Lötgerät
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lötgerät mit einem Gefäss zur Aufnahme eines Zinnbades, insbesondere zum Löten gedruckter Schaltungen.
Es wurde schon versucht, ein Lötgerät mit einem Gefäss zur Aufnahme eines Zinnbades zu schaffen und das Zinnbad mit Hilfe elektrischen Stromes einerseits zu schmelzen und anderseits in Umlauf zu bringen, d.h. eine Pumpwirkung zu erzeugen. Dabei wurde von der bekannten Tatsache Gebrauch gemacht, dass zwei entgegengesetzt stromdurchflossene Leiter sich abstossen. Wenn nun der eine dieser Leiter fest und der andere beweglich, beispielsweise als Teil des Zinnbades ausgebildet wird, so wird das Zinn aufgrund der sich abstossenden Kraftfelder auszuweichen versuchen, womit diesem Zinn eine Bewegung erteilt werden kann. Da es sich bei diesem Versuch um Magnetfelder in Luft handelt, die normalerweise mit dem Quadrat des Abstandes an Intensität verlieren, ist es wesentlich, dass das Zinnbad so nahe wie möglich bei der Primärspule montiert wird.
Dies bringt es wiederum mit sich, dass durch die Temperatur des Zinnbades, die im Normalbetriebsfall etwa 2500 C beträgt und der dazu zu rechnenden Eigenerwärmung der Primärspule, diese Primärspule eine für ihren praktischen Betrieb unzulässige Temperatur erreicht. Eine Isolierung dieser Spule durch Vergrösserung des Zwischenraumes oder Wärmeisolation kann nicht in Frage kommen, da damit der Wirkungsgrad des Systems im Quadrat zum Abstand bzw. mit der Isolierschichtdicke abnimmt und damit unzureichend wird. Dieses System kann weiterhin darum nicht genügen, weil zur Heizung des Zinnbades, in dem ein Pumpkanal vorgesehen ist, ein quer zu diesem Pumpkanal gerichteter Strom verwendet wird.
Dieser Strom muss, um eine ausreichende Pumpwirkung zu erwirken, derart hoch sein, dass die Betriebstemperatur des Zinnbades im praktischen Modell über 4000 C zu liegen kommt.
Bedingt durch das grundsätzliche System der Verbindung von Heizung und Pumpwirkung, kann eine Regelung der Temperatur des Zinnbades ohne gleichzeitige Beeinflussung der Pumphöhe nicht vorgenommen werden. Da aber aus der Praxis bekannt ist, dass derartige Lötbäder höchstens Temperaturdifferenzen von plus minus 3, besser aber plus minus 10 C aufweisen dürfen, ist eine derartige Verbindung zur Lösung des vorgegebenen Problems unbefriedigend und praktisch nichtdurchführbar.
Ein weiterer Nachteil eines derartigen Lötgerätes besteht darin, dass als Sekundärwicklung ein Kurzschlussbügel aus Kupfer dient, der in direktem Kontakt mit dem Lötzinn'steht.
Bekanntlich ist aber geschmolzenes Zinn imstande, Kupfer zu lösen. Das hat zwei Nachteile zur Folge: Einmal verwandelt sich die Zinn-Blei-Lötlegierung mit der Zeit in eine stark kupferhaltige Zinn-Bleilegierung, die bei höherem Kupfergehalt zum Löten ungeeignet wird und anderseits, speziell bei den viel zu hohen Temperaturen, die bei der erläuterten Ausführung im Lötbad entstehen, wird das Kupfer sehr rasch angefressen und über kurz oder lang die ganze Einrichtung undicht.
Weitere Nachteile dieses Gerätes liegen darin, dass durch das Hochschleudern von Zinn in vielen dünnen Strahlen durch die Luft eine sehr stark erhöhte Oxydation stattfindet, die durch die unverhältnismässig hohen Betriebstemperaturen noch progressiv gefördert werden, wodurch erhebliche Schlakken- und Zinnoxydschichten anfallen, die ihrerseits durch den Ansaugkanal wieder in die Pumpeinrichtung geführt werden und die Düsen verstopfen. Durch die Kombination von Pumpwirkung und Heizung kann das Pumpsystem nicht zwischen zwei Lötvorgängen abgestellt werden, da beim Abschalten der Pumpe auch die Heizung ausfällt, so dass sich das Bad bei längeren Unterbrüchen zu sehr abkühlen würde und temperaturmässig ausser Kontrolle geriete.
Es hat sich auch gezeigt, dass durch den hohen Schwund des Zinns beim Abkühlen der Zustand eintreten kann, dass sich Zinn einseitig oder beidseitig von dem U-Kurzschlussbügel trennt. Das Schmelzen des Zinns kann dann nur mit Hilfe einer äusseren Wärmequelle, z.B. einem Gasbrenner erfolgen, da bis zum Kontakt und zur Stromheizung zuerst das Zinn geschmolzen werden muss.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung eines Lötgerätes, welchem diese Nachteile nicht anhaften und. bei welchem es möglich ist, die Pumphöhe praktisch unabhängig von der Heizleistung zu verändern und umgekehrt.
