События последних лет, связанные с уходом с российского рынка многих иностранных компаний, как никогда остро поставили вопрос импортозамещения оборудования и материалов для технологии пайки. Анализу ситуации в пайке алюминиевых конструкций, поиску альтернативных разработок и решений отечественных фирм посвящена данная статья.

Игорь Николаевич Пашков, 
Союз профессиональных паяльщиков 
имени С.Н. Лоцманова (Москва)
 

Введение

За последние десять лет технология пайки алюминиевых сплавов в России отличалась довольно активным развитием. Особенно заметно оно было в производстве алюминиевых теплообменников — как для нужд автомобилестроения, так и грузового и строительного транспорта. Причем развитие было связано в основном с импортом оборудования (по большей части печей) и материалов для пайки. Технология пайки была обусловлена особенностями работы конкретных печей. Разработкой российского происхождения могла быть только конструкция изделий. Остальное, включая материалы для пайки — припои и флюсы, не отличалось оригинальностью и для мирового производства алюминиевых изделий являлось стандартным. Низкий уровень локализации производства автокомпонентов при наличии большого числа автомобильных заводов иностранных марок не способствовал развитию отечественных технологий и производству материалов.

Пайка изделий в других отраслях, таких как авиационная техника, приборостроение, напротив, сохраняла примерно одинаковый уровень объемов выпуска продукции на протяжении последних десятилетий. Производство такого типа отличается единичным и мелкосерийным характером. Поэтому проблема производства флюсов и припоев связана в основном с малой величиной рынка паяных конструкций.

Если проводить группировку по видам продукции, то можно все паяные алюминиевые конструкции разделить на две группы. Первая группа — это теплообменники, антенны и турбины, отличающиеся большой разветвленной поверхностью. Для их пайки в основном применяется печное оборудование. Вторая группа — это трубопроводы и волноводы. Соединения второй группы отличаются меньшей протяженностью, а также использованием в качестве источника нагрева газовых горелок, индукторов. Кроме различия в технологическом оборудовании эти группы могут отличаться видом используемых материалов, а также формой и способом дозирования припоя.

Производство алюминиевых теплообменников

Пайка алюминиевых теплообменников для различного вида транспорта и машин осуществляется в конвейерных и камерных печах. Выбор печи отличается производительностью процесса пайки, в конвейерных печах она значительно выше. Из конвейерных печей известны печи фирмы Mahler, из камерных — печи фирм Seco/Warwick и Sellokan (рис. 1). Некоторые виды теплообменника паяют без применения флюса в парах магния в вакуумных печах. В конвейерных и камерных печах теплообменники паяют в атмосфере азота с применением фторалюминатного флюса типа Nocolok. Применение пайки в среде азота позволяет значительно снизить расход флюса и достичь товарного внешнего вида изделий после выхода из печи. Фторалюминатный флюс является некоррозионным и не требует удаления с поверхности теплообменника после пайки. Большая площадь плоских поверхностей и разветвленность соединений обуславливает специфику применения припоев. Обычно используют трехслойный или двухслойный алюминиевый сплав, середина которого представляет собой сплав АМц (3003, 3004), а наружные слои — силумин, который является припоем (4043, 4045, 4047). Таким образом, основой процесса производства теплообменников является печное оборудование, которое от указанных выше фирм в настоящее время практически недоступно в России, однако есть китайские аналоги и основной плакированный алюминиевый сплав, который успешно производится в России.

а)                          

б) 
Рис. 1. Внешний вид камерной печи с атмосферой азота Sellokan [1] (а) и собранные теплообменники перед оправкой в печь (б)

Проблема состояла в приобретении флюса, который поставлялся в основном по импорту. Фторалюминатный флюс марки ФА40 производства ООО «АЛАРМ» давно выпускается в России, однако из-за особенностей технологического процесса в основном применялся для газопламенной и индукционной пайки. Дело в том, что кроме соблюдения химического состава, обеспечивающего удаление оксидной пленки, немаловажным фактором является способность флюса образовывать относительно устойчивые водные суспензии, что зависит от фазового состава флюса и технологии его изготовления. Основным способом нанесения флюса на теплообменник является нанесение форсунками или окунание изделия в суспензию определенной концентрации флюса в воде. Однородность суспензии обеспечивает равномерность нанесения флюса, одинаковость его концентрации во всех соединениях.

