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 горячим газом. Нагрев горячим газом нашел применение при низкотемпературной пайке печатных плат, остовов автотракторных радиаторов, для выравнивания вмятин кузовов автомашин. В качестве газа при этом способе используют воздух, аргон, сухой водяной пар и др. При пайке печатных плат газ от магистрали повышенного давления через нагревательное устройство и сопло рабочих головок попадает к местам пайки на плате, где предварительно располагают припой и флюс. Термический цикл пайки регулируется по температуре газа и скорости перемещения платы и рабочей головки.
Для пайки медно-латунных автотракторных радиаторов припоя ПОССУ 30-2 в атмосфере сухого водяного пара и продуктов разложения хлористого аммония В. П. Акимовым разработана установка, состоящая из корпуса шахтного типа с расположенным в нем вертикально замкнутым конвейером с кассетами, на которых размещены паяемые остовы радиаторов. Рециркуляция теплоносителя осуществляется с помощью вентилятора. Между газогенератором и вентилятором расположен узел ввода активных добавок.
При низкотемпературной пайке или лужении дефектных мест кузовов автомобилей на них после очистки наносят пасту, размягчаемую в потоке горячего воздуха в течение 15…20 с, растирая ее деревянным шпателем и придавая слою пасты требуемую форму. При этом предотвращается термическая деформация пластмассовых и резиновых деталей, смонтированных на кузове.
Оборудование для дуговой пайки. Нагрев теплотой электрической дуги нашел применение при пайке проводов, узлов приборов и двигателей. Дуга может возбуждаться: между фольгой припоя, заложенной в зазор между соединяемыми деталями и угольным или графитовым электродом; между паяемым изделием и электродом из припоя; между двумя угольными электродами, закрепленными в приспособлении [5]. Источниками питания дуги служат сварочные машины, понижающие трансформаторы или блоки аккумуляторных батарей. Угольные (диаметром 10… 12 мм) или графитовые (диаметром 6…8 мм) электроды, применяемые при пайке, должны быть изготовлены из чистого угля или графита. Электроды имеют конусную форму (длина конусной части равна двум диаметрам электрода).
При пайке дугой косвенного действия один из полюсов источника постоянного тока подключают к подставке, соприкасаемой с паяемым изделием, а другой полюс — к электроду. После возбуждения дуги между угольным электродом и фольгой припоя, последний плавится и заполняет зазор. При дуговой пайке цветных металлов используют отрыв капель расплавленного припоя с помощью импульсов высокочастотного электромагнитного поля. Этот метод обеспечивает высокую стабильность массы капель припоя. В качестве плавящегося электрода применяют медь, серебро, бронзу. Применение дуговой бесфлюсовой пайки алюминия и его сплавов с изменением полярности электрического тока и подачей в зону пайки инертного газа позволяет осуществить преимущественно стыковое соединение.
Оборудование для плазменно-дуговой пайки. Этот метод пока не получил распространения. Перспективно его применение для микроплазменной пайки, которая использует стандартное оборудование, например МПУ-4Ж. С использованием микроплазменного нагрева успешно паяются тонкостенные конструкции (в основном тела вращения) из углеродистой и коррозионно-стойкой стали, титана и др. Пайка осуществляется плазменной дугой обратной полярности при напряжении 15… 17 В и силе тока 10… 12 А.
Большие возможности у микроплазменного нагрева при ремонтной пайке. Этот процесс может осуществляться с присадкой припоя или без него, если припой имеется вокруг дефектного места. Так, при пайке пластинчато-ребристых теплообменников часто появляются дефекты в местах соединения угловых элементов с матрицей, а также разделительных пластин с проставками. Обычно эти дефекты устраняются газопламенной пайкой с использованием припоя ПСр. При этом изделие часто бракуется. Применение этого метода позволяет устранить многие наружные дефекты теплообменника без распайки соседних мест и без изменения внешнего вида изделия. Процесс чаще всего проводится без дополнительной присадки припоя.
Оборудование для пайки световым лучом. Нагрев концентрированным световым лучом в настоящее время широко используется для низко- и высокотемпературной пайки благодаря бесконтактному подводу теплоты, возможности проводить процесс пайки в требуемой атмосфере независимо от электрических и магнитных свойств материалов, легкости управления теплопоступлением и контролем, возможности механизации и автоматизации.
Установка для пайки световым лучом состоит из модуля лучистого нагрева, источника питания, координатного стола, систем управления и контроля, системы охлаждения.
Модуль лучистого нагрева представляет собой эллипсоидный отражатель 2, в одном фокусе которого располагается источник излучения 1. В качестве источника излучения используют дуговые ксеноновые лампы с воздушным охлаждением типа ДКСШ мощностью 0Д…1 кВт и комбинированным (воздушным и водяным) охлаждением типа ДКСР мощностью до 10 кВт.
