Справочник по пайке

Рис. 13. Э леваторная вакуум ная электропечь СЭВ-8.8/16ЭМ 1:

1- механизм подъема; 2 - под; 3 - подставка; 4- нагреватель; 5 - экраны; б - вакуумный агрегат

Наряду с колпаковыми применяют ваку­ умные элеваторные и шахтные электропечи. В вакуумные элеваторные печи паяемые изде­ лия загружают снизу на стол с помощью специ­ ального механизма, поднимаемого и прижимае­ мого к нижнему торцу корпуса нагревательной камеры (рис. 13). В шахтные электропечи изде­ лия загружают сверху, устанавливая их на под­ ставку или закрепляя специальной подвеской.

Технические данные некоторых элева­ торных и шахтных вакуумных электропечей приведены в табл. 39 и 40.

Элеваторные вакуумные печи типа СЭВ оснащены автоматическим программным регу­ лированием температуры и регистрирующим

устройством давления (вакуума), имеют необ­ ходимое число блокировок, обеспечивающих безопасную работу и предотвращающих непра­ вильные действия обслуживающего персонала, которые могут привести к выходу из строя элек­ тропечи и отдельных элементов. Конструкции электропечей и нагревателей удобны для об­ служивания, сборки и ремонта. Нагреватели долговечны в работе, имеют водоохлаждаемые токоподводы. Перепад температур по всему объему рабочего пространства составляет не более ± 1,0 % от рабочей температуры.

Отсутствие внутри рабочего пространства теплоизоляционных огнеупоров, керамических деталей, крепящих нагреватели, позволяет бы­ стро получать и поддерживать высокий вакуум, а также обеспечивать минимальное газовыделение из элементов нагревательной камеры, что улучшает качество паяемых изделий. Нагрева­ тельные камеры выполнены в виде водоохлаж­ даемых стальных корпусов, в которых установ­ лены молибденовые нагреватели и экранная теплоизоляция. Они характеризуются сравни­ тельно малой инерционностью с ускоренным охлаждением за счет напуска нейтрального газа. Срок службы нагревателей составляет около 6000 ч (разработчик - ВНИИЭТО).

Для высокотемпературной пайки изделий из титановых и других активных металлов и сплавов применяют вакуумные шахтные элек­ тропечи с экранной теплоизоляцией без кера­ мической футеровки (см. табл. 39, 40, 42).

Характеристика

Температура нагрева в вакууме, °С, не более Удельное электросопротивление, Ом • м

Температура плавления, °С Температура начала контактных реакций, °С:

суглеродом

сокисью магния, окисью алюминия

сокисью циркония

сокисью бериллия

сокисью тория

Плотность, кг/м3

Электропечь СШВ-5.15/13Э-М2 состоит из трех тепловых зон; нагреватели питаются от сети через понижающие трансформаторы; теплоизо­ ляция обеспечивается пятью молибденовыми экранами и двумя экранами из коррозионностойкой стали. Электропечь СШВЛ-0,6.2/16Э-М1 кроме пайки в вакууме может быть использова­ на для пайки изделий в среде аргона с регулиро­ ванием его давления, а печь СШВЛ-1.2,5/25М- 04 - для пайки в среде водорода. В этих элек­ тропечах напряжение, подаваемое на нагревате­ ли, регулируют тиристорными регуляторами.

В некоторых случаях для пайки изделий в вакууме используют камерные электропечи, которые имеют горизонтально расположенную подставку. Изделия в этом случае загружают через открытую дверцу. В качестве конструк­ ционных материалов в вакуумных электропе­ чах применяют нихром, хромель и подобные сплавы, используют для нагревателей графит и тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден, тантал), основные характеристики которых приведены в табл. 41.

