СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПАЙКИ
METHOD AND DEVICE FOR WELDING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу управления процессом пайки, включающему подачу сварочного тока через электрод, прижатый к металлической поверхности обрабатываемой детали, и отведение электрода от металлической поверхности для образования сварочной дуги. В различных вариантах осуществления изобретения может применяться штифтовая пайка с использованием паечного штифта в качестве электрода. Пайка может применяться для электрического присоединения провода к металлическому предмету, такому как рельс, или в более общем смысле для обеспечения электрического соединения между двумя электропроводными предметами. Обычно процесс пайки осуществляют с помощью модульных блоков, содержащих батарейный источник питания.
Уровень техники
Специальный паечный штифт с мягким припоем (температура плавления меньше 700°С) расплавляют в отверстии кабельного наконечника и создают паяное соединение между кабельным наконечником и металлической конструкцией, например, рельсовым путем или трубопроводом. При этом можно использовать низкоомный металл, такой как серебро. Серебро является очень хорошим электрическим проводником и обеспечивает чрезвычайно низкое переходное сопротивление. Обычно для расплавления паечного штифта используют пистолет для штифтовой пайки, подключенный к источнику питания.
Одна из проблем при использовании традиционных способов на рельсовых путях состоит в том, что интенсивное тепло, выделяемое под местом пайки, вызывает пропорционально интенсивное образование мартенсита, что, в свою очередь, может привести к образованию трещин. Другая проблема связана с батарейным источником питания, который обычно используется для обеспечения процесса пайки, и касается интенсивности тока, поступающего от источника питания. Вследствие изменения условий в ходе пайки интенсивность тока будет изменяться и вызывать неоднородности и нарушения целостности электрического соединения.
Еще одна проблема связана с емкостью батареи в общем случае и в условиях изменяющейся температуры в частности. Штифтовая пайка обычно производится вне помещения, при этом температура может изменяться от -30°С до +50°С и выше. Доступные в настоящее время элементы аккумуляторных батарей большой мощности способны обеспечить достаточную силу тока при нормальных температурах, но испытывают понижение емкости при очень низких температурах.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является предложение системы пайки с питанием от аккумуляторной батареи, которая обеспечивает предсказуемые результаты при изменяющихся условиях. Новый способ управления обеспечит подачу тока постоянной интенсивности. В одном из вариантов осуществления аккумуляторные батареи источника постоянного тока, входящего в состав системы, снабжены изоляцией, при этом их рабочая температура поддерживается на надлежащем уровне. Предусмотрены также средства для поддержания надлежащей температуры во время зарядки батарей. Система пайки в соответствии с настоящим изобретением, как правило, вполне пригодна для различных типов электродов и очень хорошо подходит для использования в качестве системы штифтовой пайки, где паечный штифт применяется в качестве электрода.
Ток, поступающий от источника постоянного тока, коммутируется цифровыми компонентами и непрерывно измеряется. Управление цифровыми компонентами осуществляется с целью поддержания практически постоянной силы тока даже при изменяющихся условиях работы. Продолжительность подачи тока также поддерживается постоянной. Управление силой тока, а также временем подачи тока позволяет обеспечивать качество процесса пайки. Уровень энергии, подводимой в процессе пайки, также будет постоянным.
В одном из вариантов осуществления источник постоянного тока содержит набор перезаряжаемых элементов питания, которые распределены по группам элементов, соединенных параллельно и последовательно. Элементы расположены на тепловыделяющей пластине в корпусе. Корпус предпочтительно выполнен с тепловой изоляцией. Рядом с элементами предусмотрен, по меньшей мере, один датчик температуры для получения данных о температуре. Модуль управления постоянно контролирует температуру элементов и регулирует подачу питания на тепловыделяющую пластину, когда температура опускается ниже предпочтительной рабочей температуры элементов.
Тепловыделяющая пластина также содействует отводу тепла от элементов при подъеме температуры во время выполнения последовательностей интенсивного разряда. Рассеивание выделяемого элементами тепла через тепловыделяющую пластину дополнительно усовершенствовано в тех вариантах осуществления изобретения, где корпус выполнен из металла.
Краткое описание чертежей
Чтобы было понятнее, каким образом достигаются перечисленные выше преимущества и цели настоящего изобретения, более подробное описание изобретения, кратко изложенного выше, будет приведено со ссылками на конкретные варианты его осуществления, которые иллюстрируются прилагаемыми чертежами.
