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 .
Для обеспечивания более равномерного нагрева между индуктором и паяемой деталью иногда помещают металлический экран, приближенно повторяющий контур детали. В этом случае вихревыми токами нагревается экран, который затем отдает теплоту паяемой детали. Роль экрана может выполнять и герметичный контейнер.
С помощью индукционного нагрева возможна пайка на воздухе, в вакууме, в восстановительной или инертной среде (в печах, стеклянных, кварцевых ампулах или при косвенном нагреве в металлическом контейнере)
В ИЭС им. Е. О. Патона разработаны установки высокочастотного нагрева П141А и П156 для пайки изделий из алюминия с коррозионно-стойкой сталью на воздухе. Установка П141А поворотного типа предназначена для пайки слоя из алюминия технической чисто- ты к корпусу кастрюли из коррозионно-стойких сталей . В состав установки входят: поворотный стол, обеспечивающий сборку, возвратно-поступательное перемещение (поворот на 180°) одновременно двух изделий в горизонтальной плоскости по циклу; механизмы перемещения собранных деталей в зону нагрева, пайки, охлаждения; два блока ВЧ — нагрева собранных изделий; пульт и блок управления работой установки. Установка обеспечивает одновременную пайку двух изделий, обслуживается одним оператором.
Универсальная установка П156 ВЧ-нагре-ва карусельного типа предназначена для сборки и пайки алюминиевых деталей к корпусу фритюрницы из алюминия марки АД0О, а также сборки и пайки корзинки (сетки к обручу) изготовленных из коррозионно-стойких сталей для загрузки пищевых продуктов. В состав установки входят: многопозиционный стол, обеспечивающий сборку, фиксацию и перемещение деталей изделий по циклу; пульт и блок управления. В установке реализован цикл изготовления однотипных (алюминиевых или стальных) паяных изделий. Переход от одного типа изделий к другому осуществляется несложной переналадкой установки. При этом для каждого типа изделий предусмотрены соответствующие нагревательные блоки ВЧ-нагрева и механизмы перемещения деталей в технологическом цикле его изготовления. Установку обслуживает один оператор.
В качестве источника для нагрева и пайки изделий в установках П141А использован высокочастотный ламповый генератор типа ВЧ. Возможно использование ламповых ВЧ-генерато-ров другого типа с потребляемой мощностью более 60 кВт.
Оборудование для пайки электронным лучом. Процесс нагрева электронным лучом основан на использовании кинетической энергии электронов, быстро движущихся в глубоком вакууме. Сжатый в магнитных и электростатических фокусирующих линзах, поток электронов перемещается с большой скоростью от катода к аноду в сильном электрическом поле. Кинетическая энергия электронов при соударении с поверхностью детали-анода превращается в тепловую, что приводит к ее нагреву. Нагрев под пайку электронным лучом осуществляется в специальных вакуумных камерах. Для пайки, как правило, применяют сканирующий или расфокусированный пучок электронов.
Процесс пайки на электронно-лучевых установках характеризуется высоким КПД процесса. Концентрация энергии в луче позволяет предельно сократить продолжительность взаимодействия расплавленного припоя с паяемыми материалами, не повлияв на их свойства. Пайку изделий из керамики и тугоплавких металлов с местным нагревом (с фокусированным электронным лучом) производят с применением электронно-лучевых установок с пушкой типа У50А. Для пайки узлов медицинского инструмента с нагревом сканирующим потоком электронов применяют установку ЭЛУ-4 с пушкой ЭЦ-60/10. Для исключения перегрева и оплавления кромок изделия, а также равномерного прогрева зоны соединения, электронный пучок колеблется в результате подачи импульсов синусоидальной или пилообразной формы от генератора НГПК-ЗМ на отклоняющую систему пушки.
Сканирующим электронным лучом паяют также трубки теплообменников с трубной доской из коррозионно-стойкой стали никелевыми припоями или припоем ВПр2 на установке ЭЛН. Так можно нагревать лишь поверхность трубной доски и концы трубок, что предотвращает стекание припоя в межтрубную полость.
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.
Для получения неразъемного соединения керамических материалов применяют различные технологические процессы пайки, из которых наибольшее распространение получили: пайка расплавленного (размягченного) стекла с твердым металлом; высокотемпературными припоями с предварительной металлизацией керамики (многоступенчатый способ); адгезионно-активными припоями. Пайку неметаллических материалов осуществляют на том же оборудовании, что и пайку металлов, в частности, в печах сопротивления и индукционных печах с контролируемой атмосферой — нейтральной, восстановительной и в вакууме. В установках с индукционным нагревом, который не позволяет проводить прямой нагрев диэлектрических керамических материалов, все варианты оснастки содержат тонкостенный цилиндрический экран из молибдена, графита или другого тугоплавкого материала. Экран служит для нагрева излучением расположенных внутри него керамических деталей. Для каждого конкретного узла необходимо подбирать индуктор и оснастку с экранами, настраивать генератор, что не всегда обеспечивает равномерный нагрев изделия. Для керамических материалов наиболее перспективны установки с радиационным нагревом, как обеспечивающие более равномерный нагрев одновременно большого числа деталей и регулирование температуры и имеющие источник питания низкой стоимости.
В производстве электровакуумных приборов применяют конвейерные вакуумно-водо-родные электропечи с шлюзованием паяемых изделий. Например, печь типа ИО.59.012 обеспечивает производительность 20 изделий/ч. Другие вакуумно-водородные электропечи предназначены для проведения совмещенных процессов спекания керамических материалов и их пайки с металлической арматурой. Для пайки высокоточных и сложных по конструкции изделий применяют специальную оснастку. В результате создаются условия для сохранения геометрических размеров паяемых изделий.
Несмотря на всевозможные технологические и конструктивные преимущества, пайка не всегда обеспечивает требуемые свойства соединений неметаллических материалов. Неравномерный по толщине и составу слой припоя может вносить дополнительные внутренние напряжения, что существенно снижает термостойкость соединения. Напыление компонентов припоя на диэлектрические материалы вызывает снижение электрической прочности и связанные с этим утечки или пробои паяных узлов из порошкового материала.
Значительную часть изделий, содержащих элементы из неметаллических материалов, выполняют с помощью диффузионной сварки [4, 10]: полупроводников, стекла, керамики с металлами и сплавами. Они отличаются большей надежностью и качественностью соединений, высокими эксплуатационными характеристиками. Диффузионную сварку керамики с металлом применяют в основном для торцовых соединений. Параметрами, определяющими процесс сварки, являются температура нагрева изделий, давление, время сварки и среда, в которой производят сварку (вакуум, водород, формиргаз). В технологическом цикле сварки последовательно выполняют следующие операции: получение в камере заданного вакуума (газовой среды) и контроль за его состоянием; нагрев свариваемых деталей с заданной скоростью и выход на заданную температуру сварки при заданном предварительном сжатии свариваемых деталей; создание заданного сварочного давления и поддержание его в процессе изотермической выдержки и охлаждения; проведение изотермического нагрева и поддержание его на заданном уровне; охлаждение свариваемых деталей с заданной скоростью.
Для диффузионной сварки керамических материалов используют универсальные и специализированные сварочные установки, а также различное оборудование для горячего и изостатического прессования. Установка СДВУ-50/006 предназначена для диффузионной сварки изделий любой формы размером 200 х 250 х 400 мм из различных металлических и неметаллических материалов. На установке предусмотрено применение индукционного, радиационного и контактного способов нагрева соединяемых деталей. Установка оснащена электромеханической передачей усилия сжатия до 100 кН.
