eng
Выпуск #3/2010
В.Фролов, С.Федоров, А.Бажанов.
Светолучевые технологии тепловой обработки материалов
Светолучевые технологии тепловой обработки материалов
Просмотры: 2729
Спектры излучения ламп накаливания благоприятно сочетаются со спектрами поглощения в системе "излучатель - объект нагрева" в процессах термоправки и термоупрочнения, производстве изделий электронной техники. Термическая активация облучаемой поверхности повышает роль поверхностных явлений в обеспечении устойчивости сварочной ванны, получении требуемой формы поверхности сварного шва, направленном движении жидкого припоя.
Светолучевые источники теплоты способны сформировать на объекте плотность мощности потока, достаточную для нагрева и плавления многих конструкционных материалов [1, 2]. Возникновение и развитие нового технологического направления - светолучевой технологии обработки материалов связано с разработкой общих принципов проектирования и правил технической эксплуатации светолучевого нагревательного оборудования. Разработка конструкций источников светового излучения и фокусирующих оптических систем (ФОС), исследование выходных энергетических характеристик и изучение теплофизических особенностей процесса взаимодействия светового луча (СЛ) с объектом нагрева определило технологические преимущества и направления эффективного использования СЛ.
СВЕТОЛУЧЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ
К первым промышленно освоенным светолучевым источникам относят дуговые угольные лампы, работавшие в среде повышенного давления инертного газа. Однако они обладали нестабильным световым потоком и ограничением времени непрерывного горения дуги, к тому же появление угольного налета на внутренней стороне колбы лампы снижало ее светимость. В современных кварцевых лампах накаливания световое излучение возникает в результате нагрева тела накала электрическим током.
Интенсивность светового излучения повышена в лампах, имеющих токоподвод специальной конструкции, обеспечивающей вакуумную плотность в зоне соединения токопроводас колбой. В качестве тела накала используют тонкие вольфрамовые спирали. Колба заполнена инертным газом с добавками галогенов, например йода (рис.1а), что обеспечивает протекание регенеративного галогенного цикла в ходе работы лампы. Такой источник, имея температуру тела накала порядка 2800 - 3000 К, обеспечивает основную часть энергии излучения в ИК-области спектра, с максимумом интенсивности в интервале длин волн λ = 1,0-2,0 мкм. Ресурс эксплуатации увеличен до 2000 - 5000 ч.
Лампы накаливания, относящиеся к ИК-технике, различаются по мощности, форме и размерам колбы и тела накала. Малая тепловая инерционность, благоприятное сочетание спектра излучения и спектра поглощения в системе "излучатель - объект нагрева", а также возможность компьютерного управления параметрами режима нагрева обеспечили преимущества использования ламп накаливания в технологических процессах производства изделий электронной техники. Будущие перспективы высокоинтенсивных источников излучения, обеспечивающих в зоне нагрева температуры свыше 1000°С , связывают с использованием вольфрамовых электродов в дуговых лампах. Они сочетают в себе яркость угольной дуги, чистоту процесса, длительность эксплуатации, присущую лампам накаливания. Заполнение колбы в дуговых лампах инертным газом ксеноном высокого давления придает электрическому разряду наилучшие светотехнические характеристики. А герметичные металлические токоподводы специальной конструкции являются одновременно и держателями электродов. Поэтому в новых разработках мощных (3-10 кВт), так называемых разборных, дуговых ксеноновых шаровых лампах с комбинированным водяным и воздушным охлаждением температура дуги достигает 12000°С. Высокоинтенсивный компактный источник светового излучения отличается длительностью эксплуатации как в непрерывном, так и в импульсном режимах (рис.1б, в).
Спектр излучения дуговых ксеноновых ламп близок к солнечному, но с интенсивным излучением в УФ- и коротковолновой (0,8-1,0 мкм) ИК-области. Благоприятное сочетание спектральных и энергетических характеристик дуговых ксеноновых ламп открывает широкие перспективы их использования при решении различных технологических задач в машиностроении и приборостроении.
ФОКУСИРУЮЩИЕ ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ (ФОС)
Для фокусировки лучистого потока на объект нагрева применяют оптические системы со специализированными эллипсоидными отражателями. Они отличаются от параболоидных отражателей, используемых в нагревательных устройствах для создания зон равномерной облученности. Конструктивная особенность эллипсоидных отражателей - наличие двух оптических фокусов, суммарное расстояние до которых от любой точки поверхности отражателя остается постоянной величиной (рис.2).
