СПОСОБ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПАЙКИ НАКОНЕЧНИКОВ РЕЛЬСОВЫХ СОЕДИНИТЕЛЕЙ К РЕЛЬСУ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF SOLDERING RAIL BOND TIPS TO RAIL BY ELECTRIC ARC AND DEVICE TO THIS END

Изобретения относятся к пайке, а именно к электродуговой пайке, и могут быть использованы для получения паяных соединений наконечников рельсовых электрических соединителей с поверхностью рельсов.
Известен способ пайки, обеспечивающий электрическое соединение между проводом и металлической поверхностью, характеризующийся припаиванием закрученного провода к металлической поверхности, включающий закрутку провода вокруг электродного элемента с твердым припоем в непосредственной близости от металлической поверхности на диаметр не менее диаметра наконечника контактного электродного элемента для пайки твердым припоем, прижатие контактного электродного элемента с твердым припоем через керамическое кольцо до соединения с металлической поверхностью, подачей электроэнергии к контактному элементу для пайки твердым припоем, возбуждение дуги между контактным элементом и металлической поверхностью, при отводе контактного элемента от металлической поверхности, ее горение и плавления материала припоя, который располагается на конце электродного элемента (патент Великобритании GB 2446698).
К недостаткам способа следует отнести отсутствие регулирования процесса подачи электрической энергии в зону контакта. Не контролируемая подача энергии в зону пайки приводит к повышению температуры в зоне пайки и, как следствие, изменению структуры поверхностного слоя.
Известен способ пайки, аналогичный предыдущему, но позволяющий сократить потребление электрической энергии и уменьшить образование мартенсита в паяном соединении за счет управления величиной тока, в котором первоначально рассчитывают оптимальное количество энергии, необходимой для пайки, величину которой определяют по формуле, контролируют величину оптимального количества тока и время процесса пайки, при истечении времени пайки прекращают подачу энергии (патент Франции FR 2669569).
Данный способ предназначен для пайки наконечников рельсового соединителя, изготовленных из меди, имеющей высокую теплопроводность. Данный процесс характеризуется интенсивным отводом тепла из зоны пайки, что обусловлено высокой теплопроводностью меди. Для пайки наконечников соединителя, изготовленных из стали, у которых теплопроводность значительно меньше меди, а значит, и отвод тепла из зоны пайки меньше, необходимо проводить процесс пайки при более низких температурах. Данный способ не позволяет снизить температуру в зоне пайки до значений, необходимых для пайки наконечников, изготовленных из стали. Кроме того, способ не предусматривает плавного снижения рабочего тока при окончании процесса пайки, что не позволяет сохранить припой в зоне пайки от его выдавливания электродным элементом, когда электродный элемент возвращается и прижимается к поверхности рельса.
Данный способ наиболее близок к заявляемому способу.
Задачей заявляемого изобретения по способу является повышение качества паяного соединения наконечника рельсового соединителя, изготовленного из стали с поверхностью рельса.
-6
2
-2
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в снижении температуры в зоне пайки, сохранении всего объема припоя в зоне пайки и его равномерном распределении по поверхности пайки, повышении прочности и виброустойчивости паяного соединения, снижении электрического сопротивления соединения, в отсутствии образования мартенситной структуры на поверхности рельса в месте пайки. Указанный технический результат достигается заявляемым способом электродуговой пайки наконечников рельсовых соединителей к рельсу, включающим подготовку к пайке наконечника соединителя и места соединения на рельсе, прижатие электродного элемента с твердым припоем к рельсу, а наконечника рельсового соединителя к рельсу через керамическое кольцо, с образованием между ними электрического контакта, удержание наконечника соединителя в контакте с рельсом на месте пайки, отвод электродного элемента от поверхности рельса с образованием электрической дуги и начало цикла пайки, проведение цикла пайки твердым припоем, находящимся на конце электродного элемента, прижатие электродного элемента к поверхности рельса после окончания цикла пайки и образование паяного соединения, при этом предварительно в месте соединения рельса и соединителя образуют ювенильные поверхности, пайку проводят в течение 1,0-2,0 сек импульсами электрического тока с периодом (30-70)×10 ceк постоянной скважности при плотности тока 6-8 А/мм, непрерывность горения дуги в паузе периода обеспечивают энергией, накопленной дросселем по переднему фронту импульса рабочего тока, а за 10 сек до окончания цикла пайки величину силы тока плавно уменьшают до нуля путем уменьшения скважности импульсов, а ювенильные поверхности образуют не более чем за 5 минут до проведения пайки.
