Справочник по пайке

58. Технические характеристики установки для пайки трубопроводов

Установки типа У для индукционной и индукционно-диффузионной пайки разработа­ ны в ИЭС им. Е. О. Патона. Характеристики некоторых установок для пайки ТВЧ под дав­ лением изделий электровакуумного приборо­ строения приведены в табл. 57.

На базе выпускаемых высокочастотных генераторов компонуют специализированные опытно-серийные установки для механизиро­ ванной и автоматизированной высокотемпера­ турной пайки изделий (табл. 58).

В производстве паяных изделий эффек­ тивны установки карусельного типа с автоном­ ным вакуумированием каждой позиции в от-

дельности. Так, например, полуавтоматическую установку ПС-1 используют для индукционной вакуумной пайки электродов к корпусам свечей зажигания двигателей внутреннего сгорания, табл. 59. Аналогичная установка карусельного типа применяется для автоматизированной пай­ ки в среде водорода изделий электровакуумной техники на базе генератора ТВЧ типа А624.01 [2]. Для пайки бурового инструмента использу­ ют полуавтоматическую установку непрерывно­ го действия ИТ1-100/8, в которой совмещены процессы пайки и термической обработки в восстановительной среде эндогаза, табл. 60 [2]. Перечисленные выше установки на базе лампо­ вых и машинных генераторов целесообразно модернизировать путем применения современ­ ных тиристорных преобразователей [1].

В Научно-техническом центре по проекти­ рованию и выпуску высокочастотного и ультра­ звукового оборудования Всероссийского научноисследовательского института токов высокой частоты им. В. П. Вологдина (ВНИИТВЧ) разра­ ботано и производится новое поколение устано­ вок для нагрева при пайке, сварке и термообра­ ботке, а также источники питания с различными

60.Технические характеристики полуавтомата ИТ 1-100/8

Источники питания 0,5 ... 10 кГц. Источ­ ники диапазона частот 0,5 10,0 кГц в основ­ ном используются для питания индукционных печей, технологических устройств индукцион­ ного нагрева металлических изделий с различ­ ными целями. По элементной базе эта группа делится на электромашинные генераторы и тиристорные генераторы (тиристорные преоб­ разователи частоты или среднечастотные гене­ раторы).

Тиристорные источники представлены следующими типами: СЧГ1-30/10; -50/10;

-60/10; -100/2.4; -160/10; -250/4; СЧГ2-60/2.4; -100/4; -250/10; -3200/1; СЧГЗ-100/10; -250/2,4; СЧГ9-100/10; СЧГ12-100/10.

Дальнейшее повышение качества выпус­ каемых индукционных технологических ком­ плексов и установок для пайки, плавки, закал­ ки ВНИИТВЧ решает посредством кооперации с рядом фирм.

Индукционные нагреватели, компенси­ рующие конденсаторы, устройства автоматики для технологических комплексов выпускаются фирмой ВНИИТВЧ, а источники питания средней частоты, теплообменники и другое электротехническое оборудование - фирмой «Estel Pluss». Высокочастотный нагрев обеспе­ чивается рядом преобразователей в диапазоне частот от 0,5 до 10,0 кГц.

Статические (тиристорные) преобразова­ тели, выпускаемые фирмой «Estel Pluss», име­ ют ряд преимуществ перед преобразователями других производителей: схема параллельного инвертора имеет меньшее количество силовых полупроводниковых приборов, что определяет меньшие габариты преобразователя, более глубокое регулирование мощности, более вы­ сокий КПД преобразователя.

Электромашинные генераторы в новых разработках используют редко ввиду дорого­ визны. необходимости размещения в отдель­ ном помещении и др. Основными достоинст­ вами этих генераторов являются простота сис­ темы управления, отсутствие специальных требований к фундаменту, синхронизация при параллельной работе нескольких генераторов, широкий диапазон режимов безаварийной ра­ боты (последнее дает большое преимущество в системе централизованного питания индукци­ онных установок).

