Лазерная сварка меди — технология против характера
Содержание:
Лазерная сварка меди
Человечество использовало медь в промышленных масштабах еще со времен бронзового века, поэтому кажется, что ее свойства давно были изучены вдоль и поперек и слегка разочаровалось. Поэтому к концу XVIII-го века меди отвели скучную роль материала для мелкой монеты и декоративных поделок. Ее фактически вышвырнули из прогресса. Но электричество и алюминий дважды перевернули наше представления о физических возможностях красного металла — из полузабытого источника фартингов и су медь снова стала чуть ли не сердцем «Новой Цивилизации» по Герберту Уэллсу. Но еще более удивительна судьба меди в последние 50 лет. Когда-то железо и сталь уничтожили медь в бою, но сейчас медь побеждает железо в микроэлектронике.
Медь ковали, скручивали и прессовали, но даже толком не сплавляли, кроме как в бронзу. Железо и сталь вытеснили ее из инженерного обихода.
Первые электродвигатели и первые проблемы
Несмотря на всеобщее заблуждение, паровую тягу в промышленности сменили отнюдь не дизели, а электродвигатели. Медь оказалась идеальным доступным металлом в электропромышленности, причем по всем параметрам — ковкости, пластичности, электро- и теплопроводности. Пластичность и ковкость обеспечили резкое снижение стоимости электродвигателей, так как именно медь позволила выяснить, что движение электронов происходит по поверхности, а не в толще электропроводящего материала. Логично, что проволока для электродвигателей должна была отличаться в первую очередь не площадью сечения, а площадью поверхности. Больше не нужно было пытаться экономить при помощи стальной неудобной проволоки. Пластичность меди позволяла условно дорогой фунт металла раскатать ручным прессом примерно на полмили почти швейной нити. Кстати, это примитивное устройство просуществовало на электро-дизельных подлодках почти полвека.
Моряки обнаружили еще одно интересное свойство меди: керн с минимальным диаметром жала при достаточной силе удара практически «спаивает» две тонкие пластины меди. То есть теплопроводность меди, как тяжелого металла, очень неплоха, но все же скорость передачи температуры заметно заторможена. Место удара разогревается достаточно для поверхностного смешения металла двух пластин. Отличный дешевый способ соединения двух медных проводов «на живую нить».
Но при всех своих достоинствах у меди есть и свои недостатки, в основном связанные с химическими свойствами. Например до появления лазерной сварки все тонкие работы с медью, особенно спайка и сварка, были чуть ли не ювелирным искусством! Как правило, при соединительных операциях старались обойтись банальными скруткой и давлением тисками.
Задачка «медь + газ»
Из современных способов соединения медных деталей первой была забракована самая простая операция — газовая, точнее ацетиленовая сварка. Химики рады: медь — лучший катализатор полимеризации ацетилена. Зато технологи из-за этого были вынуждены отказаться от чистой меди практически везде, кроме электротехники. Например, простые трубопроводы для ацетилена делаются из сплавов, где содержание Cu не превышает 64%.
С чистым водородом тоже не все прекрасно: сам газ недешев, поэтому давно заменен на дуговой метод с расщеплением воды на «гремучий газ» — смесь водорода и кислорода. Все это громоздко, к тому же выделение тепла при горении водорода настолько интенсивное, что точные мелкие операции становятся невозможными.
Решение
Теоретическое решение достаточно простое: твердотельный или волоконный лазеры. Электродуговая сварка тоже хороша, но из-за необходимости использования аргона этот метод слишком громоздок и больше подходит для «более фундаментальных» работ, вроде обработки контактов промышленных трансформаторов. Но со всей этой техно-сбруей не на каждый трансформатор залезешь!
Зато у лазеров этих проблем нет — они, во-первых, портативны. Лазерный луч тонок и почти без потерь передает эенергию в точку сварки. Однако твердотельные модели имеют низкое КПД и, соответственно, малую энергоотдачу. Зато даже типовые волоконные лазеры самых компактных моделей имеют мощность в 1,5 кВт — этого уже хватает, чтобы спаять 5-миллиметровые листы стали, но из-за особенностей меди — только чтобы сварить медные пластинки не более чем 1мм толщины. Хотите больше? Переключайтесь в импульсный режим: волоконные лазеры умеют и любят повышать энергию луча до 2,5 кВт. И не забывайте — это всего лишь мощность утюга.
