устройство для пайки и способ изготовления паяльного наконечника этого устройства

Формула изобретения

1. Устройство для пайки, включающее по крайней мере один паяльник с датчиком для измерения температуры пайки и систему управления процессом, при этом паяльник содержит рукоятку, паяльный узел, включающий съемный паяльный наконечник с теплоизлучающей рабочей поверхностью, внешний источник тепла для нагрева, размещенный на пояльном наконечнике, трубчатый удлинитель, размещенный между съемным паяльным наконечником и рукояткой, и узел соединения датчика с системой управления, отличающееся тем, что датчик размещен в паяльном наконечнике на расстоянии не более 2,5 мм от рабочей поверхности.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчик выполнен в виде термопары.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что термопара размещена в оболочке из нержавеющей стали.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчик закреплен в наконечнике.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчик снабжен проводами, размещенными в паяльном узле для подключения к соответствующим контактам узла соединения датчика с системой управления.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что удлинитель выполнен из нержавеющей стали.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что удлинитель выполнен из латуни.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между удлинителем и узлом соединения размещена изолирующая деталь.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что изолирующая деталь выполнена трубчатой и соединена с удлинителем.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в рукоятке выполнено окно, а узел соединения содержит четыре контакта, один из которых выполнен в виде втулки, размещенной в удлинителе, второй в виде контактного кольца, смонтированного на удлинителе, третий в виде штыря, смонтированного внутри окна рукоятки с возможностью взаимодействия с первым контактом, а четвертый выполнен с радиальным контактным выступом для взаимодействия с вторым контактом и расположен в окне вдоль его стенки.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что в окне рукоятки выполнен выступ для закрепления удлинителя.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система управления включает микропроцессор.

13. Устройство по пп.1 и 12, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным микропроцессором.

14. Способ изготовления паяльного наконечника, при котором заготовку из теплопроводного материала обрабатывают, выполняют сквозное продольное отверстие и размещают в нем температурный датчик, отличающийся тем, что со стороны нерабочего конца наконечника в сквозное отверстие предварительно вводят стержень на глубину установки датчика, закрывают свободную от стержня часть отверстия со стороны рабочей поверхности, удаляют стержень, устанавливают датчик внутри отверстия, располагая его у закрытого конца наконечника, и закрепляют датчик в выбранной позиции.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что отверстие закрывают, соединяя его внутренние стенки.

16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что стенки отверстия соединяют путем обжатия.

17. Способ по п.14, отличающийся тем, что для закрытия отверстия в него вводят вкладыш и припаивают вкладыш к наконечнику серебряным припоем.

18. Способ по п.14, отличающийся тем, что датчик закрепляют расплавленным стеклом.

19. Способ по п.14, отличающийся тем, что датчик закрепляют керамическим материалом.

20. Способ по п.14, отличающийся тем, что датчик закрепляют серебряным припоем.

21. Способ по п.14, отличающийся тем, что датчик размещают в оболочке из нержавеющей стали.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к пайке, а именно к паяльникам с системой измерения и регулирования температуры пайки.

Известно устройство для пайки, включающее паяльник с встроенным датчиком для измерения температуры и систему управления процессом пайки в виде электронного стабилизатора температуры [1]

Недостатком этого устройства является медленное реагирование его на изменение температуры процесса пайки и значительное время ее регулирования, поскольку температурный датчик размещен на некотором расстоянии от рабочей поверхности. При этом система регулирования не позволяет диагностировать процесс пайки и собирать информацию, связанную с теплопередачей в зоне пайки.

Известен способ изготовления наконечника паяльника, включающий операции изготовления сквозного отверстия в наконечнике и размещения в нем датчика [2] Однако указанный способ не позволяет разместить датчик в непосредственной близости к рабочей поверхности паяльника.

Настоящее изобретение посвящено разработке устройства для пайки, которое позволяет решить проблемы и устранить недостатки предыдущего уровня техники путем применения датчика, который размещен на рабочей части паяльника, для измерения местной температуры. Датчик заделан рядом с рабочей поверхностью паяльника, которая контактирует с паяемым соединением. При наличии датчика, заделанного в рабочую часть паяльника, настолько близко к рабочей поверхности, насколько это возможно, можно достигнуть быстрого реагирования на действительную динамику теплопередачи.

Процессор, соединенный с данным датчиком для регулирования мощности, подаваемой на рабочую часть паяльника, быстро реагирует на нагружение рабочей части паяльника. Процессор также может быть использован для хранения данных температура-время для последующего поиска. Эта особенность может быть использована при документировании.

