Паяння

Визначення і загальна характеристика

ПАЯ́ННЯ  — технологія нероз’ємного з’єднання матеріалів. П. здійснюють із застосуванням припою, що при нагріванні розплавляється, змочує, розтікається та заповнює місця з’єднання (зазор) деталей. Припій має температуру плавлення нижчу, ніж матеріали виробів, а при охолодженні кристалізується і утворює паяний шов. Винайдення П. розширило номенклатуру з’єднуваних матеріалів, стали можливі зміна умов підведення енергії, використання значної кількості джерел нагрівання, без їхнього переміщення при виконанні з’єднань складної форми. У деяких випадках П. здійснюють за допомогою тиску, а кромки розплавляють однією з деталей. Порівняно зі зварюванням, можливе надійніше збереження експлуатаційних та інших властивостей матеріалу виробів.

П. розрізняють: за температурою — низькотемпературне (до 450 ^°С) та високотемпературне (понад 450 ^°С); за величиною зазору — капілярне та некапілярне; за джерелом нагрівання — пальником, струмом високої частоти, електроопором, лазером, дугою, плазмою, нагрівальними матами, світловим та інфрачервоним променями, зануренням у розплавлений припій (або сіль) та ін.; за середовищем — у захисних газах, з використанням флюсового захисту, у вакуумі; за особливостями формування паяного шва — готовий припій, припій, що формують при контактній взаємодії з’єднувальних матеріалів або флюсів і прокладок (контактно-реактивне П.); за застосуванням припоїв у різних станах — полікристалічному, аморфному, нанокристалічному.

Метало-керамічні вузли виготовляють за допомогою багатоступеневого П., що складається з нанесення на поверхню кераміки паст тугоплавких металів і їх випалювання. Завдяки цьому отримують металеве покриття, що змочується звичайними твердими припоями. Для авіабудування розроблено безфлюсове П. титанових сплавів твердим припоєм з алюмінієвого сплаву, що забезпечило високу якість трубопровідних систем. Для виробництва панелей центропланів винищувачів водночас використовують контактне точкове зварювання та П.

Зброю, реманент, прикраси та інші вироби виготовляли за допомогою П. понад 4 тисячі років тому, про що свідчать археологічні розкопки на території Месопотамії, Єгипту, Кавказу, Греції та інших регіонів, зокрема й в Україні (скіфські кургани). Низку артефактів, що підтверджують застосування П. в Грузії наприкінці 4 — 3 тисячолітті до нашої ери, зібрав грузинський учений Ер. Маградзе. В епоху пізньої античності (2–4 ст.) та у Середньовічній Греції, Китаї, Індії, ісламських країнах алхіміки розробили базовий набір лабораторних методів прикладних досліджень, зокрема й у галузі П. металів. Перські вчені Джабір ібн Хайян (8 ст.), Ар-Разі (9 ст.) створили теорію про початкові елементи. Відомо про застосування П. бенедиктинським монахом Теофілусом (11–12 ст.). У Європі (Фома Аквінський, Альберт Великий та ін.) методи П. були розвинуті завдяки перекладам середньовічних ісламських наукових праць. У історичних джерелах описано застосування П. італійським ювеліром і скульптором Бенвенуто Челліні (15 ст.), грузинським царем Вахтангом VI (17–18 ст.). Багато століть основним джерелом нагрівання було горіння біологічного палива. У 2-й половині 19 ст. фахівці у галузі електротехніки для П. запропонували використання електричної енергії (О. де Мерітан у Франції та М. Бенардос в Україні), пізніше — світловий і лазерний промені. Від початку 20 ст. П. електроопором виконували для потреб електротехнічної промисловості та приладобудування. Тривалий час дроти, пластини, каркаси та інші вузли з’єднували за допомогою зварювальних стикових і точкових машин, що дозволяли з високою точністю витримувати час і температуру нагрівання. При великій теплоємкості деталей, що з’єднують, можна багаторазово повторювати подавання імпульсів струму. До 1920 були розроблені 3 схеми нагрівання: при безпосередньому проходженні струму через деталі, що паяють; при пропусканні струму через одну з деталей з нагріванням другої шляхом теплопередавання; при розігріванні струмом спеціального нагрівача цих деталей. У 1940–50-х рр. значно удосконалили індукційне П., що найбільше застосовували для потреб електротехнічної і авіаційної промисловостей. П. латунними припоями конкурувало з дуговим і газовим зварюваннями сталевих конструкцій, а П. конструкцій і ремонт двигунів з алюмінієвих сплавів здійснювали легкоплавкими припоями з алюмінієвих сплавів. Досить часто застосовували П. для ремонту військової техніки у роки 2-ї світової війни. Після її закінчення почався бурхливий розвиток П., спричинений технічним прогресом в атомній, ракетній, авіаційній, верстатоінструментальній, радіоелектронній та інших галузях. Наприкінці 1960-х — на початку 1970-х рр. П. металів перетворено на високопродуктивний, конструктивний, технологічний і економічний процес.

