Пайка, как надёжный способ соединения алюминиевых или медных проводов

© ДИАЛОГ ЭЛЕКТРО

Фото: Пайка проводов скрученных проводов и кабелей

Копировать ссылку

1 Введение. Кратко, чему посвящена статья?

Рассматривая область современной электротехники, включающей электромонтажные, радиотехнические и прочие типы работ, нельзя пройти мимо вопроса о соединении проводов пайкой. Именно этот способ коммутирования токопроводящих жил (ТПЖ) является одним из лучших по соотношению трудозатрат к качеству полученного соединения. Однако, чтобы не быть голословными, мы подробно и последовательно рассмотрим все технические стороны данного метода коммутации электропроводников, коснёмся необходимого оборудования и материалов, а также продемонстрируем как правильно соединять провода пайкой.

2 Пайка проводов – преимущества и недостатки метода

Пайка – это проверенный способ соединения проводов и кабелей малых сечений, равно применимый как в задачах бытового уровня, встречающихся на каждом шагу, так и в промышленном масштабе. Без пайки будет сложно представить производство печатных плат и формирование на их базе разнообразных электронных схем, поскольку интеграция электронных компонентов на поверхности платы осуществляется за счёт паянного контакта. При этом, промышленные гиганты, уже очень давно ушли от знакомых нам с вами видов пайки проводов, обращаясь к самым передовым решениям доступным на рынке, например, паяя с помощью систем маломощных лазеров, в среде нейтральных газов или вакуума, применяя ультразвуковую пайку и т. п.

Между тем, сегодня мы расскажем именно о бытовой пайке медных и алюминиевых проводов, осуществляемой с помощью припоя, канифоли и конечно паяльника. Особенно часто пайка применяется при соединении медных проводов между собой в распределительной коробке – при прокладке электрической проводки. Аналогичная ситуация обстоит и с ремонтом практически любой бытовой техники, который также не обойдётся без паяльного инструмента и характерного запаха плавящейся канифоли.

Если говорить в общих чертах, то принцип пайки электрических проводов достаточно прост и заключается в постепенном нагреве области контакта коммутируемых проводников до определённой температуры, при которой их поверхность будет полностью покрыта специальным металлическим легкоплавким припоем. Находясь в расплавленном – жидком состоянии припой эффективно заполняет все полости, пустоты, неровности, тем самым создавая качественное паяное соединение.

Получившийся контакт, как и любой тип электрического соединения обладает своими сильными и слабыми сторонами. К первым, мы с уверенностью можем отнести низкие показатели переходного сопротивления и неплохую защиту от образования оксидных плёнок на месте сращивания токопроводящих жил. Оба эти фактора положительно влияют на безопасность контакта и срок его эксплуатации. Для сравнения можно привести простую скрутку проводов популярную в хозяйстве. В отличие от неё, применение пайки заметно снижает шанс самовозгорания электропроводки и короткого замыкания (КЗ). Причина этого в том, что при прочих равных условия и одинаковой величине протекающего тока, паянный электроконтакт греется заметно меньше, а, следовательно, его сопротивление также не будет испытывать резких скачков. Кроме того, естественный процесс деградации соединения для спая будет проходить гораздо медленнее, чем для простой скрутки.

Негативных моментов, связанных с эксплуатацией паянного электроконтакта практически нет. Единственное, чем этот способ соединения проводов и кабелей возможно «уступает» другим методам, так это повышенными требованиями к расходным материалам и инструменту, о которых мы расскажем далее. Однако, этот минус конечно условный, и не относится к качеству самого соединения.

Не стоит забывать также о том, что хоть паянный контакт заметно превосходит простые скрутки по защите от протекания коррозионных процессов, но наличие перепадов температур и атмосферной влаги рано или поздно приведут его в негодность. Особенно это важно при пайке проводов в автомобиле, поскольку в этом случае к негативным факторам добавляется ещё и воздействие солей.

3 Инструменты и расходные материалы для пайки проводов

3.1 Паяльники

Наш обзор на необходимый для пайки инструментарий мы начнём с его ключевого элемента, а именно ручного паяльника. Однако, предварительно сделаем небольшое отступление. Так, при осуществлении процесса пайки мы можем пользоваться не только электрическим, но и газовым инструментом. Более того пайка проводов газовой горелкой обладает своими преимуществами, но этому будет посвящён отдельный материал, а в нашей статье мы остановимся на «классическом» паяльнике в силу его распространённости в быту.