Применяют откачные агрегаты с электродуговыми сорбционными высоковакуумными насосами для откачки электропечей, рабочие процессы в которых сопровождаются большим газовыделением. Такие агрегаты имеют боль­ шую скорость испарения геттерного материала благодаря применению электродуговых испа­ рителей. Испарение активного металла (титана) происходит с поверхности катода электродугового испарителя вследствие высокой концен­ трации энергии (106 107 А/см2) в катодном пятне дуги постоянного тока. Дуга горит в па­ рах испаряемого металла при низком давлении остаточных газов в камере насоса. Катодное пятно перемещается по поверхности испарения охлаждаемого катода, поэтому металл катода испаряется равномерно и нагревается до тем­ пературы значительно ниже температуры его плавления. Откачка активных газов (водорода, кислорода, азота, углекислого газа, окиси угле­ рода и др.) происходит при осаждении титана на внутреннюю поверхность камеры электродугового сорбционного насоса [2].

Вакуумные затворы и вентили. Вакуум­ ные затворы (табл. 47) предназначены для раз­ деления коммуникаций сверхвысоковакуумных электропечей с давлением до 1,8 • 1СГ3 МПа при температурах прогрева до 200 °С. Используют также затворы в устройствах шлюзования ва­ куумных электропечей, камер охлаждения и в автоматических линиях.

Наряду с вакуумными затворами, приве­ денными в табл. 47, производственное объеди­ нение «Вакууммаш» (Казань) выпускает затво­ ры типа ЗВЭ (табл. 48) [2].

Для соединения или перекрытия отдель­ ных частей вакуумных систем служат вентили различных конструкций. В одних шток уплот­ нен сильфоном, в других перекрытие произво­ дится прижатием металлического клапана с резиновой прокладкой к седлу стального кор­ пуса. Применяют также высоковакуумные вен­ тили с электромагнитным закрытием - откры­ тием (клапаны), уплотняющим элементом в которых является резиновая прокладка. На практике используют и другие конструкции вакуумных вентилей [2, 17].

Приборы для измерения и контроля вакуума. Для измерения значений абсолютно­ го давления применяют манометры, а для изме­ рения значений остаточного давления - вакуум­ метры. Термопарные вакуумметры типа ВТ-2А и ВТ-2А-П представляют собой устройства, состоящие из термопарного манометра, схемы питания нагреваемой термопары и прибора, измеряющего ЭДС. Термопарный вакуумметр выполняют в двух вариантах: ВТ-2А - перенос­ ной прибор настольного типа, ВТ-2А-П - па­ нельный. Диапазон измеряемого давления раз­ деляется на два поддиапазона: 33,3 26,7 Па и 26,7 0,13 Па. В первом поддиапазоне ваку­ умметр рассчитан на работу с термопарной манометрической лампой ЛТ-2 или ионизаци­ онной манометрической лампой ЛМ-2 [2].

Для измерения давления в диапазоне 1,3 103 1,3 Ю"10 Па применяют ионизаци­ онные вакуумметры типа ВИ-12, где использо­ ван метод косвенного измерения тока, а изме­ ряемое давление определяют по градуировоч­ ной кривой, отражающей зависимость давле­ ния от величины ионного тока.

Наиболее распространенным манометри­ ческим преобразователем, применяемым в оте­ чественных ионизационных вакуумметрах, является ионизационная манометрическая лам­ па типа ЛМ-2, выполненная в виде стеклянного баллона, вдоль оси которого расположен V-образный катод из вольфрамовой проволоки. Вокруг катода в виде редкой двухзаходной сетки из молибденовой проволоки расположен анод, непосредственно прогреваемый электри­

ческим током. Пределы измерения ЛМ-2 огра­ ничены давлением около 1,3 • 10"7 Па.

Манометрическую лампу ЛМ-2 обычно применяют в комплекте вакуумметра типа ВИ-3 в ионизационной части, вакуумметра ВИТ-1. Для измерения более низких давлений приме­ няют манометрическую лампу ИМ-12, которая отличается от лампы ЛМ-2 большими разме­ рами баллона и несколько иной конструкцией электродов.

В вакуумметр ВИ-12 входит выносной блок, на передней панели размещены ручки управления и два стрелочных прибора для из­ мерения тока коллектора и тока эмиссии иони­ зационного манометрического преобразователя ИМ-12. Прибор позволяет производить запись значений давления, для чего на задней стенке имеется разъем «Запись» для подключения самопишущего прибора. Вакуумметр ВИ-12 предназначен для работы при температуре 10 35 °С. Питание вакуумметра осуществля­ ется от сети 220 В, 50 Гц. Потребляемая мощ­ ность не более 280 Вт. Габаритные размеры прибора 420 х 300 х 232 мм [2]. Для проверки вакуумной плотности соединений и уплотне­ ний используют галоидные и гелиевые течеискатели различных конструкций. В случаях, когда контролируемые объекты не допускают применения гелия, используют аргоновый течеискатель [2].