Источник излучения помещают в первый (ближний к отражателю) фокус, а его излучение собирается во втором (рабочем) фокусе, где располагают объект нагрева. В зависимости от типа источника излучения, формы отражателя, их взаимного расположения и расположения относительно объекта нагрева, в рабочем фокусе можно получить различные типы распределения плотности мощности лучистого потока (Е2) и фокальные пятна в форме круга или полосы (рис.3). Радиометрические исследования показали, что плотность мощности лучистого потока в фокальном пятне, при использовании ФОС на основе эллипсоидных отражателей, убывает от центра кругового пятна или продольной оси полосового пятна по закону, близкому к нормальному закону распределения. Поэтому светолучевые лампы обычно относят или к нормально-круговым, или к нормально-полосовым тепловым источникам. Согласно теории оптических систем, в рабочем фокусе эллипсоидного отражателя формируется пятно нагрева, которое является увеличенным оптическим изображением излучающего тела. Если стремиться уменьшить осевое соотношение фокусных расстояний при одновременном увеличении угла охвата излучения отражателем (в том числе за счет применения контротражателей), то это приведет к уменьшению размеров фокального пятна. То есть тогда увеличивается интегральная мощность лучистого потока, вводимого в объект нагрева. Экспериментальные данные подтверждают, что использование короткофокусных металлических эллипсоидных отражателей с большим углом охвата позволяет получить плотность мощности лучистого потока в пятне нагрева до 104 Вт/см2.
Для получения в пятне нагрева распределения плотности мощности лучистого потока, отличного от нормального, используют комбинированные ФОС на основе многосекционных отражателей, состоящих из нескольких последовательно соединенных отражателей и контротражателей (сферических или эллипсоидных). Кроме того, существуют ФОС на основе отражателей, состоящих из нескольких отдельных эллипсоидных секторов, которые обеспечивают расщепление светового луча (СЛ) на несколько лучистых потоков. В современном машиностроении для решения сложных задач разработаны компьютерные программы расчета геометрических параметров отражателей под конкретные технологические задачи. Реализация принципа модульности при проектировании ФОС позволила создать номенклатурный ряд отражателей.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СВЕТОВОГО ЛУЧА
Авторы в течение ряда лет изучали физико-химические явления, возникающие при взаимодействии СЛ с объектом нагрева. В результате этих работ определены тепловые и металлургические особенности процесса нагрева, определяющие технологические преимущества СЛ. Во-первых, бесконтактный подвод лучистой энергии от источника излучения к объекту нагрева непосредственно или путем ввода СЛ внутрь камеры через оптически прозрачные оболочки позволяет нагревать практически любые материалы, независимо от их физико-химических и электромагнитных свойств, в любых контролируемых газовых средах или вакууме. Во-вторых, существование при СЛ-процедурах таких факторов, как отсутствие механических воздействий на объект нагрева и термическая активация облучаемой поверхности, повышают роль поверхностных явлений. А в задачах, где присутствуют требования устойчивости сварочной ванны к прожогам и определенной форме поверхности сварного шва, решение находится через управление с помощью СЛ поверхностными эффектами. СЛ обеспечивают вывод пузырьков растворенных газов и частиц оксидов из объема расплава и направленное движение жидкого припоя по поверхности и сборочным зазорам основного металла.
Присутствие УФ-составляющей в спектре излучения дуговых ксеноновых ламп вызывает в газовой среде процессы ионизации кислорода и образования озона (трехатомная молекула кислорода). Озон химически взаимодействует с водородом и азотом воздуха. Это, с одной стороны, предотвращает их интенсивное растворение в жидком металле, а с другой - обеспечивает условия получения качественных сварных соединений сталей в атмосфере активных газов. Гибкое управление параметрами режима и распределением лучистого потока в пятне нагрева формирует тепловые поля, отличающиеся по форме и размерам. Таким образом, на одном и том же технологическом оборудовании легко реализуют различные схемы нагрева. А воспроизводимость, точный контроль параметров режимов и быстрое переналаживание оборудования для решения конкретных технологических задач позволяют сравнительно легко автоматизировать любой процесс светолучевой обработки материалов.
