УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ ПАЙКИ НАКОНЕЧНИКОВ РЕЛЬСОВЫХ СОЕДИНИТЕЛЕЙ К РЕЛЬСУ

Полезная модель относятся к пайке, а именно к электроконтактной пайке и может быть использованы для получения паяных соединений наконечников рельсовых электрических соединителей с поверхностью рельсов.
Уровень техники устройства для электроконтактной пайки наконечников рельсовых соединителей к рельсу известен из устройства пайки твердым припоем содержащем, электронный блок, включающий блок питания, состоящий из блока свинцовых аккумуляторов, блок управления, включающий систему проверки наличия электрической цепи, систему накопления энергии, систему контроля количества потребленной энергии по времени и силе тока. (Патент Франции FR 2669569).
В данном устройстве, величина зазора между электродом и поверхностью пайки сохраняется постоянным. 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 тратиться 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 заявляемой полезной модель является повышение качества паяного соединения наконечника рельсового соединителя к рельсу, изготовленного из стали.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в снижении температура 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 устройством для электроконтактной пайки наконечников рельсовых соединителей к рельсу, содержащим блок аккумуляторов, электронный блок, состоящий из блока управления, включающий систему проверки исправности электрической цепи, систему контроля количества потребленной энергии по времени и силе тока, пистолет для пайки подключенный к силовому разъему отрицательной полярности, электродный элемент с твердым припоем, при этом, устройство для электроконтактной пайки наконечников рельсовых соединителей к рельсу содержит комплект инструментов для образования ювенальной поверхности в отверстии наконечника соединителя и на поверхности рельса, 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 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 выходному контакту отрицательной полярности блока аккумуляторов, при этом блок заряженных электролитических конденсаторов имеет электрическое сопротивление ниже, чем электрическое сопротивление блока аккумуляторов обеспечивая тем самым скачок тока короткого замыкания при образовании цепи рабочего тока, блок электролитических конденсаторов подключен также к блоку силовых транзисторных ключей так, что напряжение блока 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 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 подключен сглаживающий дроссель полубмотки которого соединенные вместе и подключены к соединенным вместе выходным контактам транзисторных ключей, сглаживающий дроссель, выполнен на кольцевом сердечнике, две параллельные полуобмотки, которого включены согласно и выполненные 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 в 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 коммутационных процессах, состоящий из фильтрующего конденсатора и гасящего резистора, блок микроконтроллерного 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 усилителя тока импульсов управления, модуль усилителя тока импульсов управления 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, трасформатора, выходных выпрямителей фильтров, 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 становиться актуально для пайки соединителей наконечники которых изготовлены из стали. Устройство позволяет вести процесс пайки в импульсном режиме с периодом (30-70)×10 при плотности тока 6-8 А/мм, что позволяет в паузах, когда рабочий ток обеспечивается дросселем, снизить градиент температуры нагрева места контакта за счет уменьшения снижения величины тока и тем самым уменьшить количество выделяемого тепла. Такой режим позволяет избежать нагрева поверхности в месте пайки выше температуры образования мартенсита. Образование ювенальных 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. Устройство позволяет поводить процесс пайки в течении 1-2 минут с постепенным уменьшением рабочего тока аппаратным способом до нуля. Такой процесс позволяет сохранить практически весь припой в зоне контакта и повысить прочность и виброустойчивость соединения.
Заявляемое устройство 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 технического решения поясняется чертежом, где приведена принципиальная блок схема устройства для пайки наконечников рельсовых соединителей к рельсу.
Устройство для электроконтактной пайки наконечников рельсовых соединителей к рельсу содержит комплект инструментов для образования ювенильной поверхности в отверстии наконечника соединителя и на поверхности рельса (на чертеже не показаны). Устройство содержит блок аккумуляторов 1, электронный блок 2, блока управления 3, пистолет для пайки подключенный к силовому разъему отрицательной полярности, электродный элемент с твердым припоем (на схеме не показаны). 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 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, полубмотки 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 выполненные 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, трасформатора, 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, что бы 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 300-400 А. 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 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 в 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 промышленность.