Зварювання та пайка

Кріс Вудфорд. Останнє оновлення: 24 вересня 2020 р.

Якщо ви будуєте майже все, що використовує метал, від атомного підводного човна до портативного комп’ютера, одне, що вам потрібно буде зробити, - це об’єднати метали. Зварювання - це спосіб міцного зв’язування двох металів шляхом їх плавлення там, де вони стикаються, тоді як пайка передбачає створення стику між компонентами в електричному або електронному ланцюзі. Обидва вони є дуже ефективними, хоча вони дуже різні і працюють абсолютно по-різному - не змішуйте їх!

Фото: Дугове зварювання використовує електроенергію для генерації інтенсивного тепла, яке сплавляє метали. Він генерує дуже яскраве світло, а також інтенсивне тепло; тому зварникам потрібно носити захисні маски. Фото Джошуа К. Кінтера люб'язно надано ВМС США.

Зміст

Що таке зварювання?

Фото: Хоча зварювання та пайка можуть виглядати схоже, вони роблять абсолютно різні речі. Вгорі: Цей зварний з'єднання механічно фіксує два шматки металу між собою у перевернутій Т-подібній формі. Фото Брайана Хіббена люб’язно надано ВМС США.

Внизу: Ці припаяні з'єднання на тильній стороні друкованої плати забезпечують надійне електричне з'єднання між компонентами та доріжками на платі, які з'єднують їх між собою. Фото Objasniothatstuff.com.

Ви дійсно не можете з’єднати метали за допомогою клею - у будь-якому випадку не звичайного клею. Але ви можете приєднатися до них, розплавивши їх у процесі, званому зварюванням. Основна ідея проста: ви застосовуєте джерело тепла, щоб розплавити два метали, щоб вони зрослися і утворили надійне з'єднання. Зазвичай (хоча і не завжди) під час подачі тепла додають інші матеріали: наповнювач (зайвий шматок металу, що постачається із зварювального стрижня, який закупорює всі зазори там, де стикаються основні метали), і флюс (неметалічний хімічна речовина, яка допомагає зупинити розплавлені метали, утворюючи оксиди та нітриди з газами в повітрі, що послаблює суглоб). Як альтернативу використанню флюсу ви можете зварювати в атмосфері, з якої видалено повітря (заповнене іншими нереактивними газами, такими як аргон, наприклад).

Більшість видів зварювання передбачає з’єднання металів лише з нагріванням. Але вони відрізняються тим, звідки береться тепло. Однією із поширених форм зварювання є використання газового факелу з оксиацетиленом, який створює інтенсивне полум’я, спалюючи ацетилен (енергетично багате паливо, виготовлене з простої молекули вуглеводню) в багатих запасах кисню. Хоча зручні та портативні, оксиацетиленові пальники є відносно дорогими у використанні (оскільки паливо поставляється в газових балонах). На заводах, як правило, зручніше зварювати електричним струмом, використовуючи техніку, відому як дугове зварювання. Замість газового пальника ви використовуєте шматок металу, який називається електродом, підключеним до джерела сильної струму (у сотні разів вище, ніж ті, що протікають через прилади у вашому домі). Коли ви підносите електрод до зварюваного з'єднання, він створює іскру або дугу, яка плавить метали. Дугове зварювання виробляє як яскраві видимі іскри, так і розряди ультрафіолету, що може призвести до сліпоти; ось чому ви завжди побачите людей, які зварюють дугою за захисними козирками. Інші джерела тепла для точного зварювання включають ультразвук, лазери та електронні пучки.

Ви також можете зварювати матеріали, змушуючи їх з’єднувати через сильний тиск, з додатковим нагріванням або без нього. Це відоме як зварювання тиском; використовується ковалями та іншими ремісниками протягом багатьох сотень років, це одна з найдавніших технік обробки металів. Основний процес передбачає нагрівання металів у кузні, а потім забивання їх між собою, щоб вони зрослися.

Одним із способів зробити дугове зварювання більш безпечним є отримання промислового робота, який зробить це за вас. Кузови автомобілів зварюються роботами протягом десятиліть. Перший зварювальний робот Unimate дебютував на заводі General Motors в 1961 році.

Фото: Зварювальник працює на трубі під час будівництва дамби Дугласа в штаті Теннессі, яка була побудована в рекордні терміни в 1942 році. Автор: Альфред Т. Палмер, Управління військової адміністрації, Бібліотека Конгресу, Відділ друку та фотографій.

Що таке пайка?

Пайка схожа на зварювання, але вона зовсім інша! При зварюванні ви намагаєтеся зробити надміцне з'єднання між двома шматками металу. Часто зварне з'єднання має витримувати неймовірні напруження та деформації - наприклад, якщо ви зварюєте частини кузова автомобіля або фюзеляж літака. Отже, мета - зробити хороший механічний зв’язок. Коли ви паяєте, ідея, як правило, полягає в тому, щоб зробити хороше електричне підключення.

Припій трохи схожий на розгорнуту скріпку, хоча набагато м’якше, і, як правило, він поставляється в тюбиках та котушках. Це сплав різних металів, який має відносно низьку температуру плавлення. Типовий припій, який я використовую, складається з 99,25 відсотка олова та 0,75 відсотка міді, хоча також використовуються інші метали, такі як цинк, срібло та вісмут. (Свинець колись широко використовувався в припоях з оловом, але в даний час з міркувань безпеки його в основному припиняють). Припої іноді також містять флюси, щоб запобігти утворенню оксидів.

