ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

АППАРАТУРА ДЛЯ СВАРКИ СВЕТОВЫМ ЛУЧОМ

Источником света в таких установках служит либо мощная дуго­вая лампа высокого давления, либо квантовый генератор. С по­мощью зеркал и оптических линз свет фокусируется на сваривае­мом изделии в пятно диаметром от 2—3 мм до 20—50 мкм.

Схема конструкции установки с дуговой лампой как источником нагрева показана на рис. 88. Источником света служит дуговая ксеноновая лампа высокого давления, мощностью 5—10 кВт. Для фокусировки пучка па детали используют только отражатель­ную оптику, которая обеспечивает меньшее поглощение света, чем линзовая. Точное выполнение поверхности рефлектора позволяет получить пятно нагрева диаметром 5—6 мм при плотности выде­ляемой энергии до 2500 Дж/см2.

Важное преимущество таких установок — нагрев без контакта с нагревателем, выделение в изделии значительной мощности в статическом режиме сварки и возможность нагрева не только металлов, но и непроводящих материалов.

В качестве другого источника световой энергии при сварке применяют квантовый генератор (лазер). Генерирование световой энергии происходит в материале активного элемента в результате оптической накачки. Когда монокристалл, такой как рубин (А1203 с примесью 0,03—0,07% Сг), облучается мощной импульс­ной дуговой лампой, некоторая часть этой энергии абсорбируется атомами хрома в кристалле и переводит эти атомы в возбужденное состояние. Возвращаясь в основное состояние, атом испускает фотон. Эти фотоны, проходя через лазерный кристалл, в свою очередь, стимулируют другие атомы к разрядке. При этом также испускаются фотоны, имеющие ту же фазу колебаний.

Процесс происходит лавинообразно, при этом получается интен­сивный монохроматичний когерентный световой поток, обладаю-

іций высокой параллельностью. Такой кристалл, дополненный строго параллельными полпостью и частично поглощающими зер­калами, представляет собой энергетический узел установки. Луч света, выходящий сквозь полупрозрачное зеркало, фокусируется и направляется на свариваемую деталь (рис. 89, а).

Для сварки также часто применяют газовые лазеры, рабочим телом которых является смесь газов. Такие лазеры возбуждаются электрическим разрядом. Типичной конструкцией такого лазера является заполненная смесью газов трубка, ограниченная с двух сторон строго параллельными зеркалами: непрозрачным и полу­прозрачным (рис. 89, б). В результате электрического разряда между введенными в трубку электродами возникают быстрые электроны, которые переводят газовые молекулы на возбуж­денные уровни. Возвращаясь в основное состояние, эти моле­кулы образуют кванты света совершенно так же, как и в твердо­тельном лазере.

Из многих существующих типов лазеров для сварки исполь­зуют только те, что приведены в табл. 36. Из них в режиме непре­рывной генерации могут работать лишь два — твердотельный па алюмоиттриевом гранате, активированном атомами неодима («-^ 1%), и газовый, содержащий С02—N2—He-плазму (~ 6% С02, 18% N2 и 76% Не).

Для оценки сварочных параметров лазерной сварочной уста­новки пользуются зависимостью удельной мощности (Вт/см2) в луче

р ■ W

31 преч ’

где W — энергия импульса, Дж; / — фокальная длина объектива, см; 6 — угол расхождения луча лазера, рад; т — длительность импульса, с.

Типовые установки для лазерной сварки, кроме квантового генератора и источника силового питания, содержат еще замкну­тую систему охлаждения, оптическую систему фокусировки лазер­ного луча на детали, оптическую систему наблюдения за процес­сом, координатный сварочный стол, при необходимости систему освещения свариваемого изделия и систему подачи инертного газа в зону сварки для защиты нагреваемого металла от окисления.

При использовании рубина в качестве рабочего тела частота повторения импульсов достигает 60 Гц. Неодимовое стекло способно создать большую выходную мощность в луче, по частота следова­ния импульсов меньше — не выше 0,5 Гц, так как теплопровод­ность этого материала в 17 раз ниже теплопроводности рубинового монокристалла. Коэффициент полезного действия наиболее высок у лазера на С0.2, где он составляет около 10% (у рубинового лазера оп едва достигает 0,5%).

Поскольку частота следования импульсов у сварочных лазеров невелика, высокую производительность при выполнении швов получить не удается, скорость сварки не превышает 5—10 мм/мин. Некоторых успехов можно достичь, применяя цилиндрическую оптику, так как в этом случае луч на изделии имеет прямоуголь­ное сечение с соотношением сторон до 10 : 1 и более.

Сварочные лазеры, работающие в непрерывном режиме (на алюмоиттриевом гранате и газовые), неодинаковы по своему тепловому воздействию на материал. Так, при одинаковых пара­метрах сварного шва газовый лазер обеспечивает примерно втрое меньшую скорость сварки, чем на активированном неодимом гранате. Это объясняется различной поглощательной способ­ностью материала, которая для длины волны излучения 1,06 мкм намного выше, чем для 10,6 мкм (табл. 37). Остальная анергия отражается от поверхности детали.

Угол расхождения луча 6 пропорционален длине волны излу­чения, и таким образом минимальные размеры пятна также воз­растают пропорционально увеличению длины волны. Предельная плотность энергии от твердотельного лазера в 100 раз выше, чем от газового лазера (длина волны, а следовательно, и 6 увеличи­ваются в 10 раз).

Выбор рабочей длины волны лазера для сварки полупровод­ников может иметь важное технологическое значение. Полупро­водниковые материалы характеризуются энергией активации соб­ственной проводимости iv, которая численно равна ширине запре­щенной зоны. Для различных материалов она различна. Так, для наиболее широко распространенных полупроводников она состав­ляет: для теллура 0,36 эВ; германия 0,72 эВ; кремния 1,1 эВ; арсенида галлия и сульфида кадмия 2,4 эВ. Энергия кванта лазер­ного излучения

И'Л = liv,

где h = 6,62-10 34 Дж-с— постоянная Планка; v — частота излучения, Гц.

Для сварки полупроводниковых материалов, имеющих раз­личную ширину запрещенной зоны (w1 и и;2), выбирают лазер с энер­гией квантов W„, отвечающей условию w1 < И7.,, < wz.

При сварке, например, германия (и = 0,72 эВ) с сульфидом кадмия (w2 = 2,4 эВ) луч лазера направляется сквозь последний и фокусируется на границе раздела полупроводников. Если сварку проводить рубиновым лазером с длиной волны 0,694 мкм (Wn — = 1,8 эВ), то поглощающая способность германия на этой длине волны составляет 104 см-1, а сульфида кадмия всего лишь 2,7 см1. Луч лазера пройдет сквозь пластину из сульфида кадмия с незна­чительными потерями, но вызовет локальный нагрев поверхност­ного слоя германия и, как результат, плавление пластины и соеди­нение полупроводников.

Устройства для закрепления свариваемых изделий в лазерных установках представляют собой, как правило, координатные столы с высокой точностью установки и перемещения изделий под свето­вым лучом. Для увеличения точности сборки для каждого типа изделий изготовляют специальные оправки, в которых детали пред­варительно собирают.

Для защиты сварочной ванны от окисления установки комплек­туют системами подачи инертного защитного газа к месту сварки.

В табл. 38 приведены эксплуатационные данные типовых оте­чественных лазерных установок.