WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |   ...   | 27 |

• импульсную лазерную сварку малых толщин.

Сварку делят на непрерывную и импульсную по характеру изменения мощности во времени.

Некоторые параметры сварки ряда металлов мощными (до 20 кВт) лазерами приведены в табл. 2.2.

Таблица.2.2.

Параметры сварки мощными лазерами.

Материал Толщина, Мощность, кВт Скорость мм сварки, см/с Низкоуглеродистая 3 15 сталь 9,5 14 3,Нержавеющая 3,2 14 16,сталь 17,8 17 1,Высокопрочная сталь 12,7 15 1,Инконель 5 14 4,Никель-медный 6,3 10,2 5,сплав 11,9 14,5 2,Режим сварки и параметры сварного шва зависят от плотности мощности лазерного излучения. При плотностях мощности, недостаточных для интенсивного испарения, зона проплавления имеет форму, близкую к сферической. При интенсивном испарении металла происходит прогиб сварочной зоны, и область проплавления становится конической. При дальнейшем увеличении плотности мощности в центре светового пятна в сварочной ванне образуется узкое глубокое отверстие. После прекращения действия импульса это отверстие заполняется металлом, расплавленным в периферийной зоне светового пятна. Таким образом, широкий диапазон энергетических характеристик лазерного излучения позволяет осуществлять сварку с использованием различных механизмов проплавления, выбор которых определяется свойствами свариваемых материалов и требованиями к параметрам шва.

Лазерная сварка применима для соединения массивных деталей, деталей из листовых материалов, проволок, металлических и полимерных фольг и пленок и т.д.

Особенности сварки изделий электронной техники Основные сложности, возникающие при сварке изделий электронной техники, связаны с применением в них широкого спектра материалов, резко отличающихся по своим оптическим и теплофизическим свойствам; с необходимостью проводить сварку деталей существенно разных толщин (от 20 мкм до 1,5 мм); с требованиями вакуумной плотности сварных швов, высокой чистоты и отсутствия окисления их поверхности; с недопустимостью перегрева изделий в целом и отдельных участков.

Точечной сваркой соединяют детали катодных и анодных узлов электронных пушек, изготовленные из молибдена, вольфрама, сплавов нихром, монель, константан. Точечной сваркой также соединяют проводники микронных толщин из Аu, Cu, сплава 29НК с выводами и контактами из Ni, Cu, бронзы и т.д. С помощью шовной лазерной сварки проводят герметизацию оболочек ЭВП и корпусов модулей твердотельных приборов.

Рассмотрим особенности лазерной сварки на примере герметизации корпусов. Основным требованием при герметизации корпусов твердотельных приборов является предохранение рабочих элементов приборов и металлостеклянных вводов от перегрева. Использование импульсных лазеров позволяет разрешить этот вопрос без применения какихлибо специальных устройств для теплоотвода. С помощью хромелькопелевой термопары измеряли температуру металлостеклянных вводов в штырьковых корпусах интегральных схем при их герметизации на установке шовной лазерной сварки "Квант 17". Корпуса размерами 1111 и 1520 мм с суммарной толщиной отбортовки 0,4-0,6 мм заваривали импульсами излучения с плотностью мощности 104 Вт/см2 при длительности 4 мс, частоте следования 10 Гц и диаметре светового пятна 0,7 мм. Во время заварки корпусов температура в зоне металлостеклянных спаев, расположенных на расстоянии 0,8-1,0 мм от свариваемой кромки, не превышает более чем на 8°С температуру в центре основания корпуса, которая равна 55°С.

Производительность точечной сварки (сварка проводов) примерно операций в минуту. Скорость шовной сварки 100-200 мм в минуту. Очень выгодна возможность вести сварку деталей радиоламп через стеклянный баллон. Для импульсной лазерной точечной сварки разработан ряд специализированных установок: СПС-10-1; "Квант-10"; "Квант-12" "Квант17",параметры которых приведены в таблице 2.3. Их используют для соединения металлов в электровакуумных приборах, при герметизации металлических корпусов ИС. Универсальные модели СПС-10-1, "Квант-10", "Квант-12" на основе лазеров на стекле с неодимом обеспечивают глубину проплавления металлов 0,3 – 0,5 мм и диаметр зоны сварки 0,4 – 1,5 мм при частоте следования импульсов 0,5 - 1 Гц.

