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.
Паять нужно при полном погружении, так как нагрев изделия идет более равномерно, и не происходит окисления части детали, не погруженной в ванну. При опускании в ванну плоских изделий в горизонтальном положении под ними могут образовываться воздушные мешки, что приводит к появлению не-смоченных мест в соединении; поэтому их погружают под некоторым углом к зеркалу ванны.
Пайка погружением в соляных (флюсовых) ваннах имеет следующие недостатки: повышенный расход электроэнергии, связанный с потерей теплоты через зеркало жидкой ванны в результате излучения и конвекционного обмена; необходимость устранения наплывов припоя с изделия после пайки; необходи- мость удаления воздушных мешков в изделии, особенно при горизонтальном расположении зазоров; существенные остаточные деформации при пайке трубчатых телескопических узлов, например труб велорам; трудность отмывки солей и особенно флюсов после пайки; обеспечивает низкую коррозионную стойкость декоративных защитных покрытий на изделиях, паяных погружением в расплаве солей; значительный расход солей (флюсов) и припоя; необходимость рафинирования расплавов жидких ванн от примесей; экологическую вредность процесса.
Особой экологической вредностью отличаются соляные ванны, теплоноситель в которых представляет собой расплав хлористых и фтористых солей щелочных и щелочно-зе-мельных металлов. При их использовании необходимо обеспечить не только безопасные условия для персонала, но и обезвредить стоки после отмывки деталей. Флюсовые ванны, теплоноситель в которых представляет собой расплав оксидов, менее вредны, но технологические возможности их ограничены в основном деталями простой формы. Сейчас наблюдается устойчивая тенденция к замене этого оборудования на менее экологически вредное.
Некоторое распространение в промышленности получил способ пайки в нагретом масле. Силиконовое масло может быть нагрето без защиты до 250°С. В такой ванне осуществляется пайка припоями с температурой плавления около 200°С. При пайке погружением в нагретый глицерин необходимо учитывать, что он имеет температуру вспышки 177°С. Поэтому при более высокой температуре необходимо защищать глицериновую ванну, например углекислым газом, и иметь встроенную противопожарную систему.
При пайке печатных плат применяется разновидность пайки погружением в припой — пайка волной припоя. Сущность этого способа заключается в том, что пайка происходит при соприкосновении места будущего спая с припоем, фонтанирующим над поверхностью жидкой ванны. Волна жидкого припоя, попадая к месту будущего спая, смывает флюс. При этом улучшаются условия нагрева места спайки, поверхность припоя становится чистой от оксидов и загрязнений. Для предотвращения образования натеков припоя в виде мостиков и сосулек изделию при пайке сообщают некоторую вибрацию. Расход припоя в ванне восполняется путем постепенного погружения питающего слитка в ванну с помощью поплавкового регулятора. Последнее поколение оборудования для пайки волной припоя отличается простотой в эксплуатации, экономичностью и высокой производительностью. Так, комплекс с шириной волны 250…350 мм оснащен новой модульной линией для пайки, устройством для промывки, транспортной системой, устройством для обезжиривания и бесконтактной кодировочной систе- мой, обеспечивает автоматическое управление параметрами пайки.
Отражатели выполняются из алюминиевых сплавов, как правило, с водяным охлаждением и позволяют получать удельный тепловой поток менее 6 кВт/см2 и площадь пятна нагрева в фокусе 5… 10 мм2. Электропитание ксеноновых ламп осуществляется от источников питания постоянного тока с напряжением холостого хода не ниже 70 В и падающей внешней вольт-амперной характеристикой. Разряд в лампе возбуждается с помощью высоковольтного высокочастотного блока поджига.
Ряд установок оснащен: механизмами для автоматической подачи припоя; шторками, перекрывающими световой поток на изделие и переключающими лампу на работу в дежурном режиме; системами, обеспечивающими нагрев в требуемой атмосфере.
Оборудование для нагрева индуцированными токами (индукционная пайка). При индукционной пайке нагрев осуществляется в результате выделения энергии в деталях, помещенных в высокочастотное магнитное поле. Важнейшая особенность индукционной пайки — быстрый нагрев паяемых изделий вследствие большой удельной мощности, что обеспечивает высокую производительность процесса и возможность его механизации и автоматизации.
