Оборудование для пайки можно классифицировать по разным критериям, основным из которых является способ получения тепловой энергии.
Электротермическое оборудование (ЭТО), применяемое для пайки, преобразует электрическую энергию в тепловую, а физико-химическое (ФХО) — в тепловую другие виды энергии.
В ЭТО сопротивления тепловая энергия выделяется при прохождении электрического тока через твердые или жидкие тела. При прямом нагреве паяемого изделия теплота выделяется в паяемых деталях, непосредственно включенных в электрическую цепь. При косвенном нагреве теплота выделяется в специальных нагревателях, включенных в электрическую цепь, и передается от них паяемому изделию по законам теплопередачи. Последняя может осуществляться за счет радиационного нагрева, конвекции газа (воздуха, защитного газа и др.), жидкости (расплавленного металла, флюса, соли и др.), теплопроводности в твердом теле и др.
В дуговом ЭТО тепловая энергия выделяется электрической дугой. При прямом нагреве дуга горит между электродом и паяемым изделием, теплота в основном выделяется в дуге; при косвенном дуга горит между электродами, а теплота к изделию передается излучением; при смешанном дуга горит между электродом и паяемым изделием, но значительная часть тепловой энергии выделяется в нагреваемом теле (расплав, шихта); при плазменном нагрев осуществляется в факеле плазмы, образованной при прохождении газа через дуговой разряд; при оптическом дуговом световая энергия дуги, горящей между электродами, передается к нагреваемому телу посредством оптических систем.
В индукционных ЭТО нагрев паяемого изделия происходит в результате выделения энергии высокочастотного электромагнитного тока. Индукционные ЭТО могут быть с магнито-проводом и без него. В первом случае нагреваемое тело охватывает замкнутую магнитную систему, образуя вторичный виток трансформатора, первичная обмотка которого включена в электрическую цепь. В индукционных ЭТО без магнитопровода паяемое изделие помещено непосредственно в электромагнитное поле катушки (индуктора), включенной в электрическую цепь, а нагрев происходит за счет индицирования вихревых токов.
В ионных ЭТО тепловая энергия выделяется при бомбардировке в вакууме паяемого изделия потоком ионов.
В электронно-лучевых ЭТО тепловая энергия выделяется при бомбардировке в вакууме паяемого изделия потоком электронов, эмитируемых катодом.
В лазерных ЭТО выделение теплоты в нагреваемом теле происходит при воздействии на последнее лазерных лучей.
Физико-химическое оборудование позволяет производить нагрев паяемого изделия за счет теплоты, выделяемой при протекании химических (горение) и экзотермических реакций, за счет энергии, освобождаемой при конденсации жидкости и др. Оборудование, применяемое для пайки, можно классифицировать по следующим признакам: по способу защиты поверхности соединяемых деталей от кислорода воздуха — в вакууме, защитных газах, под флюсом, в жидких теплоносителях и др.; по виду нагрева — поверхностный или объемный, локальный или общий.
Нагревательные устройства для пайки являются крупными потребителями электроэнергии. Наибольшее распространение для пайки получили электропечи сопротивления. Мощность их колеблется от долей киловатта до нескольких сотен киловатт. Печи мощностью свыше 20 кВт обычно выполняются трехфазными и подключаются к сетям напряжением 220, 380 и 500 В непосредственно или через трансформаторы. В этом случае коэффициент мощности близок к единице, распределение нагрузки по фазам в трехфазных печах симметричное.
Режим нагрузки зависит от технологического процесса и типа электропечи: в электропечах непрерывного действия непрерывный, в электропечах периодического действия цикличный. Чтобы обеспечить заданный температурный режим, мощность периодически снижают, иногда на очень короткое время, частично или полностью отключая нагрузку. Печи для процессов чувствительных к небольшим колебаниям температуры оснащают стабилизаторами напряжения. Внезапные пере- рывы в питании печей ведут к несоблюдению термического режима пайки. Кроме того, возможны серьезные повреждения агрегата. Вопрос о возможности отключения электропечей сопротивления в часы пик и при аварийных режимах решается с учетом технологического процесса и типа электропечи.