In diesem Sinne zeichnet sich das erfindungsgemässe Lötgerät aus durch elektrische und magnetische Mittel zum Er zeugen einer Pumpwirkung auf geschmolzenes Zinn mittels eines, das Zinn durchsetzenden Magnetfeldes und eines dieses Feld rechtwinklig durchsetzenden elektrischen Stromes, wobei als Stromleiter ein Teil des Zinnbades dient.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden anschliessend anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch ein Lötgerät in Längsrichtung der Primärspule und durch das Zinnbad nach Schnittlinie A-A der Fig. 2,
Fig. 2 eine Aufsicht auf das Lötgerät gemäss Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt durch das Lötgerät nach Schnittlinie B-B der Fig. 1,
Fig. 4 eine zweite Ausführung eines Lötgerätes in der Darstellung analog Fig. 1, geschnitten nach Linie D-D der Fig. 5,
Fig. 5 eine Aufsicht auf das Lötgerät nach Fig. 4,
Fig. 6 einen Schnitt durch das Lötgerät nach Fig. 4 gemäss Schnittlinie E-E,
Fig. 7 eine Variante der Ausführung des Lötgerätes nach Fig. 1, geschnitten nach Linie G-G der Fig. 6,
Fig. 8 eine Aufsicht auf das Lötgerät gemäss Fig. 7,
Fig. 9 einen Schnitt durch das Lötgerät nach Linie H-H der Fig. 7,
Fig.
10 einen Ausschnitt aus dem Düsendispositiv in Aufsicht und im Schnitt nach Linie K-K.
Die in Fig. 1 ersichtliche Vorrichtung umfasst ein Badgehäuse 1 mit einer Wanne 2, einen Pumpkanal 3, der im wesentlichen horizontal unterhalb der Wanne 2 verläuft, eine schief aufsteigende Verbindung 4, einen Düsensatz mit einer Anzahl paralleler Bohrungen 5 und zwei Rücklaufkanälen 6.
Es ist ferner ein Bügel 13 vorgesehen, der unterhalb und oberhalb des Kanals 3 endet. Der Pumpkanal 3 hat seitliche Öffnungen 11, die über einen Ringkanal 12 miteinander verbunden sind, wie speziell in Fig. 3 gezeigt ist. Dieser Ringkanal 12 bildet eine Kurzschluss-Sekundär-Windung im anschliessend besprochenen System. Diese Windung besteht im wesentlichen aus Zinn, womit Kontaktprobleme zwischen einem aus andersartigem Metall bestehenden U-Bügel (anstelle des Ringkanals 12) und dem Zinnbad vermieden werden. Das Ringkanalgehäuse wird z.B. aus Stahl od.dgl.
gefertigt. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass kein Fremdmetall sich im Zinn löst, da erfahrungsgemäss Stahl in flüssigem Zinn unlösbar ist. Der durch das Ringkanalgehäuse fliessende Strom spielt erwärmungstechnisch keine wesentliche Rolle, da die durch den elektrischen Strom erzeugte Wärme durch den Eisen- oder Stahlmantel mühelos auf das Zinn übertragen wird. Eine Primärspule 14 wird ebenfalls vom Magnetbügel 13 und von einem Ringkern 15 durchdrungen (Fig. 1). Dieser Ringkern 15 koppelt die Primärspule 14 mit der Sekundär-Kurzschluss-Windung 3, 11, 12. Im Betrieb induziert die stromdurchflossene Primärspule 14 in der Kurzschlusswindung einen entsprechenden Strom.
Zwischen den freien Enden des Magnetbügels 13 entsteht gleichzeitig ein den Pumpkanal mit dessen Inhalt durchsetzendes Magnetfeld. Bekanntlich wird auf einen stromdurchflossenen Leiter, den ein Magnetfeld senkrecht durchsetzt, eine Kraft ausgeübt. Daher weicht der nicht fixierte, stromdurchflossene Leiter, das Zinn, im Pumpkanal 3 bei der vorhandenen Stromrichtung und dem Magnetfeld nach rechts (Fig. 1) aus.
Der Schnittbandkern 15 weist einen veränderbaren Luftspalt 16 auf, welcher das Kopplungsverhältnis zwischen Primärspule und Sekundärwindung zu ändern ermöglicht. Durch Vergrössern des Luftspaltes 16 wird der induzierte Strom in der Kurzschlusswindung und damit der Heizeffekt im Zinnbad kleiner. Gleichzeitig entsteht ein erhöhter Magnetfluss im Bügel 13, dabei kann die Pumpkraft konstant bleiben.
Man kann auf diese Weise bei ungefähr konstanter Pumphöhe, die nur durch die aufgegebene Leistung auf die Primärspule verändert wird, das Verhältnis zwischen Magnetfeld und Strom derart regulieren, dass die eigentliche Betriebstempera tur des Bades durch die alleinige Erwärmung dieses Stromes nicht erreicht wird, denn die Pumpwirkung ist bei dieser Anordnung von zwei Faktoren abhängig, nämlich vom Magnetfeld und vom Strom. Man kann also dieselbe Pumphöhe erreichen, bei viel Strom und kleinem Magnetfeld, was zu einer übermässigen Erhitzung des Zinns führen würde oder aber durch ein starkes Magnetfeld und einen geringen Strom, was ebenfalls ausreichende Pumphöhe gestattet, anderseits aber zur Erreichung der Betriebstemperatur des Zinns nicht mehr ausreicht.
Damit wird die Möglichkeit geschaffen, durch eine zusätzliche, normale elektrische Widerstandsheizung mit einem Thermostaten auf einfachste Weise die Badtemperatur zu erreichen und konstant zu halten, unabhängig von der Pumphöhe.
