Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Специальные методы сварки плавлением в электронике. Учебное пособие для бакалавров
.pdf
Удельная мощность электронного пучка играет существенную роль в характере проплавления металла. При использовании низковольтных пушек и токов луча до 35 мА форма зоны
проплавления близка к форме проплавления при аргонодуговой
сварке. Увеличение тока луча в нижней части сварочной ванны
приводит к появлению клиновидного участка. Наибольшее
влияние на форму проплавления оказывает ускоряющее напряжение. С увеличением напряжения до 70 кВ резко увеличивается глубина проплавления. Зона проплавления принимает
форму конуса с отношением глубины к ширине проплавления,
достигающим 0,07–0,1
Электронно-лучевую сварку при небольших значениях
удельной мощности и поверхностном подводе энергии используют, как правило, для металла толщиной 2–3 мм. В этом случае процесс подобен электродуговой сварке и характеризуется
лишь большим газовыделением из сварочной ванны под влиянием вакуума.
Этим способом сваривают соединения, для которых применяют способы сварки плавлением, однако преимущества электронно-лучевой сварки наиболее полно реализуются при получении стыковых соединений. Для некоторых соединений пригодна
только электронно-лучевая сварка, например однопроходная
сварка расположенных на различной высоте стыковых швов
проникающим пучком. С помощью данного способа можно выполнять соединения с прорезными швами, производить сварку
в узких щелях и труднодоступных местах (табл.
Общим требованием для соединений всех типов является
высокая точность сборки деталей под сварку. Допустимые зазоры в сварных стыках не должны превышать 0,1 мм при толщинах до 10 мм и 0,2 мм при бо` льших толщинах. Свариваемые
кромки должны быть тщательно очищены и обезжирены, так
как при контакте жидкого металла с органическими веществами последние в вакууме мгновенно испаряются, вызывая микровзрывы и дефекты в шве. Отклонение оси потока электронов
от стыка при сварке должно быть 0,2–0,3 мм.
.
3.1).
101
Форма подготовленных кромок
в конструкциях электронных приборов
Таблица 3.1
64
Вид со-
единения
Стыковое
Стыковое
Форма
подготов-
ленных
кромок
С отбортовкой двух
кромок
С отбортовкой одной
кромки
Без искоса
кромок, односторонняя
По ГОСТ 14771-76
Эскиз
В конструкциях
приборов
Угловое
64
С отбортовкой одной
кромки
Бадьянов Б. Н., Давыдов В. А. Указ. соч. — С. 52–53.
102
Окончание табл. 3.1
Вид со-
единения
Внахлестку
Форма
подготов-
ленных
кромок
Без скоса
кромок, односторонняя
По ГОСТ 14771-76
Эскиз
В конструкциях
приборов
Существенное влияние на свойства соединений при
электронно-лучевой сварке оказывает вакуум. Это обусловлено тем, что если в особо чистом аргоне марки А содержится
0,005% кислорода и 0,01% азота, то даже при низком вакууме
1,33 Па содержание кислорода составляет 0,0003%, азота —
0,001%. В обычно используемом при электронно-лучевой сварке вакууме 1,33 × 10
соответственно не более 3 × 10
–2
Па содержание этих газов составляет
–4
и 3 × 10
–5
Па. Нагрев металла
в вакууме способствует дегазации и повышению механических свойств металла. Это особенно четко проявляется при
сварке активных и тугоплавких металлов. Уменьшение содержания газов в шве приводит к значительному повышению
его пластичности. Наиболее легко удаляется водород, так как
большинство соединений металлов с водородом разлагается
при относительно низких температурах нагрева. К тому же
водород обладает высокой диффузионной подвижностью
в твердых металлах.
В электронных приборах используются виды соединений, применяемые в общем машиностроении, но форма подготовленных кромок в ряде случаев значительно отличается
от общепринятой (см. табл.
3.1). Соединения, применяемые
в приборах, как правило, имеют технологические буртики,
позволяющие снизить общий нагрев свариваемых деталей,
103
уменьшить общую деформацию свариваемого узла, реставрировать соединение после вскрытия прибора
65
.
По конфигурации в основном преобладают круговые
швы.
Конструкция сварного соединения играет такую же
важную роль, как степень проплавления свариваемых кромок, структура и состав металла шва.
При конструировании сварных соединений необходимо
учитывать, что детали, изготовленные из прутковых материалов обычной выплавки, таких как низкоуглеродистая
и нержавеющая сталь, ковар, мельхиор и константан, имеют большое количество дефектов вдоль волокон прутка.
Дефекты располагаются как в глубине прутка, так и на поверхности или в его приповерхностном слое. Они возникают
в результате дефектов слитков или инструмента, а также
при нарушении режимов обработки. Металлургические
дефекты на последующей прокатке растягиваются вдоль
волокон прутка по направлению обработки (рис.
3.8 и 3.9).
В соответствии с характером дефектов исходных материалов
первое правило конструирования герметичных соединений
формулируется следующим образом: недопустимо «соединение» волокон материала внутренней полости прибора
66
с атмосферой
.