Для обнаружения мест течей в вакуумных электропечах применяют галоидный течеискатель, принцип действия которого основан на свойстве раскаленной платины эмитировать положительные ионы и резко эмиссию в при­

сутствии галоидов. Течеискатель типа ГТИ-3 состоит из измерительного блока и выносного щупа, в котором смонтированы датчик, венти­ лятор и телефонный зуммер. Вакуумный атмо­ сферный галоидный течеискатель типа ВАГТИ-4 в отличие от ГТИ-3 имеет дополни­ тельный датчик для подсоединения к линии предварительного разрежения.

Действие гелиевых течеискателей типа ПТИ основано на выделении гелия из смеси всасываемых в течеискатель газов путем их ионизации, ускорения ионов электрическим полем и разделения их в магнитном поле по массе. Отклонение стрелки прибора и звуковая сигнализация свидетельствуют о наличии течи. Течеискатель ПТИ-10 позволяет обнаруживать натекание около 10"12 м3 • Па/с [2].

Специализированные печи для пайки.

Наряду с описанными выше печами для сни­ жения материальных и трудовых затрат ис­ пользуют высокопроизводительное паяльное

оборудование. Так, при массовом изготовлении режущего инструмента применяют комплект печного оборудования и агрегатов для механи­ зированной пайки и термообработки в контро­ лируемой среде, предупреждающей обезугле­ роживание и окисление поверхностей. Указан­ ное оборудование оснащено механизмами за­ грузки и разгрузки, моечными машинами и позволяет легко изменять режимы процесса применительно к мелкосерийному производст­ ву. В комплект оборудования входят камерные механизированные электропечи серии СНЦ и агрегаты СНЦА универсального назначения (табл. 49).

Для последовательного проведения опера­ ций пайки в вакууме и термообработки (закалка в масле или охлаждение в контролируемой сре­ де) за один цикл служит элеваторная электро­ печь СЭВ-3.3/11.5ФМ2. Технические данные приведены в табл. 50.

§0. Технические характеристики элеваторной электропечи СЭВ-3.3/11.5ФМ2

Для пайки изделий применяют также ин­ дукционные муфельные электропечи, обеспе­ чивающие быстрый разогрев муфеля токами промышленной частоты до рабочей температу­ ры. Конструктивно они выполнены в виде ка­ мерных электропечей либо проходными. При необходимости производить вертикальную загрузку крупногабаритных узлов применяют индукционные установки промышленной час­ тоты с вертикальным расположением муфеля. Такие установки представляют собой индукци­ онные электропечи элеваторного типа с загруз­ кой изделий снизу с выдвижной тележкой для пода, который поднимается гидравлическим подъемником. Применение индукционных муфельных электропечей промышленной час­ тоты позволяет производить пайку изделий в вакууме, контролируемой среде и на воздухе с использованием флюсов [2].

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИНДУКЦИОННОЙ ПАЙКИ

Для индукционной пайки используют вы­ сокочастотные генераторы, а также установки повьшенной и промышленной частот. В ком­ плект оборудования входят источники пита­ ния, индукторы и устройства, необходимые для ручной, механизированной либо автоматизиро­ ванной фиксации и транспортирования паяе­ мых изделий [2].