Значний внесок у розвиток технологій П. (від 1971) зробили науковці Інституту електрозварювання НАНУ (Київ). Вони вперше у світі провели низку оригінальних наукових досліджень, розробили багато технологій, пропоїв та зразків обладнання.

У 2-й половині 20 ст. в судно-, ракето- й авіабудуванні почали широко використовувати титанові й алюмінієві сплави, в атомній енергетиці, кріогенній техніці, електроніці та інших галузях, що стрімко розвивалися, — цирконієві, вольфрамові, нікелеві й інші сплави, високоміцні сталі. При виготовленні та ремонту цих виробів у багатьох випадках П. виявилося найбільш оптимальним і часто незамінним технологічним процесом. У 1940-х рр. започатковано П. з розміщенням виробів у печах і камерах, на відкритому повітрі та з локальним захистом, з використанням флюсів, спеціальних покриттів тощо, розроблено багатокамерні, шахтні, двоковпакові й ін. печі. Значно розширено можливості П. завдяки створенню печей з глибоким вакуумрегулюванням і печей з пристроями для стиснення деталей, що з’єднують. Крім металів, у печах можна створювати надійні з’єднання металів з керамікою і керметами. У 1960-х рр. розроблено технологію П. у печах металокерамічних вакуумно-щільних виробів; у 1970-х рр. — технологію П. у вакуумних печах (для з’єднання корундової кераміки з залізо-нікелевими сплавами при виготовленні приладів; для виробництва авіаційних конструкцій з титанових сплавів і деталей газотурбінних двигунів із жароміцних сплавів). П. вузлів сопел і камер згорання, лопаток турбін і компресорів з дисперсійно-зміцнюваних жароміцних сплавів виконують композиційними припоями в середовищі з суміші аргону та продуктів розкладання галогенідів у контейнерах, розміщених у печі, а також припоями з компонентами, що виконують легування з парової фази (В. Хорунов, Київ; Б. Перевезенцев, м. Тольятті, РФ). Особливо точне регулювання параметрів режиму нагрівання та металургії процесів досягнуто при контактно-реактивному паянні, зокрема для виробництва приладів з деталями, виготовленими з молібдену, вольфраму і міді, покритими золотом або сріблом (В. Хорунов та ін.). Для П. деталей з міді і латуні створено припої систем Cu–P–Sn, Cu–Zn–P–Ni; для П. нержавіючих сталей, міді і сталі — Cu–Zn–Sn, Cu–Zn–Mn. Часто почали використовувати електроконтактне безфлюсове П.

У 1960-х рр. в Інституті електрозварювання АН УРСР розроблено устаткування для дифузійного П. у вакуумі з індукційними та радіаційними нагрівачами. У 1980-х рр. для потреб суднобудування введено в експлуатацію високовакуумне устаткування для дифузійного П., розроблене фахівцями Миколаївського кораблебудівного інституту (В. Квасницький та ін.) і низки спеціалізованих НДІ. Індукційне П. забезпечує високу якість з’єднань з припоями на основі менш вартісних компонентів, порівняно зі сріблом; рівномірне розігрівання та швидке проникання припою в тонкостінні вироби складної форми; одержання композитів у вигляді закладного елементу з композиційного припою.