Дуговая ксеноновая лампа выполнена в виде шарового баллона из кварца, в котором расположены два вольфрамовых электрода.-Лампа заполнена ксеноном под давлением 0,4… 1 МПа. При работе лампы давление в ней возрастает до 1…3 МПа, что приводит к сжатию дуги и формированию высококонцентрированного источника излучения. Спектр излучения лежит в интервале длин волн 0,2…2,4 мкм. Большая часть энергии (50…60%), подведенной к лампе, преобразуется разрядом в излучение, спектр которого состоит из 10% излучения ультрафиолетовой области, 35% — видимой области и 55% — инфракрасной. Такой спектр более эффективен для нагрева металла, чем излучение ламп накаливания, так как коротковолновая часть спектра лучше поглощается.
Оборудование для пайки инфракрасным излучением. Радиационные нагревательные установки обычно представляют собой объединенные в единую конструкцию рефлекторы и излучатели. В качестве источника излучения широко используются галогенные лампы (вольфрамовая спираль, размещенная в кварцевой трубчатой колбе). Электропитание ламп осуществляется переменным током промышленной частоты. Например, кварцевая трубчатая лампа накаливания НИК-220-1000 Тр заполняется аргоном под давлением 60 Па и йодом в количестве 1…2 мг. Наличие паров йода обеспечивает стабильность энергетического и светового потоков. Наряду с аргоноиодными лампами применяют лампы с ксеноно-иодным наполнением типа КИМ и КГТ.
Для наиболее полного использования мощности ламп используют водоохлаждаемые рефлекторы из коррозионно-стойкой стали, рабочая поверхность которых покрыта серебром или чистым алюминием, а также тугоплавкими и благородными металлами, включая золото.
Нагрев инфракрасным излучением пригоден для пайки металлов и сварки пластмасс и имеет следующие преимущества: не требуется соприкосновения с соединяемыми деталями; возможна точная дозировка подводимой теплоты; допускается использование любой атмосферы, в том числе инертных газов или вакуума; излучение может проходить через тонкий слой стекла или кварца без значительных потерь теплоты.
Интерес представляют установки для пайки сотовых панелей, в которых используются кварцевые лампы инфракрасного излучения. Известен метод пайки “нортобрейз”, основанный на комбинации радиационного нагрева кварцевыми лампами и электронного управления процессом. Цикл пайки программируется и контролируется с помощью термопар. Этот метод широко применяется для пайки сотовых панелей из коррозионно-стойких сталей, титана, ниобия, молибдена. Цикл нагрева составляет 2…5 мин вместо 3…15 ч при традиционном печном нагреве. Высокой эффективностью отличается применение нагрева инфракрасным излучением в электронике.
Для локального нагрева используют малогабаритные лампы типа КГМ и КИМ. На базе кварцевой галогенной лампы КГМ-220-1000 разработан малогабаритный паяльник. Фокусировка излучения осуществляется с помощью отражателя, имеющего медную зеркальную поверхность с защитной кремнийорга-нической пленкой. Корпус паяльника охлаждается водой. При мощности лампы 1 кВт отражатель позволяет получать плотность энергии 120 Вт/см2 и максимальную температуру в зоне пайки 1280 “С. С помощью этого паяльника можно осуществлять ручную высокотемпературную пайку в вакууме или в защитных газах через прозрачное окно контейнера или печи.
При пайке с нагревом инфракрасным излучением необходимо учитывать неблагоприятные воздействия паров легко испаряющихся компонентов припоев и флюсов (помутнение зеркала рефлектора и кварцевых колб ламп), вследствие чего ресурс ламп может сокращаться. По этой же причине недопустимо стека-ние излишков флюса на поверхность рефлектора. В этих случаях необходимо строго дозировать количество флюса или использовать сменные кварцевые пластины-экраны.
Физико-химическое оборудование. В этом случае тепловая энергия получается за счет реакции горения (углеводородного, водородного или иного вида топлива), экзотермических или конденсационных реакций. Такая пайка имеет ограниченную область применения.
При газопламенной пайке изделие нагревается при непосредственном контакте с раскаленными газами пламени. В зависимости от требуемой температуры и интенсивности нагрева применяют различные горючие газы в смеси с кислородом или воздухом (ацетилен, метан, пропан, бутан, водород, природный газ, пары бензина и др.). Очень широко используется ацетилено-кислородное пламя. Его получают с помощью обычных сварочных или специальных горелок, обеспечивающих более равномерный нагрев. В последнее время все больше применяют городской газ или пропан. В ряде случаев целесообразно использовать газовоздушную смесь, приготовленную централизованно, что позволяет упростить оборудование поста пайки и облегчить регулировку пламени.
