10,7	3,3–4,7	—	521	585

Примечание: марки BAlSi-7, BAlSi-9 и BAlSi-11 содержат магний и предназначены для вакуумной пайки. В марках СИЛ-00 … СИЛ-2 различие состоит в допустимом уровне примесей (Fe, Cu, Mn), что влияет на коррозионную стойкость паяного шва.

Эвтектика алюминий-кремний: значение для выбора припоя

Эвтектическая точка Al-Si при 12,6 % Si и 577 °C является ключевым ориентиром при выборе припоя. Эвтектический припой (BAlSi-4 / AlSi12 / ER4047) плавится практически при одной температуре: интервал между солидусом (577 °C) и ликвидусом (580–582 °C) составляет всего 3–5 °C. Такой припой обладает максимальной жидкотекучестью, быстро заполняет зазоры и даёт минимальный риск ликвации при медленном нагреве в печи.

Доэвтектические припои (AlSi7 / 4343, AlSi10 / 4045) имеют более широкий интервал плавления (до 28 °C у AlSi7). В этом интервале припой существует в виде «кашицы» — смеси жидкой и твёрдой фаз. При медленном нагреве (печная пайка) легкоплавкая составляющая может оттечь по капиллярам раньше, чем расплавится весь объём. Это явление — ликвация — оставляет нерасплавленные «корки» припоя у зоны аппликации и ведёт к неполному заполнению шва.

Для печной пайки предпочтительны припои с узким интервалом плавления (AlSi12, AlSi10). Для пламенной и индукционной пайки, где нагрев быстрый, ликвация менее критична, и допустимо применение припоев с более широким интервалом.

Влияние легирующих элементов

Медь (Cu) в составе припоя (BAlSi-3 / 4145: ~4 % Cu) значительно снижает температуру солидуса — до 521 °C. Это расширяет технологическое окно, но снижает коррозионную стойкость паяного шва. Такие припои применяют при ступенчатой пайке (step brazing), когда последовательно соединяют узлы при разных температурах.

Магний (Mg) в составе BAlSi-7, BAlSi-9, BAlSi-11 (0,1–2,0 %) служит «геттером» — при нагреве в вакууме он испаряется при ~570 °C и связывает остаточный кислород, разрушая оксидную плёнку Al₂O₃ на поверхности деталей. Это позволяет вести пайку без флюса в вакуумных печах.

Российские припои СИЛ: особенности маркировки

Российская система маркировки алюминиевых припоев на основе силумина включает базовые марки СИЛ-00, СИЛ-0, СИЛ-1 и СИЛ-2, а также модифицированные припои серии СИЛ-1С, СИЛ-1СН, СИЛ-1СМ. Базовые марки представляют собой эвтектический или близкий к эвтектическому сплав Al-Si (10–13 % Si) с разным уровнем чистоты по примесям: СИЛ-00 — наиболее чистый, СИЛ-2 — с наибольшим допуском по железу и меди.

Припои серии СИЛ-1С и их модификации (СИЛ-1СН, СИЛ-1СМ) дополнительно оптимизированы для пайки ответственных конструкций. Подробные характеристики этих марок, формы поставки и рекомендации по применению представлены на странице Припой СИЛ-1С (СИЛ-1СН, СИЛ-1СМ).

Припои ER4043 и ER4047 — сварочная проволока для пайки алюминия

Обозначения ER4043 и ER4047 относятся к стандарту AWS A5.10 на сварочные электроды и прутки из алюминиевых сплавов. Несмотря на то, что формально это сварочные материалы, они широко применяются и для пайки (brazing/braze welding) в газопламенном и аргонодуговом процессах.

ER4043 и ER4043A (AlSi5)

Содержание кремния: 4,5–6,0 %. Температура ликвидуса — около 630 °C, интервал плавления — более 50 °C. Обеспечивает хорошее смачивание и пониженную чувствительность шва к горячим трещинам. Основное назначение — сварка и пайка термически упрочняемых сплавов серии 6ххх (АД31, АД33, 6061, 6063). После анодирования шов имеет светло-серый оттенок. Из-за широкого интервала плавления ER4043 менее пригоден для печной пайки узких зазоров, но хорошо работает при пламенной пайке и TIG/MIG-сварке.

