Пайка меди и медных сплавов: припои, флюсы, режимы пайки

Пайку меди и медных сплавов делят по температуре на две группы: мягкую оловянными припоями до 450 °C и твёрдую серебряными и медно-фосфорными припоями выше 450 °C. Граница в 450 °C — не формальность: она разводит способы по прочности шва (30−50 МПа у мягкой против 200−350 МПа у твёрдой), по оснастке и по области применения. Ниже разбираем, какой припой брать под медь, латунь и бронзу, какие флюсы нужны, на каких режимах паять и откуда берутся непропай, поры и водородное растрескивание кислородсодержащей меди.

Что такое пайка меди и чем мягкая отличается от твёрдой

Пайка — соединение деталей расплавленным припоем, который смачивает основной металл и затягивается в зазор капиллярными силами, не расплавляя сами детали. Температура плавления припоя всегда ниже, чем у меди (1083 °C), поэтому медь остаётся твёрдой, а шов образует только припой. Этим пайка отличается от сварки, где плавится сам металл.

По ГОСТ припои и способы делят по температуре плавления припоя на две группы, и граница проходит по 450 °C:

• Мягкая пайка — припои с температурой плавления до 450 °C, в основном оловянные и оловянно-свинцовые. Низкий нагрев, простой инструмент (паяльник, маломощная горелка), но прочность шва скромная — 30−50 МПа на срез.
• Твёрдая пайка — припои с температурой плавления выше 450 °C: серебряные, медно-фосфорные, медно-цинковые. Нужна горелка или печь, зато шов держит 150−350 МПа и работает при повышенных температурах.

Медь и медные сплавы паяются хорошо — у меди высокая теплопроводность (390 Вт/(м·К)) и припой растекается ровно. Сложность вносит не сама пайка, а две вещи: оксидная плёнка, которую снимает флюс, и поведение кислородсодержащей меди при нагреве в водороде. Обе разберём ниже.

Выбор припоя под материал: медь, латунь, бронза

Припой подбирают под основной металл и под требования к шву — прочность, рабочую температуру, герметичность. Универсального решения нет: то, что хорошо ложится на чистую медь, плохо работает на латуни с высоким цинком.

Подбор идёт от металла. На чистой меди работает всё, и здесь выгодны медно-фосфорные припои МФ и ПМФ: фосфор сам восстанавливает оксид меди, флюс не нужен, а шов держит 150−250 МПа. На латуни эти припои не применяют — с цинком фосфор даёт хрупкие фосфиды, поэтому латунь паяют серебряными ПСр или медно-цинковыми ПМЦ под флюсом. Бериллиевую бронзу БрБ2 и другие легированные бронзы паяют серебряными припоями: оксидная плёнка на них плотная, и нужен активный флюс плюс точный нагрев, чтобы не перегреть и не потерять упрочнение.

Прочность шва определяет тип припоя, а не марка меди:

Мягкий шов теряет прочность уже при 100−120 °C — олово размягчается задолго до плавления. Поэтому нагруженные и горячие узлы паяют твёрдым припоем, а мягкую пайку оставляют герметизации и электрическим соединениям, где нагрузка на шов мала.

Флюсы для пайки меди и сплавов

Флюс снимает с поверхности оксидную плёнку и защищает её от повторного окисления при нагреве, чтобы припой смачивал чистый металл. Без флюса припой собирается в каплю и не растекается — оксид меди он не смачивает. Флюс подбирают под температуру пайки и под металл.

Для мягкой пайки меди в электронике берут канифоль и канифольные флюсы (ЛТИ-120) — они некоррозионные, остатки не разрушают шов. Для общей пайки меди и латуни применяют активные флюсы на основе хлористого цинка ZnCl₂ (паяльная кислота): они снимают плотный оксид, но остатки коррозионны и их смывают.

Для твёрдой пайки нужны высокотемпературные флюсы:

• Бура (тетраборат натрия Na₂B₄O₇) — классический флюс для серебряной и медно-цинковой пайки, активна примерно от 740 °C. Под низкоплавкие серебряные припои её смешивают с борной кислотой.
• Флюс ПВ-209 на основе фтороборатов — работает от 550 °C, подходит под серебряные припои ПСр-40 и ПСр-45 с низкой температурой плавления.
• Медно-фосфорные припои на чистой меди флюса не требуют — фосфор играет роль раскислителя. Но как только в стыке появляется латунь или бронза, флюс обязателен.

Остатки активных и высокотемпературных флюсов после пайки удаляют промывкой — они гигроскопичны и со временем дают коррозию шва.

Режимы пайки и где её применяют

Режим пайки — это температура нагрева, зазор в стыке и среда. Температуру нагрева держат на 30−50 °C выше точки плавления припоя, чтобы он полностью расплавился и растёкся, но не перегревают: перегрев испаряет цинк из латунных припоев и выжигает флюс. Капиллярный зазор под твёрдую пайку выдерживают в пределах 0,05−0,2 мм — в широком зазоре припой не затягивается и шов выходит рыхлым.

Способы нагрева под медь и сплавы:

• Паяльником — мягкая пайка тонких деталей, проводов, выводов на плате.
• Газовой горелкой — мягкая и твёрдая пайка труб, узлов, фитингов; основной способ в монтаже.
• В печи или индуктором — серийная твёрдая пайка, в том числе в защитной или восстановительной атмосфере для ответственных узлов.