Ein weiterer Gedanke besteht nun darin, die elektrische Heizung so zu dimensionieren, dass sie allein imstande ist, die Bad-Betriebstemperatur zu halten und dass die Pumpe nur eingeschaltet wird, wenn eine gedruckte Schaltung zum Zwecke des Verlötens über die Düsen hinweggeführt wird.
Diese kurzzeitige Einschaltung, welche mit einer gleichzeitigen Abschaltung der Widerstandsheizung kombiniert werden kann, oder aber durch die thermostatische Regelung mit einer kleinen Verzögerung ohnehin ausgeregelt wird, bleibt auf die Badtemperatur praktisch ohne Wirkung. Auf diese Weise wird es möglich, ohne Gefahr einer Überhitzung des Zinns, die Pumpleistung den geforderten Umständen anzupassen.
Zur Erreichung der Betriebstemperatur und deren Konstanthaltung dient eine zusätzliche Heizung 9, die über bekannte Systeme (nicht dargestellt) von einem Temperaturfühler 10 aus Ein und Aus oder progressiv geregelt werden kann.
Ein rakelartiger Steg 7 hindert Oxyde auf dem Badspiegel am Zurückschwimmen zum Rückstromkanal 6. Um zu verhindern, dass die in das Zinnbad zurückkehrenden Pumpenstrahlen Verunreinigungen direkt unter dem Steg 7 hindurch in die Kanäle 6 führen, womit die Verstopfungsgefahr für die Düsen 5 wesentlich gesteigert würde, ist eine Schwelle 8 vorgesehen, die den Rückfluss des Zinns in eine nach oben gerichtete Bewegung zwingt und eventuell durch die Zinnstrahlen in das Bad hineingetriebene Oxydreste wieder nach oben fördert, wo sie am Rakel 7 hängen bleiben.
Um die Primärspule 14 vor Überhitzung zu schützen, ist ein im wesentlichen ringförmiger Luftspalt 20 mit einem Gebläse 21 in einem Führungskanal 22 vorgesehen. Dieses Gebläse 21 ist durch einen Motor 23 angetrieben. Durch seitliche Öffnungen 25 wird Luft ausserhalb des Gerätes angesaugt und als Luftstrom 24 in den Raum zwischen Spule 14 und Eisenkerne 13 und 15 getrieben. Zusätzlich ist eine Wärmeisolation 26 vorgesehen, die aus einem temperaturbeständigen Wärmeisolator, z.B. Keramik, besteht und über vertikale Luftkanäle verfügt, wie dies in Fig. 2 ersichtlich ist.
Durch diese Luftkanäle entsteht eine automatische, thermisch bedingte Luftströmung, die zur Kühlung beiträgt. Um das Zinn, welches sich im Ringkanal 12 befindet, langsam, aber kontinuierlich mit dem restlichen Zinn in der Wanne 2 zu mischen, sind auf einer der Vertikalseiten eine Anzahl Kühlrippen 27 vorgesehen. Dadurch wird die Temperatur des Zinnringes in diesem Schenkel des Ringkanals 12 etwas tiefer als auf der gegenüberliegenden Seite, womit auch hier eine thermisch bedingte Strömung erzwungen wird. Das Zinnbadgehäuse selbst besteht bei dieser Ausführung aus einem magnetisch nichtleitenden und elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus harteloxiertem Aluminium, Keramik oder einem durch Feueremaillierung isolierten anderen, magnetisch nichtleitenden Material.
Zum Löten von gedruckten Schaltungen wird die Heizung 9 eingeschaltet und mit ihrer Hilfe das Zinn im Gehäuse 1 geschmolzen. Das Gebläse 21, mittlerweile ebenfalls eingeschaltet, kühlt die Spule 14. Der Luftspalt 16 ist entsprechend eingestellt. Sobald das Zinn die geforderte Temperatur erreicht hat, ist das Gerät betriebsbereit. Die Primärspule 14 wird unter Strom gesetzt. Das den Pumpkanal 3 durchsetzende Magnetfeld stösst das stromdurchflossene Zinn im Pumpkanal 3 in Richtung der Pfeile und presst es durch die Düsen 5, durch welche die Zinnstrahlen 17 ausschiessen und in Form einer Wurfparabel ins Bad der Wanne 2 eintauchen.
Die zu lötende Platte wird unter Anschneiden der Zinn strahlenfläche durchgezogen, derart, dass das flüssige Zinn die untere Fläche der Platte vollständig überstreicht. Die zu lötenden Stellen werden gelötet, während das übrige Zinn von den anderen Teilen abgestossen, in die Wanne 2 zurückfällt.
Nach Beendigung des Lötens wird das Pumpen durch Unterbruch der Stromzufuhr zur Spule 14 abgebrochen und die Badtemperatur mittels des Thermostaten 10 und der Heizung 9 möglichst konstant gehalten. Das Lötgerät bleibt durch die Zusatzheizung jederzeit einsatzbereit.
Die Ausführung gemäss Fig. 4 bis 6 unterscheidet sich von der vorbeschriebenen Ausführung im wesentlichen dadurch, dass das Zinnbadgehäuse 31 mit der Wanne 32 aus einem magnetisch leitfähigen, aber elektrisch möglichst schlecht leitenden Material besteht, beispielsweise aus Gusseisen. Es ist ferner ein Pumpkanal 33 und ein Verbindungskanal 34 zu einer Düsenleiste 35, sowie zwei Rücklaufkanäle 36 mit seitlichen Öffnungen 37 und einem Ringkanal 38 vorgesehen. Gusseisen kann zur Erhöhung der elektrischen Isolation nach der Bearbeitung einer thermischen Behandlung unterworfen werden, um eine Gusshaut zu erzeugen.