Таблица 2.3.

Промышленные лазерные установки для сварки и термообработки.

Мах.глуб Диаметр Произв., Мах.энер. Длит.имп, Частота Установка Вид пропл., сварн., точ/мин, Вт мс повт.

мм мм изл. имп.,Гц СПС-10-1 Точечная 0,3 0,4-1,5 30 8 2;4 0,1-0,Квант-10 Точечная 0,5 0,4-1,5 60 15(30) 4 0,1-Квант-12 Ш овная 0,3 0,25-1 150 3 4 Квант-16 Точечная 0,7 0,4-1,4; 30 30 6-7 0,1-0,2-Квант-17 Ш овная 0,15 0,5-0,8 500 4 4 Производительность двухлучевой установки шовной сварки "Квант17"-до 500 мм/мин при глубине зоны сварки 0,15 мм. Дополнительное использование электрической дуги значительно повышает эффективность сварки и позволяет проводить её в условиях, в которых сварка только лазером невозможна.

Преимущества и особенности процесса лазерной сварки могут быть сформулированы следующим образом:

1. За счёт высокой концентрации энергии и малого пятна нагрева объём сварной ванны при лазерной сварке в несколько раз меньше чем при других видах. Этот фактор положительно сказывается на целом ряде характеристик сварного шва.

2. Отсутствие электрода или других элементов обычных сварочных устройств, близко расположенных к поверхности сварочной ванны, исключает попадание в неё инородных материалов, что практически во всех случаях наблюдается при дуговой сварке.

3. Острая фокусировка луча и возможность передачи его на значительные расстояния позволяет осуществлять сварку в труднодоступных местах (углублениях, внутренних полостях и др.).



4. Размер сварной точки при лазерной сварке существенно меньше, чем при контактной, что даёт возможность соединять миниатюрные детали.

5. Отсутствует механическое давление при получении сварного соединения, что позволяет соединять хрупкие и легкодеформируемые детали.

6. Время получения одной точки при лазерной сварке составляет 0,01-0,001 с, тогда как при контактной сварке оно равно 0,5-1 с, т.е. производительность лазерного луча в сотни раз выше.

7. Возможность сварки материалов с резко отличающимися физическими свойствами и в первую очередь электрическим сопротивлением. Кроме того, возможно, использовать лазерный луч, генерируемый из одного источника, на нескольких рабочих местах за счёт его отклонения и расщепления. На рис.2.6 показан пример использования непрерывно генерируемого луча на двух рабочих местах.

Рис.2.6. Схема использования одного лазера для сварки на двух рабочих местах Лазерная сварка имеет и некоторые особенности, затрудняющие её универсальное применение:

1. Высокая стоимость лазерного оборудования и оснастки. Цена его значительно превышает стоимость, например, дуговых источников нагрева.

2. Лазерную сварку отличает невысокая энергетическая эффективность, так как КПД лазерных установок редко превышает 10 %.

Наконец, существует целый ряд традиционных методов сварки, способных удовлетворить большинству технических требований, которые предъявляются к процессу сварки. Главная достоинство традиционных методов это отработанность и внедренность. Эти особенности ограничивают применение лазерной сварки такими специальными случаями, когда использование традиционных методов сопряжено с определёнными трудностями или не обеспечивает необходимого результата.

2.2.5 ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА Резка относится к числу первых технологических применений лазерного излучения, апробированных ещё в начале 70-х годов. При резке обычно лазерное излучение фокусируется в круглое пятно радиусом r, которое перемещается по поверхности материала со скоростью v. Если скорость движения пятна меньше скорости установления стационарной температуры, то режим резки считается медленным, а максимальное значение температуры достигается в центре пятна и определяется уравнением для неподвижного теплового источника:

qr vr 1- T + TН, (2.21) k 4a где а - коэффициент температуропроводности; Тн - начальная температура материала; q - поверхностная плотность мощности.