На самом деле аппарата волоконно-лазерной сварки хватит на любые операции от сварки дорожек компьютерных плат до статуй Церетели, но надо знать некоторые физические свойства меди. Об этом ниже:
Сварка электрооборудования от батарей до клемм
Медь в обычных атмосферных условиях не покрывается окислами. Солнце — наверное самый несущественный параметр окружающей среды, который может повлиять на поверхность металла, так как коэффициент отражения меди достигает 0,95. Но есть одно интересное исключение: зеленый спектр света в 500 — 550 нм, который соответствует колебаниям электронов внешней орбитали атома Cu, очень активно поглощается металлом в виде тепловой энергии. Медный поручень под закатным солнцем нередко обжигает руку.
Эту особенность меди удалось использовать в современной промышленности, а точнее в лазерной сварке. Нужно заметить, что обычно мощные лазеры, которые работают в подобных диапазонах — это ручные волоконные модели. Это согласуется с техникой безопасности, так как зеленый диапазон луча находится в непосредственной близости от максимума «сумеречного зрения» человека. Газовые лазеры не могут создавать настолько энергетически сфокусированный зеленый луч, чтобы и его отражение было видно при дневном освещении. С волоконными твердотельными моделями такой опасности нет — луч виден и при многократном отражении. Очевидно, что специальные методы безопасности излишни.
Поглощение зеленого излучения более чем закономерно, не зря медь во многих языках называют «красным металлом». Однако важен не сам факт поглощения энергии, а то, что коэффициент отражения медью зеленого света начинает с запредельных 0,95 при обычной температуре и резко падает до 0,5 при приближении к температуре плавления. И еще более важен тот факт, что броуновское движение одного из самых тяжелых промышленных металлов просто не успевает за ускоряющимся прогревом: зеленый лазер легко успевает проделать очень стабильную плавильную ванну глубоко в теле пластины или между заготовками. Ее еще часто называют обратной замочной скважиной — она глубокая, и образует микроскопический шарообразный аналог «очага магмы», как в глубине вулкана.
Очевидно, что в перевернутой скважине просто некуда разбрызгиваться расплаву, кроме как в само «ядро реакции», поддерживая внутреннюю температуру зоны спайки и разогревая окружающую толщу металла. Кстати, при этом зеленому лазерному лучу безразлично состояние поверхности меди: полированная, оксидированная, матовая или травленная. Все они будут прожигаться лучом практически одинаково. Оксидированнная, может, чуть быстрее.
Поэтому с точки зрения оператора все упирается только в выверенные импульс излучения лазера и температуру заготовки. Использование инертных сред для сварочных работ совершенно необязательно. Отсутствие лишних сложностей позволяет контролировать сварку ручным пистолетом — еще задолго до выброса будет виден красная светящаяся зона перегрева металла вокруг лазерного луча. Фактически операция «естественна», как управление рулем автомобиля или руддером самолета.
Преимущества и недостатки лазерной сварки меди
Так уж случилось, что электротехника и электроника неявно, но зависят от легковесности материалов. Например электробатареи, аккумуляторы и электронные схемы слишком перегружены тяжелыми металлами, поэтому весят соответственно. Медь имеет высокую плотность, но одновременно обладает достаточно высокой температурой плавления, устойчивостью к атмосферному кислороду и дружелюбностью к созданию сплавов. В первую очередь с алюминием. Такие сплавы почти сохраняют электропроводность меди, почти достигают низкой плотности алюминия, но все же имеют особенности и каверзные недостатки, особенно в сварке, когда все процессы происходят за секунду, а то и доли секунд.
Эти недостатки настолько разнообразны, что бороться с ними можно только одним общим способом: скоростью.
В «тяжелой промышленности» чистую медь используют только в дорогостоящих батареях/аккумуляторах и ответственных силовых платах управления высоким напряжением. Например, очищенная рудная медь стоит около 8 — 9 тыс долларов за тонну без рудной очистки, а чистая, пригодная для электроники, стоит минимум в полтора раза дороже. Все просто: даже примесь 0,015% алюминия (чистую медь большей частью получают через гидролиз солей, а значит без алюминия не обходится) задирают электросопротивление металла с 0,0001 мкОм*м до 0,02 мкОм*м. Представьте, что бытовой трансформатор 220~5 В, изготовленный из такой проволоки, вдруг начинает греться, обжигая руку!
Но есть и другая сторона медали. Оказывается, никакие другие загрязнения или намеренные вмешательства практически не влияют на электропроводность меди с примесями, после того как она остыла! Несложно рассчитать необходимые меры охлаждения и параметры сплава, чтобы получить необходимый результат. В любом случае каждую партию электролизной или химической меди подвергают хроматоанализу и только потом дают ей соответствующую марку. Раз у Магомета не получилась 99%-ная гора, значит Магомет назначит 99% той горе, которая этого заслуживает. В свою очередь алюминий тоже отлично проводит электричество и заодно сам приобретает дополнительную прочность при легировании. Сплавов на основе меди и алюминия столько, что некоторые из них даже не имеют «просторечного инженерного» названия.