Модификация ER4043A отличается ужесточённым контролем содержания бериллия (Be ≤ 0,0003 %) и предназначена для условий, где требуется пониженное выделение паров бериллия при сварке и пайке. Химический состав по основным элементам идентичен базовому ER4043.

ER4047 и ER4047A (AlSi12)

Содержание кремния: 11,0–13,0 %. Температура ликвидуса — 577–582 °C, интервал плавления — 3–5 °C (практически эвтектический сплав). Высокая жидкотекучесть, минимальная усадка при кристаллизации, низкая склонность к горячим трещинам. Применяется для пайки алюминиевых радиаторов, теплообменников, ремонта литых деталей из силуминов. После анодирования шов — тёмно-серый. Является аналогом BAlSi-4 по составу и температурным характеристикам.

Модификация ER4047A, аналогично ER4043A, имеет ограничение по бериллию (Be ≤ 0,0003 %). По температурам плавления и поведению при пайке ER4047A идентичен базовому ER4047.

ER4145 (AlSi10Cu4)

Содержание кремния: 9,3–10,7 %, меди: 3,3–4,7 %. Температура солидуса — 521 °C, ликвидуса — 585 °C. Применяется для газопламенной пайки и сварки, а также для ступенчатой пайки конструкций, где требуется более низкая температура процесса. По составу идентичен BAlSi-3.

Методы твёрдой пайки алюминия

Выбор припоя неразрывно связан с методом пайки. Каждый метод предъявляет свои требования к интервалу плавления, форме поставки припоя и необходимости флюса.

Печная пайка в контролируемой атмосфере (CAB)

Доминирующий промышленный метод, применяемый при серийном производстве алюминиевых теплообменников. Пайка выполняется в конвейерных печах в среде азота с кислородом менее 100 ppm. Используется неагрессивный фторалюминатный флюс на основе калия (тип NOCOLOK®), не требующий промывки после пайки. Типичные плакированные припои для CAB — EN AW-4045 (AlSi10) и EN AW-4343 (AlSi7), нанесённые на сердцевину из сплава 3ххх толщиной 5–10 % от общей толщины листа. Рабочая температура — 595–605 °C с выдержкой не более 3–5 минут.

Вакуумная пайка

Не требует флюса. Проводится в камерных или полунепрерывных печах при вакууме 10⁻⁴ мбар и выше. Магний в составе припоя (BAlSi-7, BAlSi-9, BAlSi-11) или основного металла испаряется при ~570 °C и служит геттером — связывает остаточный кислород, разрушая оксидную плёнку. Метод обеспечивает чистые швы без остатков флюса, но требует дорогостоящего оборудования и тщательного контроля вакуума.

Пламенная (газовая) пайка

Ручной или автоматизированный метод с локальным нагревом газовой горелкой (ацетилен-кислород, пропан-кислород). Применяются прутки ER4047, ER4043, ER4145 с отдельным нанесением флюса или комбинированные прутки с флюсовым сердечником. Из-за быстрого нагрева ликвация минимальна, что допускает работу с припоями, имеющими широкий интервал плавления. Метод используется для ремонта, единичных узлов, пайки алюминиевых трубопроводов.

Индукционная пайка

Локальный быстрый нагрев токами высокой частоты. Время нагрева — секунды, что минимизирует диффузию кремния в основной металл и сохраняет прочностные свойства зоны шва. Применяется для серийной пайки отдельных соединений (патрубки, штуцеры). Использует те же припои, что и пламенная пайка.

Флюсы для пайки алюминиевых сплавов

Оксидная плёнка Al₂O₃ толщиной 2–10 нм, стабильная и плотная, препятствует смачиванию поверхности припоем. Без флюса (или вакуума) пайка алюминия невозможна. Флюс растворяет оксид, защищает поверхность от повторного окисления и способствует растеканию жидкого припоя.

Хлоридные флюсы (смеси хлоридов NaCl, KCl, LiCl с добавками фторидов) — классические составы для погружной и пламенной пайки. Требуют тщательной промывки после пайки, так как гигроскопичные остатки вызывают коррозию.

