УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ

Полезная модель относится к области машиностроения и предназначена для автоматизации процесса электронно-лучевой сварки при сварке металлических корпусов микросхем.
Наиболее близким к полезной модели аналогом (прототипом) является устройство для управления процессом электронно-лучевой сварки (Авторское свидетельство СССР №1832614, кл. В23К 15/00, опубликовано 10.07.1996), содержащее электронно-лучевую пушку, соединенную с отрицательным полюсом источника питания, вакуумную камеру с размещенными в ней фокусирующей системой, подвижной платформой и изолированной от корпуса посредством изолятора, установленного на платформе, проводящей подкладкой, связанной с корпусом через датчик тока, привод перемещения изделия, выход которого соединен с подвижной платформой, фильтр, подключенный к датчику тока.
Устройство предназначено для автоматизации процесса электроннолучевой сварки. Целью регулирования является повышение производительности процесса сварки при заданной глубине проплавления шва. Регулирование осуществляется за счет пошагового перемещения изделия относительно луча. Такое решение обеспечивает повышение скорости электронно-лучевой сварки путем автоматического задания в процессе формирования шва максимально возможного значения скорости сварки.
Возрастание амплитуды переменной составляющей тока, возникающего в свариваемом изделии, соответствует режиму активного проплавления металла с парообразованием, что является неприемлемым при сварке корпусов с находящейся внутри микросхемой. Кроме того, регулирование процесса посредством механического перемещения изделия имеет
определенные ограничения (по скорости и дискретности, в случае применения шагового привода), что отрицательно влияет на динамические характеристики системы, в особенности, применительно к сварке малогабаритных деталей и микросварке.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, состоит в повышении качества сварки путем обеспечения стабилизации термодинамических процессов формирования сварного шва при изменении условий теплообмена и исключении испарения металла из жидкой ванны в процессе сварки.
Полезная модель обеспечивает выполнение поставленной задачи за счет стабилизации тока, протекающего через деталь в процессе сварки. Причем стабилизация осуществляется на спадающем участке кривой зависимости тока, протекающего через деталь от времени воздействия луча путем подключения к системе регулятора с отрицательной обратной связью.
Устройство для регулирования процесса электронно-лучевой сварки содержит электронную пушку, подключенную к отрицательному полюсу высоковольтного источника питания, магнитную фокусирующую систему, вакуумную камеру с размещенными в ней подвижной платформой, проводящей подкладкой, изолированной от корпуса посредством изолятора, установленного на платформе, привод перемещения изделия, выход которого соединен с подвижной платформой, датчик тока, связанный одним полюсом с корпусом, а другим - с проводящей подкладкой и входом фильтра, дополнительно введены источник питания управляющего электрода, стабилизатор тока луча, первый вход которого соединен с цепью отрицательной обратной связи, задающий блок, два компаратора, дифференцирующий элемент, логический элемент, триггер, коммутатор, стабилизатор, ограничитель уровня и датчик тока луча, причем положительный полюс источника питания управляющего электрода соединен с отрицательным полюсом высоковольтного источника питания, а отрицательный полюс источника питания управляющего электрода соединен
с управляющим электродом электронной пушки, выход фильтра соединен с входом дифференцирующего элемента, первым входом первого компаратора и первым входом стабилизатора, выход дифференцирующего элемента соединен с первым входом второго компаратора, выходы компараторов соединены с входами логического элемента, выход логического элемента соединен с первым входом триггера, выход триггера связан с первым входом коммутатора, выход стабилизатора соединен с первым входом ограничителя уровня, выход ограничителя уровня соединен с третьим входом коммутатора, первый выход задающего блока соединен с вторым входом первого компаратора и вторым входом стабилизатора, второй выход задающего блока соединен с вторым входом коммутатора и вторым входом ограничителя уровня, третий вход задающего блока соединен с вторым входом триггера, второй вход второго компаратора связан с корпусом, выход коммутатора соединен со вторым входом стабилизатора тока луча, выход стабилизатора тока луча связан с входом источника питания управляющего электрода, а положительный полюс высоковольтного источника питания связан с корпусом устройства через датчик тока луча.