Для осуществления заявляемого способа предлагается устройство электродуговой пайки рельсовых соединителей к рельсу, уровень техники которого известен из устройства для электродуговой пайки, содержащего блок аккумуляторов, электронный блок, блок управления, обеспечивающий проверку исправности электрической цепи и контроль количества потребленной энергии по времени и силе тока, пистолет для пайки, подключенный к силовому разъему отрицательной полярности, содержащий средства удержания электродного элемента с твердым припоем и его перемещения посредством электромагнита (патент Франции FR 2669569).
В данном устройстве величина зазора между электродом и поверхностью пайки сохраняется постоянной. С одной стороны, это положительно сказывается на качестве паяного соединения, но с другой стороны, сохранение постоянным зазора влечет за собой появление других проблем. Поскольку зазор в процессе пайки изменяется за счет плавления электродного элемента очень быстро, то и его корректировать необходимо быстро. В устройстве изменение зазора осуществляется с помощью электромагнитной системы и механических пружин, обладающих большой инерционностью. Скоростное управление инерционными системами требует значительных затрат энергии, т.е. часть энергии тратится не на процесс пайки, что сокращает число циклов пайки, осуществляемых за одну зарядку аккумулятора. Поскольку после каждого цикла пайки энергия аккумулятора уменьшается, то каждый последующий цикл пайки должен выполняться больше предыдущего. Увеличение времени процесса пайки ведет к снижению свойств паяного соединения, а именно снижению прочности и виброустойчивости соединения, повышению электрического сопротивления. Это обусловлено тем, что часть припоя в процессе пайки вытекает из зоны пайки и не используется для образования паяного соединения, и чем больше по времени протекает процесс пайки, тем меньше остается припоя в месте соединения, тем ниже становятся свойства соединения.
Данное устройство наиболее близко к заявляемому комплексу.
Задачей заявляемого изобретения является создание устройства для реализации заявляемого способа пайки стальных наконечников рельсовых электрических соединителей поверхностью рельсов.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в предотвращении образования окисной пленки в паяном соединении, в повышении прочности паяного соединения и его виброустойчивости, снижении электрического сопротивления, в отсутствии образования мартенситной структуры на поверхности рельса, сохранении всего объема припоя в зоне контакта.
Указанный технический результат при реализации заявляемого способа достигается заявляемым устройством для электродуговой пайки наконечников рельсовых соединителей к рельсу, содержащим блок аккумуляторов, электронный блок, блок управления, обеспечивающий проверку исправности электрической цепи и контроль количества потребленной энергии по времени и силе тока, пистолет для пайки, подключенный к силовому разъему отрицательной полярности, содержащий средства удержания электродного элемента с твердым припоем и его перемещения посредством электромагнита, при этом блок аккумуляторов состоит из трех батарей по 12 В каждая, соединенных последовательно, обеспечивая общее напряжения блока аккумуляторов равным 36 В, электронный блок содержит блок силовых электролитических конденсаторов, подключенных постоянно к блоку аккумуляторов, блок силовых транзисторных ключей, подключенный к его выходу сглаживающий дроссель, а также датчик тока, блок шунтирующих диодов и подключенный параллельно ему блок фильтра для замыкания паразитных токов высших гармоник, возникающих при горении дуги между электродным элементом и поверхностью рельса и коммутационных процессах, состоящий из фильтрующего конденсатора и гасящего резистора, при этом контакт положительный полярности блока силовых электролитических конденсаторов подключен к выходному контакту положительной полярности блока аккумуляторов, а контакт отрицательной полярности блока силовых электролитических конденсаторов подключен к выходному контакту отрицательной полярности блока аккумуляторов, при этом блок заряженных силовых электролитических конденсаторов имеет электрическое сопротивление ниже, чем электрическое сопротивление блока аккумуляторов, обеспечивая тем самым скачок тока короткого замыкания при образовании цепи рабочего тока, блок силовых электролитических конденсаторов подключен также к блоку силовых транзисторных ключей так, что