Многими экспериментаторами выполнено достаточное число исследований, что позволяет классифицировать технологические процессы светолучевой обработки материалов по трем группам [3]. К первой группе относятся технологические процессы сварки металлических листовых, корпусных и оболочковых конструкций толщиной 0,1-1,0 мм, герметизации электровакуумных приборов, сварки стеклокерамики и пластмасс. Во вторую группу входят: технологические процессы низкотемпературной пайки печатных плат с навесными электрорадиоэлементами, штепсельных разъемов, монтажных проводов с наконечниками; технологические процессы высокотемпературной пайки узлов волноводных трактов, электрических контактов силовой электроаппаратуры и обмоток статоров электрических машин. Третью группы составляют технологические процессы локальной термической обработки сварных соединений и различных изделий, термоправки и термоупрочнения.
"МАТИ"-РГТУ им. К.Э.Циолковского совместно с рядом промышленных предприятий создали образцы экспериментальных и опытно-промышленных светолучевых технологических установок различного назначения (рис.4). Типовое технологическое оборудование состоит из модуля лучистого нагрева, включающего источник излучения с узлом подвески и юстировки, ФОС, источника питания и блока поджига (для газоразрядной лампы), системы охлаждения и защиты объекта нагрева от взаимодействия с окружающей средой (камеры, сопловые насадки), а также аппаратуры управления, визуального и параметрического контроля [4]. Кроме стационарных установок разработаны различные технологические варианты ручных и переносных светолучевых нагревательных устройств, а также опытные конструкции так называемых "гибридных" систем, сочетающих лазерный и световой луч, световой луч и электрическую дугу.
Конечно, СЛ не является универсальным источником нагрева, но благодаря своим специфическим особенностям и технологическим преимуществам, занимает свою нишу среди других источников теплоты. Отметим, что большинство исследователей связывают перспективы развития СЛ-технологий с внедрением мощных "сухих" (без водяного охлаждения токоподводов) дуговых ксеноновых ламп. Оптимизация конструкции модулей лучистого нагрева позволит встраивать их в технологические линии и создать специализированные ФОС, в состав которых могут быть включены гибкие световоды, что приблизит СЛ-метод обработки материалов к монтажным технологиям.
Литература
1. Никифоров Г.Д., Опарин М.И., Федоров С.А. Сварка и пайка световым лучом. - М.: Машиностроение, 1979.
2. Фролов В.А., Мамаев B.C., Пронин Н.С., Коробко Н.А. Использование энергии светового луча в технологических целях. - Сварочное производство, 1993, №4.
3. Фролов В.А., Федоров С.А., Пронин Н.С., Опарин М.И. Разработка и развитие технологий сварки, пайки и термической обработки световым лучом. - Сварочное производство, 2003, №11.
4. Бажанов А.В., Фролов В.А., Федоров С.А., Пронин Н.С. Разработка специализированного оборудования для низкотемпературной пайки. - Сварочное производство, 2007, №11.
СВЕТОЛУЧЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ
К первым промышленно освоенным светолучевым источникам относят дуговые угольные лампы, работавшие в среде повышенного давления инертного газа. Однако они обладали нестабильным световым потоком и ограничением времени непрерывного горения дуги, к тому же появление угольного налета на внутренней стороне колбы лампы снижало ее светимость. В современных кварцевых лампах накаливания световое излучение возникает в результате нагрева тела накала электрическим током.
Интенсивность светового излучения повышена в лампах, имеющих токоподвод специальной конструкции, обеспечивающей вакуумную плотность в зоне соединения токопроводас колбой. В качестве тела накала используют тонкие вольфрамовые спирали. Колба заполнена инертным газом с добавками галогенов, например йода (рис.1а), что обеспечивает протекание регенеративного галогенного цикла в ходе работы лампы. Такой источник, имея температуру тела накала порядка 2800 - 3000 К, обеспечивает основную часть энергии излучения в ИК-области спектра, с максимумом интенсивности в интервале длин волн λ = 1,0-2,0 мкм. Ресурс эксплуатации увеличен до 2000 - 5000 ч.