Тиристорные генераторы звукового диапазона используются в современных ин­ дукционных плавильных печах и установках для нагрева и термообработки металлических деталей. Основные преимущества тиристорных

генераторов - невысокая стоимость, высокий коэффициент полезного действия в широком диапазоне потребляемой нагрузкой мощности, отсутствие потерь холостого хода, отсутствие вращающихся, соответственно быстро изнаши­ вающихся частей, широкие возможности авто­ матизации процессов нагрева и настройки ре­ жимов. При необходимости генераторы осна­ щаются согласующими трансформаторами и фазокомпенсирующими конденсаторами и системой водяного охлаждения (при необхо­ димости - автономной).

Характеристики некоторых источников, на­ пример СЧГ1-30/10, представлены в табл. 61 [1].

На базе источников питания типа СЧГ раз­ работан ряд установок нагрева. Мощность уста­ новок не ограничена и определяется только за­ данной производительностью от 5 до 1000 кВт; мощностной ряд - от 5 до 1000 кВт; частотный ряд - от 50 до 440 000 Гц. Установки предназна­ чены для поверхностной термической обработ­ ки, подогрева под пайку, пайку и закалку. Раз­ меры и форма обрабатываемых деталей - от швейной иглы до деталей диаметром 3000 мм и длиной 6000 мм. Установки могут оснащаться системами программного управления, регулиро­ вания температуры нагрева, замкнутыми систе­

мами охлаждения оборудования.

Условные обозначения установок: ИЗТ -

установка для нагрева при пайке или закалке с тиристорным или транзисторным преобразова­ телем частоты; ИЗЛ - установка для нагрева при пайке с ламповым генератором.

Установка ИЗТ-60 имеет следующие ха­ рактеристики (табл. 62). В комплект постав­ ляемого оборудования входит механизм пере­ мещения изделий вертикального типа.

61. Характеристики источника питания

62. Характеристики установки ИЗТ-60

Аналогичная индукционная установка ИЗЛ-25 на базе лампового генератора частоты может быть использована для пайки высоко­ температурными припоями различных конст­ рукций, табл. 63.

Научно-производственной фирмой «ФРЕАЛ» при ВНИИТВЧ разработано и про­ изводится несколько компактных тиристорных источников питания. Генератор среднечастот­ ный СЧГ2-15/4 предназначен для питания уст­ ройств индукционного нагрева различного технологического применения (нагрев под пайку, пластическую деформацию, поверхно­ стная закалка, отжиг и т.п.). Имеет следующие отличительные особенности: высокий КПД; стабилизацию выходного напряжения; регули­ рование выходного напряжения (мощности) в широких пределах; воздушное охлаждение, табл. 64.

63. Характеристики установки ИЗЛ-25

64.Технические характеристики генератора СЧГ2-15/4

Габаритные размеры, мм

Х 400

* При согласованной нагрузке на рабочей час­ тоте с эквивалентным активным сопротивлением 2,6 2,7 Ом.

Генератор высокочастотный ФД-10/66

предназначен для индукционного нагрева де­ талей из стали и цветных металлов и сплавов: пайка твердым и мягким припоем, поверхност­ ная закалка, термообработка, плавка припоев. Имеет следующие отличительные особенно­ сти: экономичность и высокий КПД (свыше 90 %), малые размеры и массу, удобство при работе и транспортировке, высокую надеж­ ность, воздушное охлаждение, табл. 65.

ОАО «УПИ-РЕЗОНАНС» (Екатеринбург) изготовляет индукционное оборудование для поверхностного и сквозного нагрева в технологи­ ческих установках УИЛА высокотемпературной пайки резцов, сверл, буровых коронок и другого инструмента, лопаток турбин, труб и т.д. Мощностной ряд 5 320 кВт, рабочая частота 8 20 кГц. В состав установок входят тиристорный преобразователь частоты, нагревательный пост с индуктором, механизм загрузки и блок компен­ сации. Для каждого обрабатываемого изделия поставляется индуктор требуемой конструкции. По согласованию с заказчиком нагревательный пост выполняется с ручным или автоматическим механизмами загрузки и перемещения деталей.