К процессору может быть подсоединен дисплей для осуществления текущего контроля и/или записи температуры рабочей части паяльника. Например, график температура-время может быть перенесен на диаграммный самописец или видеоэкран. Благодаря быстрому реагированию измерительного устройства оператор может использовать дисплей в качестве тренировочного устройства. Например, при анализе записанных данных "температура рабочей части паяльника-время" можно выделить каждую операцию пайки. Кроме того, флуктуации температуры рабочей части паяльника могут быть обнаружены почти сразу же после их появления.

Другая особенность настоящего изобретения состоит в наличии дистанционирующего устройства между рабочей частью паяльника и контактами, к которым подсоединены провода датчика, Примененная схема позволяет уменьшить вероятность окисления контактов под действием теплоты, генерируемой на рабочей части паяльника.

Еще одной особенностью настоящего изобретения является наличие хорошего теплового контакта между датчиком и рабочей частью паяльника. Подобный контакт вносит свой вклад в точность собранных данных о температуре рабочей части паяльника.

На фиг. 1 показана боковая вертикальная проекция паяльного узла с частичным поперечным сечением узла соединения датчика с системой управления; на фиг. 2 увеличенное продольное сечение съемного паяльного наконечника перед установкой в нее датчика в заданном положении; на фиг. 3 пример графика температура время, иллюстрирующий время реагирования; на фиг. 4 то же, иллюстрирующий две протирки тампонами; на фиг. 5 схематическая диаграмма, иллюстрирующая способность поста пайки регулировать, отображать и запоминать; на фиг. 6 схематическая диаграмма, иллюстрирующая число постов пайки, объединенных в системе производства.

Паяльный узел 1 включает съемный паяльный наконечник 10, соединительную часть 20 с трубчатым удлинителем 21, а также часть узла соединения датчика с системой управления.

Паяльный наконечник 10 содержит температурный датчик 11, размещенный в непосредственной близости от рабочей поверхности 12, т. е. поверхности, которая контактирует с паяным соединением. Датчик размещен на расстоянии от 0 до 2,5 мм от рабочей поверхности 12 наконечника паяльника, чтобы измеряемые температуры практически соответствовали действительным температурам рабочей поверхности паяльника. Однако для размещения датчика 11 на расстоянии от 0 до 2,5 мм от рабочей поверхности наконечника паяльника максимальный диаметр датчика не должен превышать 0,5 мм. Благодаря такому требованию к размеру в качестве датчика 11 применяется термопара. Граница раздела между датчиком 11 и рабочей поверхностью наконечника паяльника должна обеспечить оптимальные условия для измерения температуры пайки. Таким образом, материал, применяемый для соединения датчика, должен обладать достаточной теплопроводностью. Кроме того, соединение не должно иметь воздушных раковин. Для этого датчик может быть, например, соединен с наконечником паяльника стеклом или керамикой или пайкой серебряным припоем. Альтернативно наконечник паяльника может быть осажен для надежного крепления датчика. Датчик также может иметь оболочку из нержавеющей стали для улучшения теплопроводности, а также конструкционной целостности термопары.

Датчик может быть заделан в рабочую часть паяльника в соответствии со следующими процедурами. В наконечнике паяльника, который изготовлен из материала, обладающего высокой теплопроводностью, например, из меди, выполняют сквозное отверстие 14, проходящее по его продольной оси. Отверстие может быть получено обработкой резанием наконечника паяльника или обработкой куска трубы с наружным диаметром 0,250 дюйма (6,35 мм) и толщиной стенки 0,109 дюйма (2,76 мм) в полученное отверстие вводится стержень. Затем он перемещается через отверстие до достижения 2-2,5 мм от рабочей поверхности наконечника.

Свободную часть наконечника обжимают, при этом стержень не дает остальной части отверстия сжиматься. Затем стержень извлекается. Альтернативно, в оставшийся 2-2,5 мм участок отверстия может быть введен медный штырь, который припаивается к наконечнику паяльника серебряным припоем. Термопара, которая предпочтительно находится в оболочке из нержавеющей стали и имеет наружный диаметр 0,020 дюйма (0,5 мм) вводится в отверстие и крепится к осаженной или заглушенной части отверстия стеклом, керамикой или припаивается серебряным припоем для обеспечения удобного теплового соединения между термопарой и наконечником паяльника. Вместо такого соединения наконечник паяльника со стороны рабочей поверхности может быть осажен.

Возвращаясь к фиг. 1, видим, что наконечник 10 паяльника иллюстрируется коническим сечением 13. Эта конфигурация рабочей части паяльника оптимизирует теплопередачу от рабочей части паяльника к соединению. Однако может применяться наконечник паяльника другой конфигурации. Наконечник паяльника 10 может иметь манжету 16 для закрепления нагревателя (не показан). Соответственно манжета 16 может, например, иметь резьбу. Наконечник паяльника 10 имеет также кольцевую выемку 17 (фиг. 2) для закрепления трубчатого удлинителя 21.