Конструкция электрического паяльник достаточно проста, и включает в себя следующие детали:

1. Нагревательный элемент спиральной формы, выполненный из нихромовой проволоки. Обладает достаточно высоким электрическим сопротивлением, как следствие, протекание по нему электрического тока ведёт к интенсивному нагреву.
2. Жало паяльника из меди, размещённое внутри нагревательной спирали. Зачастую имеет прямую или изогнутую форму, и может быть выполнено в форме конуса, иглы, лопатки и т. д.
3. Рукоятка, обычно пластиковая или деревянная. Основным требованием к ней будет хорошая степень термоизоляции от нагревательного элемента. Помимо этого, рукоятка должна быть удобной и хорошо лежать в руке.
4. Корпус паяльника, в котором размещается нагревательный элемент – спираль и соответственно его жало.
5. Кабель для подключения к электрической сети, зачастую длиной не более метра. Входит в паяльник через специальный ограничитель радиуса изгиба.

Одним из ключевых параметров, характеризующим паяльник будет его мощность, которая подбирается исходя из конкретной задачи. Обычно в бытовых паяльниках это значение изменяется в пределах от 10 до 100 Ватт. Ориентировочную градацию по мощности паяльного оборудования мы отобразили далее:

1. От 3 до 10 Ватт – применяются для распайки очень мелких микросхем. В этой области будут актуальны паяльники-пистолеты. Они обладают тонким жалом малого диаметра, невысокой мощностью и удобной формой, повторяющей рукоять пистолета.
2. От 20 до 40 Ватт – «классический» паяльник радиолюбителя, распространён в быту и удобен для соединения проводов и кабелей малых сечений;
3. От 60 до 100 Ватт – подходит для пайки «толстых» проводов, например, в автосервисах и радиомастерских;
4. Более 100 Ватт – предназначены для работы с крупногабаритным металлом, пайки радиаторов, кухонной посуды и т. п.

Отметим, что современные модели паяльников, а именно паяльные станции, предлагают заметно больший функционал, чем свои предшественники и снабжены встроенной системой регулирования рабочего тока, включая дисплей для индикации температуры нагревательного элемента. Паяльная станция заметно ускоряет рабочий процесс и повышает качество готового соединения, но требуют от вас определённого уровня навыков.

Если вам довелось начать свою практику пайки с новым «заводским» паяльником, то в первую очередь необходимо удалить с корпуса заводскую смазку, защищавшую его от коррозии и ржавления. Основную часть смазки можно удалить механически, тщательно протерев корпус тканью. Затем выставьте паяльник за окно или оставьте в хорошо проветриваемом помещении, и включите на 20-30 минут. В результате смазка выгорит, а вместе с чем пропадёт неприятный запах.

Далее жало паяльника обстукивают молотком – проковывают. Тем самым мы уплотняем медь и придаём жалу нужную нам форму. Кроме того, жало зачищают от оксидной плёнки используя мелкую наждачку или бархатный напильник, покрывая затем припоем – проводят облуживание.

Существует ещё одна «маленькая» хитрость, о которой стоит упомянуть. Так, если необходимо осуществить точечную пайку, а под рукой только мощный паяльный инструмент с контактным жалом больших диаметров, вы можете плотно намотать на него медную проволоку диаметром до 1 мм, свободный конец которой сам станет эффективным подобием жала.

3.2 Припои для пайки проводов

К данной категории расходных материалов в основном относятся разнообразные составы сплавов олова со свинцом, однако, при необходимости они могут дополняться иными металлами. Обычно припой производится и продаётся в форме проволок или трубок, диаметры которых не превышают нескольких миллиметров. Трубчатая структура подразумевает наличие внутри полостей, уже заполненных канифолью, о которой мы расскажем в следующем пункте. Подобные припои очень удобны в использовании и упрощаю процесс работы, поскольку обеспечивают одновременную дозированную подачу припоя и флюса к месту пайки контакта.

Как и в случае с паяльным инструментом, диаметр проволоки или трубки выбирается исходя из поставленной задачи и удобства работы. Аналогичный подход и к составу сплава. Так, в бытовом хозяйстве востребованы припои марок ПОС-40,50,60 где аббревиатура ПОС означает «припой олово-свинцовый», а цифры показывают процент удельного содержания олова в сплаве. Особенно известен ПОС-60, так называемый третник – легкоплавкий сплав с содержанием свинца около 33 %, отлично подходящий для лужения медных проводов.

Если цель нашей пайки в соединении алюминиевых проводников, то ПОС уже не применим, а на первый план выходят марки П-250А и ЦО-12 (сплавы цинка и олова) или ЦА-15 (сплав цинка и алюминия). Их существенным недостатком будет повышенная токсичность, связанная с попаданием частиц легкоплавких металлов в воздух.

Большинство «бытовых» припоев для пайки проводов относится к классу мягких, что определяется их температурой плавления, не превышающей +450 °С. Тот же ПОС-61 переходит в жидкое состояние уже при +190 °С. Твёрдые припои наоборот требуют высокотемпературной пайки, которую не может обеспечить электрический инструмент. В этом случае применяют горелки.

Близким «родственником» припоя, аналогичным по своему функционалу, является паяльная паста или припойная паста. Она представляет собой механическую смесь порошка припоя, флюса и связующего звена, создающего однородную густую субстанцию, удобную для нанесения на печатные платы и применения в труднодоступных местах. Обычно паста для пайки проводов распространяется в специальных шприцах-дозаторах, что упрощает её нанесение.