Союз профессиональных паяльщиков имени С.Н. Лоцманова (СПП) совместно с ООО «АЛАРМ» за последние три года разработал новую модификацию фторалюминатного флюса ФА‑45, который является аналогом флюса Nocоlok не только по фазовому составу, но и по способности формировать водные суспензии.

Конечно, при погружении изделий в ванну с 16–18% суспензией необходимо обеспечивать дополнительную циркуляцию для выравнивания состава и равномерности нанесения.

Таким образом, имеется возможность производства алюминиевых радиаторов на отечественных материалах.

Температура пайки силумином с применением фтор-алюминатного флюса составляет 605–615°С [2]. Такой процесс применим к техническому алюминию и сплавам 3000 серии (АМц), в некоторых случаях возможно применение к деформируемым сплавам АД31. Использование газопламенной пайки позволяет быстро спаять патрубки радиаторов (рис. 2). Однако следует иметь в виду, что отсутствие азота и осуществление пайки на воздухе требует увеличенного количества флюса и время пайки не должно превышать 40–45 с. В противном случае флюс теряет свою активность и пайка при длительном нагреве становится невозможной.

Рис. 2. Пайка патрубков радиатора с помощью фторалюминатного флюса газопламенным нагревом

Пайка турбин и корпусных изделий

Для изделий типа турбин и корпусов приборов можно применять печную пайку или пайку погружением в расплав флюса. Однако в последние десятилетия мировая тенденция направлена на замену флюсовых ванн из-за вреда окружающей среде и проблем с коррозией оборудования и помещений. Альтернативной заменой является пайка в печах с принудительной конвекцией. Время пайки таких деталей превышает 1 минуту, поэтому необходимо использовать флюсы на хлоридной основе, время работы которых больше по сравнению с фторалюминатными составами. В качестве припоя также применяется силумин в виде 50–60 мкм фольги, которая укладывается и фиксируется в паяльном зазоре или рядом. Флюс необходимо наносить в виде пасты кистью или шприцем. Применение хорошо известного флюса 34А [3] приводит к сильной эрозии поверхности изделий и высокой пористости соединений. В связи с этим СПП совместно с ООО «АЛАРМ» разработали серию флюсующих материалов «ФАЛК». Для пайки деталей турбин из сплава АВ (рис. 3) применяли флюс ФАЛК 2105. Пайку проводили в муфельной печи без принудительной конвекции. Фольга припоя укладывалась на ребра крыльчатки и смазывалась пастой флюса. Пайку проводили при температуре 610°С. Были получены хорошие паяные швы без дефектов.

а)                            

б) 
Рис. 3. Детали турбин из сплава АВ перед пайкой и вид паяных швов
 

Пайка трубопроводов и волноводов

Пайку трубопроводов целесообразно проводить с помощью газопламенного нагрева, волноводы также можно паять газовым пламенем или в печах с принудительной конвекцией, если позволяют размеры. Если изделия изготавливаются из сплава 3000 серии, то возможна пайка силумином с фторалюминатным флюсом, как в примере патрубков радиатора, однако часто в изделиях типа трубка-­наконечник в качестве наконечника выбирают более прочные сплавы, легированные магнием. При этом флюс должен хорошо удаляться после пайки, так как изделия оксидируют, а малейшее присутствие флюса на поверхности деталей препятствует успешному нанесению покрытия. Таким образом, необходимо применять хлоридные флюсы, остатки которых легко смываются водой. Но кроме этого, флюсы должны содержать активные добавки для удаления оксидной пленки с магнийсодержащих сплавов для обеспечения смачивания основного металла припоем и заполнения зазора. При содержании в алюминиевых сплавах до 1% по массе магния пайка может осуществляться силумином с флюсом, активированным для обеспечения хорошего смачивания расплавом припоя. При содержании магния в алюминиевом сплаве до 3% (АМг2  и АМг3) кроме активного флюса необходимо применять припои с пониженной температурой ликвидуса для избежания разрушения основного материала при нагреве до высоких температур. Так были разработаны флюсы ФАЛК 21Ц и ФАЛК 2115. Первый применялся для пайки трубки из 3003 сплава со штуцером из сплава, легированного 1% магния (рис. 4а) с помощью припоя на основе эвтектического силумина. Второй флюс хорошо показал себя при пайке трубок и штуцеров из сплава 5251 (АМг2). Однако из опасности прожога деталей использовали припой системы алюминий – ­кремний – медь с температурой пайки 570°С в виде колец (рис. 4б).