Навіщо потрібно паяти? Електронні схеми виготовляються з дискретних компонентів: крихітних пристроїв, таких як резистори, конденсатори, транзистори та світлодіоди, які виконують певні роботи. Складаючи їх по-різному, ви можете створювати всі дивовижні електронні гаджети - від радіо та телевізорів до калькуляторів та комп’ютерів. Всі компоненти мають маленькі металеві ніжки - клеми, які ви використовуєте для їх підключення до ланцюгів. Ви можете просто з'єднати ці ніжки електричними кабелями, але дроти можуть впасти або викручуватися, і з'єднання не будуть надійними, тому все, що ви побудували таким чином, не буде працювати дуже добре. І ось тут з’являється припій: він робить набагато ефективніше електричне підключення.

Фото: Припій виглядає і відчуває себе як скріпка, яку розгортають, а потім згортають у пластикову трубку дозатора, як ця. Ви витягуєте коротку довжину, як вам потрібно. Це безсвинцевий припій, виготовлений переважно з олова та міді.

Якщо ви хочете зробити хороший паяний стик, ви не припаюєте відразу. Спочатку ви очищаєте компоненти, які ви хочете з’єднати (наприклад, зішкріб їх ножем, щоб видалити всі оксиди поверхні). Тоді ви робите хороший механічний зв’язок між ними (щільно обмотуючи кабель навколо компонента або чого завгодно). Тільки тоді ви робите хороше електричне підключення, розплавивши трохи припою зверху.

Фото: Типовий паяльник - той, яким я володів з 14 років. Паяльник - це, по суті, просто нагрівальний елемент, що живиться від електрики і має міцний зовнішній корпус (долото), призначений витримувати нескінченний нагрів і охолодження. Біти призначені для взаємозамінності і мають більш широкі або вузькі кінці для роботи з різною точністю. Іншим важливим компонентом (вгорі праворуч) є підставка, де ви можете безпечно відпочити праскою, хоча, якщо ви уважно придивитесь, то помітите, що на цій прасці є вигнутий затиск (трохи вище чорної гумової ручки пальця) для відпочинку або підпираючи його. Оскільки я використовую британське електроживлення, я встановив червоний індикатор на вилку (вгорі ліворуч), щоб допомогти мені запам'ятати, коли праску ввімкнено, для додаткової безпеки.

Як це працює на практиці? Ви розплавляєте припій над з'єднанням, застосовуючи гарячий інструмент, який називається паяльником (по суті, гарячий шматок металу з загостреним наконечником, при цьому тепло, що виробляється всередині нього нагрівальним елементом з електричним приводом). Дуже важливо відзначити, що припой - це не клей: він не призначений для механічного з'єднання. Якщо ви покладаєтесь лише на припій, щоб скріпити два дроти між собою, вони, можливо, рано чи пізно розійдуться. Важливо зробити хороше механічне з’єднання, а потім припаяти зверху. Існують хороші і погані способи пайки, деякі з яких роблять погані з’єднання, які не проводять електрику належним чином. (Наприклад, якщо ви переміщуєте припаяне з'єднання, поки припій все ще розплавлений, ви, як правило, отримаєте погано сформований або холодний шар, який буде тьмяним, нерівним і пошкодженим.) Якщо ви плануєте робити власні електронні проекти, перше, що потрібно зробити - це навчитися правильно паяти. Ви знайдете кілька зручних демонстраційних відео в розділі "Дізнайтеся більше" в кінці цієї статті.

Фото: Ось мій паяльник в дії. Ви припаюєте, тримаючи гарячий паяльник на місці з'єднання в ланцюзі, де ви хочете зробити електричне з'єднання. Потім іншою рукою ви наносите припій до тих пір, поки він не розплавиться в краплі зверху стику, як правило, з затяжкою «диму» (насправді метали в припої перетворюються на газоподібну форму).

Інші способи пайки

Те, що я сказав вище, по суті стосується електричних та електронних робіт, але є й інші види пайки. Сантехніки використовують припой для з’єднання мідних труб постійним (але все ще оборотним) способом, що створює механічно міцний та водонепроникний з’єднання. Процес в цілому схожий на електричне паяння, хоча тип припою хімічно відрізняється, і, як правило, ви будете працювати з ручним газовим пальником. Все ще в сантехніці і тісно пов’язаний з пайкою процес, який називається потовиділенням, при якому ви дозволяєте припою плавитись і всмоктуватися в нагріте з'єднання труб.

Пайка також використовується в ювелірному бізнесі для з’єднання тонких шматочків металу (для створення абсолютно нових декоративних деталей або ремонту старих, зламаних). Знову ж таки, концепція в цілому схожа на електричну пайку - ви використовуєте розплавлений сплав, щоб надійно з’єднати два шматки металу, - але процес відрізняється: ви використовуєте газовий пальник і набагато вищі температури, ніж електричні пайки. або водопровід. Подібну високотемпературну пайку іноді називають твердою пайкою або паянням сріблом, щоб відрізнити її від м’якої пайки з нижчою температурою (для електричних та сантехнічних робіт); заплутано, в рамках сріблястої пайки ви знайдете різні припої, описані як тверді, середні, легкі та надлегкі (відображаючи, наскільки легко їх розплавити, а не наскільки просто ними працювати - отже, "надлегкі" плавлення при найнижчій температурі).