На початку 1970-х рр. в Інституті електрозварювання АН УРСР розроблено технологію та обладнання для зварювання–П. на основі високочастотного нагрівання. За допомогою обладнання для високочастотного П. з використанням тиску виготовляють такі великогабаритні вироби, як ротори турбін (В. Лебедєв, Л. Пузрін, Г. Бойко); труби (В. Лебедєв, В. Табелєв, О. Письменний). При достатньому пластичному деформуванні в зоні стику вдається досягнути рівноміцного з основним металом з’єднання. 1964 в Інституті електрозварювання АН УРСР створено мікроплазмове зварювання, зокрема й вперше в світі зварювання різнополярними імпульсами (Б. Патон, В. Гвоздецький та ін.). За допомогою такого процесу можна досягнути локального нагрівання, тому його використовують для П. тонкостінних алюмінієвих сильфонів, ювелірних виробів, деталей електронних приладів з мінімальним вигоранням і випаровуванням припоїв в інертних газах.

У 1960-х рр. в Інституті електрозварювання АН УРСР розроблено технологічний процес виготовлення пластинчасто-ребристих конструкцій для потреб енергетики, авіабудування та ракетно-космічної техніки. При його застосуванні нагрівання виробу до температури розплавлення припою здійснюють в вакуумній печі парою гофрованих пластин, ізольованих від виробу. Українські вчені також запропонували використовувати як нагрівачі графітові пластини, що стискують виріб у процесі нагрівання. Додатково виріб можна нагрівати тліючим розрядом. Таке комбіноване устаткування дозволяє виконувати П. теплообмінних і решітчастих конструкцій з різних матеріалів.

Для виготовлення напівпровідникових приладів був розроблений оригінальний спосіб, що ґрунтується на нагріванні місця П. джоулевим теплом, причому як нагрівний елемент використовують напівпровідникову структуру, через яку пропускають електричний струм у прямому напрямку відносно р-n-переходу (О. Россошинський, В. Лебіга, В. Кислицин та ін.). Теплову енергію, що виділяється при проходженні струму, застосовують й в ін. видах П. (хвилею припою, автовакуумне, в розплавленому флюсі, електропаяльниками).

Розроблено П. неорганічних діелектриків, керметів і інших матеріалів з металами. Для виробництва надпотужної електроніки, електровакуумних приладів, потужне устаткування ядерної енергетики, виробів термоядерного синтезу і прискорювальної техніки створено способи П., що забезпечують високу температуростійкість, механічну міцність тощо.

Перші технології й устаткування для електронно-променевих технологій розроблені в 1950-х рр. у Франції (Дж.-А. Стар, Дж. Бріол), США (В.-Л. Вимен), згодом — в Інституті електрозварювання АН УРСР (Б. Мовчан, Д. Рабкін, С. Гуревич, О. Назаренко, С. Загребенюк). Електронно-променеве П., розроблене українськими вченими, почали використовувати для виготовлення високоточних виробів, зібраних з тонкостінних і різнотовщинних елементів, вузлів і конструкцій з активних і тугоплавких металів (В. Хорунов, Ю. Малевський та ін.). Під час електронно-променевого П. великих площ з’єднання здійснюють унаслідок сканування потоку електронів. Наприкінці 1980-х рр. в Інституті електрозварювання АН УРСР створено технологію електронно-променевого П. масивних деталей складної конфігурації космічних конструкцій з алюмінієвих сплавів з нікель-мідним і нікель-олов’яним покриттям, коліс відцентрових компресорів. Під керівництвом Б. Патона (В. Лапчинський, Ю. Асніс, А. Загребельний, В. Хорунов) розроблено електронно-променеве устаткування та технології П. виробів, зокрема й конструкцій орбітальних комплексів, в умовах космосу.

У 1970-х рр. в Інституті електрозварювання АН УРСР запропоновано технології П. електронної техніки, з’єднання тонких дротинок з тонкими плівками, а також утворення омічних контактів у кристалах інтегральних схем, приєднання «павучка» до кулькових виводів інтегральних схем (В. Гаращук, О. Величко, П. Авраменко). Від 1980-х рр. П. лазерним променем використовують у виробництві сталевих конструкцій, наприклад, при з’єднанні листів кузовів автомобілів (В. Хорунов, В. Шелягін, С. Максимова, В. Хаскін та ін.).

