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.
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.
Установка “Луч-3″ предназначена для пайки трубчатых конструкций из высокоактивных металлов и сплавов с нагревом кольцевым электронным пучком, получаемым в высоковольтном тлеющем разряде при температуре ниже 2000 °С. На кольцевой алюминиевый катод нагревателя, размещенный изолированно между двумя дисковыми анодами, подается высокое напряжение отрицательной полярности относительно земли. В концах анода, образующих щель для прохождения пучка, расположены электромагнитные катушки, обеспечивающие отклонение пучка при настройке на место соединения. Разогрев в зоне пайки происходит локально. Мощность нагрева регулируется подачей плазмообразующего газа (аргона, гелия) в область горения тлеющего разряда, время регулирования не превышает 0,5 с.
Существенными недостатками способа нагрева электронным лучом являются сложность установок из-за наличия вакуума и управляющих устройств высокой точности и их высокая стоимость.
Оборудование для пайки в тлеющем разряде. Нагрев паяемых изделий в поле тлеющего разряда обусловлен превращением кинетической энергии положительных ионов в тепловую при бомбардировке катода. Нормальный тлеющий разряд осуществляется в вакуумных камерах в нейтральной или восстановительной атмосфере при давлении газа в камере 2,66…26,6 кПа и силе тока разряда 3…20 А. Как правило, камеру сначала откачивают до давления 13,3 Па, затем заполняют аргоном до давления примерно 133 Па и снова откачивают. Благодаря такой последовательности операций достигаются низкие парциальные давления составляющих воздух газов.
Устойчивый к коротким замыканиям источник питания тлеющего разряда с крутопадающей вольт-амперной характеристикой должен иметь: устройство блокирования случайно возникающих сварочных дуг; возможность регулирования напряжения на межэлектродном промежутке — 100… 1000 В; осуществлять точное и раздельное регулирование силы тока и разрядного напряжения при работе в режиме ПВ-100%.
Нагрев в тлеющем разряде эффективен при сравнительно простой форме изделий. При наличии острых углов, выступающих частей трудно добиться равномерного нагрева. Для этого применяются специальные меры, например, изменение формы анода. Основной проблемой при пайке в тлеющем разряде является опасность перехода тлеющего разряда в дуговой, особенно при появлении паров припоя.
Важнейшими преимуществами тлеющего разряда являются: эффективность не только в стадии нагрева изделия, но и в стадии очистки поверхности изделия и припоя, что позволяет активировать поверхности соединяемых материалов; снижение расхода энергетических и материальных ресурсов; уменьшение габаритных размеров, сложности и стоимости оборудования; повышение его надежности, универсальности, производительности и экономичности; возможность соединения широкого класса материалов и различных их сочетаний.
Оборудование для пайки лазером. Лазерный нагрев обеспечивает высокую концентрацию энергии на очень малой поверхности изделия и высокие скорости нагрева (при плотности 105 Вт/см2 скорость нагрева 104…105 °С/с; при импульсном режиме на границе круга 250 мкм градиент температуры 103…105 °С/см). Наиболее целесообразна пайка лазером разнотолщин-ных деталей при соотношении толщин 1 : 50 и более, особенно, если массивная деталь изготовлена из более легкоплавкого материала.
Лазерное излучение подвергается фокусировке простыми оптическими средствами, оно проникает сквозь прозрачные вещества (стекло, кварц и др.) и может быть непосредственно направлено к месту пайки изделия, находящегося в изолированном, например, стеклянном контейнере, наполненном аргоном, или вакуумированном до требуемой степени остаточного давления. Для управления интенсивностью лазерного излучения изменяют длительность воздействия, площадь пятна нагрева (фокального пятна), выходную энергию.
Лазерная установка представляет собой комплекс оптико-механических и электрических приборов, основным звеном которого является оптический квантовый генератор. Оптические системы в лазерных установках для обработки материалов выполняют разнообразные функции: передачу лазерного излучения в зону пайки и формирование светового пучка необходимых плотности, мощности и конфигурации; наводку излучения в заданный участок, контроль за ходом процесса, оценку результатов.
Оптическая система может содержать све-товолоконную оптику и голограммы, которые содержат информацию о числе элементарных лучей разложения пучка и о точках их фокусировки. Координатные устройства должны обеспечить фиксацию детали на рабочем столе и точность перемещения лазерного луча относительно детали с необходимой скоростью.
Лазерной пайкой получают мелкие конденсаторы, элементы печатных плат, бумажные конденсаторы, токопроводящие пластины, токоприемники на цоколе лампы, соединения контактов интегральных схем и др.
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.