Die Isolation kann noch verbessert werden, wenn das fertige Gussgehäuse nachträglich feueremailliert wird.
Weiterhin sind hier, im Gegensatz zur ersten Ausführung, Magnetbügel 39 und Eisenkern 41 mit getrennten Spulen 40 und 42 ausgerüstet. Der Eisenkern 41 weist keinen Luftspalt auf. Die Regelung der Pumphöhe erfolgt durch Verschieben eines Abgriffes 44 auf einem Regeltransformator 43, währenddem das Verhältnis zwischen Magnetfeldstärke und Stromstärke durch Verschieben eines Abgriffes 45 verändert werden kann. Im selben Mass wie die Stromstärke zunimmt, nimmt die Magnetfeldstärke ab und umgekehrt. Beim Verändern der Pumphöhe durch Verschieben des Abgriffes 44 ändert sich allerdings auch die Heizleistung zwangläufig. Deshalb ist es notwendig, auch hier eine Thermostat 47 gesteuerte Zusatzheizung 46 vorzusehen. Es sind ferner eine Wärmeisolation 48 sowie Kühlkanäle 49 und Kühlrippen 50 angeordnet. Im übrigen ist der Aufbau analog demjenigen gemäss den Fig. 1 bis 3.
Eine weitere Ausführung, die sich von den beiden vorbeschriebenen erheblich unterscheidet, ist in den Fig. 7 bis 10 gezeigt. Das Zinnbadgehäuse 51 mit der Wanne 52 und dem Pumpkanal 53 besteht wiederum aus magnetisch leitfähigem Material, vorzugsweise stark siliciumhaltigem Gusseisen. Das Magnetfeld wird hier durch zwei Permanentmagnete 54 und 55 erzeugt, die über eine magnetisch Brücke 56 miteinander verbunden sind. Diese magnetische Brücke 56 bildet einen integrierenden Bestandteil des Gehäuses 51.
Im übrigen gelten beim Gehäuse 51 dieselben konstruktiven Massnahmen im Sinne dünner Querschnitte und grosser Längen an den Stellen, wo kein Strom oder Magnetfluss gewünscht wird. Der quer durch das Zinnsystem mit den seitlichen Öffnungen 57 des Gehäuses 51 zu führende elektrische Strom wird hier in einem, vorzugsweise aus Kupfer bestehenden, U-förmigen Bügel 58 erzeugt, welcher über Kontaktstücke 62 mit dem Zinnbad in leitender Verbindung steht.
Diese Kontaktstücke 62 werden aus einem, sich im flüssigen Zinn nichtlösenden Material, zum Beispiel Eisen, angefertigt.
Um beim Abkühlen des Bades zu verhindern, dass das Zinn im Pumpkanal 53 sich durch Kontraktion von den Kontaktstücken 62 löst, sind diese Stücke T-förmig und mit einer nasenartigen Verlängerung 58a mit Mantelflächen 58b ausgebildet, sowie zum Beispiel nach aussen konisch verjüngend oder mit Widerhaken versehen. Diese Verlängerung ragt in den Pumpkanal 53 hinein und stellt den Kontakt auch dann sicher, wenn das Zinn beim Abkühlen schrumpft. Der Strom in der Sekundärwindung (Bügel 58) wird von der Primärspule 60 über einen Eisenkern 59 induziert. Da aber im Pumpspalt 53 ein konstantes Magnetfeld herrscht, bedingt durch die Magnete 54 und 55, und kein Wechselfeld, ist es auch notwendig, in der Kurzschlusswindung, dargestellt durch den Bügel 58, gleichgerichtete Stromimpulse zu erzeugen.
Eine Düsenleiste 63 ist hier etwas anders ausgebildet, indem die Bohrungen 65 nicht durchgehend sind, sondern durch einen Schlitz 64 miteinander verbunden. Es wird dann das durch die Bohrungen 65 hochgepumpte Zinn im Schlitz 64 breitgedrückt, so dass flache, etwa fächerförmig verlaufende Zinnstrahlen nach oben weggeschleudert werden, die sich zu einem Film vereinigen. Dieser Film hat den Vorteil, dass bei der Lötung einer gedruckten Schaltung, im Gegensatz zu einzelnen Strahlen, keine Gefahr von unbenetzten Stellen entsteht. Dies gilt um so mehr, als bei einzelnen Strahlen die Erscheinung beobachtet wurde, dass infolge kleiner Schmutzansätze in den Düsen einzelne Strahlen schief austreten und sich mit dem Nachbarstrahl zu einem dickeren Strahl vereinigen, wobei dann zwischen zwei derartigen Verbundstrahlen grosse Lücken entstehen können.
Auch hier ist eine elektrische Heizung 66, gesteuert über einen Thermostat 67, vorgesehen.