Полезная модель поясняется чертежами, где:
Фиг.1 Функциональная схема устройства для регулирования процесса электронно-лучевой сварки.
Фиг.2 Диаграмма работы устройства для регулирования процесса электронно-лучевой сварки.
Устройство для регулирования процесса электронно-лучевой сварки содержит электронную пушку 1 (фиг.1), подключенную к отрицательному полюсу высоковольтного источника питания 2, магнитную фокусирующую систему 3, вакуумную камеру 4 с размещенными в ней подвижной платформой 5, проводящей подкладкой 7, изолированной от корпуса посредством изолятора 6, установленного на платформе 5, привод перемещения изделия 8, выход которого соединен с подвижной платформой
5, датчик тока 9, связанный одним полюсом с корпусом, а другим - с проводящей подкладкой 7 и входом фильтра 10, дополнительно введены источник питания управляющего электрода 11, стабилизатор тока луча 12, первый вход которого соединен с цепью отрицательной обратной связи, задающий блок 13, два компаратора 14 и 15, дифференцирующий элемент 17, логический элемент 16, триггер 18, коммутатор 19, стабилизатор 20, ограничитель уровня 21 и датчик тока луча 23, причем положительный полюс источника питания управляющего электрода 11 соединен с отрицательным полюсом высоковольтного источника питания 2, а отрицательный полюс источника питания управляющего электрода 11 соединен с управляющим электродом электронной пушки 22, выход фильтра 10 соединен с входом дифференцирующего элемента 17, первым входом первого компаратора 14 и первым входом стабилизатора 20, выход дифференцирующего элемента 17 соединен с первым входом второго компаратора 15, выходы компараторов 14 и 15 соединены с входами логического элемента 16, выход логического элемента 16 соединен с первым входом триггера 18, выход триггера 18 связан с первым входом коммутатора 19, выход стабилизатора 20 соединен с первым входом ограничителя уровня 21, выход ограничителя уровня 21 соединен с третьим входом коммутатора 19, первый выход задающего блока 13 соединен с вторым входом первого компаратора 14 и вторым входом стабилизатора 20, второй выход задающего блока 13 соединен с вторым входом коммутатора 19 и вторым входом ограничителя уровня 21, третий выход задающего блока 13 соединен с вторым входом триггера 18, второй вход второго компаратора 15 связан с корпусом, выход коммутатора 19 соединен со вторым входом стабилизатора тока луча 12, выход стабилизатора тока луча 12 связан с входом источника питания управляющего электрода 11, а положительный полюс высоковольтного источника питания 2 связан с корпусом устройства через датчик тока луча 23.
ф
ф
Сигнал, снимаемый с датчика тока 9, пропорционален току, проходящему через деталь в процессе воздействия на нее электронного луча. Этот ток представляет собой разность тока луча, суммарного тока отраженных и вторичных электронов, сквозного тока, а также токов, являющихся следствием термоэлектронной эмиссии с поверхности жидкой ванны, ионизации атомов, распыленных в пространство рабочей камеры. Зависимость сигнала, снимаемого с датчика 9, после фильтрации фильтром 10 (фиг.2) (U), имеет сходные для большинства металлов участки, характеризующие различные стадии процесса расплавления. Начало активного расплавления металла характеризуется уменьшением амплитуды сигнала. При продолжении нагрева временная зависимость сигнала проходит через минимум, начинает возрастать и появляется переменная составляющая, что связано с процессами активного испарения металла. Поскольку при сварке корпусов микросхем необходимо исключить испарение, то целесообразно выбрать режим сварки, соответствующий спадающей зависимости сигнала U от времени воздействия луча.
max
з
max
у
з
Устройство работает следующим образом. Свариваемая деталь (изделие) устанавливается на проводящей подкладке 7. С помощью блока 13 оператором задаются величины U и U, где U определяет максимальный сигнал управления током луча (U), a U определяет стабилизируемую величину сигнала с датчика 9.