Настоящее изобретение будет описано и объяснено с указанием дополнительных особенностей и деталей при помощи прилагаемых чертежей, подразумевая, что эти чертежи описывают только типовые варианты осуществления изобретения и поэтому не должны рассматриваться в качестве ограничивающих его объем.
На ФИГ.1 схематически показана принципиальная схема основного варианта осуществления в соответствии с настоящим изобретением.
На ФИГ.2 показан перспективный вид сверху корпуса в качестве части одного практического варианта осуществления изобретения.
На ФИГ.3 показан выполненный с местным разрезом вертикальный вид сбоку корпуса в качестве части одного практического варианта осуществления изобретения.
На ФИГ.4 показана структурная схема одного из вариантов осуществления устройства в соответствии с настоящим изобретением.
На ФИГ.5 показаны графики выходных сигналов схемы с широтно-импульсной модуляцией сверху и результирующий выходной ток снизу.
На ФИГ.6 показан схематический график, представляющий действительный ток как функцию времени в одном из процессов штифтовой пайки.
Осуществление изобретения
Принципиальная схема на ФИГ.1 иллюстрирует один из вариантов реализации основных электронных и электрических компонентов, которые могут использоваться в устройстве в соответствии с настоящим изобретением. Следует отметить, что все дискретные компоненты, показанные на ФИГ.1, должны рассматриваться в качестве базовых функциональных элементов, которые можно заменить схемами или комплектующими, обеспечивающими выполнение тех же или соответствующих функций.
Мощность, необходимая для работы пистолета для штифтовой пайки и осуществления процесса штифтовой пайки обеспечивается набором аккумуляторных элементов 10. Ток от элементов направляется на коммутируемый электронный модуль 12. При этом могут использоваться серийно выпускаемые коммутирующие компоненты, такие как МОП-транзисторы большой мощности. Обычно используется частота коммутации 30 кГц. Коммутируемый электронный модуль 12 будет формировать выходной ток очень высокого уровня, чтобы обеспечить возможность штифтовой пайки.
Выходная катушка индуктивности 14 включена между коммутируемым электронным модулем 12 и первым выходом 16 устройства. Второй выход 18 обычно подключен к земле. Конденсатор 20 подключен параллельно аккумуляторным элементам 10 в целях стабилизации.
Шунтирующий резистор 22 подключен последовательно с аккумуляторными элементами 10. В показанном варианте осуществления шунтирующий резистор 22 подключен ко второму выходу 18. Весь ток, подаваемый для обеспечения процесса штифтовой пайки, будет проходить через шунтирующий резистор 22, при этом путем измерения напряжения на шунтирующем резисторе 22, имеющем известное и точно определенное значение, можно будет определить действительный подаваемый ток. Диод 24 включен между шунтирующим резистором 22 и выходной катушкой индуктивности 14. Выходная катушка индуктивности 14 и диод 24 будут способствовать получению точно определенного и равномерного выходного тока.
Центральный блок 26 включен для измерения выходного тока. В показанном варианте осуществления сигнал, указывающий на величину выходного тока, получают путем измерения напряжения на шунтирующем резисторе 22. Две входные линии центрального блока 26 подключены к шунтирующему резистору, по одной с каждой стороны. Кроме того, выходное напряжение, измеренное на первом выходе 16, передается на центральный блок 26 через дополнительную входную линию.
Управление и возбуждение коммутируемого электронного модуля 12 осуществляется блоком управления мощностью 28 по линии управления, включенной между выходом блока управления 28 и блоком управления 29 коммутируемого электронного модуля 12. У блока управления 28 имеются два дополнительных управляющих входа, которые подключены для получения характерного значения тока в схеме. В показанном варианте осуществления два дополнительных управляющих входа подключены к шунтирующему резистору 22. В других вариантах осуществления блок управления мощностью 28 и центральный блок 26 измеряют выходной ток с помощью других методов измерения тока.
Блок управления мощностью 28 формирует сигналы широтно-импульсной модуляции для коммутируемого электронного модуля 12, чтобы поддерживать заданный выходной ток коммутируемого электронного модуля 12. Блок управления мощностью 28, кроме того, подключен к центральному блоку 26 для получения команд и обмена данными, а также подключен к устройству ввода-вывода 30. Устройство ввода-вывода 30 подключено к набору переключателей и кнопок 32, используемых для регулировки и настройки. Блок управления мощностью 28, центральный блок 26 и устройство ввода-вывода 30 могут быть объединены в модуль управления 31.