Zur Vermeidung von Zinnoxydation kann, wie in Fig. 1 gezeigt, das Zinnbad selbst mit einer Ölschicht 19 abgedeckt werden. Es soll ein Öl sein, welches bei der Betriebstemperatur des Bades, welche ungefähr 2500 C beträgt, sich nicht zersetzt, beispielsweise Silikonöl. Um eine Oxydation der durch die Luft schiessenden Zinnstrahlen zu verhindern, kann das Niveau der Ölschicht so hoch gelegt werden, dass die Zinnstrahlen unterhalb der Oberfläche der Schicht austreten. Auf diese Weise werden auch die Zinnstrahlen mit einem Ölfilm überzogen. Voraussetzung ist dann allerdings, dass ein sogenanntes Lötöl verwendet wird, d.h. ein Öl, welches einerseits die Oxydation durch Luftabschluss verhindert, anderseits aber die Lötung als solche auf der Kupferschicht der gedruckten Schaltung nicht stört.
Derartige Öle sind seit längerer Zeit bei der üblichen Wellen- oder Schwallötmaschine im Gebrauch.
Zum Ein- und Ausschalten der Pumpe wird bei der Ausführung nach Fig. 1 die Primärspule 14 ein- und ausgeschaltet. In den Pausen übernimmt die Heizung 9 die Konstanthaltung der Badetemperatur.
Bei der Vorrichtung nach Fig. 4 genügt es, die Spule 40 ein- und auszuschalten, wobei die Spule 42, zusammen mit der Zusatzheizung 46 die Temperatur des Bades konstant hält.
Bei der Ausführung nach Fig. 7 geschieht das Ein- und Ausschalten durch Schalten des Stromes in der Spule 60. Hier übernimmt die Heizung 66 die Temperaturkontrolle des Bades.
Selbstverständlich ist auch die Kombination der Kurzschlusswindung nach Fig. 9 mit den Bädern nach Fig. 4 oder Fig. 1 denkbar. Dasselbe gilt auch für die Düsenleiste nach Fig. 10. Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Gusseisengefässes (Fig. 4-9) liegt darin, dass der Magnetspalt im Pumpkanal ohne störende, weil magnetisch nichtleitende, Zwischenschichten aufgebaut werden kann, womit ein grösstmöglicher Wirkungsgrad erreicht wird, im Gegensatz zum Aluminiumgehäuse nach Fig. 1, wo in erster Linie, um das Bad gegenüber dem sie durchdringenden Magnetbügel dicht zu halten, eine Zwischenschicht unumgänglich ist. Dadurch entsteht aber ein zusätzlicher Verlust im Magnetpfad. Dasselbe würde auch für die Anordnung nach Fig. 9 gelten, wenn die Permanentmagnete 54, 55 nicht in direkter Berührung mit dem zu pumpenden Zinn stehen.
Es wäre auch denkbar, bei der Ausführung gemäss den Fig. 7-9 die Anordnung eines Magneten im Bügelteil 56 und die Ausbildung der beiden Pole 54 und 55, entsprechend Fig. 4 vorzusehen. Ausserdem könnte sich eine Gebläseanordnung, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, mit den Systemen gemäss den Fig. 4 oder 7 als notwendig erweisen, da möglicherweise die reine Strömungskühlung durch Konvektion nicht genügt, und zwar mindestens bei der Vorrichtung nach Fig. 4. Bei derjenigen nach Fig. 7 ist anzunehmen, dass die Kühlung durch natürliche Luftzirkulation ausreicht.
Anstelle der Regelung der Pumphöhe durch den Abgriff 44 in Fig. 4 ist auch denkbar, den Regelkreis über eine Tyristorschaltung im Phasenschnittverfahren anzusteuern. Eine derartige Steuerung könnte zur automatischen Konstanthaltung der Pumphöhe verwendet werden, indem durch entsprechende Schaltung Netzspannungsschwankungen automatisch ausgeglichen würden. Zusätzlich ist denkbar, dass der Steuerspannung, die den Phasenanschnittspunkt definiert, niederfrequente Wechselspannung überlagert wird, z.B. in der Grössenordnung von 1 bis 5 Hz, wobei ein vertikal oszillierender Pumpenstrahl erzeugt werden könnte, der eine quasi Wischbewegung des Zinns an der Unterseite der gedruckten Schaltung zur Folge hätte. Dieselbe Möglichkeit besteht auch für die Ausführungen gemäss den Fig. 1 und 7.
Die beschriebenen Lötgeräte können grundsätzlich zum Schmelzen und Umpumpen von Metallen und deren Legierungen verwendet werden, deren Schmelzpunkte unter etwa 400C C liegen. Solche Lötgeräte sind mit geringen Energiemengen speisbar, da keine Kühlung des Zinnbades zwecks Vermeidung von Überhitzung nötig ist. Daher wird auch die Dimensionierung der entsprechenden Teile, wie Spulen, Kerne, Heizung u. a. klein, was letztendlich ein billiges, leichtes, überlastbares und sehr betriebssicheres Gerät ergibt.
Ein derartiges Gerät ist ferner leicht zu reinigen, insbesondere auch im Bereich der Düsen, da die Düsenplatten 35 bzw. 63 von aussen, sogar bei flüssigem Bad abschraubbar sind.
Soldering device
The present invention relates to a soldering device with a vessel for holding a tin bath, in particular for soldering printed circuits.
Attempts have already been made to create a soldering device with a vessel for holding a tin bath and to melt the tin bath with the aid of an electric current on the one hand and to bring it into circulation on the other, i.e. to produce a pumping action. Use was made of the well-known fact that two conductors carrying currents in opposite directions repel each other. If one of these conductors is now fixed and the other is made movable, for example as part of the tin bath, the tin will try to evade due to the force fields repelling each other, with which this tin can be given a movement. Since this experiment involves magnetic fields in air, which normally lose intensity with the square of the distance, it is essential that the tin bath is installed as close as possible to the primary coil.