Оборудование для пайки электросопротивлением. Это группа оборудования наиболее разнообразна и доминирует в практическом использовании. Основной принцип, заложенный в оборудовании, состоит в том, что электрическая энергия превращается в тепловую за счет падения напряжения в основном на участке цепи с высоким сопротивлением. Оборудование для нагрева током широко применяется в серийном производстве, как правило, мелких изделий. Этот способ может быть осуществлен как при прохождении тока перпендикулярно паяемому зазору, так и параллельно ему (рис. 2.2). Нагрев паяемых деталей током, проходящим поперек зазора, .происходит, главным образом, вследствие возникновения переходного электросопротивления на границе паяемых деталей и припоя и может быть более неравномерным и труднорегулируемым. Для такого нагрева наиболее пригоден ток малого напряжения и большой силы, получаемый, например, от сварочных трансформаторов электроконтактных машин.
Переходное электросопротивление при одинаковых силе тока и времени нагрева зависит от площади и плотности прилегания электроконтактов, а следовательно, от давления на детали. После расплавления припоя переходное электросопротивление резко снижается, и дальнейший нагрев происходит за счет электросопротивления материала деталей и жидкого припоя.
Если электрический ток течет параллельно паяльному зазору и металл соединяемых деталей нагревается только теплотой от нагретого электрода, то создаются наиболее стабильные условия для пайки. При этом давление на паяемые детали не оказывает особого влияния на их нагрев. При такой разновидности пайки электросопротивлением можно использовать переменный ток небольшого на- пряжения (2,4… 10 В). Плотность тока при этом зависит от площади поперечного сечения нагреваемой детали: с увеличением площади поперечного сечения плотность тока снижается.
Пайку на контактных сварочных машинах, когда вследствие высокой скорости нагрева припой, зажатый между паяемыми поверхностями, не успевает окислиться, можно проводить без использования флюса. В массовом производстве паяных изделий машины для контактной точечной сварки комплектуются специальными электродами для пайки электросопротивлением. В зависимости от свойств паяемых материалов и размеров соединяемых элементов подбирают соответствующие электроды. Наибольшее распространение получили угольные электроды марок ЭГ-2, ЭГ-8, а также электроды из вольфрама и жаростойких сплавов.
Пайка электросопротивлением с помощью клещей применяется в монтажных условиях, а также при невозможности перемещения изделия к стационарному нагревательному оборудованию и в случае необходимости соединения элементов в труднодоступных местах. Например, клещи типа УП-8001-Т предназначены для пайки высокотемпературными припоями наконечников к стержням обмоток турбогенераторов электроконтактным нагревом. Клещи имеют графитовые электроды размером 52 х 40 х 15 мм, которые закреплены в медных электрододержателях, самоустанавливающихся по поверхности паяемых деталей. Перемещаются электроды пневмоприводом. Ниже приведены технические данные установки УП-8001-Т. Для массового производства изделий используют специальные установки для пайки электросопротивлением. Так, установка типа УП-501-Т предназначена для пайки высокотемпературными припоями коллекторных петушков, а также медных полос сечением менее 100 мм2 внахлестку. Пайка осуществляется электроконтактным нагревом графитовыми электродами. Техническая характеристика установки УП-501-Т приведена ниже.
Установки для нагрева в электролите. Пайка в электролитах основана на явлении нагрева катода, погруженного в электролит, при прохождении через него электрического тока. При этом происходит электролиз водного раствора с выделением водорода на катоде. При достижении оптимального напряжения и температуры катода между ним и окружающим тонким слоем водорода и газов устанавливается стационарный электрический режим. Слой газов начинает светиться. Ионы водорода бомбардируют катод (паяемое изделие), их кинетическая энергия вызывает сильный его нагрев. Режим нагрева в электролитах зависит от их состава и температуры, напряжения и плотности тока и времени нагрева.
В качестве электролитов используют водные растворы солей, кислот и щелочей. В качестве электролита используют, например, 10…15%-ные водные растворы Na2C03 при температуре 50…70°С, обеспечивающие стабильный процесс нагрева катода и не вызывающие коррозии нагреваемых стальных деталей.