Соединительная часть 20 содержит трубчатый удлинитель 21, трубчатый изолятор 22 и контактное кольцо 23. Наконечник 10 паяльника запрессовывается в один конец удлинителя 21 с использованием выемки 17. Дpугой конец удлинителя 21 может иметь кольцевые выемки (не показаны), так что он может быть запрессован в трубчатый изолятор 22, который может быть соединен с контактным кольцом 23 с помощью аналогичного соединения (не показано). Однако для соединения между собой наконечника паяльника, удлинителя, изолятора и контактного кольца могут применяться другие соединения.

На фиг. 1 и 2 провода датчиков 15 отходят от датчика 11 к узлу соединения датчика с системой управления через отверстие 14, имеющееся в наконечнике паяльника, и затем через соединительную часть 20. Один из проводов соединен с контактным кольцом 23 в точке контакта 24, в то время как другой провод соединен с контактом 25 в точке контакта 26. Контакт 25 имеет форму втулки. Для предотвращения короткого замыкания между контактным кольцом 23 и соединенным с ним проводом, а также контактом 25 и соответствующим проводом применяется изоляция (не показана).

Удлинитель 21 позволяет разместить контакты узла соединения на определенном расстоянии от зоны теплоты, генерируемой в окрестности рабочей части паяльника. Такая конструкция защищает эти контакты от воздействия повышенной температуры пайки, которая может вызывать их быстрое окисление. Подобное окисление уменьшает теплопроводность между контактами и, в конце концов, может приводить к повреждению электрической схемы. Для защиты контактов от окисления они могут быть изготовлены из золота.

Удлинитель 21 не только дистанционирует рабочую часть паяльника от контактов датчика, но также поддерживает наконечник паяльника. Таким образом, удлинитель 21 должен обладать хорошими механическими свойствами, например, прочностью при повышенной температуре. Соответственно удлинитель 21 необходимо изготавливать из материала, который отвечает этим требованиям, например, из нержавеющей стали или латуни. Поэтому соединительная часть 20 снабжена изолятором 22 для электрического изолирования контактов от удлинителя 21.

Узел соединения датчика с системой управления включает контактное кольцо 23 и контакт 25, размещенные на соединительной части 20 и контакты 35 и 36, размещенные в окне 32 рукоятки 30. Размеры окна соответствуют размерам соединительной части 20. Внутри окна 32 размещен контакт 35, выполненный в виде штыря, закрепленного на стенке 33. Форма контакта 35 позволяет соединить его с контактом 25. Контакт 36 смонтирован внутри окна вдоль его боковой стенки и выполнен с радиальным контактным выступом для взаимодействия с контактным кольцом 23. Однако для того, чтобы избежать осевой деформации контакты 36, ниша 31 имеет упор 34, который радиально выступает внутрь окна несколько меньше, чем контакт 36. Таким образом, по мере того, как соединительная часть 20 вводится в окно 32, упор 34 направляет контактное кольцо 23 к радиальному контактному выступу контакта 36. В результате контактное кольцо скользит по контакту 36 без его осевой деформации. Провод 35 L отходит от контакта 35, а провод 36 L отходит от контакта 36 по каналу 37. Эти провода соединяют датчик с микропроцессором или другими цепями управления, запоминания и отображения, рассмотренными ниже.

Цилиндрическая пружина 38 предназначена для поджатия соединительной части 20 в окне 32. С этой целью цилиндрическая пружина 38 устанавливается в окне 32 на контакте 35. Для поджатия пружины 38 в окне имеется выступ 39, центрированной относительно контакта 35. Выступ 39 изготовлен из материала, который позволяет ему электрически изолировать контакт 36 от цилиндрической пружины 38. На фиг. 3 пунктирная линия, обозначенная номером позиции 41, представляет собой график температура время за цикл пайки, основанный на информации, полученной с помощью датчика, расположенного на некотором расстоянии от рабочей поверхности рабочей части паяльника, т. е. на расстоянии 0,375 дюйма (9,5 мм) от рабочей поверхности. Напротив, сплошная линия 43 представляет собой график "температура-время" цикла пайки, основанный на информации, получаемой от датчика, расположенного на рабочей поверхности рабочей части паяльника. При сравнении этих температурных профилей с линией 45, которая представляет действительную температуpу паяного соединения, которое в данном случае является медным, можно понять, что в отличие от чувствительного устройства, которое дает информацию, представленную линией 41, датчик, находящийся на рабочей поверхности рабочей части паяльника быстро реагирует на нагружение рабочей части. Кроме того, четкие кривые на линии 43 позволяют легко определить интервалы, отражающие характерные операции пайки. Более конкретно интервалы a-b, c-d, d-e и e-f представляют протирку тампонами рабочей части паяльника в одном направлении, протирку тaмпонами рабочей части паяльника к соединению и пайку. Однако линия 41 показывает, что дистанционный датчик дает интервалы. Таким образом, можно понять, что датчик, размещенный на рабочей поверхности рабочей части паяльника или в непосредственной близости от нее, дает информацию, которая после передачи в цепь управления позволяет этой цепи быстро реагировать на нагружение рабочей части паяльника и соответственно включать или выключать нагреватель рабочей части паяльника. Такое чувствительное устройство также позволяет отображать и запоминать действительное время, которое оператор затрачивал на каждую операцию пайки вместе с соответствующими температурами рабочей части паяльника.

На фиг. 5 диаграммно представлено устройство управления, воспроизведения и запоминания поста пайки. Пост пайки имеет паяльник с нагревателем, соединенным с рабочей частью паяльника (не показана) и цепь управления, например, микропроцессор МР. Во-первых, предварительно заданная температура рабочей части паяльника является входным сигналом для поста пайки 50. Во время цикла пайки датчик, например, термопара, заделанная в рабочую часть паяльника, измеряет температуру рабочей части и посылает сигнал, который соответствует измеренной температуре, на микропроцессор МР. Далее микропроцессор МР сравнивает предварительно заданную и определенную температуры и увеличивает мощность, подводимую к нагревателю, который предпочтительно представляет собой резистор, когда разница между измеренной и предварительно заданной величинами температур будет ниже нижнего предела. С другой стороны, микропроцессор МР уменьшает мощность, подводимую к нагревателю, когда разница между измеренной и предварительно заданной температурами будет выше верхнего предела.

Микропроцессор МР также обрабатывает сигнал датчика, чтобы он был визуально воспроизведен, например, на диаграммном самописце или видеоэкране. Таким образом, в процессе пайки система может обеспечивать мгновенную обратную связь с оператором. Микропроцессор МР также может посылать сигнал на устройство для генерирования звукового сигнала, чтобы сообщить оператору о том, что температура рабочей части паяльника вышла за предварительно заданный диапазон. Кроме того, микропроцессор МР может накладывать диапазон измеренной температуры рабочей части паяльника на диапазон идеальной температуры для данной величины нагрузки и типа рабочей части паяльника. Эта информация может быть в дальнейшем использовании при обучении персонала.

Карта сбора данных ДАС снабжает буфером интерфейса микропроцессор поста пайки и другой процессор, например, персональный компьютер РС. Более конкретно, карта сбора данных ДАС получает и/или форматирует информацию, получаемую от микропроцессора поста пайки для последующего использования другим процессором, например, персональным компьютером РС. Программное обеспечение сбора данных ДАS предназначено для персонального компьютера РС для обработки информации, поступающей от карты сбора данных ДАС на дисплей или для внесения этой информации в долгосрочную память. Кроме того, программное обеспечение сбора данных ДАS может быть использовано с персональным компьютером РС для выбора и воспроизведения любой информации, введенной в память. Различные типы воспроизведения включают в себя звуковые сигналы, которые свидетельствуют о выходе температуры рабочей части паяльника за предварительно заданные границы, и визуальные дисплеи, например, видеоэкраны или мониторы, или принтеры.

Фиг. 6 диаграммно представляет несколько постов пайки, объединенных в одну производственную группу. Как это следует из анализа фиг. 6, большое число пунктов пайки 50, каждый из которых имеет микропроцессор МР, может быть подсоединено к главному персональному компьютеру РС с помощью отдельных панелей мультиплексирования данных и выходных данных (ДМР и ОМР). Например, каждая панель мультиплексирования данных ДМР может управлять входными сигналами 16 постов при максимальном числе входных сигналов или постов до 256. Данные накапливаются в микропроцессоре соответствующего поста сварки до тех пор, пока главный персональный компьютер РС будет готов к обработке этих данных. Программа персонального компьютера РС пересылает эти данные по линии связи, очищает эту временную память поста, обрабатывает эти данные и хранит или воспроизводит их. Программа последовательно поступает на каждый пост, повторяя упомянутые шаги. Кроме того, если главный персональный компьютер будет не исправен, то каждый спутниковый микропроцессор поста пайки может продолжать воспроизводить или хранить отправленную информацию или контролировать температуpу рабочей части паяльника.