This in turn means that due to the temperature of the tin bath, which is around 2500 C in normal operation, and the associated self-heating of the primary coil, this primary coil reaches a temperature that is inadmissible for practical operation. An insulation of this coil by enlarging the space or thermal insulation is out of the question, since the efficiency of the system decreases by the square of the distance or with the thickness of the insulation layer and thus becomes insufficient. Furthermore, this system cannot suffice because a current directed transversely to this pump channel is used to heat the tin bath in which a pump channel is provided.
In order to achieve a sufficient pumping effect, this current must be so high that the operating temperature of the tin bath in the practical model is above 4000 C.
Due to the fundamental system of combining heating and pumping action, it is not possible to regulate the temperature of the tin bath without simultaneously influencing the pumping height. However, since it is known from practice that such solder baths may have temperature differences of at most plus minus 3, but better but plus minus 10 C, such a connection for solving the given problem is unsatisfactory and practically impossible.
Another disadvantage of such a soldering device is that a short-circuit clip made of copper, which is in direct contact with the solder, serves as the secondary winding.
As is well known, however, molten tin is able to dissolve copper. This has two disadvantages: on the one hand, the tin-lead solder alloy changes over time into a tin-lead alloy with a high copper content, which is unsuitable for soldering with a higher copper content and on the other hand, especially at the much too high temperatures that are explained in the Execution in the solder bath arise, the copper is eaten very quickly and sooner or later the whole facility will leak.
Further disadvantages of this device are that when tin is thrown up in many thin rays through the air, a very strong increase in oxidation takes place, which is progressively promoted by the disproportionately high operating temperatures, which in turn results in considerable layers of slag and tin oxide, which in turn are caused by the Suction channel are fed back into the pumping device and clog the nozzles. Due to the combination of pumping action and heating, the pump system cannot be switched off between two soldering processes, since the heating also fails when the pump is switched off, so that the bath would cool down too much in the case of longer interruptions and the temperature would get out of control.
It has also been shown that the high shrinkage of the tin during cooling can result in the tin separating on one or both sides from the U-shorting clip. The tin can then only be melted with the help of an external heat source, e.g. a gas burner, since the tin must first be melted before contact and electrical heating.
The present invention aims to provide a soldering device which does not adhere to these disadvantages and. with which it is possible to change the pumping height practically independently of the heating power and vice versa.
In this sense, the soldering device according to the invention is characterized by electrical and magnetic means for generating a pumping action on molten tin by means of a magnetic field penetrating the tin and an electric current penetrating this field at right angles, part of the tin bath serving as the conductor.
Exemplary embodiments of the subject matter of the invention are then explained with reference to figures. Show it:
Fig. 1 is a section through a soldering device in the longitudinal direction of the primary coil and through the tin bath along section line A-A of Fig. 2,
FIG. 2 is a plan view of the soldering device according to FIG. 1,
Fig. 3 shows a section through the soldering device along section line B-B of Fig. 1,
4 shows a second embodiment of a soldering device in the representation analogous to FIG. 1, sectioned along line D-D of FIG. 5,
FIG. 5 shows a plan view of the soldering device according to FIG. 4,
6 shows a section through the soldering device according to FIG. 4 according to section line E-E,
7 shows a variant of the embodiment of the soldering device according to FIG. 1, cut along line G-G of FIG. 6,
FIG. 8 shows a plan view of the soldering device according to FIG. 7,
9 shows a section through the soldering device along line H-H in FIG. 7,
Fig.
10 shows a detail from the nozzle dispositiv in plan view and in section along line K-K.
The device shown in FIG. 1 comprises a bath housing 1 with a tub 2, a pump channel 3 which runs essentially horizontally below the tub 2, an inclined connection 4, a nozzle set with a number of parallel bores 5 and two return channels 6.
A bracket 13 is also provided, which ends below and above the channel 3. The pump channel 3 has lateral openings 11 which are connected to one another via an annular channel 12, as is shown specifically in FIG. 3. This ring channel 12 forms a short-circuit secondary turn in the system discussed below. This winding consists essentially of tin, so that contact problems between a U-bracket made of a different type of metal (instead of the ring channel 12) and the tin bath are avoided. The ring channel housing is e.g. made of steel or the like.
manufactured. This has the advantage that no foreign metal dissolves in the tin, since experience shows that steel is insoluble in liquid tin. The current flowing through the ring channel housing does not play an essential role in terms of heating, since the heat generated by the electric current is easily transferred to the tin through the iron or steel jacket. A primary coil 14 is also penetrated by the magnetic bracket 13 and by a toroidal core 15 (Fig. 1). This toroidal core 15 couples the primary coil 14 with the secondary short-circuit winding 3, 11, 12. During operation, the current-carrying primary coil 14 induces a corresponding current in the short-circuit winding.
At the same time, a magnetic field penetrating the pump channel and its contents is created between the free ends of the magnetic clip 13. It is known that a force is exerted on a current-carrying conductor through which a magnetic field passes perpendicularly. Therefore, the non-fixed, current-carrying conductor, the tin, in the pump channel 3 deviates to the right (FIG. 1) given the current direction and the magnetic field.