а)            

б)   
Рис. 4. Пайка трубок с наконечниками: а) припой силумин СИЛ 0 + флюс ФАЛК 21Ц, 
б) припой AlCu26Si7 + флюс ФАЛК 2115
 

Пайка волноводов из алюминиевых сплавов может проходить как погружением в расплав флюса 16ВК, так и в печах с принудительной конвекцией. Можно паять и газовыми грелками, однако при среднесерийном производстве для уменьшения количества брака необходимо отдавать предпочтение печной пайке. Дело в том, что толщина фланцев волноводов обычно значительно превышает толщину канала, и возникают проблемы из-за неравномерности разогрева частей с различной массой. Печи с принудительной конвекцией как раз позволяют успешно решить данную проблему.

Вторая трудность, с которой можно столкнуться при пайке волноводов, это форма применяемого припоя и его фиксация в зоне шва. Наиболее доступная форма силуминового припоя — фольга толщиной 50–60 мкм, которая может быть получена прокаткой или с помощью высокоскоростного затвердевания на вращающемся диске [4]. Проволока отечественного производства в России отсутствует. Изготавливать закладные элементы из алюминиевых сплавов не очень удобно из-за мягкости материала и плохой переносимости транспортировки. Одним из способов решения проблемы закладных элементов является применение пастообразных припоев, состоящих из порошка силумина, флюса и органической связки. После нанесения пасты на соединяемые детали сборку необходимо просушить для испарения связки и поместить в конвекционную печь. На рис. 5 представлена часть волновода (рис. 5а), спаянного с помощью паяльной пасты, содержащей порошковый припой СИЛ 0, флюс ФАЛК 2105 и органическую связку. На рис. 5б изображено устройство для автоматического нанесения пасты на изделия, разработанное и поставляемое СПП. Паста подается через игольчатую насадку пистолета из бункера с помощью давления воздуха. Дозирование регулируется временем открытия клапана и скоростью подачи пасты. Использование порошковых материалов позволяет устранить дефицит закладных элементов и осуществить механизацию и автоматизацию процесса дозировки припоя.

а) 

б) 

Рис. 5. Внешний вид паяного соединения волновода с помощью паяльной пасты (а) и устройство для автоматического дозирования паст (б)

Заключение

В России имеются в настоящее время все возможности для серийного производства различных теплообменников из алюминиевых сплавов, включая отечественное производство плакированного припоем сплава для сборки изделий, наличие производства фтор-
алюминатного флюса ФА‑45 для реализации процесса печной пайки в атмосфере азота.

Имеются решаемые проблемы в наличии производства фольги припоев для пайки алюминиевых сплавов и проволоки. Это связано, скорее всего, с малыми объемами потребления.

Одним из способов решения дефицита закладных элементов из лент и проволоки является развитие производства пастообразных припоев, которое кроме импортозамещения колец припоя, например, предоставляет более широкие возможности в реализации автоматизации процессов сборки и пайки.

Литература

1. https://www.sellacan.de/index.php/en/soldering/cab-batch-type-furnace
2. Справочник по пайке / Под ред. И.Е. Петрунина. 3‑е изд. М.: Машиностроение, 2003. 480 с.
3. Флюсовая пайка алюминия. Е. И. Сторчай, М.: Машиностроение, 1980. С. 126.
4. Избранные задачи современного материаловедения: кластеры: покрытия: порошки: композиты: неразъемные соединения. Пробел‑2000, Москва, C. 2014. С. 484.

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 3-2024