Лампы накаливания, относящиеся к ИК-технике, различаются по мощности, форме и размерам колбы и тела накала. Малая тепловая инерционность, благоприятное сочетание спектра излучения и спектра поглощения в системе "излучатель - объект нагрева", а также возможность компьютерного управления параметрами режима нагрева обеспечили преимущества использования ламп накаливания в технологических процессах производства изделий электронной техники. Будущие перспективы высокоинтенсивных источников излучения, обеспечивающих в зоне нагрева температуры свыше 1000°С , связывают с использованием вольфрамовых электродов в дуговых лампах. Они сочетают в себе яркость угольной дуги, чистоту процесса, длительность эксплуатации, присущую лампам накаливания. Заполнение колбы в дуговых лампах инертным газом ксеноном высокого давления придает электрическому разряду наилучшие светотехнические характеристики. А герметичные металлические токоподводы специальной конструкции являются одновременно и держателями электродов. Поэтому в новых разработках мощных (3-10 кВт), так называемых разборных, дуговых ксеноновых шаровых лампах с комбинированным водяным и воздушным охлаждением температура дуги достигает 12000°С. Высокоинтенсивный компактный источник светового излучения отличается длительностью эксплуатации как в непрерывном, так и в импульсном режимах (рис.1б, в).
Спектр излучения дуговых ксеноновых ламп близок к солнечному, но с интенсивным излучением в УФ- и коротковолновой (0,8-1,0 мкм) ИК-области. Благоприятное сочетание спектральных и энергетических характеристик дуговых ксеноновых ламп открывает широкие перспективы их использования при решении различных технологических задач в машиностроении и приборостроении.
ФОКУСИРУЮЩИЕ ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ (ФОС)
Для фокусировки лучистого потока на объект нагрева применяют оптические системы со специализированными эллипсоидными отражателями. Они отличаются от параболоидных отражателей, используемых в нагревательных устройствах для создания зон равномерной облученности. Конструктивная особенность эллипсоидных отражателей - наличие двух оптических фокусов, суммарное расстояние до которых от любой точки поверхности отражателя остается постоянной величиной (рис.2).
Источник излучения помещают в первый (ближний к отражателю) фокус, а его излучение собирается во втором (рабочем) фокусе, где располагают объект нагрева. В зависимости от типа источника излучения, формы отражателя, их взаимного расположения и расположения относительно объекта нагрева, в рабочем фокусе можно получить различные типы распределения плотности мощности лучистого потока (Е2) и фокальные пятна в форме круга или полосы (рис.3). Радиометрические исследования показали, что плотность мощности лучистого потока в фокальном пятне, при использовании ФОС на основе эллипсоидных отражателей, убывает от центра кругового пятна или продольной оси полосового пятна по закону, близкому к нормальному закону распределения. Поэтому светолучевые лампы обычно относят или к нормально-круговым, или к нормально-полосовым тепловым источникам. Согласно теории оптических систем, в рабочем фокусе эллипсоидного отражателя формируется пятно нагрева, которое является увеличенным оптическим изображением излучающего тела. Если стремиться уменьшить осевое соотношение фокусных расстояний при одновременном увеличении угла охвата излучения отражателем (в том числе за счет применения контротражателей), то это приведет к уменьшению размеров фокального пятна. То есть тогда увеличивается интегральная мощность лучистого потока, вводимого в объект нагрева. Экспериментальные данные подтверждают, что использование короткофокусных металлических эллипсоидных отражателей с большим углом охвата позволяет получить плотность мощности лучистого потока в пятне нагрева до 104 Вт/см2.
Для получения в пятне нагрева распределения плотности мощности лучистого потока, отличного от нормального, используют комбинированные ФОС на основе многосекционных отражателей, состоящих из нескольких последовательно соединенных отражателей и контротражателей (сферических или эллипсоидных). Кроме того, существуют ФОС на основе отражателей, состоящих из нескольких отдельных эллипсоидных секторов, которые обеспечивают расщепление светового луча (СЛ) на несколько лучистых потоков. В современном машиностроении для решения сложных задач разработаны компьютерные программы расчета геометрических параметров отражателей под конкретные технологические задачи. Реализация принципа модульности при проектировании ФОС позволила создать номенклатурный ряд отражателей.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СВЕТОВОГО ЛУЧА
Авторы в течение ряда лет изучали физико-химические явления, возникающие при взаимодействии СЛ с объектом нагрева. В результате этих работ определены тепловые и металлургические особенности процесса нагрева, определяющие технологические преимущества СЛ. Во-первых, бесконтактный подвод лучистой энергии от источника излучения к объекту нагрева непосредственно или путем ввода СЛ внутрь камеры через оптически прозрачные оболочки позволяет нагревать практически любые материалы, независимо от их физико-химических и электромагнитных свойств, в любых контролируемых газовых средах или вакууме. Во-вторых, существование при СЛ-процедурах таких факторов, как отсутствие механических воздействий на объект нагрева и термическая активация облучаемой поверхности, повышают роль поверхностных явлений. А в задачах, где присутствуют требования устойчивости сварочной ванны к прожогам и определенной форме поверхности сварного шва, решение находится через управление с помощью СЛ поверхностными эффектами. СЛ обеспечивают вывод пузырьков растворенных газов и частиц оксидов из объема расплава и направленное движение жидкого припоя по поверхности и сборочным зазорам основного металла.