Сначала обратим внимание на огромный плюс меди: она растворяется в алюминии даже в твердой фазе, разумеется разогретой. Максимальная концентрация в 5,65% достигается при почти расплаве и снижается при понижении температуры. Интерметаллид CuAl2 своими размерами молекулы идеально вписывается как в расплав алюминия, так и меди, а поэтому придает сплаву механическую прочность и легирует температурную устойчивость примерно на +150 — 200 ℃.
Но не пытайтесь такой сплав сваривать любыми способами, кроме мгновенных! CuAl2 очень хрупок и тверд. Без точно сфокусированного лазера или точечной дуги при общем подогреве можно только разорвать свариваемую кромку. Дуга потребует опыта и «чуйки». Лазерный луч в таком виде работ подходит лучше.
Все просто: во времена расцвета электротехники этот сплав был одним из лучших и самым дешевым, но быстро выяснились его минусы, которые не дали ему прижиться в промышленности: настоящая эвтектика меди и алюминия достигается при 33% концентрации меди. И CuAl2, который своими дендритами обеспечивал прочность сплаву при 5 — 10% меди стал показывать свою хрупкость. Тонкие спайки или контакты после многочисленных итераций «прогрев-охлаждение» во время нагрузки и отключения вдруг неожиданно трескались и раскалывались. То есть даже удачный сплав с 6% меди быстро приходил в негодность после серии разогревов и охлаждений.
Но проблема оказалась с двойным дном: отличная растворимость меди в алюминии + небольшая температура плавления эвтектического сплава (+548℃) при медленном охлаждении позволила получить множество интересных сплавов с разной плотностью, электропроводимостью и даже разным паритетом прочность/литейность.
Лазерная сварка меди в различных отраслях
Теперь вы понимаете, что сварка меди — операция капризная, но не требующая знаний гуру. Достаточно внимания.
Первое: при сварке как меди, так и практически всех ее сплавов есть проблема непроплавления примесей. Медь химически слабоактивна, но вот металлические примеси отлично превращает в интерметаллиды со своими особыми свойствами. Хуже того, примесные соединения образуют очаговые участки со своими физическими свойствами - повышенными хрупкостью и теплоемкостью.
Эта проблема решается легко: вам нужен мощный сфокусированный луч. Еще неплохо бы иметь возможность дополнительного прогрева. Очевидно, что ручной пистолет или оттеньюированый робот для такой задачи подходят идеально.
Второе: в электронике и, в общем-то, в силовой релейной электротехнике часто приходится соединять тонкие пластины-контакты из меди или меди и алюминия. На этот раз нас поджидают две беды: остаточная деформация и нагрев. И нагрев, и температурные сдвиги могут легко «поубивать» радиодетали вокруг точки сварки, а в силовых цепях температура и керамика — вещи вовсе несовместимые.
И снова решение простое: скорость и мощный сфокусированный луч. Медь сравнительно медленно передает тепло и достаточно быстро остывает, так что волоконный лазер и робот-манипулятор вам в помощь.
Но вполне можно обойтись ручным волоконным лазером без дополнительной машинерии. Единственная особенность, на которую надо обращать внимание — это первичный прогрев области спайки. Необходимо предварительно создать «обратную замочную скважину», то есть аккуратно прожигать в течении нескольких секунд одну точку и только затем начинать двигаться, создавая шов.
Кстати у ручных волоконных лазеров есть еще одно прекрасное свойство — пистолет, да и сам волновод очень легкие. При необходимости для очень точной сварки, например электронных компонентов, можно воспользоваться любым легким и дешевым роботом-манипулятором.
Третье: есть еще одна сложная проблема, которую лазер и манипулятор могут сходу не решить. Потребуются предварительные эксперименты. Если два медных сплава или медь и сплав значительно отличаются в процентном содержании меди, то почти наверняка будут обеспечены термические трещины, а с ними непредсказуемые скачки электрического сопротивления потом. Придется полагаться на свою совесть в оценке успешности сварки, но лучше перестраховаться: лазер, робот и дополнительный прогрев. А еще лучше, если есть возможность, пару раз потренироваться на кусочках сплавов отдельно. С ручным лазером хватит буквально нескольких минут подготовки, чтобы «рука прочувствовала».