Сварка давлением. Современное состояние

      Можно обратить внимание, что в конструкциях ножей и мечей заложена идея создания самозатачивающегося инструмента. Эта идея еще раз, уже в 20-х годах нашего столетия, повторялась в сварных конструкциях инструментов, изготовлявшихся сваркой по методу А. М. Игнатьева. Искусством кузнечно-горновой сварки до сих пор многие продолжают любоваться. Знаменитая решетка Летнего сада, ограда набережных реки Фонтанки представляют собой конструкции, изготовленные кузнечно-горновой сваркой из кричного железа. Кузнечно-горновая сварка является самым древним технологическим процессом горячей обработки металла. В настоящее время этот способ сварки практического интереса не представляет. 

3. Оборудование  для сварки давлением

      изделий электронного машиностроения 

      Состав  сварочных установок. Прежде всего, нужно подчеркнуть, что любое сварочное оборудование является в значительной мере специализированным, т. е. задумано, спроектировано и построено для выполнения, как правило, одного сварочного процесса. Для массового производства, каким является производство изделий электронной техники, когда одни и те же приборы, одни и те же их элементы выпускаются в количестве десятков и сотен тысяч единиц, оборудование для сварки специализируют. И, конечно, в производстве наиболее эффективно применение не только механизированного и автоматизированного сварочного оборудования, но и гибких производственных модулей. Из робототехнических устройств составляют целые системы, которые можно легко перенастраивать на сварку узлов, отличающихся друг от друга по месту сварки и размеру сварного соединения. Подобные системы, имея собственные склады-накопители и транспортные системы, способны работать без участия человека целую смену и более длительное время. В каждой установке для сварки давлением легко можно выделить следующие главные системы и механизмы:

• станина или основание, или корпус, на котором монтируется вся установка;
• основные исполнительные механизмы данного процесса сварки (механизм давления, механизм нагрева и т. д.);
• системы обеспечения работоспособности исполнительных механизмов (привод механизма давления, энергопитание механизма нагрева и т. д.);
• системы подачи заготовок к месту сварки и их фиксация перед сваркой;
• системы управления (включатели, реле, системы автоматизации и т. п.);
• системы контроля режимов и наблюдения за процессом сварки;
• системы транспортировки и складирования готовых элементов.

      Многие  сварочные установки электронной  техники выполняются в виде рабочего столика и называются сварочными или монтажными столами. Таким образом, станина в виде одно- или двух тумбового рабочего стола является довольно распространенным типом основания установки, так как относительно небольшие применяемые мощности установки позволяют легко разместить здесь все агрегаты и системы. При изучении оборудования целесообразно рассматривать не конструкции конкретных установок, а принципиальные схемы и узлы, обеспечивающие заданный сварочный процесс.

4. Роботизация сварки давлением

      Роботизированные  установки целесообразно применять  в массовом производстве, где одна и та же операция сварки повторяется  многократно. Автоматизация процессов  сборки микроэлектронных приборов необходима по многим признакам:

• качество соединений улучшается, так как не зависит от квалификации сборщика;
• снижается трудоемкость сборки, так как автоматы работают в 10–100 раз быстрее;
• невозможно без ошибок произвести вручную разварку 100 и более соединений в одном микроприборе;
• возможно высвободить большое число рабочих от выполнения монотонной и утомительной для зрения операции.

Рис. 4. Манипулятор рычажного типа (а) с двухкоординатным предметным столиком (б): 1 - рычаг, 2 - плавающий столик, 3 - полусфера, 4, 6 - обоймы, 5 - координатный стол, 7 - нижняя полусфера, 8 - неподвижная стойка, 9 - тяга, 10, 11, 13, 15 - ограничители, 12 - подвижная часть, 14 - винт, 16, 20 - планки, 17 - предметный столик, 18 - неподвижное основание, 19, 21 - электродвигатели

      Основным  способом сварки микроэлектронных приборов является ультразвуковая микросварка, обеспечивающая соединение между контактными  площадками на кристалле и площадками на выводах корпуса с помощью алюминиевой проволоки диаметром 10–30 мкм.