Необходим рациональный выбор конструкции, при
которой дефекты материала не выходили бы из полости
прибора в атмосферу (рис. 3.9). Формовка фасонных деталей
должна обеспечивать требуемую волокнистую структуру.
Изготовление отдельных элементов деталей или деталей
целиком методами пластической деформации (штамповкой,
выдавливанием и др.) позволяет устранить возможность
«соединения» волокнами металла полости прибора
с атмос-
ферой.
65
Бадьянов Б. Н., Давыдов В. А. Указ. соч. — С. 52–53.
66
Там же. — С. 54.
104
Рис. 3.8. Схемы сварной
конструкции узла прибора:
1 — неправильная;
2 — правильная
67
Рис. 3.9. Конструкции крышки
из листового материала:
1 — неправильная;
2 — правильная
68
На рис. 3.10 показана конструкция толстостенной67детали —
крышки, изготовленной из листа меди толщиной 10 мм. Замена
68
обычно применяющихся точеных
тонкостенных буртиков
для сварки (слева) буртиками, отбортованными деформацией
в холодном состоянии (справа), позволила устранить натекание
волокнам тонкостенного буртика, соединявшим атмосферу
с внутренней полостью прибора. Переход к сборной конструкции места сварки из элементов, изготовленных из листового
материала методами пластической деформации, позволяет
69
исключить натекание газов в полость прибора
à)
Рис. 3.10. Неправильное (а) и правильное (б) выполнение
конструкции сварного соединения
á)
.
70
При конструировании сварных соединений вакуумных
приборов необходимо выполнять и второе правило: сварное соединение не должно иметь узких щелей, карманов. В процессе
откачки удаление газов из узких щелей сварного соединения
67
Бадьянов Б. Н., Давыдов В. А. Указ. соч. — С. 54.
68
Там же.
69
Там же.
70
Там же.
105
затруднено; кроме этого, не всегда удается надежно защитить
от окисления корень шва таких соединений. Это приводит к газоотделению в прибор и ухудшает его параметры. При аргонодуговой сварке в щелях элементов соединений остается аргон,
который трудно удаляется при откачке прибора и в дальнейшем, при эксплуатации, ухудшает работу прибора.
При проектировании сварного соединения необходимо стре-
71
3.11
миться к форме и размерам отбортовки, изображенной на рис.
.
Подготовка поверхности деталей перед сваркой. При изготовлении детали высока вероятность загрязнения механическими частицами (стружкой, абразивной и металлической пылью,
волокнами), а также жирами минерального и растительного
происхождения, солями серы и хлора. Также на поверхности
деталей независимо от окружающей среды и постороннего воздействия присутствует тонкая окисная пленка, а в отдельных
случаях — и продукты коррозии. Они могут существенно
повлиять на результат сварки, вызвав появление газовых пор,
трещин, а также нарушение нормального формирования швов.
Рис. 3.11. Рекомендуемые форма и размеры сварного соединения,
выполняемого по отбортовке (δ — толщина свариваемой кромки)
71
Бадьянов Б. Н., Давыдов В. А. Указ. соч. — С. 54.
72
Там же. — С. 55.
106
72
Контрольные вопросы
1. Назовите преимущества электронно-лучевой сварки.
2. Приведите схему электронной пушки.
3. Объясните механизм кинжального проплавления.
4. Назовите способы формирования электронного пучка.
5. Какие существуют типы катодов сварочных пушек?
6. Приведите схему газоразрядной пушки.
7. Приведите схему формирования пучка электронов из
плазмы.
8. Опишите конструкцию смотрового окна.
9. Каковы основы технологии ЭЛС?
3.2. Сварка световым лучом
3.2.1. Сущность процесса
Для нагрева материалов при сварке, пайке и других технологических операциях можно использовать энергию световых
лучей ламп накаливания и оптических квантовых генераторов
(лазеров).
Отечественная промышленность серийно выпускает лампы
накаливания с воздушным охлаждением типа ДКСШ и водяным охлаждением типа ДКСР мощностью до 10 кВт. Давление
неона в неработающей лампе составляет 10
Созданы специализированные установки для сварки и пайки.
Излучение ламп фокусируется с помощью эллипсоидного
отражателя и оптических линз, КПД установок составляет
2. Плотность энергии небольшая, в некоторых установках
0,1–0,
она достигает 2600 Вт/см
2.
Высокую плотность энергии и локальность нагрева позволяют получить оптические квантовые генераторы, или лазеры.
Лазер (laser) — от англ. light amplification by stimulated emission
of radiation — «усиление света посредством вынужденного
эмиссионного излучения».
6
Па (10 кгс/см 2).
107
В основе принципа действия лазеров лежит индуцированное излучение возбужденных атомов, т. е. атомов, в которых
значительное число электронов переведено на верхний уровень.
