Ukázka z příručky: Hans-Joachim Peter: Handbook of Inductive Soldering

(Překlad úvodní části kapitoly 4: Inductor Structure – Konstrukce induktoru)

Indukční cívka, obecně (odborně) nazývaná induktor, je vazebním článkem mezi generátorem, zdrojem potřebného výkonu pro pájení, a ohřívanou pájenou součástí. Konstrukci induktoru se přikládá velký význam, neboť přenos energie ze zdroje na ohřívanou součást nebo na její vymezenou část pro pájení by měl být optimální. To se může dobře nebo méně dobře podařit. V nepříznivém případě, když konstrukce induktoru nevyhovuje požadavkům pro pájení, nemůže být ohřev realizován. Konstrukci induktoru je proto nutné věnovat největší pozornost.

4.1 Tvary induktorů

Při pájení se energie ze zdroje na pájený úsek součásti přenáší bezkontaktně prostřednictvím proměnného elektromagnetického pole vyzařovaného induktorem.

Mohou se však vyskytnout výjimky při některých způsobech povrchového kalení, kdy se na ohřívaný úsek energie přenáší kontaktně.

Indukčním ohřevem může být v extrémně krátkém čase na úseku ohřívané součásti dosaženo vysoké teploty, například při povrchovém kalení zubů ozubeného kola jsou to časy i kratší než 0,2 s, při kterých teplo pro zakalení vzniká jen v tenké vrstvě na povrchu zubu. V tomto a jiných podobných případech kalení je nežádoucí prohřátí celého průřezu zubů, nebo celého průřezu kalené součásti. V takovém případě je ale nutná k ohřevu vysoká hustota výkonu (kW/m²).

Naproti tomu při pájení je prohřátí pájeného průřezu žádoucí k dosažení rovnoměrné teploty, při které nepřehřátá pájka má možnost plynule zatékat do míst pájení. S tím souvisí také potřebný čas ke smáčivosti místa pájení pájkou, k protečení a spojení pájky s pájeným materiálem. Proto je potřebná hustota výkonu (kW/m2 ) u pájení v porovnání s povrchovým kalením relativně nízká.

Vlivem rozdílu teplot se tak induktor může více nebo méně prodloužit. K minimalizaci tohoto jevu je nutné, aby induktor měl pevnou konstrukci. V některých kritických případech může být chladicí voda přiváděna do induktoru z obou stran a společný vývod ohřáté vody je z místa v polovině induktoru.

Při konstrukci induktorů by měla být respektována následující pravidla:
– Podle velikosti přenášeného výkonu musí být induktor konstruován jako dostatečně masivní.

Například při povrchovém kalení je přenášený výkon až 3 MW, při tvrdém pájení je to až 250 kW a při měkkém pájení až 10 kW. Induktor se zásadně zhotovuje z měděných dutých vodičů (trubek), v některých případech může být dodatečně postříbřen. Mimořádně se induktory zhotovují také z masivní mědi obrobením nebo frézováním, případně také 3D-tiskem se zapracovanými chladicími kanálky.

– Induktor musí být dobře chlazen, aby tepelné zatížení mědi nebylo příliš vysoké, aby usazování vodního kamene bylo minimální a byla zajištěna dostatečná pevnost konstrukce induktoru.

– Vysokou účinnost lze docílit při nízkých ztrátách v induktoru. Při nízké účinnosti se větší část energie přeměňuje v teplo v induktoru a nikoliv v pájené součásti, induktor se zbytečně přehřívá, a tím se zkracuje i jeho životnost.

– Přívody k vlastní hlavě induktoru by měly být co nejkratší, neboť napájecí proudy (obvykle o vysoké frekvenci) neprocházejí plným průřezem vodičů, ale jejich povrchem, proto se zhotovují z měděného plechu. Tím se zvyšuje nejen požadovaná povrchová plocha, ale zvýší se i pevnost induktoru. Vzdálenost mezi přívody by měla být co nejmenší (je omezena napětím), aby přívody k induktoru měly minimální elektrické ztráty činné – ohmické, tak i jalové – induktivní. Tyto se zvyšují s rostoucí vzdáleností přívodů od sebe, a tím by vyvolaly i další zvýšení teploty induktoru.

– Induktory se všeobecně zhotovují z měděných dutých vodičů, jednak s ohledem na jejich nutné chlazení protékající vodou a také proto, že napájecí střídavé proudy (obvykle s vysokými frekvencemi) jimi protékají jen v povrchové vrstvě (v důsledku známého proudového povrchového „skin efektu“). Pouze základní část připojovací čelisti je z masivní mědi.

– Pata induktoru je konstruována tak, aby byla použitelná pro různé hlavy induktorů. Na obr 4.1 je zobrazena konstrukce připojení induktoru, kterou používají mnozí dodavatelé indukčních ohřívacích zařízení.

– Izolace mezi přívodními plechy by měla být z tepelně vysoce jakostního materiálu, osvědčil se Teflon o tloušťce 2 mm (1 mm). Právě tak musí být spojovací šrouby s maticemi vyrobeny z vysoce kvalitního izolačního materiálu, kterým je např. Polyamid.

Další obsáhlé informace ke konstrukci induktorů čtenář nalezne v příručce Handbook of Inductive Soldering v Kapitole 4., na stránkách 47 až 70.
(přeložil prof. Ing. Jiří Kožený, CSc.)

Několik vět k přednostem indukčního ohřevu v technologii indukčního pájení

Indukční ohřev přináší do technologie procesů pájení přednosti, které nelze dosáhnout jinými zdroji ohřevů. Patří k nim především:

– Vznik tepla přímo v ohřívané, elektricky vodivé vsázce bezkontaktně z pohlcovaného a utlumovaného elektromagnetického vlnění generovaného induktorem. (teplo není vsázce předáváno z teplejšího okolí).Induktor je vhodně konstruovaná cívka, kterou prochází střídavý proud s různými frekvencemi.

– Vysoká účinnost přenosu potřebného výkonu ze zdroje na vsázku elektromagnetickým vlněním.

– Možnost ovlivnění rozložení naindukovaného tepla ve vsázce frekvencí pracovního proudu.

– Čistota, rychlost a přesnost ohřevu v určitém místě s využitím koncentrátoru vlnění.

– Vysoká účinnost přeměny elektrické energie na užitečné teplo.

– Bezchybná opakovatelnost ohřevu, zvláště při hromadné výrobě.

Na efektivnosti využití všech předností a výhod indukčního ohřevu v praxi má podíl také obsluha s odpovídající kvalifikací.