The cut ribbon core 15 has a variable air gap 16, which enables the coupling ratio between the primary coil and the secondary winding to be changed. By enlarging the air gap 16, the induced current in the short-circuit winding and thus the heating effect in the tin bath are reduced. At the same time, there is an increased magnetic flux in the bracket 13, while the pumping force can remain constant.
In this way, at an approximately constant pumping height, which is only changed by the power applied to the primary coil, the relationship between magnetic field and current can be regulated in such a way that the actual operating temperature of the bath is not reached by heating this current alone, because the In this arrangement, the pumping action depends on two factors, namely the magnetic field and the current. So you can achieve the same pumping height with a lot of current and a small magnetic field, which would lead to excessive heating of the tin, or through a strong magnetic field and a low current, which also allows sufficient pumping height, but on the other hand no longer to reach the operating temperature of the tin sufficient.
This creates the possibility of using an additional, normal electrical resistance heater with a thermostat to reach the bath temperature in the simplest way and to keep it constant, regardless of the pumping height.
Another idea is to dimension the electric heater so that it is able to maintain the operating temperature of the bath and that the pump is only switched on when a printed circuit is passed over the nozzles for the purpose of soldering.
This short-term switch-on, which can be combined with a simultaneous switch-off of the resistance heating, or is regulated anyway by the thermostatic control with a small delay, has practically no effect on the bath temperature. In this way it is possible to adapt the pump output to the required circumstances without the risk of the tin overheating.
To achieve the operating temperature and keep it constant, an additional heater 9 is used, which can be regulated on and off or progressively by a temperature sensor 10 via known systems (not shown).
A doctor-like web 7 prevents oxides on the bath level from swimming back to the return flow channel 6. In order to prevent the pump jets returning into the tin bath from leading impurities directly under the web 7 into the channels 6, which would significantly increase the risk of clogging the nozzles 5, a threshold 8 is provided which forces the backflow of the tin into an upward movement and possibly conveys any oxide residues that have been driven into the bath by the tin jets upwards again, where they stick to the doctor blade 7.
In order to protect the primary coil 14 from overheating, an essentially annular air gap 20 with a fan 21 is provided in a guide channel 22. This fan 21 is driven by a motor 23. Air outside the device is sucked in through lateral openings 25 and driven as an air stream 24 into the space between the coil 14 and iron cores 13 and 15. In addition, a thermal insulation 26 is provided, which consists of a temperature-resistant thermal insulator, e.g. Ceramic, and has vertical air channels, as can be seen in FIG.
These air ducts create an automatic, thermally induced air flow that contributes to cooling. In order to slowly but continuously mix the tin which is located in the annular channel 12 with the remaining tin in the tub 2, a number of cooling fins 27 are provided on one of the vertical sides. As a result, the temperature of the tin ring in this leg of the ring channel 12 is somewhat lower than on the opposite side, which also forces a thermally induced flow here. The tin bath housing itself consists of a magnetically non-conductive and electrically insulating material, for example hard anodized aluminum, ceramic or another magnetically non-conductive material insulated by fire enamel.
To solder printed circuits, the heater 9 is switched on and the tin in the housing 1 is melted with its help. The fan 21, meanwhile also switched on, cools the coil 14. The air gap 16 is adjusted accordingly. As soon as the tin has reached the required temperature, the device is ready for use. The primary coil 14 is energized. The magnetic field penetrating the pump channel 3 pushes the tin through which current flows in the pump channel 3 in the direction of the arrows and presses it through the nozzles 5 through which the tin jets 17 shoot and immerse into the bath of the tub 2 in the form of a trajectory parabola.
The plate to be soldered is pulled through the beam surface while cutting the tin, in such a way that the liquid tin completely sweeps over the lower surface of the plate. The points to be soldered are soldered, while the remaining tin is repelled from the other parts and falls back into the tub 2.
After completion of the soldering, the pumping is stopped by interrupting the power supply to the coil 14 and the bath temperature is kept as constant as possible by means of the thermostat 10 and the heater 9. The soldering device remains ready for use at any time thanks to the additional heating.
The embodiment according to FIGS. 4 to 6 differs from the embodiment described above essentially in that the tin bath housing 31 with the tub 32 consists of a magnetically conductive, but electrically as poorly conductive material as possible, for example cast iron. A pump channel 33 and a connection channel 34 to a nozzle bar 35, as well as two return channels 36 with lateral openings 37 and an annular channel 38 are also provided. To increase the electrical insulation, cast iron can be subjected to a thermal treatment after machining in order to produce a cast skin.
The insulation can be improved if the finished cast housing is subsequently fire-enamelled.
Furthermore, in contrast to the first embodiment, the magnetic bracket 39 and iron core 41 are equipped with separate coils 40 and 42. The iron core 41 has no air gap. The pumping height is regulated by moving a tap 44 on a regulating transformer 43, while the ratio between magnetic field strength and current strength can be changed by moving a tap 45. As the current strength increases, the magnetic field strength decreases and vice versa. When changing the pumping height by moving the tap 44, however, the heating output also inevitably changes. It is therefore necessary to provide a thermostat 47-controlled additional heater 46 here as well. There are also a thermal insulation 48 and cooling channels 49 and cooling fins 50 are arranged. Otherwise, the structure is analogous to that according to FIGS. 1 to 3.
Another embodiment, which differs significantly from the two previously described, is shown in FIGS. The tin bath housing 51 with the trough 52 and the pump channel 53 in turn consists of magnetically conductive material, preferably cast iron with a high content of silicon. The magnetic field is generated here by two permanent magnets 54 and 55, which are connected to one another via a magnetic bridge 56. This magnetic bridge 56 forms an integral part of the housing 51.