з
max
max
у
В исходном состоянии уровни сигналов U и U равны нулю, с третьего входа задающего блока 13 на второй вход триггера 18 подается блокирующий сигнал, с выхода триггера 18 на первый вход коммутатора 19 подается сигнал низкого уровня, и коммутатор находится в состоянии, изображенном на фиг.1, т.е. его выход соединен со вторым входом. Поскольку U равно нулю, то сигнал управления стабилизатором тока луча U также равен нулю, и ток луча равен нулю (пушка заперта).
Стабилизатор тока луча представляет собой замкнутую систему управления с обратной связью, где в качестве датчика тока луча 23 может
использоваться резистор, генератор Холла, или любой другой датчик постоянного тока, включенный последовательно в цепь высоковольтного источника питания 2.
max
з
у
max
После подачи команды на начало сварки, с задающего блока 13 на входы коммутатора 19, ограничителя уровня 21, стабилизатора 20 и первого компаратора 14 поступают сигналы U и U с амплитудами, заданными оператором. Блокирующий сигнал со входа триггера 18 снимается, т.е. триггер переходит в «ждущее» состояние. В результате сигнал управления стабилизатором тока луча U становится равным U, и ток луча устанавливается на максимальном уровне, заданном оператором. Свариваемая деталь при этом перемещается относительно луча на платформе 5 с помощью привода 8.
ф
ф
ф,
з
тр
При воздействии электронного луча, формируемого электронной пушкой 1 и фокусирующей системой 3, на металл сигнал, снимаемый с датчика 9 и проходящий через фильтр 10 (U), быстро возрастает, достигает максимальной величины и затем начинает уменьшаться. При этом первая производная сигнала, которую вычисляет дифференцирующий элемент 17, становится отрицательной. Сигнал производной поступает на первый вход компаратора 15, где он сравнивается с нулем (второй вход компаратора связан с корпусом). Поэтому, при уменьшении сигнала U на выходе компаратора 15 появляется логический сигнал высокого уровня. Когда сигнал U уменьшаясь, достигнет уровня U, то на выходе компаратора 14 также появится логический сигнал высокого уровня. Таким образом, оба сигнала, поступающие на вход элемента 16, будут иметь высокий уровень. Так как элемент 16 выполнен по схеме «Логическое «И», то на его выходе появится сигнал высокого уровня, который выведет триггер 18 из ждущего состояния, и на его выходе появится сигнал высокого уровня (U, фиг.2). В результате коммутатор 19 переключится, и его выход будет соединен с третьим входом.
ф
Теперь второй (управляющий) вход стабилизатора тока луча 11 будет соединен с выходом стабилизатора, охваченного отрицательной обратной связью по сигналу с датчика 9 (U), т.е. система будет работать в режиме стабилизации тока, протекающего через деталь. Для ограничения максимальной амплитуды тока луча выход стабилизатора подключен к коммутатору через ограничитель уровня 21.
з
max
у
После окончания процесса сварки система переходит в исходное состояние, т.е. уровни сигналов U и U равны нулю, с третьего входа задающего блока 13 на второй вход триггера 18 подается блокирующий сигнал. В результате коммутатор 19 переключается в исходное положение, сигнал управления стабилизатором тока луча 12 U становится равным нулю, и пушка «запирается».
1
ф
у
Возмущающими воздействиями для системы являются изменение условий теплообмена в области формирования шва (например, изменение геометрии стыка, изменение скорости перемещения детали), а также изменение эмиссионных свойств катода электронной пушки. На фиг.2, начиная с момента времени t, линейно уменьшается толщина свариваемой детали. Для того чтобы стабилизировать ток, протекающий через деталь, характеризуемый сигналом U, система уменьшает ток луча (сигнал управления током U). Это необходимо для того, чтобы исключить испарение металла и обеспечить постоянство термодинамических условий формирования сварного шва.
Поскольку устройство позволяет стабилизировать термодинамические параметры формирования сварного шва при изменении скорости и направления перемещения детали, то его применение возможно и при многокоординатном перемещении детали относительно луча.