напряжение блока силовых электролитических конденсаторов приложено к транзисторным ключам в прямой полярности, каждый силовой транзисторный ключ снабжен узлом выравнивания потенциалов и токоограничения по цепи управления, причем входы этих узлов соединены с входом блока силовых транзисторных ключей, а выходы индивидуально соединены с управляющими выводами силовых транзисторных ключей, каждая пара силовых транзисторных ключей снабжена быстродействующим узлом защиты от перенапряжений обратной полярности, причем эти узлы имеют одностороннюю проводимость и подключены к выводам силовых транзисторных ключей так, чтобы ток проводимости возникал в них при превышении максимально допустимого обратного напряжения на силовых выводах транзисторных ключей, к выходу блока силовых транзисторных ключей подключен сглаживающий дроссель, полуобмотки которого соединены вместе и подключены к соединенным вместе выходным контактам силовых транзисторных ключей, сглаживающий дроссель выполнен на кольцевом сердечнике, две параллельные полуобмотки которого включены согласно и выполнены двумя проводами каждая, датчик тока одним контактом подключен к силовому разъему отрицательной полярности, а вторым контактом подключен к выходу отрицательной полярности блока конденсаторов и к входу блока шунтирующих диодов, а выход блока шунтирующих диодов подключен к выходу блока силовых транзисторных ключей, при этом е блоке шунтирующих диодов к входу подключены анодные электроды быстродействующих диодов Шоттки, а катодные электроды диодов Шоттки подключены к выходу блока шунтирующих диодов так, что диоды Шоттки отпираются под действием ЭДС самоиндукции дросселя, приложенной к ним в отпирающем направлении, параллельно блоку шунтирующих диодов подключен блок фильтра для замыкания паразитных токов высших гармоник, возникающих при горении дуги и в коммутационных процессах, состоящий из фильтрующего конденсатора и гасящего резистора, блок управления, состоящий из модуля согласования, модуля микроконтроллера, модуля оптической развязки, модуля усиления тока импульсов управления и модуля вторичного питания, при этом модуль согласования выполнен на сдвоенном операционном усилителе, причем первый операционный усилитель осуществляет масштабирующее согласование уровня напряжения блока аккумуляторов к уровню напряжения, допустимому для подачи на вход микроконтроллера так, что максимальное напряжение блока аккумуляторов соответствует 90% максимально допустимого напряжения на входе микроконтроллера, а минимально допустимое для пайки напряжение блока аккумуляторов соответствует 50% максимально допустимого напряжения на входе микроконтроллера, а второй операционный усилитель осуществляет масштабирующее согласование разности потенциалов датчика тока к диапазону допустимого напряжения на входе микроконтроллера, выходы обоих операционных усилителей подключены к аналоговым входам микроконтроллера через низкочастотный фильтр, модуль микроконтроллера содержит микросхему микроконтроллера и цепь фильтрации питающего напряжения аналоговой части микроконтроллера, при этом выход широтно-модулированного импульсного сигнала микроконтроллера подключен к входу оптопары через токоограничитель по первичной стороне оптопары, модуль оптической развязки выполнен на интегральной оптопаре с высоким электрическим сопротивлением между цепями интегрального светодиодного излучателя по первичной стороне оптопары и цепями интегрального оптотранзистора по вторичной стороне оптопары, при этом выход оптопары подключен к входу модуля усиления тока импульсов управления, модуль усиления тока импульсов управления выполнен на комплементарных биполярных транзисторах, к входу модуля усиления тока импульсов управления подключены базовые выводы комплементарных биполярных транзисторов, эмиттерные выводы комплементарных биполярных транзисторов соединены с выходом модуля усиления, модуль вторичного электропитания состоит из микросхемы линейного стабилизатора на напряжение 24 В, микросхемы импульсного стабилизатора питания, трансформатора, выходных выпрямителей фильтров и служит для питания блока микроконтроллерного управления, выполняет преобразование однополярного выходного напряжения 36 В блока аккумуляторов в однополярное напряжение +5 В, гальванически связанное по проводнику отрицательной полярности с блоком аккумуляторов, и двуполярное напряжение ±12 В, гальванически не связанное по проводнику отрицательной полярности с блоком аккумуляторов.
