Линия лазерной герметизации приборов Pyramid LMC-3000

Ряд приборов, выполненных в алюминиевом, титановом или стальном корпусе, имеют криволинейную линию сопряжения крышки и основания. Это, прежде всего, бортовые и наземные модули управления авиакосмического применения и промышленные датчики. Единственным способом герметизации таких приборов в инертной среде является лазерная сварка.

Первый процесс в технологии — вакуумный/газовый отжиг. Он используется для очистки и осушения сборки «корпус/кристалл» перед тем, как кристалл будет герметически изолирован от внешней среды.

Корпуса подаются в печь отжига на металлических поддонах, которые ставятся на четыре нагреваемых полки внутри камеры из нержавеющей стали. Доступ в рабочую камеру осуществляется через массивную дверцу на внешних петлях. Каждая нагреваемая полка состоит из двух листов нержавеющей стали с заключенным между ними нагревателем, таким образом, конструкция представляет собой мармит. Еще одна полка установлена вверху камеры. Ее роль — отражать тепло, поднимающееся от четырех нагреваемых полок, таким образом поддерживая равномерность температуры в камере. Нагреватели управляются через термопары, подключенные к контроллеру. В предложенной системе имеется три отдельных контроллера, что дает возможность управлять тремя зонами внутри печи и поддерживать точность температуры в пределах 5 °С. Встроенная система защиты от перегрева предотвращает аварийный перегрев рабочей камеры.

Когда изделия на поддонах помещены в рабочую камеру, оператор закрывает дверцу. Оператор запускает программу термической обработки. По желанию пользователя программа содержит фазы вакуумной обработки, нагрева и охлаждения в заданных пределах. В памяти печи может быть сохранено несколько подобных программ, включающих время каждой стадии и предельно допустимые отклонения. Может быть также задано несколько циклов для лучшей очистки и «вымывания» нежелательных паров и газов. После выполнения программы рабочая камера наполняется чистым сухим азотом через впускной выпускной клапаны, что позволяет выровнять условия в печи и скафандре системы и довести давление в камере до атмосферного.

Как только процесс отжига завершен, оператор открывает внутреннюю сдвижную дверцу печи, примыкающую к скафандру, и вынимает поддоны, размещая их в чистой сухой азотной атмосфере скафандра.

Скафандр системы GB7/LW/880/1524 Laser Welding Glove box

Скафандр системы обеспечивает контролируемые чистые условия для проведения процесса шовной герметизации. Основная проблема процесса — это влага внутри корпусов, которую не допускают в скафандр, заменяя «влажную» нормальную атмосферу «сухой», чаще всего, чистым сухим азотом. Азотная атмосфера должна иметь точку росы ниже, чем –45 °C, что в значительной степени зависит от качества подаваемого азота (обычные требования по кислороду: 5 ppm или лучше). Улучшить параметры атмосферы можно, применив дополнительное оборудование — системы рециркуляции и осушения газов. Скафандр с перчатками изготавливается из нержавеющей стали, окрашивается и содержит встроенную систему контроля распределения газа по объему. Внутри части скафандра поддерживается избыточное давление для формирования барьера на пути влаги из внешней среды в систему. Азот подается в скафандр через датчик расхода и равномерно распределяется, проходя по системе трубок. Подпор давления поддерживается с помощью непроходных клапанов, откалиброванных на +12,5 Па (фитинг на 1/2"). Таким образом, азот выходит из системы, но влага в нее не попадает. Поскольку импульсы лазера вредны для человеческих глаз, кожух системы выполнен в соответствии с требованиями для лазеров класса 1 (см. также раздел «безопасность» ниже). Световод от источника излучения заведен в корпус системы через уплотнительную прокладку и соединен с лазерной головкой внутри корпуса системы внутри скафандра. 

Лазерная головка состоит из трех реколлимационных линз и одной фокусирующей линзы, которая подводит излучение от резонатора и фокусирует пучок с определенным диаметром. Лазерная головка смонтирована на направляющей оси Z и сделана подвижной, что позволяет добиться различного диаметра пучков и регулировать высоту головки для работы с различными корпусами. Ось Z зафиксирована на подвижной жесткой раме, которая крепится к основанию системы. Рама движется на подшипниках по направляющей так, чтобы облегчить доступ наладчика для выполнения операций смены защитного стекла фокусирующей линзы, смены самой линзы, юстировки угла головки и т. д. На раме лазерной головки также укреплена телекамера машинного зрения, которая дает прямое изображение корпуса через фокусирующую линзу лазера. 

Камера подключена к телемонитору и генератору перекрестия, которые находятся вне скафандра. Система камеры оснащена контроллером перемещения так, чтобы обеспечить одновременную фокусировку камеры и лазерного луча. Оператор имеет доступ в скафандр через порты с перчатками. Размер порта 254×152 мм, перчатки изготовлены из бутиловой резины и подсоединены через уплотнительное кольцо. Два центрально расположенных порта предназначены для операций загрузки/выгрузки корпусов и для регулировки системы перемещения рабочего стола, находящегося в центре скафандра. Порт с одного края скафандра используется для разгрузки изделий из вакуумной печи. Порт с другого края — для установки герметизированных изделий в воздушный шлюз. 

