Сварка и пайка: простое введение

Если вы строите почти все, что использует металл, от атомной подводной лодки до ноутбука, вам нужно уметь соединять
металлы.
Сварка — это способ прочного соединения
двух металлов путем их расплавления в месте соединения, тогда как пайка подразумевает
создание соединения между компонентами в электрической или электронной
цепи. Оба они очень эффективны, хотя они очень разные и
работают совершенно по-разному — не путайте их!

Фото: Дуговая сварка использует электричество для генерации интенсивного тепла, которое сплавляет металлы вместе. Она генерирует очень яркий свет, а также интенсивное тепло; вот почему сварщикам нужно носить защитные маски. Фото Джошуа К. Кинтера предоставлено ВМС США и
Wikimedia Commons.

Что такое сварка?

Вы не можете соединить металлы с помощью клея —
по крайней мере, обычным клеем. Но вы можете соединить их, расплавив их вместе в процессе, известном как
сварка. Основная идея проста: вы применяете
источник тепла, чтобы расплавить два металла, чтобы они сплавились и образовали надежное соединение.
Обычно (хотя и не всегда) вы добавляете другие материалы по мере применения тепла:
наполнитель (дополнительный кусок металла,
подаваемый из чего-то, называемого сварочным прутком, который герметизирует
любые зазоры, где встречаются основные металлы) и флюс (
неметаллический химикат, который помогает остановить образование расплавленными металлами оксидов и нитридов с
газами в воздухе, что ослабляет соединение). В качестве альтернативы
использованию флюса вы можете сваривать в атмосфере, из которой удален воздух
(заполненной другими, нереактивными газами, такими как аргон, например
).

На фото: Сварщик работает на трубе во время строительства плотины Дуглас
в Теннесси, которая была построена в рекордно короткие сроки в 1942 году. Автор: Альфред Т. Палмер, Управление военного управления,
Библиотека Конгресса,
Отдел эстампов и фотографий.

Большинство видов сварки предполагают соединение металлов только с помощью тепла. Но
они различаются по источнику тепла. Один из распространенных видов сварки подразумевает использование
кислородно-ацетиленовой газовой горелки, которая создает интенсивное пламя путем сжигания
ацетилена (богатого энергией топлива, полученного из простой молекулы углеводорода) в обильном
количестве кислорода. Несмотря на удобство и портативность,
кислородно-ацетиленовые горелки относительно дороги в использовании (поскольку
топливо поставляется в газовых баллонах).

Фото: Сварщик зажигает ацетиленовую горелку.
Фото Дугана Флинна предоставлено ВМС США и
Wikimedia Commons.

На заводах обычно удобнее
сваривать с помощью электроэнергии,
используя технику, известную как дуговая сварка. Вместо
газовой горелки вы используете кусок металла, называемый электродом,
подключенный к источнику питания с высоким током (в сотни раз выше, чем те
, которые протекают через приборы в вашем доме). Когда вы подносите электрод
к свариваемому соединению, он создает искру или дугу
, которая расплавляет металлы вместе. Дуговая сварка производит как яркие
видимые искры, так и разряды ультрафиолетового света, оба из которых могут
привести к слепоте; вот почему вы всегда будете видеть людей, занимающихся дуговой сваркой
за защитными козырьками. Другие источники тепла для точной
сварки включают ультразвук, лазеры и электронные
лучи.

Вы также можете сваривать материалы, сжимая их вместе посредством сильного
давления, с
дополнительным нагревом или без него. Это известно как
сварка давлением; используется в течение многих сотен
лет кузнецами и другими ремесленниками, это
один из старейших методов обработки металлов. Основной процесс включает
нагревание металлов в кузнице, а затем их сбивание вместе, чтобы они сплавились.

Один из способов сделать дуговую сварку безопаснее — это заставить промышленного робота делать это за вас. Кузова автомобилей свариваются роботами уже несколько десятилетий. Первый сварочный робот Unimate
дебютировал на заводе General Motors в 1961 году.

Фото: Слева: Типичный робот для сварки автомобилей. Робот (производства Kawasaki) имеет электрический сварочный пистолет
(производства Nimak), прикрепленный к концу, и он собирается завершить сварку на белом кузове автомобиля справа.
Это называется точечной сваркой : рука робота перемещает пистолет в точное место на автомобиле, которое нужно сварить, и большой, но короткий электрический ток скачет между электродами, чтобы завершить сварку.
Справа: крупный план сварочного пистолета, показывающий два электрода, которые обычно изготавливаются из медного
сплава.

Что такое пайка?

Фото: Хотя сварка и пайка могут выглядеть похоже, они выполняют совершенно разные функции. Вверху: Это сварное соединение механически фиксирует два куска металла на подножке инвалидной коляски. Внизу: Эти паяные соединения на задней стороне печатной платы обеспечивают надежное электрическое соединение между компонентами и дорожками на плате, которые их соединяют.

Пайка похожа на сварку, но это совсем другое! При
сварке вы пытаетесь сделать сверхпрочное соединение между двумя кусками металла. Часто сварное соединение должно выдерживать невероятные напряжения и деформации, например, если
вы свариваете части кузова автомобиля или фюзеляжа самолета. Поэтому
цель состоит в том, чтобы сделать хорошее механическое
соединение. Когда вы паяете, идея обычно состоит в том, чтобы сделать хорошее электрическое соединение.