Такое состояние называют состоянием с инверсной населен-
ностью уровней. Например, оно может быть вызвано внешним
источником излучения с определенной длиной волны. Это состояние неустойчиво, и через некоторый промежуток времени
возбужденный атом может спонтанно перейти в равновесное
состояние и излучить энергию в виде фотонов. Для значительного усиления индуцированного излучения необходимо, чтобы
в излучении принимало участие возможно большее число возбужденных атомов. Этого можно достигнуть, поместив среду,
содержащую возбужденные атомы, между двумя зеркалами.
Излучение, которое направлено перпендикулярно зеркалам,
многократно отражается от них, проходит через возбужденное
вещество и усиливается. Если одно из зеркал полупроницаемо,
энергия выйдет наружу в виде узконаправленного мощного
монохроматического и когерентного луча.
По основной классификации, привязанной к агрегатному
состоянию активного вещества, лазеры могут быть твердотельными, жидкостными или газовыми. В твердотельном лазере
в качестве излучателя используются кристаллические или
аморфные вещества, в которые вводятся примеси некоторых
оптически активных элементов. Оптически активное вещество
вводится в матрицу в небольших количествах. В твердотельных
лазерах излучателями служат рубин, силикатные и фосфатные
стекла с неодимом, алюмоиттриевый гранат с неодимом и др.
Квантовые генераторы на алюмоиттриевом гранате позволяют получать мощность до 1 кВт в непрерывном режиме
и до 50 кВт в импульсном режиме.
Рубин представляет собой кристалл окиси алюминия
(Аl
), в которой небольшое число атомов алюминия замещено
2О3
атомами хрома (0,03–0,05%). Розовый кристалл рубина обрабатывается в виде стержня, диаметр и длина которого определяют мощность излучения.
108
Во время импульсной вспышки лампы накачки электроны
в рубине переходят на более высокие энергетические уровни.
При достижении критического уровня под воздействием фотонов стимулируется лавинный процесс испускания при этом
фотонов, соответствующих красному свету. Поток фотонов,
движущихся в осевом направлении, умножается за счет многократного отражения от зеркал резонатора и прорывается через
полупрозрачное зеркало наружу в виде когерентного импульсного пучка красного света с очень малым углом расходимости.
Проходя через длиннофокусную линзу, он может достичь очень
большой степени его фокусировки с диаметром светового пятна
вплоть до нескольких микрон. Это позволяет получить плотность тепловой мощности на поверхности свариваемого изделия
более 10
9
Вт/см 2. В названных условиях материалы не только
плавятся, но и испаряются. Этот факт можно использовать для
сверления тончайших отверстий в материале любой твердости
и температуры плавления. В качестве излучателя используют
также различные жидкости: растворы окиси неодима, красители и др.
Жидкостные квантовые генераторы на неорганических
жидкостях по свойствам находятся ближе к твердотельным
импульсным генераторам, однако превосходят их по энергии
в импульсе из-за больших объемов активных элементов.
Излучателями могут также быть газы и газовые смеси:
водород, азот, аргон, углекислый газ и др. У таких генераторов
самый широкий спектральный диапазон излучения и наибольшая мощность в непрерывном излучении при достаточно высоком КПД (15–20%).
Расширенная классификация лазерных источников
связана с конструкцией и типом активного вещества и по ней
выделяют также полупроводниковые, волоконные и дисковые
лазеры.
В качестве излучателей полупроводниковых (диодных)
лазеров используют полупроводниковые монокристаллы: арсениды галлия и индия, сплавы кадмия с селеном и серой и др.
109
Генераторы с таким излучателем обладают малой массой, экономичны и имеют самый высокий КПД (до 70%).
Волоконный лазер — лазер, активная среда и, возможно,
резонатор которого являются элементами оптического волокна.
Резонатор создается внутри волокна за счет оптической записи
так называемых брэгговских решеток. Преимущество волоконных лазеров в простоте их эксплуатации, питании «от розетки», возможности получения практически любой длины
волны и широком диапазоне мощностей. Они начали активно
развиваться в 1990-е гг., когда достижения технологии позволили получить длинные кварцевые волокна высокой чистоты
и качества легирования.
Под действием энергии системы накачки излучатель возбуждается и генерирует свет:
твердотельные и жидкие активные элементы возбужда-
ются светом импульсных ламп;
газовые смеси в основном накачиваются энергией газо-
вого разряда;
полупроводниковые излучатели используют энергию
электрического тока, протекающего через область р–n перехода.
При этом волоконные в качестве систем накачки применяют энергию диодных лазеров.
В настоящее время разработаны системы, позволяющие
использовать для накачки газовых лазеров теплоту и энергию
химических реакций. В зависимости от энергетических параметров системы накачки лазер осуществляет работу в импульсном или непрерывном режимах.
На рис.
тельного квантового генератора на рубине: в квантовом генераторе на кристалле рубина атомы хрома, находящиеся в основном
состоянии, поглощают фотоны (волнистые стрелки) и переходят
на один из выше расположенных уровней. При этом часть энергии передается кристаллической решетке, вызывая повышение
температуры, с переходом в метастабильный уровень. После
чего под действием индуцирующих фотонов, испускаемых
3.12 можно увидеть энергетическую схему твердо-
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]