Фторалюминатные флюсы (тип NOCOLOK®, на основе KAlF₄ и K₂AlF₅) — основной тип для CAB-пайки. Негигроскопичны, некоррозионны, не требуют промывки после пайки. Температура активации — ~565 °C. Ограничение: несовместимы со сплавами, содержащими более 0,3 % Mg в зоне контакта с припоем.

Подробнее о флюсах — на странице Флюс для пайки алюминия ФТБф.

Пайка алюминиевых радиаторов и теплообменников

Производство алюминиевых радиаторов (автомобильных, промышленных, климатических) — основная область массового применения Al-Si припоев. В современных конструкциях используют плакированный лист: сердцевина из модифицированного сплава 3ххх (обеспечивает прочность и коррозионную стойкость), покрытая с одной или двух сторон слоем припоя Al-Si толщиной 5–10 % от общей толщины.

При нагреве до температуры пайки плакировка расплавляется, заполняет капиллярные зазоры между рёбрами и трубками и при охлаждении образует металлургическую связь. Типичные припои для радиаторов — AlSi10 (EN AW-4045) для CAB-пайки и AlSi12 (EN AW-4047) для пламенной пайки отдельных элементов.

При ремонтной пайке радиаторов из алюминия используют прутки ER4047 с флюсом соответствующего типа. Паяный шов по составу близок к основному металлу, что обеспечивает минимальный риск гальванической коррозии в контакте с охлаждающей жидкостью.

Формы поставки припоев Al-Si

Алюминиевые припои системы Al-Si выпускаются в нескольких формах, определяемых методом пайки и конструкцией изделия:

Форма поставки	Типичные марки	Область применения
Плакированный лист (brazing sheet)	EN AW-4343, EN AW-4045, EN AW-4047 на сердцевине 3003/3005	Серийная печная пайка теплообменников (CAB, вакуум)
Проволока сварочная (пруток)	ER4043, ER4043A, ER4047, ER4047A, ER4145	Пламенная, TIG/MIG-пайка, ремонт
Проволока для пайки (пруток)	СИЛ-0, СИЛ-1, СИЛ-2, СИЛ-1С, СИЛ-1СН, СИЛ-1СМ	Пламенная и печная пайка, ответственные конструкции
Порошок, паста	Al-Si порошки различных фракций	Нанесение в составе флюсовых паст, Sil Flux-процесс
Фольга (тонкая лента)	AlSi12 (4047), AlSi10 (4045)	Закладка в зазор при печной и вакуумной пайке

Критерии выбора марки припоя

При подборе конкретной марки алюминиевого припоя необходимо учитывать совокупность технологических и эксплуатационных факторов.

По методу пайки

Для печной пайки (CAB и вакуум) с длительным нагревом предпочтительны припои с узким интервалом плавления: AlSi12 (BAlSi-4), AlSi10 (BAlSi-5). Для вакуумной пайки — модификации с магнием: BAlSi-7, BAlSi-9, BAlSi-11. Для пламенной и индукционной пайки допустимы припои с более широким интервалом, включая ER4043.

По основному металлу

Для сплавов серии 6ххх (АД31, АД33) с солидусом около 582–616 °C (в зависимости от конкретного состава) стандартные припои AlSi12 и AlSi10 обеспечивают достаточный температурный зазор. Для сплавов с солидусом ниже 595 °C следует рассмотреть припой BAlSi-3 (4145) с пониженной температурой процесса благодаря меди.

По требованиям к коррозионной стойкости

Бинарные Al-Si припои (без меди) обеспечивают наилучшую электрохимическую совместимость с алюминиевыми сплавами. Медьсодержащие припои (BAlSi-3, ER4145) снижают коррозионную стойкость шва и применяются только при обоснованной технологической необходимости.

По конструкции шва

Для узких капиллярных зазоров (0,05–0,15 мм) применяют эвтектические припои с высокой жидкотекучестью (AlSi12). Для широких зазоров (более 0,15 мм) допустимы припои с широким интервалом плавления (AlSi7, AlSi10), которые заполняют зазор за счёт «кашицеобразного» состояния в интервале солидус–ликвидус.