Для нагрева детали (катода) в электролите плотность тока на ее поверхности должна быть больше, чем на поверхности анода. Следовательно’, площадь поверхности нагреваемой детали должна быть несколько меньше площади поверхности анода. В электролитах могут нагреваться твердые проводники: сталь, чугун, латунь, алюминий, графит и др. На условия нагрева металлов в электролитах влияет их теплопроводность и не влияют магнитные и электрические свойства. Для нагрева стали, алюминия и латуни необходимо достаточно большое напряжение и плотность постоянного тока, т. е. большая мощность генераторов. Так, для нагрева до температуры 800°С стального цилиндра с площадью поверхности 100 см2 необходим генератор постоянного тока мощностью 400 кВ-А при напряжении 380 В и массе 400 кг.
При нагреве в электролите плотность тока распределяется неравномерно, особенно при наличии в детали острых кромок и выступающих частей, которые перегреваются и даже оплавляются. Для устранения этого выступающие части детали экранируют. Экран изготавливают из огнестойкого и электроизолирующего материала, например, из огнеупорного кирпича. При этом экран может находиться на расстоянии 2…3 мм от поверхности изделия. Пайка в электролите имеет ряд преимуществ: позволяет соединять разнородные материалы, осуществляется без флюса, легко механизируется, обеспечивает высокую производительность процесса, хорошее качество изделий.
Оборудование с пропуском тока через изделие очень эффективно, но его использование ограничено изделиями простой формы ввиду необходимости равномерного распределения температуры по изделию. Доминирует оборудование, основанное на использовании теплоты специального нагревателя, которая передается изделию излучением, конвекцией или теплопередачей в твердом теле.
Печи. Нагрев в печи имеет ряд преимуществ: равномерность нагрева и возможность точного контроля и регулирования температуры; сравнительную легкость механизации и автоматизации процесса; высокую экономичность при условии непрерывной работы. Экономические и технологические преимущества нагрева в печах особенно очевидны при массовой пайке мелких изделий (причем в ряде случаев пайка совмещена с термообработкой), при пайке изделий с большим числом труднодоступных соединений, например, разного рода теплообменников и изделии сложной формы, требующих равномерного нагрева.
В настоящее время для пайки применяют электрические и газопламенные печи, причем явно доминируют электрические печи самых разнообразных конструкций и назначений: камерные, шахтные, карусельные, с шагающим или выдвижным подом и т. д. По способу преобразования электрической энергии в тепловую различают электрические печи сопротивления и индукционные. В печах сопротивления, которые наиболее часто используются в промышленности, нагрев паяемого изделия осуществляется, главным образом, за счет радиационного нагрева.
Вакуумные печи имеют преимущественно однокамерное исполнение. Они различаются по способу нагрева (радиационной, высокочастотной, проходящим током, кварцевыми лампами, в тлеющем разряде и др.), по максимальной температуре нагрева, наличии системы приложения усилия сжатия к паяемым изделиям и др. Техническая характеристика печей приведена в табл. Следует отметить, что большинство печей имеет радиационный нагрев и максимальную рабочую температуру в пределах 1100…1150°С. Последнее серьезно ограничивает их возможности по пайке жаропрочных материалов на различной основе. Основной недостаток однокамерных вакуумных печей — низкая производительность, обусловленная небольшой скоростью охлаждения в нижнем (менее 600°С) интервале температур. Иногда этот недостаток устраняется за счет продувки через камеру инертного газа. Однако большой расход последнего и необходимость его очистки делает в большинстве случаев эту операцию нерентабельной.
Существенное увеличение производительности может быть достигнуто за счет использования двухколпаковых печей, имеющих совмещенную вакуумную систему. Однако наиболее радикальное решение — разделение зон нагрева и охлаждения. Обычно идут по пути создания многокамерных печей, которые могут быть проходными и карусельными. Проходные вакуумные печи применяют, например, в поточной линии для производства испарителей автомобильных воздушных кондиционеров. Каждая печь конвейерного типа включает входной отсек. Процесс полностью автоматизирован за исключением операции снятия изделий с салазок, на которых оно перемещается в печи. Цикл изготовления испарителя в печи составляет 6 мин. Проходные печи — наиболее производительные вакуумные установки. Однако они не получили широкого распространения из-за сложности конструкции и большой площади, необходимой для их размещения.