В различных вариантах осуществления аккумуляторные элементы 10 расположены на тепловыделяющей пластине 34, которая обеспечивает подходящую рабочую температуру для элементов также и в низкотемпературных условиях. Управление тепловыделяющей пластиной осуществляет центральный блок с помощью первого датчика температуры 36, расположенного вблизи от аккумуляторных элементов. Второй датчик температуры 37 также расположен вблизи от аккумуляторных элементов для обеспечения зарядного устройства надлежащей информацией о температуре в процессе зарядки аккумуляторных элементов. Первый датчик температуры 36 и второй датчик температуры 37 функционально связаны с центральным блоком 26.
Основной вариант конструкции корпуса 38 показан на ФИГ.2. Корпус 38 выполнен в виде ящика прямоугольного сечения с боковыми стенками 40 и дном 41. Все внутренние части стенок 40 покрыты теплоизоляционным слоем 42. Тепловыделяющая пластина 34 расположена на дне 41 и полностью закрывает его в показанном варианте конструкции. В различных вариантах осуществления тепловыделяющие пластины, аналогичные тепловыделяющей пластине, используемой на дне 41, предусмотрены на некоторых или на всех теплоизоляционных слоях, закрывающих стенки. Тепловыделяющая пластина 34 образует опорную прокладку для аккумуляторных элементов 10. Передняя панель 44 служит в качестве опоры для токовых контактов, переключателей и аналогичных устройств, см. ФИГ.3 и приведенное ниже описание.
На ФИГ.3 иллюстрируется компоновка устройства с аккумуляторными элементами 10 и тепловыделяющей пластиной 34. При нормальных условиях тепловыделяющая пластина будет отводить тепло от отдельных аккумуляторных элементов вследствие большой мощности, рассеиваемой аккумуляторными элементами. Если первый датчик температуры 36 обнаруживает, что температура опустилась ниже заданного значения, модуль управления будет обеспечивать подачу мощности на тепловыделяющую пластину 34 до тех пор, пока вблизи от аккумуляторных элементов не будет достигнута нужная температура. Если температура, измеренная первым датчиком температуры 36, опустится ниже заданного интервала, ограниченного предпочтительными условиями работы аккумуляторных элементов, модуль управления 31 запрещает дальнейшие процессы пайки, пока температура снова не окажется в указанном интервале.
На рисунке показан только один комплект аккумуляторных элементов. В одном из вариантов осуществления совместно используются тридцать шесть элементов. Элементы подключены параллельно и последовательно, чтобы обеспечить надлежащие выходные уровни тока и мощности. На передней панели 44 предусмотрены переключатели 46, кнопки 32 и контакты 48, подключенные к модулю управления 31. Второй датчик температуры 37 подключен к зарядному контакту 49, к которому можно подключать зарядное устройство для зарядки аккумуляторных элементов. Модуль управления 31 расположен над аккумуляторными элементами 10. Крышка (не показана) может быть расположена обычным образом.
Когда зарядное устройство подключено через зарядный контакт 49, истинное значение температуры, полученное вторым датчиком температуры 37, передается зарядному устройству. Если значение температуры не опускается ниже заданного интервала температур, никакого процесса зарядки не происходит.
Структурная схема, показанная на ФИГ.4, содержит различные логические или функциональные блоки, которые могут быть реализованы с помощью отдельных схем или в виде комбинации аппаратных компонентов и программных функций. Основными модулями являются пистолет для штифтовой пайки 50 с штифтом 52. Пистолет для штифтовой пайки 50 подключен к блоку питания 54 для подачи питания и к блоку управления пистолетом 56. Блок управления пистолетом 56 подключен к блоку управления пайкой 57, образующему одну секцию центрального блока 26. Блок питания 54 может включать конденсатор 20 и диод 24. Пистолет для штифтовой пайки 50 содержит электрические, гидравлические или пневматические средства для автоматической подачи паечного штифта 52 к поверхности обрабатываемой детали 83 в процессе штифтовой пайки с целью поддержания практически постоянного расстояния между паечным штифтом 52 и поверхностью обрабатываемой детали 83 во время подачи сварочного тока.
Устройство ввода-вывода 30 подключено к секции регулировки времени и ввода-вывода 58 центрального блока 26. Секция ввода-вывода 58 функционально связана с таймером 60. Таймер 60 используется для управления модулем преобразователя 62, выполненного с возможностью преобразования имеющегося напряжения батареи аккумуляторных элементов в рабочие напряжения электронных цепей и блока управления пистолетом 56. Цепь опорного напряжения 64 обеспечивает опорные напряжения для модуля преобразователя 62, а также подключена к цепи управления стартером 66, являющейся частью модуля управления 31. Таймер 60 также измеряет период отсутствия активности, когда штифтовая пайка не производится. Если период отсутствия активности превышает заданный период времени, например, 20 минут, все компоненты, потребляющие энергию, отключаются.