-6
2
Снижение температуры в зоне пайки это одна из важнейших задач при пайке соединителей к рельсу, особенно это становится актуально для пайки соединителей, наконечники которых изготовлены из стали. Ведение процесса пайки в импульсном режиме с периодом (30-70)×10 при плотности тока 6-8 А/мм позволяет в паузах, когда рабочий ток обеспечивается дросселем, снизить градиент температуры нагрева места контакта за счет уменьшения снижения величины тока и тем самым уменьшения выделяемого тепла. Такой режим позволяет избежать нагрева поверхности в месте пайки выше температуры образования мартенсита. Образование ювенильных поверхностей перед процессом пайки позволяет получить соединение более однородного состава, улучшить адгезию напаянного материала к поверхности рельса и наконечника и получить соединение, имеющее минимальное электрическое сопротивление, стабильное во времени и не зависящее от перепада температур. Проведение процесса пайки в течении 1-2 минут и постепенное уменьшение рабочего тока аппаратным способом до нуля позволяет сохранить практически весь припой в зоне контакта и повысить прочность и виброустойчивость соединения.
Заявляемое устройство для реализации заявляемого способа позволяет проводить качественную и надежную пайку рельсовых соединителей к рельсам при более низких температурах, при этом отсутствуют изменения фазового состава поверхностного слоя (образование мартенситной структуры). Изменения фазового состава приводят к значительным термическим напряжениям, что отрицательно сказывается на виброустойчивости соединения. Предлагаемое устройство позволяет получать паяные соединение с низким электрическим соединением, за счет образования соединения, состоящего из сплава серебра и меди при отсутствии окисной пленки между паяными поверхностями. Заявляемое устройство позволяет сохранить весь припой в зоне контакта, обеспечивая тем самым качественное соединение.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведена принципиальная блок-схема устройства для пайки наконечников рельсовых соединителей к рельсу.
Устройство для электродуговой пайки наконечников рельсовых соединителей к рельсу поставляется в комплекте с инструментом для образования ювенильной поверхности в отверстии наконечника соединителя и на поверхности рельса (на чертеже не показаны). Устройство содержит блок аккумуляторов 1, электронный блок 2, блок управления 3. К силовому разъему отрицательной полярности электронного блока устройства (на чертеже данный разъем отмечен знаком минус «-») подключается пистолет для пайки, содержащий средства удержания электродного элемента с твердым припоем и его перемещения посредством электромагнита (пистолет на чертеже не показан). Блок аккумуляторов 1 состоит из трех батарей по 12 В каждая, соединенных, последовательно обеспечивая общее напряжения блока аккумуляторов равным 36 В, электронный блок 2 содержит блок силовых электролитических конденсаторов 2.1, подключенных к блоку аккумуляторов постоянно, причем контакт положительной полярности блока конденсаторов подключен к выходному контакту положительной полярности блока аккумуляторов, а контакт отрицательной полярности блока конденсаторов подключен к выходному контакту отрицательной полярности блока аккумуляторов 1. Блок заряженных силовых электролитических конденсаторов 2.1 имеет электрическое сопротивление ниже, чем электрическое сопротивление блока аккумуляторов, обеспечивая тем самым скачок тока короткого замыкания при образовании цепи рабочего тока. Блок силовых электролитических конденсаторов 2.1 подключен к блоку силовых транзисторных ключей 2.2 так, что напряжение блока конденсаторов 2.1 приложено к транзисторным ключам 2.2 в прямой полярности, каждый силовой транзисторный ключ снабжен узлом выравнивания потенциалов и токоограничения по цепи управления, причем входы этих узлов соединены с входом блока транзисторных ключей, а выходы индивидуально соединены с управляющими выводами транзисторных ключей, каждая пара силовых транзисторных ключей снабжена быстродействующим узлом защиты от перенапряжений