Припой немного похож на развёрнутую скрепку, хотя он гораздо
мягче, и обычно поставляется в трубках и катушках. Это сплав
разных металлов, который имеет относительно низкую температуру плавления. Припой, который я
использую, что типично, состоит из
99,25 процентов олова и 0,75 процента меди,
хотя используются и другие металлы, такие как цинк, серебро и висмут.
(Свинец когда-то широко использовался в припоях с оловом, но сейчас его использование в значительной степени прекращено
по соображениям безопасности). Припои иногда также содержат флюсы для
предотвращения образования оксидов.

Зачем нужна пайка? Электронные
схемы состоят из дискретных компонентов: крошечных устройств, таких
как резисторы, конденсаторы,
транзисторы и светодиоды,
которые выполняют определенные
задачи. Соединяя их разными способами, можно построить всевозможные
удивительные электронные гаджеты, от радиоприемников
и телевизоров до
калькуляторов и компьютеров. Все компоненты имеют
маленькие металлические
ножки — клеммы, которые вы используете для подключения их к схемам. Вы можете
просто соединить эти ножки вместе электрическими кабелями, но провода могут
отвалиться или вырваться, и соединения будут ненадежными, поэтому все, что вы
построите таким образом, будет работать не очень хорошо. И вот тут-то и появляется припой
: он делает электрическое соединение гораздо более эффективным.

Фото: Припой выглядит и ощущается как отрезок скрепки, который развернули и затем свернули в пластиковую трубку-диспенсер, как эта. Вы вытаскиваете короткую часть, когда она вам нужна. Это бессвинцовый припой, изготовленный в основном из олова и меди.

Если вы хотите сделать хорошее паяное соединение, вы не паяете сразу
. Сначала вы очищаете
компоненты, которые хотите соединить (например, соскребая с них ножом,
чтобы удалить любые поверхностные окислы). Затем вы делаете хорошее механическое
соединение между ними (плотно обматывая кабель вокруг
компонента или что-то еще). Только затем вы делаете хорошее электрическое соединение, расплавляя немного припоя сверху.

Фото: Типичный паяльник — тот, который у меня с 14 лет. Паяльник — это, по сути, просто нагревательный элемент, работающий от электричества, который имеет прочный внешний корпус (биту), рассчитанный на то, чтобы выдерживать бесконечное нагревание и охлаждение. Биты разработаны так, чтобы быть взаимозаменяемыми, и поставляются с более широкими или узкими концами для работы с разной точностью. Другой важный компонент (сверху) — это подставка, на которую вы можете безопасно положить паяльник, хотя, если вы присмотритесь, вы заметите, что на этом паяльнике есть изогнутый зажим (чуть выше черной резиновой рукоятки для пальцев) для его установки или подпирания. Поскольку я использую британский источник питания, я установил на вилку красный индикатор (слева вверху), чтобы помочь себе помнить, когда паяльник включен, для дополнительной безопасности.

Как это работает на практике? Вы расплавляете припой над соединением,
прикладывая горячий инструмент, называемый паяльником
(по сути, горячий
кусок металла с заостренным кончиком, внутри которого тепло вырабатывается
электрическим нагревательным элементом). Очень важно
отметить, что припой — это не клей: он не
предназначен для создания механического соединения. Если вы полагаетесь только на припой, чтобы скрепить два
провода, они, вероятно, рано или поздно развалятся. Важно
сделать хорошее механическое соединение, а затем припаять сверху
. Существуют хорошие и плохие способы пайки, некоторые из которых создают плохие
соединения, которые не проводят электричество должным образом. (Например, если вы
перемещаете паяное соединение, пока припой еще расплавлен, вы,
как правило, получите плохо сформированное или холодное соединение,
которое будет тусклым, неровным и изрытым.) Если вы планируете
делать свои собственные электронные проекты, первое, что нужно сделать, — это научиться
правильно паять. В разделе «Узнать больше» в конце
статьи вы найдете несколько полезных демонстрационных видеороликов .

Фото: Вот мой паяльник в действии. Вы паяете, поднося горячий паяльник к соединению в схеме, где вы хотите сделать электрическое соединение. Затем другой рукой вы наносите припой, пока он не расплавится в капле поверх соединения, обычно с облачком «дыма» (на самом деле металлы в припое переходят в газообразную форму).

Другие применения пайки

То, что я сказал выше, в основном относится к электрическим и электронным работам, но есть и другие виды пайки.
Сантехники используют припой для соединения медных труб вместе постоянным (но все еще обратимым) способом, который создает
механически прочное и водонепроницаемое соединение. Процесс в целом похож на электрическую пайку, хотя тип
припоя химически отличается, и обычно вы будете работать с ручной газовой горелкой. Все еще в сантехнике
и тесно связан с пайкой процесс, называемый выпотеванием , при котором вы позволяете припою расплавиться на и всасываться в
нагретое соединение труб.

Пайка также используется в ювелирном бизнесе для соединения тонких металлических деталей
(для создания совершенно новых декоративных изделий или ремонта старых, сломанных). Опять же, концепция в целом похожа на электропайку — вы используете расплавленный сплав, чтобы надежно соединить два металлических элемента, — но процесс отличается: вы используете газовую горелку и гораздо более высокие температуры, чем при электропайке или сантехнике. Высокотемпературная пайка, такая как
эта, иногда называется твердым припоем или серебряной пайкой,
чтобы отличить ее от низкотемпературной мягкой пайки (для электротехнических и сантехнических работ);
что сбивает с толку, в серебряной пайке вы найдете разные припои, описываемые как
твердые, средние, легкие и сверхлегкие (отражая то, насколько легко их плавить,
а не то, насколько просто с ними работать — поэтому «сверхлегкий» плавится при самой низкой температуре).

Для сравнения приведем некоторые типичные припои и ориентировочные температуры плавления для электротехнических, сантехнических и ювелирных работ: