Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор научно-технических решений и выбор структуры устройства для снятия эмалевой и лаковой изоляции с проводов 13
1.1 Устройства механической зачистки эмалированных и лакированных проводов 15
1.2 Устройства для снятия изоляции с проводов с использованием лазера
1.3 Устройство для снятия изоляции с проводов методом обжига в высокотемпературной камере 26
1.4 Устройство индукционного нагрева для снятия изоляции с проводов и его структура 28
Выводы по первой главе 40
2 Резонансный инвертор для индукционного нагрева медного провода 42
2.1 Схемы резонансных инверторов и их принцип действия в устройстве индукционного нагрева для снятия изоляции с проводов 43
2.2 Компьютерная модель резонансного инвертора на основе однотактного полумостового преобразователя для реализации различных алгоритмов управления 54
2.3 Исследование коммутационных процессов в однотактном полумостовом преобразователе с частотным регулированием 56
2.4 Исследование коммутационных процессов в однотактном полумостов преобразователе с широтно-импульсным регулированием 63
2.5 Исследование коммутационных процессов в однотактном полумостовом преобразователе с несимметричным регулированием 69
Выводы по второй главе 75
3 Индуктор для нагрева медного провода 76
3.1 Двумерная модель индуктора для нагрева медного провода в однородном высокочастотном магнитном поле 77
3.2 Трехмерная модель индуктора для нагрева медного провода в зазоре концентратора магнитного потока индуктора
3.1.1 Описание модели 89
3.3.1 Влияние величины зазора на нагрев провода в зазоре индуктора
3.1.3 Влияние угла керна магнитопровода на нагрев медного провода в зазоре индуктора 101
3.3 Определения эффективности нагрева медного провода в поперечном магнитном поле 106
3.3.1 КПД индукторас магнитопроводом 111
3.3.2 Определение потерь в магнитопроводе 112
3.3.3 Определение потерь в обмотке индуктора 113
3.3.4 Определение потерь в нагреваемом проводнике 114
Выводы по третьей главе 117
4 Практическая реализация устройства индукционного нагрева для снятия изоляции с проводов 119
4.1 Расчет эквивалентных параметров индуктора 119
4.2 Описание экспериментального макета и исследование процесса мягкого включения транзисторного ключа 123
4.3 Качество зачищаемых проводов при индукционном методе нагрева 128
4.4 Исследование влияния зачистки индукционным нагревом на структуру медного сплава провода 133
Выводы по четвертой главе 140
Заключение 141
Список использованных источников
- Устройство для снятия изоляции с проводов методом обжига в высокотемпературной камере
- Компьютерная модель резонансного инвертора на основе однотактного полумостового преобразователя для реализации различных алгоритмов управления
- Трехмерная модель индуктора для нагрева медного провода в зазоре концентратора магнитного потока индуктора
- Описание экспериментального макета и исследование процесса мягкого включения транзисторного ключа
Устройство для снятия изоляции с проводов методом обжига в высокотемпературной камере
По зачистным характеристикам устройство имеет широкий диапазаон обрабатываемых проводов, шин, шлейфов, а также позволяет удалять изоляцию на основе различных материалов тефлона, tefzel, PVC, силикона, полиимидов, полистиридов и т.д.
Зачистка различных типов проводов в широком диапазоне диаметров, с разным типом изоляции, является неоспоримым преимуществом лазерных установок. Применение лазера позволяет снимать многослойную изоляцию с высоким качеством, оставляя токопроводящую жилу неповрежденной. В модели SIENNA 200 рабочая область лазера находится в границах площади 100 мм х 100 мм. Обрабатываемые учатски проводов должны размещаться только в зачистной камере и только в области работы лазера. Кроме того, зачистке подвергается только поверхность провода, расположенная под лазером. Для обработки обратной стороны провод необходимо развернуть.
Несмотря на все достоинства лазерных установок, такие установки зачастую применяются для подготовки проводов и кабелей к монтажу, но не для обработки выводов обмоток в готовых моточных элементах (выводы обмоток дросселей, трансформаторов и т.д.). Большие массогабаритные показатели требуют больших производственных площадей, а диагностика лазерного узла требует квалифицированных специалистов.
В работе [70] представлен патент на устройство для снятия изоляции с проводов с помощью высокотемпературной камеры (рисунок 1.8).
Предложенное устройство питается от сети. Оно содержит блок питания и управления БПиУ, блок зачистки БЗ и устройство регулирования нагрева УР. Блок питания и управления представляет собой источник напряжения, регулируемый оператором. Блоком зачистки является высокотемпературная камера, выполненная в виде нихромовой спирали 1 и трубки 2 из термостойкого изоляционного материала (например, керамической трубки), исключающей замыкание витков спирали и создающей равномерное распределение температуры в зоне обжига. Температура в камере регулируется оператором с помощью БПиУ. Медный провод 3 помещается внутри изоляционной трубки 2 и выдерживается в течение заданного времени to6msra, которое устанавливается на реле времени в блоке УР. Устройство регулирования включает в себя кнопочный выключатель, реле времени и световой индикатор, который сигнализирует окончание момента обжига.
Процесс настройки устройства следующий. В трубку 2, вокруг которой намотана спираль 1, помещается образец зачищаемого провода выбранного диаметра. Далее с помощью блока питания и управления поднимается напряжение, прикладываемое к спирали 2. В результате протекания электрического тока по спирали 1, размещенной на трубке 2, в ней выделяется большое количество мощности в виде тепла. Со временем внутри трубки 2 создается область с высокой температурой. Когда температура внутри трубки 2 достигает температуры сгорания лака, изоляционный слой на зачищаемом проводе обгорает. Полученное напряжение на выходе БПиУ фиксируется. Последующие операции зачистки концов провода выбранного диаметра производятся с зафиксированным напряжением.
Процесс зачистки с использованием этого устройства описывается следующим образом. В зависимости от толщины зачищаемого 3 провода и длины спирали 1 подбираются оптимальные параметры нагревателя, для исключения перегорания обрабатываемого провода. Медный провод 3 помещают внутрь керамической трубки нагревателя 2, и с помощью кнопочного выключателя в блоке УР запускается реле времени. Реле времени настраивается экспериментально. Момент окончания обжига сигнализируется световым индикатором в блоке УР и провод 3 вынимается из трубки 2. Как заявлено в патенте, реле времени позволяет регулировать время нагрева, что предотвращает перегрев провода, а также помогает экономить электроэнергию и сократить время работы.
К существенному недостатку предложенного устройства следует отнести то, что устройство регулирования нагрева электрически не связано с основным устройством. По сути, блок УР предназначен только для визуальной сигнализации, а всем процессом обжига управляет оператор. Поэтому качество зачистки, в первую очередь, зависит от действий оператора.
Кроме того, при наружной термической обработке провода с целью его зачистки, обгорает поверхность эмалевой изоляции. При этом увеличиваются адгезионные связи между поверхностью медной жилы и внутренней поверхностью изоляции. Т.е. продукты сгорания лаковой изоляции пригорают к поверхности токопроводящей жилы (рисунок 1.9), в результате чего требуется дополнительная обработка провода.
Для нагрева медного провода вместо высокотемпературной камеры, описанной в параграфе 1.3, было предложено использовать индукционный нагрев. В результате, при индукционном нагреве медного провода марки ПЭТВ-2 было замечено, что изоляция отслаивается от медной жилы провода и легко снимается, без образования нагаров продуктов сгорания изоляционного лака. Фотография с результатами зачистки провода ПЭТВ-2 диаметром 1,12 мм наружным нагревом и индукционным нагревом, представлена на рисунке 1.9. марки ПЭТВ-2 диаметром 1,12 мм с применением разных типов нагрева
На рисунке 1.9, позиция 1, представлен участок провода, обработанный с применением наружного нагрева. Как видно на фотографии, изоляционный лак обуглился и не позволяет производить дальнейшее лужение обработанного участка. Для удаления продуктов сгорания лаковой изоляции требуется дополнительная механическая обработка зачищаемого участка провода.
На позиции 2, рисунок 1.9, представлен участок провода, обработанный внешним нагревом, после чего, лак был удален механическим воздействием. Тем не менее, даже после дополнительной обработки, на медной жиле наблюдаются зоны пригоревшего лака. Для более качественного удаления продуктов сгорания лаковой изоляции требуется применять абразивный инструмент, например наждачную бумагу.
На позиции 3, рисунок 1.9, представлен участок медного провода, обработанный посредством индукционного нагрева. Видно, что изоляция удалена с провода цельным куском, в виде трубки. На медной жиле не осталось продуктов сгорания лаковой изоляции. Полученный эффект можно объяснить тем, что в отличие от внешнего нагрева, индукционный нагрев разогревает проводник изнутри. В случае изолированного провода, нагрев проходит под слоем изоляции, вследствие чего нарушаются адгезионные связи между лаковым покрытием и токопроводящей жилой. В результате лак отделяется от медной жилы и провод не требует дополнительной обработки.
В Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники разработано устройство индукционного нагрева для снятия изоляции с лакированных медных проводов [71]. Функциональная схема устройства представлена на рисунке 1.10.
Устройство индукционного нагрева для снятия изоляции с проводов состоит из блока питания и управления БПиУ, питающегося от сети переменного напряжения 220 В 50 Гц. БПиУ должен обеспечивать настройку блока зачистки БЗ, а именно время зачистки и выбор диаметра зачищаемого провода. Блок зачистки представляет собой резонансный инвертор напряжения. Резонансный инвертор состоит из высокочастотного транзисторного преобразователя ВП, нагруженного на резонансный i LC-контур, который в свою очередь является эквивалентной схемой замещения индуктора L с компенсационной емкостью С и эквивалентным активным сопротивлением контура R. Управление ключами ВП производится посредством системы управления СУ. Для настройки контура заводится обратная связь с использованием датчиков обратной связи: датчика напряжения ДН и датчика тока ДТ. В качестве индуктора предлагается использовать обмотку с концентратором М магнитного потока из стали с высокой магнитной проницаемостью.
Процесс снятия эмалевой изоляции с провода осуществляется следующим образом [33]. В зазоре магнитопровода М индуктора размещают участок обрабатываемого провода с эмалевой изоляцией выбранного диаметра. Это может быть или конец провода, который необходимо зачистить для последующей подготовки его к пайке, или любой другой участок изолированного провода. На участке провода, размещенном в зазоре индуктора, под воздействием высокочастотного переменного магнитного поля, наводятся вихревые токи (токи Фуко), приводящие к разогреву поверхности токопроводящей жилы изнутри. Это приводит к тому, что при нагреве изоляционный слой размягчается, под изоляционным слоем выделяется газ, который приводит к разрушению адгезионных связей между изоляцией и жилой провода. Таким образом, изоляция отслаивается и, в дальнейшем легко снимается, обеспечивая высокое качество зачистки. Поскольку нагрев провода происходит под изоляционным слоем, то без доступа к кислороду металл не окисляется, что способствует более качественному лужению обработанного участка.
С точки зрения зачистки провода очень важно, что тепло подводится к лаковой изоляции изнутри и изоляция легко отслаивается от медного провода под действием его расширения и не пригорает к проводу, как это происходит, когда провод нагревают с внешней стороны. Кроме того, оборудование для индукционного нагрева (ИН) требует минимального количества настроек, достаточно провести разовую настройку в начале работы. Нагрев до заданной температуры осуществляется за доли секунды, а сам процесс нагрева является бесконтактным. Отсутствие химических реагентов при нагреве делают его еще и экологически чистым [7], не вреднее паяльника.
Для разработки инженерной методики расчета и исследования устройства в целом поднимаются два основных вопроса.
Первый вопрос касается резонансного инвертора и способа его регулирования. Одним из важнейших параметров индуктора является частота тока, поскольку она напрямую влияет на глубину проникновения электромагнитной волны в нагреваемый объект. Чем выше частота, тем тоньше слой проникновения электромагнитной волны в проводник. Чем тоньше слой проникновения, тем выше тепловые потери в нагреваемой заготовке. Эта зависимость отражена в выражении мощности, приходящейся на единицу поверхности [20]:
Компьютерная модель резонансного инвертора на основе однотактного полумостового преобразователя для реализации различных алгоритмов управления
Для формирования прямоугольного выходного напряжения выделяют два основных типа преобразователей, однотактные и двухтактные [8, 39, 64, 77, 83, 92, 96]. В двухтактных схемах входное напряжение прикладывается к нагрузке на каждом такте переключения транзисторов. К двухтактным типам преобразователей относятся мостовая схема инвертора и полумостовая схема инвертора. Однотактными преобразователями являются такие преобразователи, в которых напряжение входного источника прикладывается к нагрузке только на одном такте переключения транзисторов. К такому типу преобразователей относится однотактный полумостовой инвертор или несимметричный полумостовой инвертор.
Для выбора схемотехнического решения высокочастотного транзисторного преобразователя требуется рассмотреть их алгоритмы управления, согласно структуре, представленной на рисунке 1.12 параграфа 1.4.
На рисунке 2.1 представлена схема мостового преобразователя на ключах VTi-VT4. К одной диагонали моста подключен входной источник напряжения Е\, к другой диагонали подключен резонансный LC-контур с параметрами R3 Ск LH. +
Временные диаграммы при частотном регулировании Транзисторные стойки VTi-VT4 и VT2-VTT, переключаются синхронно, при этом одновременно в открытом состоянии могут находиться только транзисторы, расположенные по диагонали. Для того чтобы исключить сквозные токи вводится мертвое время td. Как описано в параграфе 1.4, преобразователь начинает работать с частоты превышающей резонансную частоту LC-контура. На диаграммах рисунка 2.2 начальная частота работы инвертора определяется периодом Т\. Далее, в зависимости от требуемой мощности, которая определяется рабочей точкой задатчика тока h (рисунок 1.12), идет уменьшение частоты переключения транзисторов для поиска рабочей точки. Последующие частоты определяются периодами Т2 и Тт, соответственно. При частоте переключения транзисторов преобразователя близкой к резонансной частоте LC-контура происходит так называемое «мягкое» переключение, которое характеризуется малым значением динамических потерь транзисторов. За счет обратных диодов транзисторов VT\-VT4 и индуктивного характера нагрузки, транзисторы в преобразователи включаются при нулевом напряжении, а выключаются при токе близком к нулевому значению. Таким образом, когда рабочая частота преобразователя приближается к резонансной частоте LC-контура, происходит увеличение мощности индуктора и уменьшение динамических потерь транзисторов.
При двух других алгоритмах управления мощностью индуктора подразумевается, что преобразователь уже выведен на резонансный режим работы подчиненным контуром управления. Тогда величиной выходного напряжения преобразователя иаъ можно управлять транзисторами преобразователями.
Транзисторы в стойках VTi-VTi, и VT2-VT4 открыты в течение времени ґиза период Т. Как и в предыдущем алгоритме управления, переключение стоек происходит синхронно. Изменения величины выходного напряжения Uab осуществляется путем изменения либо времени открытого состояния транзисторов ґи, либо величины мертвого времени td.
При фазовом управлении, также как и в ШИР каждый из ключей стойки VTi-VT3 и VT2-VT4 открыты в течение времени ґи за период Т, но переключение одной стойки происходит со смещением т относительно другой. Изменение значения времени смещения т одной стойки приводит к изменению величины выходного напряжения иаь Основным достоинством мостовой схемы является широкий диапазон мощности нагрузки. Мостовую схему можно использовать как на низких мощностях (десятки и сотни Вт), так и на высоких (десятки и сотни кВт). Также в мостовой схеме можно реализовать различные алгоритмы управления.
К недостаткам схемы относится наличие четырех ключевых элементов. Обычно, самым дорогим элементом силовой схемы является транзистор, поэтому увеличение количества транзисторов в схеме приводит к увеличению цены конечного изделия. Кроме того, увеличение количества транзисторов приводит к усложнению схемы управления этими транзисторами, что также является недостатком мостовой схемы.
На рисунке 2.5 представлена схема двухтактного полумостового преобразователя, в которой одна стойка состоит из конденсаторов одинаковой емкости С\ и С2, а другая из транзисторов VT\ и VT2.
Временные диаграммы при частотном регулировании Здесь, как и в мостовой схеме, управление мощностью индуктора осуществляется изменением частоты переключения транзисторов преобразователя. Но в отличие от мостового инвертора, в двухтактной полумостовой схеме к нагрузке прикладывается только половина входного напряжения. Это обусловлено наличием конденсаторной стойки, которая является конденсаторным делителем напряжения. В момент, когда транзистор VT\ открыт, ток протекает от плюса входного источника Е\ через транзистор VT\, нагрузку и конденсатор С2, заряжая его, к минусу входного источника Е\. Когда транзистор VT\ закрывается, открывается транзистор VT2. Ток протекает от плюса источника Ei, через конденсатор Сь нагрузку, транзистор VT2, к минусу источника Е\. В этот же момент через нагрузку и транзистор VT2 протекает ток конденсатора С2. Поскольку емкости конденсаторов С\ и С2 равны между собой, то максимальное напряжение между точками а Ъ составляет половину напряжения входного источника Е\. К транзисторам преобразователя также прикладывается только половина входного напряжения. Ток, протекающий через каждый транзистор, является суммарный током источника Е\ и конденсатора противоположной стойки. Принцип алгоритма частотного регулирования подробно описан в параграфе 1.4 и при пояснении работы мостовой схемы инвертора.
Также как и в мостовом инверторе, управлять мощностью индуктора можно с применением ШИР, при условии, что преобразователь выводится на резонансную частоту подчиненным контуром регулирования. Временные диаграммы ШИР в двухтактной полумостовой схеме приведены на рисунке 2.7.
Трехмерная модель индуктора для нагрева медного провода в зазоре концентратора магнитного потока индуктора
На основании исследований представленных в параграфе 3.1 за основу индуктора в устройстве для снятия эмалевой и лаковой изоляции выбран индуктор с концентратором магнитного поля. Для определения оптимальной геометрии и разработки методики проектирования устройства, требуется исследовать влияние геометрии концентратора на нагрев провода в зазоре индуктора. Для исследования трехмерной модели выбран программный пакет решения задач методом конечных элементов Ansys Maxwell [95].
Трехмерная конструкция индуктора выполнена приближенно к реальной конструкции (рисунок 3.6а). Для упрощения модели, катушки W\ и Wi выполнены о дновитковыми.
В качестве магнитопровода М выбран Ш-образный ферритовый сердечник типа Е25 B66317G0000X187 [99] компании Epcos, один из крайних кернов сердечника удален (рисунок 3.10). Объем полученного магнитопровода, без зазора, равен 24670 мм . Выбор Ш-типа конструкции с удалением одного керна, а не сразу П-типа, обосновывается геометрическими параметрами концентратора и удобством дальнейшей эксплуатации. Ферриты с конструкцией П-типа выпускаются с относительно большими размерами [41, 45]. Например, минимальные размеры магнитопровода П-типа марки N87 выпускаемые, на момент проводимых исследований, компании Epcos равны 93 мм х 76 мм х 16 мм [41]. Кроме массогабаритных параметров, у Ш-типа есть преимущество в креплении. Центральный керн магнитопровода Ш-типа фиксируется в каркасе, который в дальнейшем можно размещать на плате. 16,250 7,500
Трехмерная модель по геометрическим параметрам, приближенная к реальному индуктору с концентратором, загружается в программный пакет Ansys Maxwell. Тип решателя выбирается Eddy Current (Вихревые токи). Каждому компоненту присваивается физические свойства материала, из которого он состоит.
Нагреваемому проводу и обмоткам назначаются свойства меди (относительная диэлектрическая проницаемость 1, относительная магнитная проницаемость 1, электрическая проводимость 58 МСм/м, удельный вес 8,93 кг/м). Магнитопроводу свойства феррита с параметрами материала N87 (начальная относительная магнитная проницаемость 1620, электрическая проводимость 0,01 См/м, относительная диэлектрическая проницаемость 12, удельный вес 4850 кг/м ).
Ток в обмотке индуктора задается следующим образом. В каждой обмотке выделяется сечение, перпендикулярное грани обмотки. В выделенном сечении задается источник тока. Величину электрического тока источника, для формирования в зазоре концентратора требуемого значения электромагнитной индукции можно рассчитать по следующим выражениям.
Для отслеживания значения электромагнитной индукции в зазоре концентратора на каждом шаге моделирования необходимо ввести точку А (рисунок 3.12) удаленную от провода на 0,4 мм. Такое положение определено экспериментально и позволяет измерять равномерный магнитный поток, сформированный в зазоре магнитопровода.
Как уже неоднократно говорилось, в методе конечных элементов точность расчета зависит от величины сетки Mesh, которой разбиваются моделируемые элементы. Чем меньше ячейки сетки, тем точнее расчет модели. Но с увеличением количества обсчитываемых элементов увеличивается и время машинного расчета. Это необходимо учитывать, для оптимизации процесса моделирования. На области, которые интересует меньше всего, накладывается крупная сетка. Области, представляющие наибольший интерес, разбиваются мелкой сеткой. На рисунке 3.14 представлена модель с наложенной сеткой.
В программе Ansys Maxwell, в зависимости от размеров объектов, предлагается автоматическое разбиение на конечные элементы, но с возможностью регулирования количества элементов или минимальной ширины грани ячейки сетки. В исследуемой модели принято следующее количество элементов для объектов модели: обмотка индуктора разбита на 3816 элементов, концентратор разбит на 9021 элемент, участок провода расположенный в зазоре разбит на 5109 элементов, участки провода расположенные за пределами зазора разбиты на 4859 элементов.
Ход эксперимента. Задается первоначальное значение токов, рассчитанных по выражению 3.4, в обмотках и запускается расчет. После окончания вычислений определяется значение магнитной индукции в точке А. В случае, если индукция магнитного поля менее/более 0.1Т ток обмотки индуктора увеличивается/уменьшается и вычисления повторяются. После достижения магнитной индукции в точке А значения 0,1Т с точностью 1%, производится вычисление тепловых потерь в проводнике и индуктивность L индуктора.
Значение тока выбирается такой величины, чтобы в зазоре концентратора наводился магнитный поток с индукцией В = ОДТл. Значение электромагнитной индукции напрямую зависит от величины зазора. Чем больше величина зазора, тем меньше индукция, при том же значении тока в обмотках. Для обеспечения заданной индукции, необходимо увеличивать значение тока в обмотках при увеличении зазора. Частота тока задается в диапазоне от 200кГц до 1МГц с шагом 50кГц.
В зазоре концентратора, рисунок 3.15, наблюдается выпучивание магнитного потока. При этом, чем больше зазор, тем больше выпучивание. Во внутренних углах концентратора наблюдается увеличение магнитной индукции связанное с краевыми эффектами. На рисунке 3.16 показано распределение удельных тепловых потерь в нагреваемом проводе в сечении для провода с диаметром 0.3 мм и зазором концентратора 0.8 мм.
Для получения тепловых потерь в проводе в ваттах, необходимо проинтегрировать распределение удельных тепловых потерь по объему участка провода, находящегося непосредственно в зазоре. Например, потери в проводе с диаметром 0,3мм, размещенного в зазоре концентратора с величиной зазора 0,8мм и электромагнитной индукцией ОДТл на частоте 750кГц, равны 6,6Вт.
В таблице П1.1 приложения 1, приведены результаты расчетов для моделей с диапазонами величины зазора 0,4 мм-1 мм с шагом 0,1 мм для провода с диаметром 0,3 мм. По результатам, представленным в таблице 1, построены зависимости тепловых потерь в проводе от частоты магнитного поля. 8 7 Н « 5
Описание экспериментального макета и исследование процесса мягкого включения транзисторного ключа
Для исследования поверхности зачищенных образцов проводов, применялся цифровой микроскоп марки MG203. Параметры микроскопа приведены в приложении. В комплект цифрового микроскопа входит калибровочная линейка, на фоне которой сфотографированы обработанные образцы.
На рисунке 4.9 представлена фотография двух проводов диаметром 1,12 мм марки ПЭТВ-2. Конец каждого провода зачищен от изоляции. Для зачистки использовались разный вид термического метода. Для зачистки провода рисунок 4.9 позиция 1 применялся наружный нагрев. Для зачистки провода рисунок 4.9 позиция 2 применялся индукционный нагрев.
По рисунку 4.9 отчетливо видно, что при обработке внешним нагревом (позиция 1), на поверхности провода остается пригоревшая эмаль, которую необходимо дополнительно удалять механически. При индукционном нагреве (позиция 2), лак отслаивается от поверхности токопроводящей жилы в виде трубки (позиция 3), оставляя поверхность провода чистой.
