Паяння

Визначення і загальна характеристика

ПАЯ́ННЯ — технологія нерозʼємного зʼ­єд­на­н­ня матеріалів. П. здійснюють із за­стосува­н­ням припою, що при на­гріван­ні роз­плавляється, змочує, роз­тікається та заповнює місця зʼ­єд­на­н­ня (зазор) деталей. Припій має температуру плавле­н­ня нижчу, ніж матеріали виробів, а при охолоджен­ні кри­сталізується і утворює паяний шов. Вина­йде­н­ня П. роз­ширило номенклатуру зʼ­єд­нуваних матеріалів, стали можливі зміна умов під­веде­н­ня енергії, викори­ста­н­ня значної кількості джерел на­гріва­н­ня, без їхнього пере­міще­н­ня при виконан­ні зʼ­єд­нань 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 зʼ­єд­нувальних 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 зʼ­єд­нували за допомогою зварювальних стикових і точкових машин, що до­зволяли з високою точністю витримувати час і температуру на­гріва­н­ня. При великій теплоємкості деталей, що зʼ­єд­нують, 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 зʼ­єд­нують. Крім металів, у печах можна створювати надійні зʼ­єд­на­н­ня 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 зʼ­єд­на­н­ня 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 зʼ­єд­нань 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 зʼ­єд­на­н­ня. 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 зʼ­єд­на­н­ня 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-оловʼяним 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, зʼ­єд­на­н­ня 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 зʼ­єд­нан­ні 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 зʼ­єд­нань 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 зʼ­єд­нати 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.

Літ.: Рыбаков Б. А. Ремесло Древней Руси. Москва; Ленин­град, 1948; H. Maryon. Metal working in the ancient world // Amer. J. Archeol. 1949. № 2; Лашко Н. Ф., Лашко-Авакян С. В. Пайка метал­лов. Москва, 1959; Гзелишвили И. А. Железоплавельное дело в Древней Грузии. Тбилиси, 1964; Хорунов В. Ф., Малевский К. Б., Несмих В. С., Синица Н. Н. Влияние некоторых технологических параметров на процесс сварки-пайки // Автоматическая сварка. 1968. № 11; Несмих В. С., Малевский Ю. Б., Губенко Б. Г., Хорунов В. Ф. Контактно-ре­активная пайка меди с тугоплавкими метал­лами // Там само. 1970. № 8; Хорунов В. Ф., Кужель A. В., Малевский Ю. Б. Изготовление паяных слоистых кон­струкций // Там само. 1974. № 11; P. M. Roberts. Early evolution of brazing. Pt. 2 // Welding and Metal Fabric. 1974. № 12; Сварка и пайка элементов полу­проводниковых приборов и интегральных микросхем. К., 1974; Пузрин Л. Г., Бойко Г. А., Атрошенко М. Г. Автовакуумная высокотемпературная пайка. К., 1975; Аврамченко П. Ф., Величко О. А., Моравский В. Э. Импульсная лазерная пайка проводников с пленками в микpo­приборостроении // Автоматическая сварка. 1978. № 5; Патон Б. Е., Гвоздецкий В. С., Дудко Д. А. и др. Микроплазмен­ная сварка. К., 1979; Новые до­стижения в области пайки. К., 1981; Еринов А. Е., Сорока В. Л., Петишкии С. А. и др. Механизирован­ная пайка теплооб­мен­ников твердыми припоями с использованием природного газа, сжигаемого в смеси с воздухом // Автоматическая сварка. 1982. № 12; Балакин В. И. Применение электролизно-водных генераторов при пайке, резке и сварке // Там само. 1986. № 8; Пащенко М. А., Фрумин Е. И., Базильский С. В. Индукцион­ная пайка шарошек геологических долот в ра­сплаве флюса // Там само. 1987. № 5; Терентьев В. А., Шапенков В. Г., Зубков Н. С. Совершенствование технологии дуговой сваркопайки // Там само. 1990. № 7; Лебедев В. К., Письмен­ный А. С., Мартынова Т. И. Опыт использования композицион­ного припоя для сварки-пайки давлением // Там само. 1992. № 9/10; Хорунов В. Ф., Лапчинский В. Ф., Швец В. И., Шулым В. Ф. Технология низкотемпературной вакуумной пайки узлов решетчатых фермен­ных кон­струкций из алюминиевых сплавов // Там само. 1993. № 2; Хорунов В. Ф., Шаль Дзиго. Сварка и пайка различных материалов с использованием светового луча дуговых ксеноновых ламп // Там само. 1995. № 5; Хорунов В. Ф. Пайка: до­стижения и пер­спективы // Там само. 1998. № 11; Хорунов В. Ф., Швец В. И., Буланцев А. Р., Гавриш С. С. Особен­ности формирования паяных соединений тонкостен­ных кон­струкций в космосе // Там само. 1999. № 10; Хорунов В. Ф., Максимова С. В., Зволинский И. В., Самохин М. С. Высокотемпературная пайка жаро­прочных никелевых сплавов с использованием дугового нагрева // Зб. наук. пр. Укр. мор. тех. ун-ту. 1999. № 6; Тисячна Н. Золота еволюція України // День. 2004. № 94; Максимова С. В. Аморфные припои для пайки нержавеющей стали и титана и структура паяных соединений // Адгезия ра­сплавов и пайка материалов. 2007. № 40; Хорунов В. Ф. Основы пайки тонкостен­ных кон­струкций из высоколегирован­ных сталей. К., 2008; Єрмолаєв Г. В., Квасницький В. В., Квасницький В. Ф., Максимова С. В. Пая­н­ня матеріалів: Під­руч. М., 2015; Ма­градзе Ер. О старейшей технологии пайки на примере археологических находок — золотого кубка из Триалети и муфеля из Квацхели // Автоматичне зварюва­н­ня. 2020. № 4.

С. В. Максимова

Завантажити статтю