обратной полярности, причем эти узлы имеют одностороннюю проводимость и подключены к выводам транзисторных ключей так, чтобы ток проводимости возникал в них при превышении максимально допустимого обратного напряжения на силовых выводах транзисторных ключей, к выходу блока транзисторных ключей 2.2 подключен сглаживающий дроссель 2.3, полуобмотки которого соединены вместе и подключены к соединенным вместе выходным контактам транзисторных ключей. Сглаживающий дроссель 2.3 выполнен на кольцевом сердечнике, две параллельные полуобмотки которого включены согласно и выполнены двумя проводами каждая. Датчик тока 2.4 одним контактом подключен к силовому разъему отрицательной полярности, а вторым контактом подключен к выходу отрицательной полярности блока силовых электролитических конденсаторов 2.1 и к входу блока шунтирующих диодов 2.5, а выход блока шунтирующих диодов 2.5 подключен к выходу блока силовых транзисторных ключей 2.1. В блоке шунтирующих диодов 2.5 к входу подключены анодные электроды быстродействующих диодов Шоттки, а катодные электроды диодов Шоттки подключены к выходу блока шунтирующих диодов так, что диоды Шоттки отпираются под действием ЭДС самоиндукции дросселя, приложенной к ним в отпирающем направлении. Параллельно блоку шунтирующих диодов 2.5 подключен блок фильтра 2.6, для замыкания паразитных токов высших гармоник, возникающих при горении дуги и коммутационных процессах, состоящий из фильтрующего конденсатора и гасящего резистора. Блок микроконтроллерного управления 3 состоит из модуля согласования 3.1, модуля микроконтроллера 3.2, модуля оптической развязки 3.3, модуля усиления тока импульсов управления 3.4 и модуля вторичного электропитания 3.5. Модуль согласования 3.1 выполнен на сдвоенном операционном усилителе, причем первый операционный усилитель осуществляет масштабирующее согласование уровня напряжения блока аккумуляторов к уровню напряжения, допустимому для подачи на вход микроконтроллера так, что максимальное напряжение блока аккумуляторов соответствует 90% максимально допустимого напряжения на входе микроконтроллера, а минимально допустимое для пайки напряжение блока аккумуляторов соответствует 50% максимально допустимого напряжения на входе микроконтроллера, а второй операционный усилитель осуществляет масштабирующее согласование разности потенциалов датчика тока к диапазону допустимого напряжения на входе микроконтроллера, выходы обоих операционных усилителей подключены к аналоговым входам микроконтроллера через низкочастотный фильтр. Модуль микроконтроллера 3.2 содержит микросхему микроконтроллера и цепь фильтрации питающего напряжения аналоговой части микроконтроллера, при этом выход широтно-модулированного импульсного сигнала микроконтроллера подключен к входу оптопары через токоограничитель по первичной стороне оптопары. Модуль оптической развязки 3.3 выполнен на интегральной оптопаре с высоким электрическим сопротивлением между цепями интегрального светодиодного излучателя по первичной стороне оптопары и цепями интегрального оптотранзистора по вторичной стороне оптопары, при этом выход оптопары подключен к входу модуля усилителя тока импульсов управления 3.4. Модуль усилителя тока импульсов управления 3.4 выполнен на комплементарных биполярных транзисторах, к входу модуля усилителя тока импульсов управления подключены базовые выводы комплементарных биполярных транзисторов, эмиттерные выводы комплементарных биполярных транзисторов соединены с выходом усилителя. Модуль вторичного электропитания состоит из микросхемы линейного стабилизатора на напряжение 24 В, микросхемы импульсного стабилизатора питания, трансформатора, выходных выпрямителей фильтров, служит для питания блока микроконтроллерного управления 3, выполняет преобразование однополярного выходного напряжения 36 В блока аккумуляторов 1 в однополярное напряжение +5 В, гальванически связанное по проводнику отрицательной полярности с блоком аккумуляторов 1, и двуполярное напряжение ±12 В, гальванически не связанное по проводнику отрицательной полярности с блоком аккумуляторов 1.