Лазерная резка большинства металлов и полупроводников (а = 0,1 - см2/с) при скорости резания до 1 см/с соответствует условию медленного движения источника тепла. При этом температуру в центре зоны облучения можно оценить по уравнению:

qr2 2,25a T ln + TН, (2.22) 2kh rv где h - толщина обрабатываемого материала.

Из формулы (2.22) видно, что плотность потока, необходимая для достижения заданной температуры, линейно растет с толщиной пластины.

Для сред с малой температуропроводностью (диэлектрики, металлические пленки на диэлектрических подложках) часто проявляется приближение быстродвижущегося теплового источника. Максимум температуры в этом случае сдвигается к краю движущегося пятна, и справедлива формула:

q ar T 1,6 + Tн. (2.23) k v При этом максимальная температура материала равна температуре поверхности при времени действия источника тепла, равном времени прохождения световым пятном своего диаметра.

Созданы лазерные установки с широким диапазоном мощности от нескольких десятков ватт до нескольких десятков киловатт, обеспечивающие эффективную резку металлов с использованием вспомогательного газа, поступающего в зону обработки одновременно с излучением лазера.

Лазерное излучение нагревает, плавит и испаряет материал по линии предполагаемого реза, а поток вспомогательного газа удаляет продукты разрушения. Данный способ разделения металлов известен под названием газолазерной резки (ГЛР). Газовый поток не только транспортирует продукты разрушения. При использовании кислорода или воздуха при резке металлов на поверхности разрушения образуется окисная плёнка, повышающая поглощательную способность материала, а в результате экзотермической реакции выделяется достаточно большое количество тепла.

Для резки металлов применяются технологические установки на основе твердотельных и газовых СО2-лазеров, работающих как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах излучения. Применение лазеров для резки металлов, так же как и неметаллов, обусловлено следующими преимуществами по сравнению с традиционными методами: обширным классом разрезаемых материалов; возможностью получения тонких разрезов благодаря острой фокусировке лазерного луча; малой зоной термического влияния излучения; минимальным механическим воздействием, оказываемым на материал; очень высокой производительностью процесса;

возможностью автоматизации процесса резки и резки по сложному профилю в двух и даже трёх измерениях.

Схема установки газолазерной резки приведена на рис. 2.7.

Газ ОРис.2.7. Схема резака для газолазерной резки В большинстве случаев резка осуществляется СО2-лазером непрерывного действия, несмотря на высокую отражательную способность металлов в ИК-области. Высокая отражательная способность является проблемой лишь для чистых металлических поверхностей при комнатной температуре, т. к. коэффициент отражения R уменьшается с ростом температуры и при окислении. Кроме того, с началом разрушения поверхности R падает практически до нуля.





Хотя на практике R не столь велик, как в теории, для резки металлов требуются большие средние мощности, наиболее легко получаемые при использовании непрерывного СО2-лазера. Скорость резки металлов толщиной порядка одного миллиметра обычно составляет 0,5 - 5 см/с, ширина реза 0,5 - 1 мм. С увеличением толщины материала качество реза ухудшается. Так, при резке листа толщиной 10 мм, рез со стороны луча получается ровный, шириной около 1 мм, а на выходе кромка оплавлена, и ширина реза достигает 3 мм.

Для резки неметаллических материалов (бумага, стекло, кварц, фанера, полимеры, кожа) используются также СО2-лазеры непрерывного действия, только меньшей мощности (500 Вт). Так как теплопроводность электрически непроводящего материала сравнительно невелика, скорость процесса определяется в основном теплотой испарения его. Для оценки максимальной скорости резания диэлектрических материалов можно использовать уравнение:

P = W L v, (2.24.) где - энергия испарения, кДж/см3; W - ширина реза; L - толщина листа материала; v - скорость резания, см/с; P - мощность лазера.

Скорости резания тонких полимерных пленок могут достигать 10 м/с.

Для ряда материалов испарение не является основным механизмом процесса.

Важным фактором может быть выдувание мелкодисперсных и капельных фракций.