65. Технические характеристики генератора ФД-10/66

(ООО НПФ «Фреал и Ко», С.-Петербург)

В случае вертикального положения прИ загрузке и пайке изделий применяют специали­ зированные индукционные установки про­ мышленной частоты с вертикальным располо­ жением муфеля, нагреваемого индуктором. Установки представляют собой индукционные муфельные электропечи элеваторного типа с загрузкой изделий снизу с выдвижной тележки с подом печи, поднимаемым гидравлическим приводом. Регулирование и контроль режимов процесса автоматические. Применение индук­ ционных муфельных установок промышленной частоты позволяет паять изделия из металличе­ ских и неметаллических материалов в различ­ ного типа контейнерах, вакууме, контролируе­ мых средах, а также на воздухе с использова­ нием флюсов (табл. 66).

Муфельные индукционные установки ис­ пользуют для пайки до рабочей температуры 1250 °С. При отработке режимов пайки на этих установках необходимо определять допусти­ мые удельные мощности (рис. 17).

Р и с . 1 7 . З а в и с и м о с т ь д о п у с т и м о й у д е л ь н о й

п о в е р х н о с т н о й м о щ н о с т и , к В т / м 2, о т д и а м е т р а

Р\ - для сталей аустенитного класса;

Рг - для сталей ферритного класса

Рис. 18. Зависимость минимальной мощности генератора Рт\п при сквозном индукционном нагреве от производительности G и

температуры t нагрева, °С:

1 - алюминий; 2 - графит; 3 - медь; 4 - сталь (при высокотемпературной пайке); 5 - сталь (при низкотемпературной пайке); 6 - латунь и серебро; 7 - бронза; 8 - свинец

Выбор параметров индукционных уста­ новок. Кривые для определения мощности ге­ нератора при сквозном нагреве различных мате­ риалов исходя из требуемых производительно­ сти и температуры приведены на рис. 18.

Значения основных параметров высоко­ частотных установок, например значения номинальных мощностей 0,16; 0,25, 0,40; 0.63; 1,0 кВт и далее, получаемые умножением этих величин на 10, 100 и 1000, установлены нор­ мами [10]. Рабочие частоты тока установок также регламентированы. При выбранной ра­ бочей частоте для пайки легко определить оп­ тимальные режимы работы установки по кри­ вым, приведенным на рис. 18. После определе­ ния требуемой минимальной мощности генера­ тора следует принять ближайшее большее зна­ чение по стандартной шкале мощностей.

Значения КПД установлены в зависимо­ сти от рабочей частоты и приведены ниже.

Установленные нормами рабочие частоты тока установок и допустимые пределы их от­ клонения приведены в табл. 67 (применение для высокочастотных установок других частот без специального разрешения Министерства связи запрещено). Кривые, приведенные на рис. 19, построены для оптимального режима работы установки при правильно выбранной

67. Рабочие частоты тока установок и их допустимые отклонения

Рис. 19. Зависимость минимальной колебательной мощности генератора Рт1апри

пайке тонкостенных изделий и местном нагреве от глубины нагрева h и производительности G:

1 - одновременный нагрев всей поверхности;

2 - непрерывно-последовательный нагрев

частоте тока для случая пайки изделий внутри соленоидного индуктора с относительно не­ большими зазорами между индуктором и из­ делием.

Выбор минимальной мощности генерато­ ра для пайки тонкостенных изделий с местным нагревом осуществляют по кривым, приведен­ ным на рис. 19, а зависимость времени нагрева от глубины прогрева определяют по рекомен­ дуемому диапазону (см. рис. 16).