Тепловые процессы при индукционном нагреве. Интенсивность индукционного нагре­ ва зависит не только от электрических данных (частоты тока, напряженности поля, эффекта близости и др.), но и от физико-химических свойств материалов. Скорость нагрева немаг­ нитных материалов в значительной мере опре­ деляется их удельной электропроводностью а. При нагреве ферромагнитных материалов зна­ чительную роль играет магнитная проницае­ мость р. Если процесс нагрева носит особый характер и трансформация электрической энер­ гии в тепловую происходит внутри самого из­ делия, то глубинный прогрев изделия токами высокой частоты подчиняется законам тепло­ проводности. Удельная электропроводность материала связана с внутренней теплопровод­ ностью X соотношением

Х/о = а Т ,

где а = 3к2/е 2 - постоянная Видемана-Фран- ца; к - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; е - заряд электрона. Это уравне­ ние справедливо в пределах (применяемых в производстве) температур пайки. В свою оче­ редь, X связана с температуропроводностью а

итеплоемкостью с следующим соотношением:

а= А.(су),

Распределение температур в нагретом те­ ле тесно связано с параметрами а, у, а, с и X. Если цилиндрическое тело радиусом г помес­ тить в индуктор и нагреть его при установив­ шемся режиме, то распределение температур по его сечению можно выразить функцией

Tr = T0e~'lx',{xs)r ,

где Тг - температура в центре сечения, т.е. на расстоянии г от поверхности тела; Т0- темпе­ ратура на поверхности тела; X' - внешняя теп­

лопроводность; S - площадь боковой поверх­ ности нагретого тела.

Указанное распределение температур при нагреве ТВЧ массивных изделий под пайку особенно важно, так как от перепада темпера­ тур зависит качество пайки. При этом необхо­ димо иметь в виду, что в случае неустановившихся тепловых процессов распределение температур внутри изделия определяется более сложными расчетами:

dT _ X а2Т

где х - направление, по которому происходит изменение температуры Т во времени /. Поэто­ му при ступенчатом нагреве массивных изде­ лий пользуются экспериментальными данными зависимости распределения температур во времени. При пайке толстостенных изделий иногда требуется нагрев только на определен­ ную глубину, поэтому в результате изучения электромагнитных и тепловых явлений опре­ делены критерии для выбора частоты тока по заданной глубине нагрева хк\

Верхний предел означает, что глубина прогретого до сверхкритической температуры слоя должна быть меньше глубины проникно­ вения тока Д* в сталь, нагретую выше точки магнитных превращений. Нижний предел оп­ ределяется ростом мощности и потерь в индук­ торе до значений, при которых эксплуатация индуктора затруднена. В этом диапазоне может быть выделена оптимальная частота тока, обеспечивающая наивысший КПД процесса и коэффициент мощности индуктора:

•** * (0,4...0,5)Д* ; /от- а 6 0 0 /xl

Такой выбор частоты тока обеспечивает наиболее равномерное распределение энергии в нагреваемом теле, малый перепад температур при минимальном времени нагрева и незначи­ тельные тепловые потери на нагрев сердцеви­ ны тела, т.е. высокий термический КПД (г|т). Важно отметить, что если напряжение источ­ ника питания поддерживается постоянным при соблюдении указанных условий выбора часто­ ты тока, мощность источника в течение време­ ни нагрева остается почти постоянной, что позволяет наиболее полно использовать источ­ ник питания, а следовательно, повышает энер­ гетический показатель установки.

Рис. 14. Зона оптим альны х соотнош ений толщ ины стенки d и диам етра трубы D при индукционном нагреве с частотой 50 Гц

Для пайки изделий из труб большого диа­ метра с различной толщиной стенок наиболее целесообразно использовать частоту тока 50 Гц. Оптимальное соотношение толщины стенки и диаметра труб при индукционном нагреве пока­ зано на рис. 14, из которого видно, что на про­ мышленной частоте тока можно успешно про­ водить пайку труб диаметром 400 мм, если тол­ щина стенки не менее 20 мм, и диаметром 800 мм, если толщина стенки не менее 5 мм [2].

Более распространены случаи, когда в процессе пайки необходимо получить заданное распределение температур по сечению нагре­ ваемого тела. В частности, это важно при вы­ боре условия нагрева изделий прямоугольной

терий Фурье или безразмерное время нагрева изделий толщиной D\ g - отношение сторон изделия прямоугольной формы; Ак - глубина

проникновения тока; г\т - термический КПД.