Для разделения хрупких диэлектрических материалов обычно используется метод создания термонапряжений. Этот метод более экономичен, чем газолазерная резка. Создание термических напряжений в материале приводит к образованию трещин заданной глубины или полному разрушению его в зоне воздействия излучения. В первом случае разделение производится механическим разламыванием по заданной трещине (скрайбирование). Методом создания термонапряжений режут стекло, ситалл, кварц, некоторые виды керамики, сапфир, ферриты и другие материалы.

2.2.6. ПРОШ ИВКА ОТВЕРСТИЙ Применение лазеров для сверления отверстий в металле весьма целесообразно и экономически оправдано во многих случаях: получение особо малых отверстий, сопел, апертур для электронно-лучевых приборов.

Лазеры позволяют получать отверстия диаметром от 0,005 до 5 мм и глубиной от 0,5 до 10 мм. Отверстия диаметром 0,1-1 мм 3-4-го классов точности образуются при воздействии одиночных миллисекундных импульсов энергией в несколько джоулей. Более высокая точность обработки достигается при кратковременном воздействии слабыми кратковременными импульсами с энергией 0,1 Дж. Использование лазера в качестве сверлящего инструмента даёт следующие преимущества:

1) отсутствует механический контакт между сверлящим инструментом и материалом, а также поломка и износ свёрл;

2) увеличивается точность размещения отверстия. Отверстия могут быть ориентированы в любом направлении;

3) достигается большое отношение глубины и диаметра сверления, чем это имеет место при других способах сверления;

4) возможность фокусировки лазерного излучения в пятно очень малых размеров позволяет получать отверстия малых диаметров;

5) высокая управляемость процессом сверления, совместимость с компьютерным управлением.

Лазерная технология пробивки отверстий применяется в случаях, когда применение обычных методов затруднено или невозможно, и является дополнением традиционных технологий. Так, нет никаких преимуществ в использовании лазера для создания отверстий диаметром более одного миллиметра в медной или стальной пластине. Но при сверлении отверстий диаметром 0,02 мм в фольге толщиной 0,02 мм они бесспорны.

Применение лазеров наиболее эффективно там, где обычная технология неприменима. Но лазеры могут эффективно конкурировать и с имеющимися технологиями. Например, сверление отверстия в алмазных фильерах с помощью лазера осуществляется за 0,5 минуты, а электронным лучом - за 20 минут.

Геометрия отверстия существенно зависит от положения пятна относительно обрабатываемой поверхности. Отверстия имеют максимальную глубину и цилиндрическую форму при положении фокуса лазерного сфокусированного луча на поверхности обрабатываемого изделия. При мощности лазера 1000 Вт в материалах с высокой теплопроводностью (Ag, Cu) можно сверлить отверстие глубиной до 1 мм, а в некоторых других - глубиной до 16 см. Лазеры, применяемые для сверления отверстий в металле, должны обеспечивать в сфокусированном луче плотность мощности порядка 107 - 108 Вт/см. Сверление отверстий сверлами диаметром меньше 0,25 мм является трудной задачей, в то время как лазерное сверление позволяет получать отверстия диаметром, соизмеримым с длиной волны излучения, с достаточно высокой точностью размещения.

Лазерное излучение с критической плотностью, попадая на поверхность материала, нагревает его со скоростью, существенно превышающей скорость отвода теплоты за счёт теплопроводности, конвекции и обратного излучения. Начинается испарение, и на поверхности формируется лунка, которая развивается в глубь материала и приводит к образованию канала, заполненного парами материала. Одновременно с началом образования канала над поверхностью материала появляется светящийся факел, состоящий из продуктов испарения и выброса, а также частиц конденсированного пара. Этот факел снижает интенсивность излучения, из-за поглощения и дефокусировки излучения. При соответствующей скорости перемещения луча канал приобретает динамическую устойчивость и распространяется в глубь материала. На передней стенке канала происходит плавление материала, а затем затвердевание. Наличие канала даёт возможность лазерному излучению проникать в материал на некоторую глубину.

Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |   ...   | 27 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.