Otherwise, the same structural measures apply to the housing 51 in the sense of thin cross-sections and great lengths at the points where no current or magnetic flux is desired. The electrical current to be conducted across the tin system with the lateral openings 57 of the housing 51 is generated here in a U-shaped bracket 58, preferably made of copper, which is in conductive connection with the tin bath via contact pieces 62.
These contact pieces 62 are made of a material that does not dissolve in liquid tin, for example iron.
In order to prevent the tin in the pump channel 53 from becoming detached from the contact pieces 62 when the bath cools down, these pieces are T-shaped and have a nose-like extension 58a with lateral surfaces 58b, and for example tapering outwards or with barbs Mistake. This extension protrudes into the pump channel 53 and ensures contact even if the tin shrinks when it cools. The current in the secondary winding (bracket 58) is induced by the primary coil 60 via an iron core 59. However, since there is a constant magnetic field in the pump gap 53, due to the magnets 54 and 55, and not an alternating field, it is also necessary to generate rectified current pulses in the short-circuit winding, represented by the bracket 58.
A nozzle bar 63 is designed somewhat differently here, in that the bores 65 are not continuous, but rather are connected to one another by a slot 64. The tin pumped up through the bores 65 is then pressed wide in the slot 64, so that flat, approximately fan-shaped jets of tin are hurled upwards and combine to form a film. This film has the advantage that when soldering a printed circuit, in contrast to individual beams, there is no risk of unwetted areas. This is all the more true as the phenomenon was observed with individual jets that individual jets emerge at an angle due to small deposits of dirt in the nozzles and combine with the neighboring jet to form a thicker jet, with large gaps then occurring between two such composite jets.
An electrical heater 66, controlled by a thermostat 67, is also provided here.
To avoid tin oxidation, as shown in FIG. 1, the tin bath itself can be covered with an oil layer 19. It should be an oil which does not decompose at the operating temperature of the bath, which is approximately 2500 C, for example silicone oil. In order to prevent oxidation of the tin jets shooting through the air, the level of the oil layer can be set so high that the tin jets emerge below the surface of the layer. In this way, the tin rays are also coated with a film of oil. However, the prerequisite is that so-called soldering oil is used, i.e. an oil which, on the one hand, prevents oxidation through the exclusion of air, but on the other hand does not interfere with the soldering as such on the copper layer of the printed circuit.
Such oils have been in use for a long time in conventional wave or wave soldering machines.
To switch the pump on and off, in the embodiment according to FIG. 1, the primary coil 14 is switched on and off. During the breaks, the heater 9 takes over the maintenance of the bath temperature.
In the device according to FIG. 4, it is sufficient to switch the coil 40 on and off, the coil 42, together with the additional heater 46, keeping the temperature of the bath constant.
In the embodiment according to FIG. 7, switching on and off takes place by switching the current in the coil 60. Here, the heater 66 takes over the temperature control of the bath.
It goes without saying that the combination of the short-circuit winding according to FIG. 9 with the baths according to FIG. 4 or FIG. 1 is also conceivable. The same also applies to the nozzle bar according to Fig. 10. Another advantage of using a cast iron vessel (Fig. 4-9) is that the magnetic gap in the pump channel can be built up without interfering, because magnetically non-conductive, intermediate layers, thus achieving the greatest possible efficiency is, in contrast to the aluminum housing according to FIG. 1, where an intermediate layer is essential in order to keep the bath sealed against the magnetic bar penetrating it. However, this creates an additional loss in the magnetic path. The same would also apply to the arrangement according to FIG. 9 if the permanent magnets 54, 55 are not in direct contact with the tin to be pumped.
It would also be conceivable, in the embodiment according to FIGS. 7-9, to provide the arrangement of a magnet in the bracket part 56 and the formation of the two poles 54 and 55 according to FIG. In addition, a fan arrangement, as shown in FIGS. 1 and 2, with the systems according to FIGS. 4 or 7 could prove to be necessary, since pure flow cooling by convection may not be sufficient, at least with the device according to FIG. 4 In the case of that according to FIG. 7, it can be assumed that the cooling by natural air circulation is sufficient.
Instead of regulating the pumping height by the tap 44 in FIG. 4, it is also conceivable to control the control circuit via a thyristor circuit using the phase-cutting method. Such a control could be used to automatically keep the pumping height constant by automatically compensating for mains voltage fluctuations by means of an appropriate circuit. In addition, it is conceivable that the control voltage, which defines the phase control point, is superimposed with low-frequency alternating voltage, e.g. in the order of magnitude of 1 to 5 Hz, whereby a vertically oscillating pump jet could be generated, which would result in a quasi wiping movement of the tin on the underside of the printed circuit. The same possibility also exists for the designs according to FIGS. 1 and 7.
The soldering devices described can in principle be used for melting and pumping metals and their alloys with melting points below about 400C. Such soldering devices can be fed with small amounts of energy, since no cooling of the tin bath is necessary in order to avoid overheating. Therefore, the dimensioning of the corresponding parts, such as coils, cores, heating, etc. a. small, which ultimately results in a cheap, light, overloadable and very reliable device.
Such a device is also easy to clean, especially in the area of the nozzles, since the nozzle plates 35 and 63 can be unscrewed from the outside, even when the bath is liquid.