3.3 Флюсы

Любая пайка, как алюминиевых, так и медных жил осуществляется с применением флюса – добавочного компонента, чьё присутствие в месте припоя направленно на:

• очищение сращиваемых поверхностей от окислов, включая защиту от их повторного появления при пайке;
• формирование надёжного сцепления между паяемой деталью и припоем;
• обеспечение равномерного растекания припоя по обрабатываемой поверхности.

Самый популярный и доступный сегодня флюс – это канифоль (колофонская смола). Хрупкое аморфное вещество, представляющее смесь смоляных кислот. Размягчается уже при +50 °С, а при +200 °С закипает. При взаимодействии с металлами как химический элемент канифоль ведёт себя достаточно агрессивно. Кроме того, является гигроскопичным материалом, активно впитывающим влагу, с сопутствующим изменением своих электрических свойств. Обычно флюс для пайки проводов реализуется в виде порошка, кусками или растворами на основе спирта.

К недостаткам колофонской смолы можно отнести ее неприменимость при пайке серебра, нержавеющей стали, алюминия и ряда других металлов. Альтернативой являются кислотные флюсы или паяльные кислоты, но их испарения достаточно вредны и нежелательны к применению.

4 Как правильно соединять провода пайкой?

Ознакомившись с тем, что нужно для пайки проводов, а также подготовив все необходимые инструменты и материалы, переходим к непосредственной работе. В качестве рассматриваемого примера возьмём пайку медных проводов в распределительной коробке, а точнее – пайку скруток одножильных (однопроволочных) проводов. Для многожильных проводников с однопроволочной конструкцией подход будет аналогичен.

Первоначально нам необходимо зачистить концевые части проводов от прилегающего изоляционного покрытия, поскольку любой провод под пайку должен быть предварительно подготовлен. Делается это очень просто, с помощью обычного канцелярского ножа или острого лезвия. Если вы располагаете специальным стриппером для снятия изоляции, то задача ещё более упрощается.

С каждого провода удаляем по 3-4 см изоляционного материала и тщательно очищаем токопроводящие жилы. Можно начать с мелкого напильника и наждачной бумаги, а закончить протиркой ветошью, смоченной в спирте или ацетоне. Ткань которой протирают поверхности естественно должна быть безворсовой. Далее плотно скручиваем концы проводников с помощью пассатижей.

Когда скрутка готова приступаем к следующему этапу. Обрабатываем ее подходящим флюсом – в нашем случае это канифоль для пайки проводов, в то время как нагретое жало паяльника должно постепенно прогревать скрутку жил или проволок и размягчать флюс. После плавления последнего начинаем пропитывать им нашу скрутку так, чтобы по возможности все спаиваемые поверхности были равномерно покрыты канифольным составом.

Далее на жало паяльника наносим олово-свинцовый припой и последовательно разогреваем весь участок спайки. Нам необходимо добиться того, чтобы припой сумел полностью проникнуть между проволоками, заполнив пустоты и неровности. Когда скрутка равномерно окрасится в серебряный цвет можно завершать процесс.

Убедившись, что остывший и затвердевший припой покрывает необходимую для нас часть соединяемых электропроводников, приступаем к изоляции контакта. Сперва спаянную скрутку плотно обматываем изоляционной лентой. Если место спая будет подвергаться сезонным перепадам температур, то рекомендуем тканевую изоленту, поскольку лента из поливинилхлорида (ПВХ) при низких температурах может попросту растрескаться. Далее используем кембрик, простой или термоусадочный. Второй вариант имеет большие допуски по диаметру, широкий диапазон рабочих температур, и проще крепится на изолируемом узле, плотно облегая его и гарантируя хорошую изоляцию.

Пайка многожильных однопроволочных жил не имеет принципиальных отличий, и выполняется по аналогичной инструкции. Однако, если провод многопроволочный, то вам первоначально потребуется распушить каждую жилу, залудить все проволоки по отдельности и скрутить их обратно, и лишь затем приступать к непосредственной пайке жил проводов и кабелей.

Отметим, что в число бытовых задач обычно входит пайка тонких проводов небольших сечений. Так, максимальное сечение каждой отдельной жилы вводного в квартиру кабеля не превышает как правило 10 мм² для однофазной сети и 4 мм² для трёхфазной. И это с учётом того, что на него приходится основная токовая нагрузка. Для работы с такими проводниками вам вполне хватит обычного электрического паяльника.

Между тем, пайка толстых проводов, обычно от 10 мм² требует иного подхода, а именно применения пропан-бутановых горелок или паяльных ламп. Сам процесс пайки теперь заключается в погружении места электроконтакта двух проводников в ванную с расплавленным припоем или использования его для полива точки соединения жил.