Эти кривые позволяют выбирать частоту тока такой, чтобы к заданному моменту времени распределение температур по периметру изде­ лия было равномерным для случая адиабатиче­ ского нагрева (g = 0) и при г|т = 0,9 (q = 0,1Р0)

Термический КПД г|т представляет со­

бой отношение разности удельной поверхност­ ной мощности и плотности мощности тепло­ вых потерь к удельной поверхностной мощно­ сти. Зависимость глубины прогрева изделия при индукционной пайке от времени нагрева при правильно выбранном режиме генератора приведена на рис. 16 [2].

Рис. 15. К ривы е выбора частоты тока для равномерного нагрева изделия прямоугольной формы при индукционном нагреве

(кривы е /, 2 ,3 - отношение сторон изделия g соответственно равное 5 ,3 ,1 ):

а - г|т = 1, б - г|т = 0,9

Рис. 16. Зависимость глубины прогрева изделия от времени нагрева

Установки для индукционной пайки с тиристорными преобразователями. Совре­ менные тиристорные (ранее ламповые) генера­ торы преобразуют электрический ток промыш­ ленной частоты в ток высокой частоты, посту­ пающий в индуктор, в котором нагревают паяемые изделия. Индукционную пайку вы­ полняют с использованием универсальных типов стандартных высокочастотных генерато­ ров и специализированных установок, предна­ значенных специально для пайки конкретного типа изделия, а также применяемых для по­ верхностной закалки при смене индукторов. Генераторы мощностью 1, 2, 3, 4 и 5 кВт сле­ дует использовать для единичной высокотем­ пературной пайки конкретных небольших из­ делий и для групповой низкотемпературной пайки. На генераторах мощностью 10 кВт пая­ ют металлорежущий и буровой инструмент с поперечным сечением в зоне пайки до 5,0 см2, а также тонкостенные ферромагнитные изде­ лия с сечением до 5 см2, но больших размеров. Установки мощностью 25 60 кВт, частотой

440 кГц применяют при единичной, групповой и механизированной пайке преимущественно тонкостенных изделий значительных размеров. Установки частотой 66 кГц более универсаль­ ны, и их широко применяют для пайки самых разнообразных изделий.

Наибольшее распространение получили установки мощностью 60 кВт. Генераторы мощностью 100 160 кВт применяют при высокотемпературной пайке крупногабарит­ ных изделий с наружным диаметром 140 200 мм. Эти же генераторы используют при механизированной пайке, когда необходим запас мощности для создания интенсивного магнитного поля в зоне пайки при движении нагреваемых изделий через относительно длинные проходные индукторы.

Генераторы мощностью до 10 кВт выпол­ нены в одном блоке; ламповые генераторы мощностью 25 кВт и выше состоят из несколь­ ких блоков. Блок нагрузочного контура, к кото­ рому непосредственно подключается индуктор, может быть отнесен от остальных блоков на расстояние до 15 м, что упрощает планировку рабочих помещений и позволяет экономить про­ изводственные площади (табл. 51). Тиристорные преобразователи частоты более компактны; мощность одного блока 100 кВт и выше.

При выборе генератора следует учитывать номенклатуру паяемых изделий, так как приме­

нение генераторов повышенной мощности при­ водит к перерасходу электроэнергии и охлаж­ дающей воды. В выборе мощности следует ру­ ководствоваться тем, что при максимальной мощности и правильной настройке генератора процессы нагрева до 1000 1200 °С изделий из ферромагнитных металлов протекают удовле­ творительно, если на 1 см2 нагреваемой по­ верхности приходится 1 кВт мощности тока высокой частоты, обозначенной в паспорте генератора. Поэтому для пайки изделий, мак­ симальное из которых имеет суммарную пло­ щадь поверхности в зоне пайки 20 см2, следует применять установку ВЧИ-25/0,44 (табл. 52). При правильном выборе конструкции индукто­ ра и оптимальных режимах на этой установке можно производить пайку цилиндрических изделий диаметром до 60 мм (по высоте, рав­ ной диаметру) [7].

снабжены электромеханическими блокировка­ ми, что обеспечивает безопасность обслужива­ ния. Генераторы оснащены защитой от радиопомех и электромагнитных излучений, обеспе­ чивающей соблюдение норм по радиопомехам и санитарии.