      Цикл  образования электрического контакта состоит из следующих переходов (рис. 5):

      I   – инструмент 1 с поданной через его отверстие проволокой 2 устанавливается над контактной площадкой кристалла;

      II – происходит сварка проволоки с контактной площадкой 3;

      III   – инструмент перемещается ко второй контактной площадке 4, свободно вытягивая проволоку через свой канал;

      IV – инструмент опускается на вторую контактную площадку 4, формируя проволочную петлю, и обеспечивает сварку;

      V – производится обрыв проволоки;

      VI – подъем инструмента вверх с одновременной подачей проволоки для следующей сварки.

      Рис. 5. Последовательность переходов ультразвуковой микросварки при монтаже соединений в полупроводниковых приборах 

      Так как разного типа интегральных микросхем  выпускается несколько миллиардов штук в год, то роботизация сборки дает большой экономический эффект. Для решения этой задачи создаются репрограммируемые и адаптивные роботы. Репрограммируемый робот оснащают прецизионными шаговыми двигателями, обеспечивая совмещение контактных площадок с инструментом и оперативный контроль качества.

      Системы управления репрограммируемых роботов управляют всеми исполнительными механизмами, включая автоматическую загрузку-выгрузку корпусов. Функции рабочего-оператора сводятся к занесению эталонной программы позиционирования и однократному выполнению операции коррекции реперных точек в случае неточной посадки кристалла в данном корпусе. На остальных точках совмещение происходит автоматически. Обслуживая два поста одновременно, оператор обеспечивает производительность до 20 тысяч сварок в час. Качество соединений обеспечивается программой, которая отслеживает энергетические характеристики процесса на каждой точке.

      Адаптивные  роботы кроме перечисленных операций выполняют еще две функции  адаптации: на основе «технического  зрения» производят автоматическую корректировку положения инструмента  относительно центра каждой контактной площадки и адаптацию технологических режимов по каждой точке микросварки. «Техническое зрение» распознает образ кристалла и корпуса прибора и определяет их реальное пространственное расположение, на основании чего производит автоматическую коррекцию координат эталонной программы. Для работы на адаптивном роботе оператор не нужен. Наладчик, обслуживающий 6–10 роботов, периодически осуществляет смену магазинов с приборами и обеспечивает производительность каждого автомата до 10 тысяч соединений в час.

      Система адаптации по технологическим режимам  обеспечивает подстройку робота при  изменении параметров исходных материалов и одновременно производит неразрушающий  контроль каждого соединения по электрическим, механическим и визуальным характеристикам.

      Основным  механизмом совмещения пpи сварке являются устройства в виде манипулятора вертикального  перемещения сварочной головки  и манипулятора позиционирования предметного  столика (рис. 6).

      Рис.6. Кинематическая схема манипуляторов микросварки 

      Манипулятор вертикального перемещения сварочной  головки 1 имеет шаговый привод 2. Манипулятор позиционирования столика 3 имеет шаговые приводы 4 и 5, которые обеспечивают перемещение по осям X и У. Поворот вокруг оси Z на заданный угол осуществляется приводом 6.

      Совместная  работа манипуляторов обеспечивает разварку по следующей схеме взаимодействия. После определения координат  кристалла в корпусе прибора манипулятор позиционирования столика совмещает первую контактную площадку с инструментом, причем угол поворота выбирается так, чтобы перемещение ко второй контактной площадке могло быть в направлении вытягивания проволоки через инструмент. После отработки совмещения инструмента с контактной площадкой включается вертикальный манипулятор, обеспечивающий опускание сварочной головки в место сварки. После сварки на первой контактной площадке одновременное перемещение манипулятора столика по оси У и вертикального манипулятора по оси Z обеспечивает формирование петли необходимого размера и конфигурации. После сварки на второй контактной площадке и обрыва проволоки вертикальный манипулятор поднимает сварочную головку, и манипулятор столика по координатам X, Y с поворотом на заданный угол перемещает изделие к следующему месту сварки.

      Использование средств «технического зрения»  позволяет провести подкорректировку каждой последующей сварной точки  по положению в поле зрения реальной контактной площадки.