Источник питания необходимо выбирать с учетом мощности генератора в зависимости от температуры пайки и свойств паяемых ма­ териалов. На рис. 20 приведены кривые для определения мощности генератора при низко- и высокотемпературной пайке различных ма-

Рис. 20. Зависимость колебательной мощности генератора на 1 см2 сечения шва от времени пайки (/ - медь; 2 - латунь и бронза; 3 - стали и немагнитные сплавы):

а - при низкотемпературной пайке; 6 - при высокотемпературной пайке

териалов. Если требуется спаять два изделия одинаковых или разных сечений из различных металлов, то вычисляют мощность для попе­ речного сечения каждой детали (по соответст­ вующей кривой), а полученные результаты суммируют. При этом считают, что площадь поперечного сечения должна быть перпенди­ кулярна к направлению утечки теплоты от шва.

При сквозном нагреве изделия снижение частоты тока увеличивает глубину его проник­ новения и тем самым уменьшает время, необ­ ходимое для равномерного нагрева изделия, и повышает термический КПД. Уменьшение частоты ниже определенного значения может привести к резкому падению эффективности передачи энергии от индуктора в изделие (снижается электрический КПД индуктора). Поэтому при индукционном сквозном нагреве паяемых изделий существуют оптимальные значения частот тока (рис. 21).

Индуктор состоит из индуктирующего токопровода, создающего магнитное поле, не­ обходимое для индуктирования тока в нагре­ ваемые изделия, токоподводящих шин, контакт­ ных колодок для соединения индуктора с выво­ дами понижающего трансформатора, устройства для подачи воды, охлаждающей индуктор и поверхность запаянного изделия (при необхо­ димости). Форма и конструкция индуктирующе­ го токопровода определяются конфигурацией и массой паяемого изделия. По способу пайки индукторы делятся на два основных типа: для одновременного и для непрерывно-поступатель­ ного нагрева. Характерными размерами индук­ тора являются ширина индуктирующего токо­ провода Л|, его толщина Ь\ и зазор между рабо­ чей и нагреваемой поверхностями.

Рис. 21. Зависимость минимальной частоты т о к а /В|Нпри индукционном сквозном нагреве,

а также при поверхностном нагреве от диаметра (толщины) детали </, если глубина нагреваемого слоя составляет не менее 10 % d:

3 - сталь немагнитная; 4 - латунь горячая;

5 - алюминий горячий (600 °С); б - латунь холодная; 7 - алюминий холодный; 8 - медь; 9 - серебро

При одновременном нагреве требуемая ширина индуктирующего токопровода опреде­ ляется шириной нагреваемого изделия. Если нагревается участок поверхности, то ширина индуктора на 10 20 % больше ширины на­ греваемого участка изделия; если нагревается вся поверхность изделия, то ширина индукти­ рующего токопровода и ширина изделия при­ мерно одинаковы. Во время нагрева длительно­ стью /* индуктирующий токопровод обычно не охлаждается. Постоянное охлаждение имеют только токоподводящие шины. Поэтому индук­ тирующий токопровод выполняют массивным;

верхностью индуктора и нагреваемой поверх­ ностью составляет 1 5 мм в зависимости от размеров изделия.

При непрерывно-последовательном на­ греве ширина индуктирующего токопровода h\ определяется мощностью генератора и произ­ водительностью установки, а время нагрева

lt = h l/ \ ,

где v - скорость движения изделия через ин­ дуктор.

Удельную поверхностную мощность [19] относят к поверхности изделия, находящегося в индукторе,

Рло. = М /А ,)>

где / - длина нагреваемого изделия; Р - полная мощность индуктора.

