Способ автоматического управления нагревом при пайке
Использование: пайка изделий небольших габаритов со значительными различиями в размерах и форме отдельных частей изделия. Сущность изобретения: предварительный нагрев изделия под пайку ведут на максимальной мощности нагревателя с одновременным измерением температуры в нескольких точках поверхности изделия. По окончании предварительного нагрева регулирование мощности нагревателя осуществляют в зависимости от контролируемых параметров, которыми являются скорость изменения максимального перепада температуры в изделии и максимальный градиент температуры в измеряемых точках, определяемый по формуле тах( -т-р dTi ) Ci(Tr-(T.+ +С24)),где -градиент температуры dt V d в i-й точке измерения, град/м; Т|- температура газа в печи, град; Tf - температура изdTi делия в 1-й точке измерения, град; -гскорость изменения температуры в i-й точке измерения, град; постоянные коэффициенты , определяемые по формулам Ст --- ei aMei Cz 3ar где аг - температуроп (Л роводность материала изделия, м/с; ет - модуль единичного вектора, м. 1 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
1771898 Al (si)s В 23 К 1/00
ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4834835/08 (22) 09.01.90 (46) 30..10.92, Бюл. 40 (71) Научно-исследовательский институт конструкционных материалов и технологических процессов при МГТУ им. Н. Э. Баумана (72) Э. А. Гладков, А. В, Малолетков и П. В.
Полянский (56) Хоменко В. И. Автоматизация процесса индукционного нагрева стыков труб при пайке. Сварочное производство,1987, !Ф 1, с. 7 — 8.
Челышев В, Б, и др. Автоматизированный процесс бесфлюсовой пайки теплообменников из алюминиевых сплавов.
Сварочное производство, 1987, N 6, с. 3-4.
Авторское свидетельство СССР
N 1442342, кл. В 23 К 1/00, 1988. (54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ НАГРЕВОМ ПРИ ПАЙКЕ (57) Использование: пайка изделий небольших габаритов со значительными различиями в размерах и форме отдельных частей изделия. Сущность изобретения: предварительный нагрев изделия под пайку ведут на
Изобретение относится к области пайки, преимущественно печной, иэделий сложной формы, и может быть использовано при автоматическом управлении процессом нагрева под пайку изделий небольших габаритов со значительным различием в форме и размерах отдельных частей иэделия.
Известен способ автоматического индукционного нагрева стыков труб при пайке, при котором с целью повышения качества паяного соединения эа счет выравнивания температуры в изделии и снижения максимальной мощности нагревателя с одновременным измерением температуры в нескольких точках поверхности изделия. По окончании предварительного нагрева регулирование мощности нагревателя осуществляют в зависимости от контролируемых параметров, которыми являются скорость изменения максимального перепада температуры в изделии и максимальный градиент температуры в измеряемых точках, опредеd Ti ляемый по формуле гпах(„) = С!(Тг-(Т+
d Ti d Ti
+С2 — ) ) где градиент температуры
di 7 с! в i-й точке измерения, град/м; Tr температура газа в печи, град; Ti — температура иэd Ti делия в i-й точке измерения, град;
dl скорость изменения температуры в!-й точке измерения, град; C> — Сг — постоянные коэффициенты, определяемые по формулам С1=аг е1
v3, Сг =, где аг — температуропа,е! Заг роводность материала изделия, м /c; е1—
2 модуль единичного вектора, м. 1 ил. времени пайки, регулирование мощности источника нагрева во всем диапазоне температур нагрева осуществляют в зависимости от контролируемого параметра, которым является температура паяемого иэделия.
Недостатком данного способа автоматического управления является то, что использование только температуры в качестве . контролируемого параметра не обеспечивает выравнивание температуры в изделии.
При пайке небольших изделий сложной
1771898
30
50 формы это может привести к значительным термодефармациям в иэделии в процессе нагрева, что в сва о очередь, вызывает искривление паяльного стыка и нестабильность качества паянаго шва. Кроме того, в данном способе используется линейная зависимость температуры от напряжения термопары на изделии, что в свою очередь приводит к снижению точности соблюдения заданнога термического цикла нагрева изделия.