На рисунках 4.10-4.12 представлены образцы медных проводов марки ПЭТВ-2 разного диаметра, концы которых обработаны устройством индукционного нагрева для снятия изоляции с проводов, с применением индукторов для зачистки проводов от 0,1 мм до 0,4 мм и от 0,5 мм до 1,4 мм.
При снятии изоляции с провода методом индукционного нагрева, требуется рассмотреть вопрос о воздействии тепла на структуру и физические свойства обмоточного провода на зачищаемом участке.
Любой металл, вследствие термической обработки, в той или иной мере, меняет свои физические свойства (твердость, пластичность, удельное электрическое сопротивление и т.д.). Так, при производстве изолированных проводниковых изделий применяются мягкие марки медных сплавов [2], полученные в результате отжига. Отжиг можно охарактеризовать как процесс термической обработки, обратный процессу закалки, в результате которого снижается твердость сплава и повышается его однородность [6]. Наиболее распространённой операцией отжига меди является рекристаллизационный отжиг [68]. При таком отжиге сплав нагревают до температуры рекристаллизации. Согласно формуле А.А. Бочвара, температуры рекристаллизационного отжига меди составляет 0,4 от температуры плавления и соответствует температуре 434С. Поскольку новые зерна металла образуются медленно, то температуру рекристаллизации меди поднимают до 500-700С [54, 68]. Далее медный сплав охлаждают. Этот процесс сопровождается образованием новых зерен в микроструктуре сплава, величина которых зависит от скорости охлаждения. При этом скорость нагрева чаще всего не влияет на результат отжига [68].
Целью исследований проводимых в данном параграфе, является сравнение результатов металлографии и измерения твердости исходной структуры, за которую принимается не обработанный образец медного обмоточного провода, с результатами провода, участок которого зачищен с применением индукционного нагрева.
Для исследования был выбран медный провод марки ПЭТВ-2 диаметром 1,12 мм. Металлографические исследования проводились с применением микроскопа Olympus GX51 и пакета прикладных программ Siams 700. Размер зерен определялся в соответствии со шкалой микроструктур [18]. Границы зёрен выявляли концентрированным водным аммиаком. Измерение твёрдости проводилось с применением микротвердомера HVS 1000 при нагрузке 50 грамм в трех точках для каждого характерного участка (зоны А и Б рисунка 4) по методу Виккерса [19].
Как видно из рисунка 4.17, микроструктура имеет разнозернистое состояние, при этом размер зерен варьируется от 3 мкм до 22 мкм, что соответствует 14-8 номерам микроструктур [18]. Наличие зерен разных размеров можно объяснить не полной рекристаллизацией в процессе отжига обмоточного провода при его производстве. Твердость исходной структуры, в среднем, составила 73 HV0jo5/ На рисунке 4.18 показаны исследуемые зоны участка провода, с которого была удалена изоляция с применением индукционного нагрева.
На рисунках 4.21-4.22 видно, что размер зерен металла в зоне Б значительно превышает размер зерен, как исходной структуры, так и структуры в зоне А. В зоне Б размер зерна достигает 62 мкм (номер 5 микроструктуры [18]). Повышение размера зерна привело к уменьшению твердости участка, которая составила 57 HV0jo5- Увеличение зерна является следствием собирательной рекристаллизации. Что в свою очередь говорит о более высоких температурах отжига. Тем не менее, длина зоны Б составляет всего 2 мм от общей длины 12 мм и существенным образом не повлияет на качество пайки.
Учитывая вышесказанное можно сделать вывод, что снятие изоляции с обмоточного провода методом индукционного нагрева оказывает незначительное влияние на микроструктуры медного сплава. Негативное влияние наблюдается только на участке 2мм от конца провода.
На основании проведенных исследований были даны следующие рекомендации. При зачистке конца провода, как показано на рисунке 4.23а, необходимо удалять участок длиной 2 мм после проведения зачистки. Либо зачищать провод, как показано на рисунке 4.236. Такое расположение обрабатываемого участка провода позволяет эффективнее отводить тепло от зоны нагрева, не допуская перегрева отдельных зон на зачищаемом участке.
Похожие диссертации на Устройство индукционного нагрева для снятия изоляции с проводов