Перекрёстная таблица соответствия обозначений

AWS A5.8 (BAlSi)	AA (Aluminum Association)	EN AW (Европа)	AWS A5.10 (ER)	Примерный российский аналог
BAlSi-2	4343	EN AW-4343	—	—
BAlSi-3	4145	EN AW-4145	ER4145	—
BAlSi-4	4047	EN AW-4047	ER4047	СИЛ-0, СИЛ-1 (AlSi12)
BAlSi-5	4045	EN AW-4045	—	—
BAlSi-7	4004	—	—	—
BAlSi-9	4147	—	—	—
BAlSi-11	4104	—	—	—
—	4043	EN AW-4043	ER4043	—

Растворение основного металла и диффузия кремния

При пайке алюминия кремний из жидкого припоя диффундирует в основной металл, преимущественно по границам зёрен. Это локально снижает температуру плавления и может привести к растворению (эрозии) сердцевины — частичному проплавлению основного металла в зоне контакта с припоем. Растворение усиливается при повышенной температуре пайки, увеличении времени выдержки и избыточной толщине слоя припоя.

Контролировать растворение позволяют: минимально необходимая толщина плакировки (5–10 % от общей толщины листа); выдержка при температуре пайки не более 3–5 минут; точное соблюдение пиковой температуры (600 ±5 °C для CAB-пайки). Превышение рекомендуемой температуры даже на 10 °C критически усиливает эрозию, особенно в тонких сечениях рёбер теплообменников.

Припои с пониженным содержанием кремния (AlSi7 / EN AW-4343) менее агрессивны к сердцевине, чем эвтектические (AlSi12 / EN AW-4047). Поэтому для плакированных листов в серийном производстве теплообменников чаще используют AlSi10 (4045) — оптимальный компромисс между жидкотекучестью и степенью растворения.

Типичные дефекты паяных соединений алюминия

Ликвация припоя

Ликвация — это расслоение компонентов припоя при медленном нагреве через интервал плавления. Легкоплавкая эвтектика оттекает по капиллярам, оставляя нерасплавленный «скелет» из более тугоплавкой фазы. Визуально это выглядит как комки необтекшего припоя рядом со швом. Ликвация характерна для припоев с широким интервалом плавления (AlSi7, ER4043) при печной пайке. Решение — выбор припоя с узким интервалом (AlSi12, ER4047) либо увеличение скорости нагрева через диапазон 577–600 °C.

Пористость шва

Причины: загрязнение поверхности (масла, влага); недостаточная активность флюса; выделение растворённых газов из основного металла (особенно при пайке литых деталей). Для снижения пористости необходимо тщательное обезжиривание, применение флюса с достаточной активностью и контроль атмосферы в печи (содержание O₂ < 100 ppm, точка росы ≤ –40 °C для CAB-пайки).

Неполное заполнение зазора

Возникает при недостаточном количестве припоя, чрезмерном зазоре (более 0,2 мм для капиллярных соединений) или неравномерном нагреве. Припой движется по капиллярам от горячей зоны к холодной; если температура неравномерна, шов заполняется неполностью. Точная фиксация деталей и равномерный прогрев — обязательные условия.

Хранение и подготовка припоя к пайке

Алюминиевые припои Al-Si хранят в сухих помещениях в заводской упаковке. Перед пайкой поверхность прутков, проволоки и фольги должна быть обезжирена — остатки масел и загрязнения ухудшают смачивание и могут вызвать пористость шва. Для обезжиривания применяют ацетон, изопропиловый спирт или щелочные моющие растворы с последующей сушкой.

Плакированный лист обрабатывается в линии подготовки перед печной пайкой: термическое обезжиривание (250–300 °C для удаления масляной смазки после прокатки), нанесение флюса, сушка. Важно не превышать 250 °C при сушке, чтобы не допустить чрезмерного роста оксидного слоя.

При длительном хранении на поверхности алюминиевого припоя нарастает оксидная плёнка, ухудшающая растекание. Поэтому рекомендуется использовать припой в течение срока, установленного документацией, и хранить в закрытой упаковке вдали от влаги.