Отрасли, где пайку меди и сплавов ведут постоянно. В сантехнике и отоплении медные трубы по ГОСТ 617–2006 паяют твёрдым медно-фосфорным припоем — стык держит давление и не требует флюса. В холодильной технике и кондиционировании медные магистрали паяют припоями МФ и ПМФ: швы работают на фреоне под давлением. В электротехнике и электронике мягкой пайкой ПОС соединяют провода, шины, выводы — здесь важны проводимость контакта и низкий нагрев. В теплообменниках и радиаторах паяют медь и латунь серебряными припоями ради прочного герметичного шва. Отдельная область — вакуумные и СВЧ-узлы из бескислородной меди М0б, где пайку ведут в водородной печи и кислородсодержащая медь недопустима.

Дефекты пайки: непропай, поры и водородная болезнь

Три дефекта закрывают почти весь брак при пайке меди.

Непропай — припой не заполнил часть стыка или не сцепился с металлом. Причины: плохо снятый оксид (мало флюса или он выгорел), широкий или неравномерный зазор, недогрев. Шов выходит с пустотами, теряет прочность и герметичность. Лечится зачисткой, правильным флюсом и выдержкой зазора 0,05−0,2 мм.

Поры — газовые пузыри в шве. Их даёт перегрев припоя, влага во флюсе и испарение цинка из латунных и медно-цинковых припоев. Пористый шов течёт под давлением и плохо проходит ультразвуковой контроль. Снижают перегрев и берут сухой флюс.

Водородная болезнь кислородсодержащей меди — особый дефект, привязанный к марке меди. В технической меди М1 (Cu-ETP) кислород 0,02−0,04% сидит по границам зёрен в виде закиси меди Cu₂O. При твёрдой пайке в восстановительном пламени или водородной печи водород проникает в металл, реагирует с Cu₂O и образует водяной пар. Пар заперт внутри, распирает границы зёрен и рвёт их — околошовная зона покрывается трещинами и теряет герметичность. Поэтому узлы, которые паяют твёрдым припоем в водороде или восстановительной среде, делают из бескислородной меди М0б (Cu-OF) по ГОСТ 859–2014: закиси в ней практически нет, и реагировать водороду не с чем. При мягкой пайке паяльником нагрев низкий и до водородной болезни дело не доходит, но для твёрдой пайки в водороде выбор марки меди решает всё.

Стандарты на припои и контроль качества

Припои нормируют по типам отдельными ГОСТами, а основу под пайку (медь, латунь, бронзу) — стандартами на марки. Ниже — типы припоев с назначением и температурой плавления; по ним и ориентируются при выборе под задачу.

Основные стандарты по припоям и основе:

Медно-фосфорные припои у разных производителей идут по техническим условиям, и точную марку под задачу технолог подтверждает по сертификату. Контроль паяных швов на ответственных узлах ведут ультразвуком по ГОСТ 14 782–86 — метод отсеивает непропай и поры до того, как узел уйдёт на сборку. Каждую партию меди и сплавов СМ отгружает с сертификатом химсостава по ГОСТ 859–2014 и ультразвуковым контролем, что для пайки важно вдвойне: марка меди определяет, выдержит ли шов нагрев в водороде.

Мягкая или твёрдая пайка: как выбрать

Выбор между мягкой и твёрдой пайкой сводится к четырём решениям: прочность шва, рабочая температура, оснастка и стоимость.

Мягкую пайку выбирают, когда нагрузка на шов мала, а нагрев деталей нежелателен: электрические соединения, выводы, тонкостенная герметизация. Её плюс — простой инструмент и температура ниже точки отпуска большинства сплавов, поэтому деталь не теряет свойств.

Твёрдую пайку берут там, где шов нагружен или работает горячим: медные трубы под давлением, теплообменники, фитинги, ответственные узлы. На чистой меди выгоднее медно-фосфорные припои — они самофлюсующиеся и дешевле серебряных. Для латуни, бронзы и разнородных стыков нужны серебряные ПСр под флюсом: они дают самый прочный и пластичный шов, держат 200−350 МПа и работают до 300 °C.

Отдельно стоит выбор марки меди под твёрдую пайку в восстановительной среде. Здесь решает основа: кислородсодержащая М1 даст водородное растрескивание, поэтому под такую задачу берут бескислородную М0б. По нашей практике эту проверку марки делают в первую очередь, до подбора припоя и флюса.

Заключение

Пайка меди и медных сплавов держится на одном выборе: мягкая оловянными припоями ПОС до 450 °C с прочностью шва 30−50 МПа — под электронику, герметизацию и ненагруженные стыки; твёрдая серебряными ПСр и медно-фосфорными МФ выше 450 °C с прочностью 150−350 МПа — под трубы под давлением, теплообменники и нагруженные узлы. На чистой меди выгодны самофлюсующиеся медно-фосфорные припои, на латуни и бронзе — серебряные под флюсом. Отдельно проверяют марку меди: под твёрдую пайку в восстановительной среде идёт только бескислородная М0б, иначе кислородсодержащая М1 даст водородную болезнь.

Технологи СМ подбирают марку меди и форму поставки под способ пайки и подтверждают химсостав сертификатом по ГОСТ 859–2014 с ультразвуковым контролем партии.

Статью подготовили

Автор: Сергей Ковриго

Эксперт в области: медь и медные сплавы, технологии пайки

Редактор: Роман Отроков

Эксперт в области: металлургия цветных сплавов

Технолог «Специальные Материалы»