Способ лазерной сварки деталей из стекла

 

Использование: сварка стеклянных оболочек электронно-лучевых приборов. Сущность изобретения: во время сварки измеряют величину проходящего внутри стенки стекла светового потока, преобразующегося в световой сигнал. Величину светового потока поддерживают постоянной изменением скорости перемещения деталей или/и изменением мощности лазерного излучения. 2 ил.

Изобретение относится к стекольной промышленности, а именно к технологии лазерной сварки, и предназначено для сварки стеклянных оболочек электронно-лучевых приборов (ЭЛП). Целью изобретения является повышение качества сварного соединения за счет обеспечения равномерного провара свариваемых деталей и улучшение контроля за процессом сварки. На фиг. 1 приведена блок-схема стабилизации яркости свечения стекла при лазерной сварке; на фиг.2 часть электрической схемы блока управления скоростью вращения свариваемых деталей (для иллюстрации конкретной реализации предложенного способа сварки). Устройство содержит экран 1 ЭЛТ, конус 2 ЭЛТ, источник 3 лазерного излучения, устройство 4 перемещения, светопреобразующее устройство 5, блок 6 управления, сигнал 7 управления мощностью лазера 7, сигнал управления скоростью перемещения деталей 8, луч лазера 9, Х зазор между свариваемыми деталями. На фиг. 2 схематически показано светопреобразующее устройство 5, выполненное на базе типового фотодиода ФД7К, электрически соединенного с преобразователем 10 тока в напряжение и последовательно соединенного с инвертирующим сумматором 11. Способ лазерной сварки осуществляют следующим образом. Экран 1 и конус 2 оболочки ЭЛТ закрепляют в зажимных устройствах с наличием зазора Х. Соосность деталей 1 и 2 обеспечивается конструкцией зажимных устройств. Требуемый зазор Х устанавливают, например, с помощью щупа требуемой толщины. Подготовленные для сварки детали 1 и 2 помещают в печь предварительного нагрева и производят нагрев деталей до заданной температуры, что предотвращает стекло от механического разрушения вследствие термоудара. Зажимные устройства и печь предварительного нагрева входят в комплект деталей известного устройства вертикально-заворочного станка, на котором реализован предложенный способ. Затем включают источник лазерного излучения 3 и луч 9 от лазера и направляют на нижнюю кромку детали 1. При этом происходит расплавление стекла и заполнение им зазора Х между деталями 1 и 2. Предварительно на торце конуса 2 устанавливают светопреобразующее устройство 5, электрически соединенное с блоком 6 управления, который подключен к источнику лазерного излучения 3 и к механизму перемещения 4. В центре лазерного луча 9 происходит усиленный нагрев материала (стекла), что приводит не только к расплавлению стекла, но и к возникновению сильного излучения (визуально наблюдаемого). Светопреобразующее устройство 5 регистрирует выходящий с торца детали 2 световой поток (большая часть излучения по стенке детали 2 как по световоду попадает на ее торец благодаря эффекту полного внутреннего отражения). После достижения необходимого свечения области свариваемых деталей 1 и 2 автоматически включается механизм вращения 4. Скорость вращения (перемещения) деталей 1 и 2 автоматически изменяется при изменении условий сварки (например, при изменении мощности лазерного излучения, увеличении или уменьшении угла падения луча 9 на поверхность деталей 1 и 2). Изменением скорости перемещения деталей 1 и 2 или мощности излучения лазера обеспечивается изменение интенсивности светового потока, выходящего с торца конуса 2 (т.е. достигается требуемый уровень свечения). Требуемый уровень свечения определяли экспериментальным путем с учетом материала свариваемых деталей и мощности используемого для сварки лазера. Для этого проводили предварительные опыты с различными уровнями свечения и определяли оптимальный уровень. При отклонении интенсивности светового потока от оптимальной величины изменяется температура в зоне сварки. Поддерживая величину уровня свечения постоянной, возможно обеспечить и постоянную температуру в зоне сварки. Это дает возможность сохранить постоянную глубину проплавления материала свариваемых деталей и тем самым повысить качество сварного соединения. Требуемый режим сварки устанавливается по методике, описанной в статье Дутки И.