1973 В. Лебедєв розпочав роботи зі створення малогабаритних газогенераторів водню та кисню, що утворюються при електролізі води. Були випущені декілька моделей газогенераторів біполярного типу продуктивністю до 1,0 м³/год. (В. Балакін, В. Кислицин, О. Мусін) і монополярних газогенераторів продуктивністю до 1,8 м³/год.

На основі дослідження потрійних систем сплавів (Ni–Cr–Zr, Ni–Cr–Hf) українськими науковцями створені нові припої для П. виробів із жароміцних нікелевих сплавів (В. Хорунов, С. Максимова), вакуумного П. перспективних жароміцних інтерметалідних, дисперснозміцнених сплавів, вуглецевих матеріалів, сплавів на основі титану та алюмінію. Нові припої для П. титанових сплавів, зокрема інтерметалідних, дозволили отримати сполуки за структурою та властивостями подібні до основного металу. Створено реактивний флюс, що дозволяє проводити П. алюмінію без введення припою за рахунок змочування флюсом поверхні алюмінію. Технологію П. застосовано в кріогеніці, авіації, автомобілебудуванні та інших галузях промисловості. Технологію П. алюмінію з нержавіючої сталі впроваджено на підприємстві «Кислородмаш» (Одеса). Для низькотемпературного флюсового П. алюмінію вперше синтезовано новий клас комплексних тетрафторборатів (В. Хорунов, С. Максимова, О. Сабадаш).

В Інституті електрозварювання НАНУ виконано низку спеціальних проєктів. Так, розроблено унікальний комплекс (конструкція, матеріали, обладнання) технологічного процесу виготовлення нового типу аеродинамічних поверхонь — ґратчастих кермів ракет (В. Хорунов, І. Володимирська та ін.). Був підготовлений та успішно здійснений на космічній станції «Салют-7» експеримент з П. на навколоземній орбіті (В. Хорунов, В. Швець). У рамках міжнародного проєкту «Токомак» розроблено припої та технологію П. різнорідних сполук дивертора установки термоядерного синтезу (дисперсно-зміцнена мідь–вольфрам та графіт–молібден), що дозволило забезпечити працездатність різнорідних паяних з’єднань в умовах жорсткого термоциклічного навантаження. Створено припої та технології виготовлення доліт з алмазно-твердосплавними різцями, внаслідок чого вдалося в кілька разів збільшити величину проходження свердловин (В. Хорунов, Б. Стефанів, С. Максимова, О. Сабадаш). Автовакуумне П., створене в Інституті електрозварювання НАНУ (Б. Патон, Б. Медовар), 1983 застосовано на Маріупольському заводі важкого машинобудування для облицювання всередині нержавіючою сталлю контейнерів для перевезення відпрацьованого ядерного палива.

Для виготовлення виробів особливого призначення в Інституті електрозварювання НАНУ було створено накидні камери для зварювання та П. труб із високореакційних металів і їх сплавів. Проведені дослідження дозволили розробити припої та технології П. в контрольованій атмосфері, використовувати зварювальні джерела нагрівання, процеси П. матеріалів (зокрема й різнорідних сплавів), що не можна з’єднати зварюванням, виробів складної конфігурації. Припої без срібла застосовують у суднобудуванні, оборонних галузях, а також для виготовлення товарів народного споживання.

1993 розроблено технології та припої для П. різнорідних металів (сталь–мідь, молібден–графіт, вольфрам–графіт тощо), виробництва алюмінієвих автомобільних радіаторів, ремонтування сталевих і титанових трубопроводів у космосі. Створено припої та технологічний процес вакуумного П. тонкостінних конструкцій з корозійностійкої сталі для потреб авіації, П. матеріалів на основі інтерметалідів титану і нікелю (В. Хорунов, С. Максимова, В. Воронов). Розроблено реактивний флюс і технологію реактивно-флюсового П. тонкостінних алюмінієвих конструкцій різного призначення (В. Хорунов, О. Сабадаш, С. Максимова).

Значний вклад у дослідження П. зробили фахівці Приазовського технічного університету (м. Маріуполь Донецької обл.). Розвитком П. нині займаються науковці Національного університету кораблебудування (Миколаїв), Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут», Інституту проблем матеріалознавства НАНУ (Київ) та ін.

Завантажити статтю