Известен автоматизированный процесс бесфлюсавай пайки теплоабменников, при котором с целью снижения времени лайки и перепада температуры в изделии нагрев изделия осуществляют на максимальной мощности нагревателя, катару а в процессе нагрева снижают в зависимости от контролируемого параметра, которым является перепад температуры в изделии, 20
Недостатком данного способа является то, что в процессе нагрева регулирование мощности нагревателя в зависимости от перепада температуры в изделии осуществляется однократна, в результате чего снижение перепада температуры в изделии происходит до 10 — 15 С, чта недопустимо для изделий сложной формы небольших размеров, Кроме того, регулирование мощности нагревателя только от перепада температуры в изделии снижает скорость нагрева лри достаточно высоких температурах, чта приводит к падению качества изделия из-эа увеличения времени действия флюса на паяемый UioD, Наиболее близким па сути к предлагаемому техническому решени а является способ автоматического управления нагревом при пайке, при котором, с целью повышения качества пайки за счет снижения градиента 40 температуры в изделии при нагреве изде. лия под пайку, предварительный нагрев пад пайку изделия производят на максимал ь ной мощности нагревателя, с одновременным измерением температуры поверхности иэделия в нескольких точках, по окончании которого регулирование мощности истачника нагрева (нагревателя) осуществляют в зависимости ат перепада температуры в иэделии и скорости измерения перепада температуры в изделии, Данный способ позволяет производить нагрев изделия с максимально допустимым перепадом температуры в изделии, а значит,и с максимальной скоростью за счет опережающего регулирования температурьi в изделии и градиента температуры. Однако данный способ в качестве градиента температуры использует перепад температуры в изделии, чта в случае пайки изделий сложной формы небольших размеров недопустимо, т. к. максимальный перепад температуры может возникнуть между точками изделия, лежащими на максимально возможном. для данного иэделия расстоянии. Таким образом,физический градиент температуры, определяемый как отношение перепада температуры между точками изделия к расстоянию между точками, может иметь максимальное значение для точек, перепад температуры между которыми не будет максимальным. Кроме того, определение температурного градиента как отношения перепада температуры к расстоянию, на котором данный перепад возникает,возможно лишь для линейного распределения температуры в изделии, что у изделий сложной формы не наблюдается. В то же время неучет реального значения максимального градиента температуры в изделии при регулировании мощности источника нагрева может привести к термодеформациям отдельных частей изделия, искривлению паяльного стыка и к потере качества пайки, избежать которого можно лишь за счет выдержек изделия при нагреве, чта, в свою очередь, приводит к падению производительности процесса. нагрева.
Целью изобретения является повышение качества паяного соединения при пайке изделий небольших размеров и производительности процесса пайки за счет снижения градиента температур в иэделии.
Поставленная цель достигается за счет того, чта после предварительного прогрева изделия под лайку на максимальной мощности источника нагрева (нагревателя) регулирование мощности нагревателя осуществляют в зависимости от контрольных параметров, которыми являются скорость изменения максимального перепада температуры в изделии и максимальный градиент температуры в изделии в точках измерения, определяемый по формуле:
max(— =С 1(Тг-(Тс+Сг — )), d Ti dTi
dl бт
dT где — — градиент температуры в I-й точке
dl измерения, град/м;
Т - температура газа в печи, град;
Ti — температура изделия в i-й точке измерения,град;
cI T( — — скорость изменения температуdt ры в i-й точке измерения, град;
С1и Сг — постоянные коэффициенты определяемые по формулам
1771898 — аг е1
С1= чЗ, Сг= -, а е1 . а где аг — температуропроводность газа в печи, м /c; а — температуроп роводность материала изделия, м /с,; е1 — модуль единичного вектора, м.
На чертеже представлен график термического цикла нагрева изделия и график изменения мощности нагревателя в процессе нагрева при использовании данного способа автоматического упрасления нагревом, где в качестве примера взята релейная зависимость мощности нагревателя, после предварительного нагрева, от градиента температуры в изделии и скорости изменения максимального перепада температуры в изделии.
