Technisch: Vacuümsolderen met H.F.-verhitting (1976)

Vacuümsolderen met H.F.-verhitting

In 1976 bestond behoefte aan betere soldeermethoden. Het solderen op conventionele wijze voldeed niet meer aan de steeds hogere eisen op het gebied van de verbindingen van verschillende materialen, de reinheid van de verbindingen, het niet kunnen na bewerken en de vacuümdichtheid. Van groot belang is dat verontreiniging van het te solderen werkstuk en de soldeeroppervlakken wordt voorkomen.

Een methode om dit te realiseren is het vacuümsolderen: de soldering vindt plaats in een vacuümomgeving. Hiervoor is een vacuümpompinstallatie nodig. Het vacuüm bij deze methode voorkomt aantasting van het soldeer en het werkstuk door zuurstof en andere gassen. Tevens dient het om de oxiden van de te verbinden metalen te verwijderen.

Hiervoor moet men het werkstuk enkele malen tot een lagere temperatuur dan de soldeersmelttemperatuur onder vacuüm voorgloeien voordat men tot het solderen kan overgaan. Het verwijderen van de oxiden van de diverse metalen vindt plaats onder verschillende omstandigheden. Bij R.V.S. gebeurt het reeds bij een vacuüm van 10^-4 Torr, bij aluminium bij 10^-6 Torr en bij koper is het effect al te bereiken als men het werkstuk in een schutgas (Argon) verhit en soldeert.

Een groot voordeel bij deze soldeermethode is, dat het werkstuk na voldoende afkoeling onder vacuüm net zo gaaf en blank is als voor het solderen. Tevens heeft men geen last van gas of vloeimiddelinsluiting, omdat deze niet gebruikt worden.
Vóór het aanvangen van dit gedeelte van het soldeerproces moet het werkstuk worden voorbereid. Hierbij zijn van belang:

Het kiezen van de juiste vorm van de te maken soldeerverbinding (fig. 1 en 2).
Het ontvetten van de metalen om ongewenste gasvorming te voorkomen. Het beste resultaat wordt verkregen door het reinigen in een oplossing van 50% alcohol en 50% aceton.
Het aanbrengen van de juiste spleetbreedte (0,01 mm) en de benodigde hoeveelheid soldeer van de vereiste samenstelling (geen vloeimiddel).
Het opstellen van het werkstuk in de spoel van de H.F.-generator onder de vacuümklok.

Als eerste soldeerproef is gekozen voor het werkstuk fig. 3 van R.V.S.316, waarbij in eerste fase de soldeernaad A, en in tweede fase de soldeernaden B en C gesoldeerd zijn, met goud-koper soldeer (80-20) bij een temperatuur van 890 ^oC en een druk van 10^-4 Torr. Het eindresultaat was zeer goed en na het testen volkomen vacuümdicht; zie foto’s onderaan deze pagina.

Fig 3: Eerste proef — Fig 3: Opzet eerste proef

Het soldeer voor hoogvacuümsolderen mag geen zink of cadmium bevatten vanwege de hoge dampspanning, die in vacuüm de oorzaak is dat deze elementen uit de soldeersamenstelling verdampen en de klok verontreinigen. Dit geldt evenzo voor het werkstuk. Voor de verschillende metalen moet men een soldeer uitzoeken dat goed bevochtigt. Het soldeer is daarom meestal op goud-koper basis of zilver-koperbasis. Gegevens hierover vindt men in b.v. ”Technik die Verbindet” van Degussa No. 19. Hierin staat een tabel van diverse soldeersamenstellingen, hun smeltpunten en voor welke te verbinden metalen ze het meest geschikt zijn.

Soldeerproblemen, die bij een ingewikkeld werkstuk optreden, moeten experimenteel worden opgelost.
Bijvoorbeeld:

Verwarmingsmoeilijkheden worden bekeken door het werk zonder soldeer in de vacuümklok te verwarmen om te kijken of alle delen voldoende verhit worden. De temperatuur is door de aanloopkleur goed te schatten. De verhitting is namelijk maximaal als de H.F.-spoel zo dicht mogelijk om het werkstuk zit, zodat de maximale koppeling wordt bereikt. Het verwarmen van het werkstuk in de klok geschiedt met behulp van een verwisselbare hoogfrequentspoel, die via een coaxiale doorvoer in de vacuümklokbodem, in verbinding staat met de aansluitklemmen van de H.F.generator. De aansluitingen moeten het liefst stripvormig en zo kort mogelijk zijn, zodat de minste hoogfrequent verliezen optreden. Deze gespecialiseerde en veel tijd vergende soldeermethode is alleen dan noodzakelijk, als hoge eisen, zoals vacuümdichtheid en of een schone soldeernaad, aan het werkstuk worden gesteld.

H.F.-verhitten

Het hoogfrequent verhitten is een verwarmingsmethode, waarbij elektrische hoogfrequent energie omgezet wordt in warmte. Hiervoor wordt de hoogfrequent energie (b.v. 4 MHz – max. 6 kW) afkomstig van een H.F.-generator, gestuurd in een watergekoelde spoel.
Bij plaatsing van een elektrische geleider (werkstuk) in het veld van de spoel zal door inductieve koppeling in het werkstuk plaatselijke verhitting optreden.
Deze methode van plaatselijke verhitting, welke goed in temperatuur is te regelen, kan voor vele toepassingen gebruikt worden. Enkele praktische toepassingen zijn: – harden – gloeien – cementeren- solderen.

De vacuümpompinstallatie

Bij het in gebruik nemen van de vacuümpompinstallatie, zie fig. 4 opent men kraan I en sluit kraan II en de vlinderklep, zodat de diffusiepomp op zijn werkvacuüm wordt gezogen door de voorvacuümpomp. De verwarming van de DIFF-pomp kan hierna worden ingeschakeld, waarbij de verwarmingstijd ca. 1/2 uur bedraagt. Indien de diffusiepomp op het voorvacuüm is, dan sluit men klep I en opent men klep II zodat de klok voorvacuüm gezogen wordt (de vlinderklep blijft dicht).
Is ook dit gebeurd, dan sluit men klep II en opent klep III en de vlinderklep waarna de diffusiepomp, in serie met de voorpomp, de klok op het gewenste vacuüm (max. 10^-8 Torr) brengt.

De diffusiepomp werkt al bij een voorvacuüm van 10^-1 Torr. Hogere druk geeft kans op het verbranden van de diffusieolie. Bij de diffusiepomp, zie fig. 5 stroomt de drijfmiddeldampstraal (7) met supersonische snelheid uit een ringvormig schottensysteem (A-D) en breidt zich schermvormig op de wand uit (aan de watergekoelde wand (3) wordt de olie gecondenseerd). Door de uitbreiding is de dampdruk in de straal naar verhouding gering. De diffusie van de lucht of de weg te pompen gassen in de straal gaat daardoor zo snel dat de straal ondanks zijn hoge snelheid bijna volledig met lucht of gas wordt verzadigd.

Het drijfmiddel wordt door elektrische verhitting verdampt. Als het gecondenseerde drijfmiddel terugkeert, moet het voordat het in het reservoir wordt opgenomen van lucht en gas ontdaan worden, daar anders het drijfmiddel teveel verontreinigd wordt. Onder het laatste schot is de olie tot ca. 130 ^oC afgekoeld waardoor de lucht en de gasdelen uit het drijfmiddel ontsnappen en door de vacuümpomp wordt afgezogen. De gasdruk is daar ter plaatse tot boven 10^-2 Torr verhoogd.

Foto’s HF-vacuümsolderen

Bron

Een intern rapport uit oktober 1976