2
-2
Пайка данным устройством осуществляется следующим образом. Устройство подключается к блоку аккумуляторов 1, при подключении происходит зарядка силовых электролитических конденсаторов 2.1. Пистолет, для пайки с вставленным в него электродным элементом, через керамическое кольцо прижимает наконечник рельсового соединителя к поверхности рельса (на схеме не показаны). Электродный элемент проходит через отверстие в наконечнике и прижимается к поверхности рельса. Включается питание устройства, начинает работать вторичный источник питания 3.5. Микроконтроллер 3 производит самотестирование системы в течение некоторого времени, после проведения тестирования, на затворы транзисторных ключей блока 2.2 подается последовательность управляющих прямоугольных импульсов длительностью t с периодом повторения Т. Управляющие импульсы открывают или закрывают силовые транзисторные ключи. При наличии сигнала транзисторные ключи открыты и по ним может протекать рабочий ток. Длительность импульсов подобрана таким образом, чтобы весь расплавленный припой оставался в зоне припоя. Плотность тока 6-8 А/мм была определена опытным путем. Уменьшение рабочего тока за 10 сек до окончания цикла пайки, сила тока плавно уменьшается до нуля.
-2
При нажатии на пистолете включателя по цепи начинает течь рабочий ток. В периоды длительностью t величина рабочего тока определяется внутренним сопротивлением заряженных конденсаторов блока 2.1, полным сопротивлением дросселя 2.3, полным сопротивлением обмотки электромагнитного устройства пистолета и сопротивлением соединительных проводов. Суммарная величина данного сопротивления мала, поэтому ток в рабочей цепи достигает порядка 300-400А. Данный ток проходит по катушке электромагнитного устройства, расположенного в пистолете. При втягивании электромагнита (пистолет для пайки не показан) происходит отход электродного элемента от поверхности рельса на некоторое расстояние и возбуждение дуги между электродным элементом и поверхностью рельса. Под действием дуги происходит плавление твердого припоя на электродном элементе и нагрев поверхности пайки на рельсе и на наконечнике рельсового соединителя. Начало пайки сопровождается броском тока короткого замыкания величиной, превышающей оптимальный ток пайки. Ограничение пикового значения тока короткого замыкания и сглаживание формы дуги осуществляется с помощью дросселя 2.3 в цепи силового тока. Конструкция дросселя (две параллельные полуобмотки, включенные согласно и выполненные в два провода) обеспечивает достаточную для цепи индуктивность при минимально возможном активном и емкостном сопротивлении протекающему импульсному току. Рабочий ток проходит через силовые транзисторные ключи. При прохождения второй части периода управляющего импульса, когда его значение равно нулю, транзисторные ключи блока 2.2 запираются, и рабочей ток в цепи начинает течь под действием ЭДС самоиндукции дросселя. Данный ток течет через быстро действующий диод с барьером Шоттки блока 2.5. Фильтрующий блок 2.6 замыкает на себя паразитные токи высших гармоник, которые возникают при горении дуги при коммутационных процессах. Величина тока самоиндукции дросселя не постоянна по величине и уменьшается по экспоненциальному закону, но не достигает нулевого значения. По переднему фронту следующего управляющего импульса транзисторные ключи блока 2.2 отпираются, диоды Шоттки запираются напряжением, приложенным в обратном направлении, начинается второй цикл. С началом протекания рабочего тока контроллер начинает отсчет продолжительности цикла пайки. В течение времени цикла пайки рабочий ток имеет характерные особенности начального этапа, установившегося процесса и завершающего этапа. Начальный этап длится примерно треть всего цикла пайки и характеризуется максимальными колебаниями мгновенного тока относительно среднего значения 300 А, установившийся процесс отличается стабильностью тока в окрестности оптимального тока 300 А, завершающий этап начинается за 10 сек до окончания процесса и характеризуется уменьшением тока до нуля. По окончании установленного времени рабочего цикла осуществляется снижение рабочего тока нуля, электромагнитное устройство пистолета прекращает удерживать электродный элемент в отжатом состоянии. Под действием пружины пистолета электродный элемент возвращается к поверхности рельса, формируя при этом паяное соединение. За период, когда происходит уменьшение тока до нуля, происходит уменьшение температуры в зоне пайки, происходит изменение фазового состава припоя и снижение его температуры. Это позволяет при прижатии электродного элемента сохранить максимально расплавленный металл припоя в зоне пайки и получить качественное соединение.
Устройство может быть изготовлено из электронных компонентов, выпускаемых промышленностью.