Индукционные печи и устройства на частоту 50 Гц подключают к сетям с напряжением 220, 380 и 500 В непосредственно или через специальные трансформаторы, а к сетям напряжением 6600 и 10000 В — только через трансформаторы.
Большинство электропечей и устройств однофазные, крупные агрегаты состоят из нескольких однофазных. При включении в сеть трех (шести) индукторов создается трехфазная нагрузка. Агрегаты с двумя индукторами можно включать по схеме Скотта. Для включения мощных однофазных индукторов применяют симметрирующие устройства, состоящие из емкости и индуктивности и обеспечивающие равномерное распределение нагрузки по фазам. Симметрирующие устройства увеличивают капитальные затраты и расход электроэнергии и целесообразны в тех случаях, когда несимметрия токов выходит за пределы допустимой. Естественный коэффициент мощности обычно 0,7 и ниже, поэтому его повышают до 0,9 с помощью конденсаторов.
Потребление электроэнергии нагревательными электропечами непрерывного действия весьма равномерно. Нагревательные электропечи периодического действия работают циклично. Характер циклов зависит от технологического процесса и нагреваемого металла. Толчки тока выше номинального отсутствуют. Канальные электропечи работают обычно круглосуточно, и перебои при этом нежелательны. Режим тигельных нагревательных электропечей зависит от работы оборудования цеха, перерывы допустимы. Электропечи и устройства с питанием от электромашинных преобразователей повышенной частоты и от электромашинных источников питания постоянного тока представляют для сетей трехфазную нагрузку. График потребления энергии различен, так как зависит от технологического процесса и числа установок, подключенных к одному генератору. Для нагревательных и закалочных индукционных установок график потребления мало отличается от среднего графика машиностроительных заводов; они малоинерционны и могут отключаться так же, как установки на 50 Гц. Широко используются вентильные преобразователи повышенной и высокой частоты, постоянного тока, пониженной частоты, вентильные преобразователи — регуляторы переменного тока. Регуляторы выполняются трехфазными и однофазными, причем в последнем случае их иногда применяют вместе с симметрирующими устройствами. Наиболее распространены и перспективны тиристорные преобразователи. В качестве источников питания высокочастотных установок широко применяют ламповые генераторы. Режим работы установок плазменного, электронно-лучевого, электрошлакового и диэлектрического нагрева — спокойный, без перегрузок. График потребления электроэнергии зависит от технологического процесса.
Использование вентильных преобразователей любого типа связано с появлением в сети высших гармонических составляющих, из которых наиболее существенны 5, 7, 11 и 13-я гармоники. В результате в электрических аппаратах и линиях передач возрастают потери, сокращается срок службы изоляции, повышается аварийность кабельных сетей, ухудшается работа системы автоматизации, телемеханики и связи, снижается надежность работы конденсаторов (из-за резонансных явлений на высших гармониках). Если несинусоидальность, обусловленная высшими гармониками, превышает 5 % и возможны резонансные явления на гармониках, необходимо уровень гармоник снижать, используя рациональные схемы электроснабжения и фильтра.
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.
Максимальная температура нагрева печи зависит в основном от типа используемых нагревателей. Так, металлические нагревательные элементы из жаропрочных и жаростойких сплавов позволяют поддерживать в печи температуру ниже 1100°С, некоторые специальные сплавы обеспечивают нагрев до 1200°С. Существенно повысить температуру нагрева при этом не удается даже при применении защитной атмосферы, так как температура плавления этих сплавов недостаточно высока. Применение силитовых и карборундовых нагревателей позволяет повысить температуру нагрева до 1300°С. Нагрев до 1600…2500°С можно осуществить, применяя нагреватели из тугоплавких металлов (молибдена и вольфрама) или графита. Однако использование этих материалов возможно только в вакууме или инертной среде, так как при нагреве на воздухе они быстро окисляются и разрушаются.
Высокотемпературные нагреватели из ди-силицида молибдена осуществляют нагрев на воздухе до температуры 1600°С. Нагреватель, представляющий собой молибденовый стержень, покрытый слоем дисилицида бора и жаростойкой эмали, выдерживает на воздухе температуру 1900°С в течение 15 ч.
На практике применяют печи с восстановительной, нейтральной и разреженной атмосферой. При выборе восстановительной среды необходимо иметь в виду следующее: активность среды, т. е. способность восстанавливать оксиды, определяется концентрацией газа-восстановителя (главным образом водорода) и влаги; активность газовой среды должна быть тем больше, чем химически прочнее оксид, покрывающий основной металл и припой; взрывоопасность среды возрастает с увеличением содержания в ней водорода. Наибольшей взрывоопасностью обладает чистый водород, значительно менее опасен диссоциированный аммиак и, наконец, практически безопасен продукт частичного сжигания диссоциированного аммиака; чистый водород, особенно очищенный и осушенный, имеет значительно большую стоимость, чем другие газовые среды; в случаях, когда применение газовой среды достаточно высокой активности невозможно или нецелесообразно для данного паяемого металла и припоя, можно сочетать газовую среду с применением флюса.
Водородные печи (в частности, конвейерные) широко применяют в радиотехнической, электронной и электротехнической промышленности. В других отраслях шире используют специальные печи для пайки в атмосфере диссоциированного аммиака, например, малоуглеродистой стали медью. Такие печи часто снабжают конвейером для непрерывного или периодического перемещения паяемых деталей.
Создание разрежения и применение аргона при пайке позволяют снизить парциальное давление кислорода и других активных газов и практически полностью избежать окисления основного металла и припоя, а в ряде случаев вызвать разрушение имеющихся оксидов. При пайке в вакууме высокотемпературными припоями этому способствует испарение многих оксидов и основного металла.
Вакуумные печи обеспечивают стабильные условия для пайки различных материалов. Они имеют водоохлаждаемую герметичную камеру (с “холодными стенками”), воспринимающую внешнее давление при создании внутри печи разрежения и во многих случаях внутреннее избыточное давление при впуске в печь инертного газа. Вакуумная камера может сочетаться с различными системами откачки воздуха, в которые могут входить диффузионные, адсорбционные или турбомо-лекулярные насосы (табл. 2.1). Промышленные печи обычно имеют остаточное давление 1 • 10″2…1 • 1(Г3 Па.
Нагреватели в вакуумных печах с радиационным нагревом изготавливаются из нихрома, графита, ниобия, молибдена, тантала, вольфрама. При использовании двух последних из названных металлов температура печи может достигать 2500 °С. Следует отметить, что весьма перспективно использование для этих целей некоторых новых графитизированных материалов (графитовая ткань и др.).
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.