Пламя до некоторой степени защищает нагреваемый металл от окисления, однако полностью предотвратить его не может. Поэтому при газовой пайке часто применяют флюсы в виде порошка или пасты. Газообразные флюсы подают непосредственно в пламя. Газовое пламя, обеспечивая достаточно высокие скорости нагрева, менее чувствительны к форме, различию материалов и толщин нагреваемых изделий, чем индукционный и электроконтактный нагрев.
Нагрев газовым пламенем применяют при пайке как легкоплавкими, так и высокотемпературными припоями. Несмотря на ряд недостатков, нагрев газовым пламенем остается незаменимым методом не только при ручной пайке в единичном производстве и при ремонте, но и в массовом механизированном производстве. В этом случае для газопламенного нагрева используют специализированные установки, например, карусельные и конвейерные. Карусельные установки для газопламенной пайки предлагают в широком ассортименте фирмы различных стран, в основном японские и японо-американские. Наиболее типичны двенадцатипорционные установки, хотя число порций может варьироваться широко. Так, установка для пайки алюминия на воздухе включает порции нанесения флюса и припоя, нагрева изделия под пайку и окисления. Движение карусели непрерывно.
Существуют полностью автоматизированные и даже роботизированные установки с программируемыми циклом передвижения горелок к изделию и ориентированные по нему, зажиганием горелки, выполнением всего цикла пайки, отключением горелок и возвращением их в исходную позицию. Эти установки очень эффективны в условиях единичного и мелкосерийного производства.
При экзотермической пайке нагрев, а иногда и образование припоя, осуществляется в результате экзотермической реакции или агрегатного превращения специальных твердых, жидких или газообразных веществ. Экзотермическая смесь может быть внесена при сборке в виде таблеток, пластинок или нанесена на паяемую поверхность как краска. Смесь, продукты реакции которой образуют припой, затекающий в зазоры, обычно состоит из порошков металлов, оксидов и галогенидов щелочных металлов и др. Недостаток этого способа — сильное коробление паяемого металла при малой его толщине после нагрева теплотой экзотермической реакции.
Термитные шашки (табл. 2.6) [2] применяют для пайки телескопических соединений трубопроводов из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т диаметром 6… 12 мм с толщиной стенки 1 мм. Для концентрации теплоты в процессе горения термитной шашки и защиты обслуживающего персонала от воздействия лучистой энергии применяют специальное теплозащитное устройство, состоящее из разъемного тонкостенного кожуха, футерованного изнутри теплозащитным материалом, обладающим повышенной теплостойкостью и прочностью при многократном нагреве, а также образующим активную среду для пайки. Теплозащитное устройство имеет ввод, через который вставлен воспламенитель термитной смеси (нихромовая спираль, либо электрический запальник). Термитная смесь поджигается дистанционно током низкого напряжения (12…36 В), подаваемым на спираль или воспламенитель.
В устройстве предусмотрен также ввод для подачи аргона, защищающего наружные поверхности трубопровода и припоя в процессе нагрева от окисления. С целью устранения непосредственного воздействия продуктов сгорания шашки на соединяемые поверхности трубопроводов установлен металлический экран в виде толстостенной муфты.
При конденсационной пайке нагрев деталей происходит в результате выделения скрытой теплоты испарения. На рис. приведена одна из схем установки, в которой происходит конденсационная пайка.
На дно установки заливают специальную жидкость с низкой температурой испарения. Жидкость химически инертна по отношению к материалам, контактирующим с ней, и химически стабильна (не разлагается) при пайке. Количество теплоты, выделяемой при конденсации паров жидкости на поверхности деталей, достаточно для расплавления припоя, но недостаточно для ухудшения свойств паяемого материала. Жидкость не имеет запаха, не токсична и не воспламеняется при пайке, плотнее воздуха и не вытекает из камеры пайки, имеет ту же температуру, что и кипящая жидкость. Такими свойствами обладает пер-фтортриамиламин (флюоринерт ГС-70) с температурой кипения и конденсации 215 °С. Нагрев паяемых деталей происходит быстро, без изменения их размеров и формы. Простые мелкие детали нагреваются за 10… 15 с, а массивные (до 10 кг) за 30…90 с. Размер зоны с рабочим паром по высоте фиксируется расположением охлаждающего змеевика, конденсирующего пар на заданном уровне.
Для снижения потерь рабочего пара ГС-70 в результате диффузии или конвенции над зоной пайки располагают пар другого инертного вещества — трихлоротрифлуоретана (Р113) с температурой плавления 88 °С и более низкой плотностью, чем рабочий пар. В зоне пайки содержание воздуха настолько мало, что окисление паяемого материала не происходит. Однако при необходимости возможна пайка с достаточно легкоплавким флюсом.