      Адаптивный  контроль технологических режимов основан на принципах саморегулирования процесса, на использовании управления по математическим моделям процесса, на неразрушающем контроле каждого соединения. Неразрушающий контроль основан на принципе нагружения образовавшейся петли специальным крючком с нагрузкой, меньшей, чем допустимая нагрузка на разрушение данного соединения. Если сварка выполнена некачественно и происходит обрыв петли при пробном нагружении, то ЭВМ, встроенная в робот, останавливает процесс и сигнализирует наладчику о причине остановки.

      Рассмотренные микросварочные роботы типа ОЗУН нашли  широкое промышленное применение, повышая  в десятки раз производительность и улучшая качество производства микроэлектронных приборов. Класс адаптивных роботов составляет основу для создания гибких автоматизированных производств (ГАП) сборки микроэлектронных приборов. Для этого роботы и оснащены манипуляторами для подачи микроприборов в зону обработки и складами продукции, что позволяет им работать в течение смены без участия человека. 

      Заключение 

      Сварочная техника и технология занимают одно из ведущих мест в современном  производстве. Свариваются корпуса  гигантских супертанкеров и сетчатка человеческого глаза, миниатюрные детали полупроводниковых приборов и кости человека при хирургических операциях. Многие конструкции современных машин и сооружений, например космические ракеты, подводные лодки, газо- и нефтепроводы, изготовить без помощи сварки невозможно. Развитие техники предъявляет все новые требования к способам производства и, в частности, к технологии сварки. Сегодня сваривают материалы, которые еще относительно недавно считались экзотическими. Это титановые, ниобиевые и бериллиевые сплавы, молибден, вольфрам, композиционные высокопрочные материалы, керамика, а также всевозможные сочетания разнородных материалов. Свариваются детали электроники толщиной в несколько микрон и детали тяжелого оборудования толщиной в несколько метров. Постоянно усложняются условия, в которых выполняются сварочные работы: сваривать приходится под водой, при высоких температурах, в глубоком вакууме, при повышенной радиации, в невесомости. Недаром сварка стала вторым после сборки технологическим процессом, впервые в мире опробованным нашими космонавтами в космосе.

      Необходимость повышения производительности труда ведет к увеличению уровня механизации и автоматизации сварочного производства, к его оснащению новыми сложными машинами и агрегатами, без которых сегодня немыслимо серийное производство многих видов продукции. Наглядный пример тому - сварочные автоматические линии Волжского автозавода. В сварочное производство активно внедряются роботы, что позволяет полностью автоматизировать цикл сварки деталей без участия рабочего-сварщика.

      В последние годы патентные ведомства  промышленно развитых стран мира ежемесячно регистрируют более 200 изобретений в области сварочной техники и технологии - таковы темпы развития сварочного производства. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Литература 

1. Диффузионная  сварка материалов: Справочник.  Под ред. Н.Ф. Казакова. М.: Машиностроение, 1981.
2. Каракозов Э. С. Сварка металлов давлением. М.: Машиностроение, 1986.
3. Куркин С. А., Николаев Г. А. Сварные конструкции: Технология изготовления, механизация, автоматизация и контроль качества в сварочном производстве. М.: Высш. шк., 1991.
4. Николаев Г. А., Куркин С. А., Винокуров В. А. Сварные конструкции. М.: Высш. шк., 1983.
5. Прох Л.Ц., Шпанов Б.В., Яворская Н. М. Справочник по сварочному оборудованию. Киев: Техника, 1978.
6. Сварка трением. Справочник.  Под ред. В.К. Лебедева. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987.
7. Сварка и резка материалов: Учеб. пособие М.Д. Банов, Ю.В. Казаков, М.Г. Козулин и др.; Под ред. Ю.В. Казакова. -2-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2002. - 400 с.
8. Словарь-справочник по сварке.  Под ред. К.К. Хренова. Киев: Наук, думка, 1974.
9. Стеклов О.И. Основы сварочного производства. М.: Высш. шк., 1986.
10. Стройман И.М. Холодная сварка металлов. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1985.