Способ автоматического управления нагревом при пайке осуществляется следующим образом. Перед пайкой собирают паяемое изделие и устанавливают-на нем датчики температуры (например, термопары). Измеряют расстояние между установленными на изделии термопарами и определяют наименьшее иэ них. Устанавливают собранное паяемое изделие в печь или в контейнер заполненный аргоном, который затем помещают в печь. После этого производят предварительный нагрев изделия на максимальной мощности нагревателя с одновременным измерением температуры и скорости изменения температуры в измеряемых точках поверхности изделия. По окончании нагрева изделия до температуры предварительного подогрева (Т подогрева), см, чертеж, Регулирование мощности нагревателя производят в зависимости от контрольных параметров, которыми являются скорость изменения максимального перепада температуры в изделии и максимальный градиент температуры в изделии в точках измерения, определяемый по формуле пах(=С (Тг-(Т;+С )), Т 1Т; Т где — градиент температуры в 1-й точdl ке измерения, град/м;
Тг — температура газа в печи, град;
Т вЂ” температура изделия в i-й точке измерения, град;
d Ti бс — скорость изменения температуры в i-й точке измерения, град;
С и C2 — постоянные коэффициенты определяемые по формулам
Ci=- КЗ- .C2= г— ам Е1 ".Гаг где аг — температуропроводность газа в печи, м/с; а — температуропроводность материала иэделия, м /с, е1 — модуль единичного вектора, м.
В качестве закона регулирования может быть выбран любой иэ известях законов автоматического управления, который обеспечивает нагрев изделия до температуры пайки при снижении перепада температуры в изделии, Для примера может быть взят релейный закон регулирования мощности нагревателя, при котором нагрев и после предварительного подогрева ведут на максимальной мощности источника нагрева (нагревателя) и при превышении хотя бы одним из контрольных параметров заданных значений нагреватель отключают, Повторное включение нагревателя осуществляют лишь после снижения соответствующего контрольного параметра ниже заданного значения. В качестве заданного значения для скорости изменения максимального перепада температуры в изделии может быть взято условие отрицательного значения данной скорости при нагреве изделия, т. е, при превышении скорости изменения перепада температуры в изделии ноля нагреватель отключают, а при снижении в отрицательную область включают. В качестве заданного значения для максимального градиента температуры в изделии может быть взято отношение максимально допустимого перепада температуры в изделии к минимальному расстоянию между датчиками температуры в изделии.
При превышении данного значения максимальным градиентом температуры, вычисленным по предложенной формуле, нагреватель отключают, при снижении ниже заданного значения нагреватель включают на максимальную мощность (Nl» Регулирование мощности нагревателя в процессе пайки таким образом обеспечивает приближение максимальной и минимальной температуры в изделии (Тмакс и Тм«н), а также любой другой температуры, лежащей между этими двумя значениями (Т ), к температуре пайки (Т« як«), при снижении максимального перепада температуры в иэделии до ноля. Это и обеспечивает высокое качество паяного соединения за счет выбора максимальной скорости нагрева при снижении максимального градиента температуры в процессе нагрева. 1771898 Вывод формулы расчета градиента температуры в иэделии был произведен экспериментально-расчетным методом, Для этого закон теплообмена Фурье в каждой точке измерения температуры на поверхно- 5 сти изделия представляли в разностной форме <-ьх RTi+T« x Т,-У1-2T;+T д,„ Т; -, Т; 1 Т; + ь (<) Как было экспериментально установле- 15 но градиент температуры газа в печи (T„) около поверхности изделия равен нолю (равномерное поле температур), т, к. в случае изделий небольших размеров мощность нагревателя значительно превышает поте- 20 ри тепла на нагрев паяемого изделия, Также было установлено, что среднее максимальное значение каждой проекции градиента температуры в теле изделия в точках измерения подчинено нормальному закону рас- 25 пределения и в общем случае может быть определено из выражения dTI„1 dТ; d i 1 3 d I () 30 Подставляя значения