Интенсивность индукционного нагрева зависит не только от электрических параметров частоты тока, напряженности поля, эффекта близости и др.), но и от физико-химических свойств материала, формы и размеров каждой из соединяемых деталей. Решающее значение для успешного применения индукционного нагрева при пайке имеют правильный выбор мощности и частоты тока установок, конструкции индуктора и его расположения относительно нагреваемого изделия. Для индукционной пайки используют установки повышенной и промышленной частоты тока, а также специальные. В качестве источников нагрева применяют ламповые, тири-сторные и машинные генераторы.
Ламповые генераторы преобразуют электрический ток промышленной частоты в ток высокой частоты, поступающий в индуктор, в котором нагревают паяемые изделия. Первичная обмотка трансформатора питается переменным током стандартной частоты напряжением 220 или 380 В. Во вторичной обмотке 2 трансформатора напряжение повышается до 8 кВ. После этого переменный ток проходит через газотронный выпрямитель и преобразуется в постоянный ток высокого напряжения, который подается на анод генераторной лампы, дающий ток высокой частоты. Однако этот ток имеет высокое напряжение и не пригоден для питания индуктора. Поэтому он подвергается преобразованию в высокочастотном трансформаторе , после этого поступает в индуктор , в котором производится нагрев деталей.
Машинный генератор вырабатывает ток частотой 2… 15 кГц и состоит из электродвигателя трехфазного тока и соединенного с ним генератора . Параллельно с электродвигателем включен электродвигатель 10 возбудителя , регулируемого реостатом . Колебательный контур подключен к генератору и представляет собой конденсаторную батарею , соединенную параллельно с первичной обмоткой трансформатора токов повышенной частоты. Вторичная обмотка этого трансформатора, понижающего напряжение, соединена с индуктором , в который помещается изделие .
Тиристорные преобразователи обладают рядом преимуществ перед электромашинными: лучшими возможностями для регулирования, малой инерционностью; более высоким КПД; более широким диапазоном оптимальных нагрузок без дополнительных согласующих устройств; малыми (на уровне номинальных) пусковыми токами; бесшумностью работы и др.
В блок ввода питания входят устройства коммутации, электромагнитной и тепловой защиты со стороны питающей сети, измерительные трансформаторы, приборы, измеряющие входные параметры. Через него подается питание на выпрямитель. В выпрямителе происходит преобразование переменного напряжения, частотой 50 Гц в постоянное. Блок фильтра разделяет цепи средней частоты и постоянного тока; отдельные элементы фильтра служат элементами инвертора. Функцией инвертора является преобразование постоянного напряжения в напряжение средней частоты. Блок управления, регулирования и защиты обеспечивает управление тиристорами выпрямителя и инвертора, пуск преобразователя, регулирование режима (стабилизацию одного из параметров), а также все виды защиты. Иногда в комплект входит согласующее устройство (трансформатор, автотрансформатор).
Передача энергии от генератора в нагреваемое изделие производится посредством специального устройства — индуктора. Конструкция и размеры индукторов зависят от размеров и конфигурации нагреваемого узла, числа узлов, подвергающихся одновременной пайке, способа их загрузки и выгрузки, электрофизических свойств паяемых изделий, мощности и частоты генератора. Индуктор состоит из провода, иногда снабженного магни-топроводом, токопроводящих шин и контактных колодок для подключения к понижающему трансформатору. Для того чтобы индуктор не расплавился (сила тока в нем достигает 2 кА и более), его изготовляют из медной трубки, по которой циркулирует вода.
Большое влияние на интенсивность нагрева оказывают зазоры между индуктором и деталью. Уменьшение зазора увеличивает удельную мощность, подводимую к детали, и сужает зону нагрева, однако отклонение положения детали в индукторе при малых зазорах приводит к большой неравномерности нагрева. Поэтому применять зазоры менее 2 мм не рекомендуется. В этой зоне выделяется наибольшее количество теплоты. В остальных зонах детали нагрев происходит за счет теплопроводности.
Равномерность нагрева увеличивается вследствие уменьшения частоты тока. Однако возникающие при индукционном нагреве силы взаимодействия электромагнитного поля индуктора и поля нагреваемого изделия направлены на отталкивание детали от индуктирующего провода. Эти силы зависят от частоты и мощности, подводимой к деталям для их нагрева. Поэтому, выбирая низкие частоты и режимы для получения равномерного нагрева, надо учитывать, что нижний предел частоты и мощность нагрева могут быть ограничены не только фактором снижения КПД, но и необходимостью удерживать собранные под пайку детали от смещения во время нагрева. Наиболее часто пайку проводят при высоких частотах (1 кГц … 1,75 мГц). Индукционная пайка с использованием токов частотой 50 Гц применяется только для крупногабаритных изделий и встречается крайне редко.