Более компактны и надежны карусельные вакуумные печи. Карусельная печь показана на рис. Загрузка и выгрузка изделия производится на позиции 7, которая имеет индивидуальную систему откачки, в камерах 2 и 3 производится нагрев, а на позициях 4, 5 и 6 — охлаждение изделия. Очередной ход карусели осуществляется по достижении температуры пайки, т. е. по сигналу термопары на позиции 3. Для увеличения производительности нагрев в печи производится на двух позициях, что в 2 раза сокращает время пребывания изделия на каждой позиции. Если время пребывания на позициях охлаждения изделий недостаточно, предусмотрено охлаждение изделия инертным газом.
Нагрев в печах с воздушной атмосферой применяется, главным образом, при низкотемпературной пайке, когда не происходит интенсивное окисление металла. При высокотемпературной пайке нагрев изделия, как правило, осуществляется в контейнерах, герметизован-ных сваркой, песчаным затвором и др. В большинстве случаев они продуваются инертным газом, однако известно применение вакууми-рованных контейнеров. Ввиду относительной простоты и доступности метода пайка в контейнерах получила широкое распространение в промышленности.
Паяльники. Основное назначение паяльника — нагрев до температуры пайки паяльных материалов и соединяемых деталей или их частей. Основные элементы паяльника — нагреваемый наконечник (стержень или брусок), имеющий заточку (”жало”), обеспечивающую удобство нанесения припоя и хороший тепловой контакт с нагреваемой поверхностью, и теплоизолирующая ручка. На ручке могут монтироваться: устройства для нагрева наконечника, регуляторы нагрева, устройства подачи и дозирования припоя, устройства отбора припоя с места пайки, устройства, обеспечивающие проведение специфических манипуляций при пайке и др.
Оборудование для пайки погружением. Основным элементом такого оборудования является специальная ванна, в которой размещается жидкий теплоноситель (соль, флюс, припои, масло и др.). Футеровка ванны должна обеспечивать возможность длительной работы в контакте с жидким теплоносителем. Разогрев теплоносителя в ванне производится с помощью размещенных в ней электродов или элементов футеровки, используемых в качестве нагревателей. Заданная температура в ванне, как правило, поддерживается автоматически.
Нагрев паяемой детали происходит в результате передачи теплоты от жидкой среды, нагретой до температуры пайки. Скорость нагрева деталей при таком способе в 3…6 раз больше, чем в воздушных печах. Слой соли или припоя защищает паяемое изделие от окисления как в процессе нагрева в ванне, так и при охлаждении на воздухе после того, как оно вынуто из ванны.Наиболее распространен способ пайки в жидких расплавленных солях, флюсах или припоях. Такой способ высокопроизводителен, так как допускает одновременную быструю пайку большого количества деталей и легко может быть механизирован. Число деталей, погружаемых одновременно в ванну, ограничено объемом ванны и снижением жидкой среды вследствие нагрева погружаемых деталей. Значительное преимущество пайки в соляных и флюсовых ваннах — возможность совмещения этого процесса с нагревом под закалку. Длительность процесса редко превышает 2 мин и обычно контролируется реле времени. Большая равномерность и скорость нагрева значительно снижает рост зерен и степень обезуглероживания. Характеристика соляных ванн приведена в табл.
При достаточно большом соотношении масс жидкой ванны и паяемого изделия этот способ позволяет поддерживать температуру расплава с точностью до ±5°С, обеспечивая минимальные тепловые деформации паяемых деталей, а следовательно, высокую точность паяемого соединения.
Иногда перед полным погружением паяемого изделия в ванну необходимо нагреть место соединения до температуры расплавления припоя. Например, если проволока припоя располагается снаружи у зазора и при полном погружении изделия в ванну припой может расплавиться раньше, чем место спая нагреется до температуры пайки, что приведет к сте-канию его с детали. Предварительный подогрев места соединения в этом случае достигается частичным погружением собранной детали на 1…2 мин в соляную ванну таким образом, чтобы припой оставался выше уровня ванны. Когда температура соединения достигает температуры пайки, деталь полностью погружается в ванну. Если припой в виде фольги располагается в зазоре между соединениями деталей, то