И. Дороша И.Н. Крачковского Е.А. и др. Выбор режимов сварки стеклянных деталей СО₂-лазером, Электронная промышленность. Сер. 4. 1988, вып. 10, с. 60-61. Скорость перемещения деталей в процессе сварки выбирают в зависимости от теплофизических параметров свариваемого стекла и мощности используемого лазера. Однако в процессе сварки происходит изменение мощности лазерного излучения. Это требует постоянной корректировки скорости перемещения деталей и/или изменения мощности лазера. Эта корректировка осуществляется блоком управления 6, регулирующим мощность лазерного излучения или/и скорость вращения свариваемых деталей. Блок управления электрически соединен со светопреобразующим устройством 5, размещенным на торце одной из деталей. Подключение светопреобразующего устройства к управляющему блоку позволяет поддерживать постоянной величину (яркости) интенсивности свечения стекла за счет обратной связи, температура места сварки интенсивность свечения стекла показания светопреобразующего устройства управляющий блок (управление либо мощностью лазера, либо скоростью перемещения деталей) температура места сварки. В предлагаемом способе для осуществления сварки может быть использован СО₂-лазер типа ИЛГН-704 или ИЛГН-709. Светопреобразующее устройство может быть сконструировано на базе фотодиода, фотоэлемента или фотоэлектрического умножителя. Блок управления и устройство перемещения могут быть собраны на базе типовых интегральных схем и электроприводов (например, электроприводы типоразмеров ЭТ1К2). Способ был опробован при сварке конуса с экраном прибора 21ЛК1Л. Волоконно-оптический экран прямоугольной формы (125 х 125 мм) закрепляли в верхнем зажимном устройстве станка (СОБ-897). Конус прибора закрепляли в нижнем прижимном устройстве станка. Между экраном и конусом устанавливали щуп (откалиброванную пластину) толщиной 0,4 мм. При этом обеспечивалось выставление зазора Х, равного 0,4 мм. В качестве печи предварительного нагрева использовали специально сконструированную электропечь. Предварительный нагрев деталей прибора проводили при температуре 500^оС. Для сварки использовали СО₂-лазер ИЛГН-709 с мощностью излучения 80 Вт и длиной волны излучения 10,6 мкм. Диаметр луча лазера 6 мм. Фокусировку луча лазера проводили по нижней кромке экрана. Конус прибора изготовлен из электровакуумного стекла С52-1 c толщиной стенки 6 мм. Экран прибора волоконно-оптический диск, согласованный по коэффициенту линейного расширения со стеклом С52-1. После этого устанавливали требуемый режим сварки с помощью потенциометров R5 и R6 (фиг.2). Положение ручек потенциометром R5 и R6 определялось экспериментально. Затем включается схема управления. После включения лазера луч направляется на нижнюю кромку экрана. Через 2-3 c после включения лазера происходит плавление стекла и заполнение им зазора Х 0,4 мм. При этом в области сварки наблюдается свечение стекла. При достижении необходимого уровня свечения начинается перемещение деталей, которое стабилизируется на скорости 0,2 об/мин. Световой поток по стенке конуса попадает на его торец и регистрируется фотодиодом ФД7К (фиг.2), который преобразует световой сигнал в электрический (фототок). Как видно из фиг.2, фототок, поступающий из фотодиода ФД7К, попадает на вход преобразователя тока в напряжение 10, на выходе которого напряжение будет пропорционально входному току. На сопротивление R5 подается напряжение с выхода преобразователя тока в напряжение 10, пропорциональное входному току. На сопротивление R7 подается отрицательное напряжение от источника питания. На выходе инвертирующего сумматора 11 