этих двух градиентов в формулу (1), можно привести данное выражение к виду 35 — = — (Тг — Ti) — V3 ам — — (3) d Т 3 а dTi 1 dt е1 dl е1 Решая это уравнение относительно 40 d T ,„ получаем dTi dI -VB —, — (Тг-(Т + ) ) (4) а,е1 dl . За dt 45 или — = С1(Тг — (Т(+ Сг ) ), (5) d Ti d T б! г dt 50 Пример использования данного способа автоматического управления нагревом при пайке. Сплавляли втулку диаметром 150 мм иэ 55 стали 10 с муфтой диаметром 200 мм из той же стали. Для пайки использовали индукционную печь снабженную усилителем У-252 и машинным преобразователем ВПЧ- I00— 2400, Минимальное расстояние между термопа рами,установленными на поверхности изделия, составило 150 мм. Перед пайкой. собранное изделие помещали в контейнер заполненный аргоном, Температура пайки составляла 1050 С, максимальный перепад температуры в изделии не должен превышать 100 С при температуре максимально нагретой точки поверхности изделия 450— 650 С и 10 С при 650 — 960 С. В качестве закона регулирования был выбран релейный закон, Заданным допустимым условием для скорости изменения максимального перепада температуры в изделии было снижение данной скорости ниже ноля. Заданным допустимым условием для градиента температуры в изделии было непревышение значения 660 град/м при температуре максимально нагретой точки поверхности изделия 450 — 650 С и 66 град/м при 650 — 960 С. Температура предварительного подогрева изделия при нагреве на максимальной мощности нагревателя составила 450 С. При достижении данной температуры в процессе нагрева было превышено заданное значение по скорости изменения максимального перепада температуры в иэделии, Нагреватель был отключен на 6 мин до достижения заданного значения данным контрольным параметром. Затем нагрев продолжался на максимальной мощности нагревателя до температуры максимально нагретой точки 600 С, при которой был превышен показатель по градиенту температуры в изделии. Нагреватель был отключен на 8 мин до снижения данного контрольного параметра ниже заданного значения, Далее нагрев изделия опять производился на максимальной мощности до температуры максимально нагретой точки поверхности изделия 900 С, когда вновь было превышено заданное значение градиента температуры в изделии. Нагреватель был отключен íà 5 мин до снижения данного контрольного параметра ниже заданного значения. Достижение температуры пайки осуществлялась путем отключения нагревателя, работающего на максимальной мощности при достижении максимально нагретой точки поверхности изделия нижнего интервала температуры пайки, равного 1045 С, Паяный шов был получен высокого качества без перекосов, вытекания припоя из зазора и образования flop в паяном шве. Использование данного изобретения позволяет исключить появление значительных термодеформаций в паяемом иэделии в течение всего процесса 1771898 max() = C P -(Т + Cz — ). d Ti о Т) dl dt нагрева, а значит1 повысить качество пайки и ее производительность. Сг= 3, С2= - аМ е аг Specs иай ц Составитель А,Малолетков Техред М.Моргентал Корректор С.Пекарь Редактор Заказ 3801 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Формула изобретения Способ автоматического управления нагревом при пайке, преимущественно печной, изделий сложной формы, при котором производят предварительный нагрев изделия на максимальной мощности нагревателя с одновременным измерением температуры в различных точках поверхности иэделия, по окончании которого регулирование мощности нагревателя производят в зависимости от скорости изменения максимального перепада температуры в иэделии, являющейся контролируемым параметром, отличающийся тем, что, с целью повышения качества паяного соединения с одновременным сокращением Bp8M8Hvl пайки, максимальный градиент температуры в точках измерения определяют по формуле d Ti 5 dl где — — градиент температуры a i-й точке измерения, град/м; Тг- температура газа в печи, град; 7i — температура изделия в i-й точке измерения,град; 10 dT( — — скорость изменения температубт .ры в l-й точке измерения, град; С1 и Сг — постоянные коэффициенты, определяемые по формулам 15 где а — температуропроводность газа в 20 печи м /с а — температуропроводность материала изделия м /с. е1 — модуль единичного вектора, м, 