Индуктирующий токопровод индуктора для непрерывно-последовательной пайки изго­ товляют из медной трубки прямоугольного сечения, охлаждаемой водой. Оптимальная толщина стенки трубки, обеспечивающая ми­ нимальное активное сопротивление,

0,011

6, = 1,57Д , *

V 7 ’

где А, * 0,07/ 7 7 Поскольку при индукционной пайке наи­

большее количество тепла выделяется на по­ верхности нагреваемого объекта, то глубина проникновения переменного тока

с

А =

2пу1[ю/

где с = 3 • Ю10 см/с - электродинамическая по­ стоянная (скорость света в пустоте); р - маг­ нитная проницаемость; ст - удельная электри­ ческая проводимость; / - частота тока.

В практике часто пользуются упрощен­ ным выражением

h = k ly [ J

где к - коэффициент, зависящий от материала и температуры. Глубину проникновения тока получают в миллиметрах. Для низкоуглероди­ стой стали при температуре выше 780 °С (вы­ ше точки Кюри) к = 600, при температуре 20 °С к = 20; для меди к = 70; для алюминия к = 80. Глубина проникновения тока в холод­ ной стали в 30 раз меньше, чем в горячей ста­ ли. Кроме того, при проектировании и выборе индуктора необходимо учитывать различные значения глубины проникновения тока в зави­ симости от его частоты (табл. 68).

На рис. 22 показан индуктор для одно­ временной пайки четырех колец 1 к проход­ ным изоляторам 3 припоем 2. Кольца уклады­ вают на шифер - асбестовые шайбы 6, опи­ рающиеся на индуктирующий токопровод 5. В медных короткозамкнутых кольцах 4 индукти­ руется ток, который находится в противофазе с током в индуктирующем токопроводе. Таким образом, ослабляется нагрев наружного диа­ метра стальных колец и усиливается нагрев внутреннего. Для охлаждения паяемых узлов и повышения производительности процесса че­ рез отверстия в трубке 7 подается воздух.

а -А

Рис. 22. Индуктор для одновременной пайки четырех изделий

При нагреве в многопозиционных индук­ торах угол охвата изделий током, расположен­ ных у концов индуктирующего токопровода, несколько больше, чем угол охвата средних изделий, поэтому последние нагреваются не­ сколько медленнее. Для выравнивания нагрева средние отверстия в индуктирующем токопроводе имеют меньший диаметр, чем крайние. В случае одинаковых диаметров всех отверстий в многопозиционном индукторе выровнять на­ грев возможно, устанавливая П-образный магнитопровод у средних отверстий (рис. 23).

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПАЙКИ ПОГРУЖЕНИЕМ

Пайку погружением производят путем нагрева изделий в установках и ваннах с жид­ кими теплоносителями (расплавами припоев или солей-флюсов), где наряду с высоким ко­ эффициентом теплоотдачи, обеспечивающим большие скорости нагрева и охлаждения изде­ лий, и равномерностью распределения темпе­ ратуры в рабочем объеме ±2 °С достигается возможность ведения процесса в широком диапазоне нагрева до температуры 1300 °С без защитной среды.

е м . Перенос теплоты от теплоносителя проис­ ходит по всем контактирующим с ним поверх­ ностям паяемых изделий. Основным парамет­ ром, определяющим режим процесса пайки, является общее время нахождения изделий в расплаве:

*общ = *сп +

где tcn и t - соответственно время сквозного нагрева и выдержки при температуре пайки, мин.

При погружении изделий в расплав

to6m=kV/S,

где к - коэффициент, зависящий от химическо­ го состава и физических свойств нагреваемого материала, состава и свойств солей в ванне и температуры нагрева (например, для инстру­ ментальных сталей к изменяется от 12,5 до 45 при изменении соответственно температуры расплава от 800 до 1280 °С), мин/см; VIS - ха­ рактеристический размер, равный отношению объема изделия ко всей его тепловосприни­ мающей поверхности; время нагрева:

- сплошного цилиндра

DI

' 06щ 4 / + 2 D ;

- полого цилиндра

(D - d )l

- прямоугольной призмы

НВ1