величина сигнала пропорциональна сумме напряжений, подаваемых на сопротивления R5 и R7. В результате при увеличении фототока напряжение на выходе будет уменьшаться. Выход схемы, показанной на фиг. 2, подключается к сопротивлению R7 электропривода ЭТ1Е2, который и позволяет управлять скоростью вращения. После завершения полного поворота деталей на 360^о выключали лазер и постепенно снижалась температура печи предварительного нагрева. При уменьшении температуры до комнатной извлекали готовую оболочку. П р и м е р 2. Экран из стекла С52-1 диаметром 50 мм закрепляли в зажимном устройстве станка СОБ-897. Конус прибора из стекла С52-1 диаметром 50 мм с толщиной стенки 2,5 мм, длиной 300 мм закрепляли в нижнем зажимном устройстве. Перемещением нижнего зажимного устройства навстречу верхнему зажимному устройству и с помощью плоского щупа устанавливали между экраном и конусом зазор Х величиной 0,1 мм. В зоне сварки устанавливали специальную печь, посредством которой осуществляли предварительный нагрев места сварки до температуры 500^оС. На торце конуса (с противоположной стороны от места сварки) в нижнем зажимном устройстве устанавливали датчик люксметра марки Ю 116. Причем датчик устанавливали таким образом, чтобы он был в непосредственном контакте с торцом конуса. Включен лазер марки ИЛГН-704. Устанавливали мощность излучения в 25 Вт. Включали механизм вращения зажимного устройства, в котором закрепляли свариваемые детали, и устанавливали скорость вращения 0,2 об/мин. С помощью германиевой линзы фокусировали луч лазера на нижней кромке экрана. Регулируя скорость вращения в пределах от 0,15 до 0,3 об/мин, поддерживали постоянной интенсивность светового потока по показанию люксметра, равную 5 лк. При этом интенсивность светового потока устанавливалась экспериментальным путем. При интенсивности светового потока, равной 5 лк, обеспечивается провар стекла на всю толщину стенки конуса. Контроль за проваром стекла осуществляли визуальным путем. П р и м е р 3. Осуществляли сварку таких же деталей из стекла С52-1 и в той же последовательности, что и в примере 1. Устанавливали заранее фиксированную скорость вращения 0,2 об/мин, а необходимую интенсивность свечения торца оболочки (величиной в 5 лк) поддерживали путем регулирования мощности лазерного излучения в пределах от 20 до 30 Вт. П р и м е р ы 4 и 5. Производили сварку экрана с конусом из стекла С79-3. Толщина стенки 2,5 мм, длина конуса 300 мм. Величина зазора Х выбиралась равной 0,1 мм. Температура предварительного нагрева зоны сварки 450^оС. Сварку осуществляли в такой же последовательности, как и в примерах 2 и 3, т. е. поочередно изменяя скорость вращения деталей в пределах от 0,15 до 0,3 об. /мин (при постоянном значении мощности лазерного излучения 25 Вт). Изменяя мощность лазерного излучения в пределах от 25 до 30 Вт при постоянном значении скорости вращения 0,2 об./мин. поддерживали постоянной величину интенсивности излучения в 1,5 лк, при которой обеспечивался провар на всю глубину стекла. Требуемая величина интенсивности излучения определялась экспериментальным путем. Величину провара стекла контролировали визуально.

Формула изобретения

СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СТЕКЛА по авт. св. N 1520814, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сварного соединения путем обеспечения равномерного провара свариваемых деталей и улучшения контроля за процессом сварки, после установления требуемого режима сварки дополнительно на торце одной из деталей измеряют величину проходящего внутри стекла светового потока и поддерживают его величину постоянной, причем выходящий из торца детали световой поток преобразуют в электрический сигнал, а постоянство величины светового потока обеспечивают изменением скорости перемещения деталей и/или изменением мощности лазерного излучения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 31-2000

Извещение опубликовано: 10.11.2000        

---