Модуль управления 31 содержит также блок управления системой 68, который подключен к датчикам наружной температуры 36, 37. В зависимости от температуры, измеренной датчиками температуры, блок управления системой 68 управляет средствами нагрева и охлаждения 70, которые термически связаны с аккумуляторными элементами 10. Средства нагрева и охлаждения 70 включают тепловыделяющую пластину 34.
Блок управления пайкой 57 подключен к схеме широтно-импульсной модуляции 72 и к таймеру пайки 73. Сигнал модуляции мощности передается со схемы широтно-импульсной модуляции 72 на блок питания 54 через выходной усилитель 74, который обеспечивает достаточное усиление модулирующего сигнала. Блок питания подключен к пистолету для штифтовой пайки 50 и к блоку управления первого уровня 76. Блок управления первого уровня 76 преобразует напряжение пайки, обеспечиваемое блоком питания 54, к уровню, соответствующему блоку входного напряжения и тока 78 модуля управления 31.
Блок входного напряжения и тока 78 также подключен к блоку управления второго уровня 80, который обеспечивает выдачу измеренного значения, указывающего на величину действительного тока пайки. В показанном варианте осуществления значение тока пайки получено как напряжение на шунтирующем резисторе 22. Штифт 52 вставляется и удерживается в пистолете для штифтовой пайки 50 обычным способом. Заземляющее устройство 82, которое присоединяется к металлической поверхности 83, где должно быть обеспечено соединение, завершает образование замкнутой цепи через штифт 52. В одном из вариантов осуществления заземляющее устройство 82 содержит магнитное заземление.
pwm
На верхнем графике, представленном на ФИГ.5, схематически показан сигнал выходного напряжения U, формируемый схемой широтно-импульсной модуляции 72. Далее этот сигнал усиливается выходным усилителем 74, после чего подается на блок питания 54, обеспечивающий питание для пистолета 50. Блок питания 54 содержит коммутируемый электронный модуль 12, конденсатор 20, диоды 24 и выходную катушку индуктивности 14, см. ФИГ.1. На нижнем графике, представленном на ФИГ.5, схематически показан сигнал выходного тока, который подается на пистолет 50 и штифт 52. Колебания выходного тока, показанные на ФИГ.5, имеют малую амплитуду, при этом в процессе пайки поддерживается практически постоянное значение выходного тока.
Частота сигнала выходного напряжения составляет приблизительно 30 кГц, таким образом, его период составляет приблизительно 33 мкс. Благодаря использованию диода 24 и выходной катушки индуктивности 14 (см. ФИГ.1) выходной ток будет выровнен. На протяжения каждого процесса штифтовой пайки выходной ток практически остается на постоянном уровне, как показано на ФИГ.6.
Процесс штифтовой пайки длится приблизительно 1 секунду или немного дольше. Как показано на ФИГ.6, ток, который фактически используется в этом процессе, очень быстро возрастает до заданного уровня, который в показанном варианте осуществления составляет приблизительно 260 А, и остается на этом уровне в течение заданного периода времени. Длительность периода штифтовой пайки соответствует необходимой энергии и определяется различными факторами, такими как размер, объем и материал штифта. Величина тока легко регулируется блоком управления 57 и схемой широтно-импульсной модуляции 72. Пайка с помощью угольного электрода обычно требует больше энергии.
Также при обычном использовании пистолета для штифтовой пайки средства для подачи паечного штифта могут потребовать дополнительной регулировки, чтобы обеспечить поддержание практически постоянного расстояния между паечным штифтом и поверхностью обрабатываемой детали. В случае устройств, относящихся к известному уровню техники, сокращение расстояния может приводить к сокращению времени штифтовой пайки и некоторой неопределенности в отношении качества. Если расстояние превысит предпочтительное значение, процесс штифтовой пайки может быть прерван слишком быстро.
Благодаря настоящему изобретению этих последствий удается полностью избежать, поскольку величина тока, а также период времени штифтовой пайки поддерживаются на заданном регулируемом уровне, по существу, независимо от фактического расстояния. Общая энергия, потребляемая в процессе пайки, также поддерживается постоянной.