Присутствие УФ-составляющей в спектре излучения дуговых ксеноновых ламп вызывает в газовой среде процессы ионизации кислорода и образования озона (трехатомная молекула кислорода). Озон химически взаимодействует с водородом и азотом воздуха. Это, с одной стороны, предотвращает их интенсивное растворение в жидком металле, а с другой - обеспечивает условия получения качественных сварных соединений сталей в атмосфере активных газов. Гибкое управление параметрами режима и распределением лучистого потока в пятне нагрева формирует тепловые поля, отличающиеся по форме и размерам. Таким образом, на одном и том же технологическом оборудовании легко реализуют различные схемы нагрева. А воспроизводимость, точный контроль параметров режимов и быстрое переналаживание оборудования для решения конкретных технологических задач позволяют сравнительно легко автоматизировать любой процесс светолучевой обработки материалов.
Многими экспериментаторами выполнено достаточное число исследований, что позволяет классифицировать технологические процессы светолучевой обработки материалов по трем группам [3]. К первой группе относятся технологические процессы сварки металлических листовых, корпусных и оболочковых конструкций толщиной 0,1-1,0 мм, герметизации электровакуумных приборов, сварки стеклокерамики и пластмасс. Во вторую группу входят: технологические процессы низкотемпературной пайки печатных плат с навесными электрорадиоэлементами, штепсельных разъемов, монтажных проводов с наконечниками; технологические процессы высокотемпературной пайки узлов волноводных трактов, электрических контактов силовой электроаппаратуры и обмоток статоров электрических машин. Третью группы составляют технологические процессы локальной термической обработки сварных соединений и различных изделий, термоправки и термоупрочнения.
"МАТИ"-РГТУ им. К.Э.Циолковского совместно с рядом промышленных предприятий создали образцы экспериментальных и опытно-промышленных светолучевых технологических установок различного назначения (рис.4). Типовое технологическое оборудование состоит из модуля лучистого нагрева, включающего источник излучения с узлом подвески и юстировки, ФОС, источника питания и блока поджига (для газоразрядной лампы), системы охлаждения и защиты объекта нагрева от взаимодействия с окружающей средой (камеры, сопловые насадки), а также аппаратуры управления, визуального и параметрического контроля [4]. Кроме стационарных установок разработаны различные технологические варианты ручных и переносных светолучевых нагревательных устройств, а также опытные конструкции так называемых "гибридных" систем, сочетающих лазерный и световой луч, световой луч и электрическую дугу.
Конечно, СЛ не является универсальным источником нагрева, но благодаря своим специфическим особенностям и технологическим преимуществам, занимает свою нишу среди других источников теплоты. Отметим, что большинство исследователей связывают перспективы развития СЛ-технологий с внедрением мощных "сухих" (без водяного охлаждения токоподводов) дуговых ксеноновых ламп. Оптимизация конструкции модулей лучистого нагрева позволит встраивать их в технологические линии и создать специализированные ФОС, в состав которых могут быть включены гибкие световоды, что приблизит СЛ-метод обработки материалов к монтажным технологиям.
Литература
1. Никифоров Г.Д., Опарин М.И., Федоров С.А. Сварка и пайка световым лучом. - М.: Машиностроение, 1979.
2. Фролов В.А., Мамаев B.C., Пронин Н.С., Коробко Н.А. Использование энергии светового луча в технологических целях. - Сварочное производство, 1993, №4.
3. Фролов В.А., Федоров С.А., Пронин Н.С., Опарин М.И. Разработка и развитие технологий сварки, пайки и термической обработки световым лучом. - Сварочное производство, 2003, №11.
4. Бажанов А.В., Фролов В.А., Федоров С.А., Пронин Н.С. Разработка специализированного оборудования для низкотемпературной пайки. - Сварочное производство, 2007, №11.
Отзывы читателей