Оператор пользуется портами только для установки или перемещения изделий, поскольку в процессе лазерной сварки ему нельзя находиться так близко от излучения. Визуальный контроль (не в процессе сварки) осуществляется через три окна в корпусе скафандра. В процессе сварки окна закрываются защитным экраном, который в поднятом состоянии блокирует лазер. В экране предусмотрено небольшое (формата А5) окошко для наблюдения за свариваемым корпусом. Процесс также можно наблюдать на телемониторе. Внутри скафандра расположены две лампы дневного света. Они обеспечивают хорошую освещенность рабочего поля на всех стадиях процесса, исключая момент сварки. При включении лазера подсветка выключается, по окончании сварки — включается. Для нормального изображения на телемониторе на самой лазерной головке установлена кольцевая подсветка. Система оснащена сигнальным маяком с красным («авария») и синим («лазер включен») состояниями. Скафандр с одной стороны соединен с вакуумной печью LVM 254/SCU/3HT, а с другой стороны — с AL1/508/380, и отделен от обоих этих модулей дверцами в торцах. Система установлена на прочную алюминиевую раму, которая является основой для базовой поверхности скафандра, на ней смонтированы все подсистемы перемещения рабочего стола внутри скафандра. На случай выполнения сервисных и ремонтных работ над системой перемещения, с задней стороны скафандра, имеется большая съемная панель для доступа к этим узлам.

Система безопасности (Safety Interlock System)

В целях соответствия требованиям безопасности лазерного устройства класса 1, скафандр системы снабжен системами блокировок, препятствующих утечкам лазерного излучения, ведущим к повреждению зрения операторов. Система блокировок связана с системой управления лазера и отключает лазер при попытке открыть защитные экраны во время сварки. Система блокировок состоит из следующих узлов:

• Датчики закрытия дверцы вакуумной печи и воздушного шлюза. При открытии одной из этих дверец, лазер выключается.
• Датчик открытия задней панели. При открытии панели лазер выключается.
• Световой барьер в портах присоединения перчаток. Не допускает работы оператора руками во время сварки или во время движения рабочего стола. При помещении руки в перчатку во время работы лазера он автоматически отключается.
• Детектор давления в скафандре, осуществляющий измерение давления в скафандре.

Монитор влажности с зондом MMP/2 Moisture Monitor with Probe

Монитор влажности измеряет уровень содержания влаги в азотной атмосфере скафандра. Если заданный уровень влажности превышен, система выдает сигнал аварии и не позволяет работать лазеру. Это гарантирует, что ни одно из изделий не будет герметизировано в атмосфере с недопустимой влажностью (что могло бы вызвать проблемы с надежностью или сроком жизни изделия). Зонд располагается внутри скафандра, сам монитор влажности находится снаружи. Зонд пропущен сквозь корпус скафандра через герметичную прокладку во избежание попадания влаги сквозь место подсоединения.

Система вакуумного улавливания и рециркуляции паров от сварки

Система отсоса пыли и паров предназначена для удаления паров, образующихся при сварке в области рабочего стола системы. Такая система гарантирует отсутствие загрязнений внутри и на изделии, а также обеспечивает чистоту скафандра. Система состоит из рециркуляционного насоса, который сначала вытягивает пары через подвижную насадку, установленную вблизи корпуса изделия. Потом состав проходит через фильтры, чтобы удалить загрязнения. Сухой чистый газ затем накачивается обратно в скафандр для того, чтобы избежать потерь газа.

Система подмешивания аргона/гелия

Эта система используется для того, чтобы обеспечить наличие необходимого процента гелия внутри корпуса изделия после операции сварки, так чтобы после удаления изделий из скафандра можно было проверить наличие мелких утечек. Система состоит из сдвоенных датчиков объемного расхода для азота и смеси аргона/гелия, на которых вручную устанавливается требуемый уровень в процентах. Нормальная смесь состоит из 90% аргона и 10% гелия. Газы смешиваются внутри емкости из нержавеющей стали перед попаданием в скафандр через распределительные трубки, для того чтобы распределение было более равномерным.

Система управления лазером

Система управления перемещениями используется для позиционирования корпуса изделия под лазерной головкой. Приводы представляют собой герметичные конструкции с винтовой направляющей и интегрированными электродвигателями. Все приводы имеют усилители и концевые датчики, что обеспечивает хорошую повторяемость и надежность. В управляющий компьютер установки загружаются чертежи изделия в формате CAD (расширение DXF) и автоматически конвертируются системой для создания траектории движения лазерного луча. Альтернативно траекторию можно задать вручную, пользуясь системой машинного зрения. Лазерный луч и телекамера точно отъюстированы по оси и фокусу, что облегчает их совместное использование в процесс программирования и работы с системой. Вы помещаете перекрестие на какую-либо точку, и это автоматически будет точкой попадания лазерного луча. Если вы сфокусировали изображение на телемониторе, значит, и лазер тоже в фокусе. Такая организация регулировки оптимальна для пользователя. 

Функция также поддерживается специальной программой Pyramid, позволяющей передавать изображение на монитор управляющего компьютера для того, чтобы задавать параметры и видеть изображение на одном, а не двух мониторах. При нештатных ситуациях диагностический модуль программного обеспечения выдает сообщение об ошибке. С точки зрения универсальности системы важно заказать при покупке правильный тип рабочего стола. Фирма-изготовитель в будущем может дооснастить систему другим рабочим столом в пределах размера скафандра, но такой вариант менее целесообразен экономически.

Функции узла лазерной сварки

Лазерная сварка была разработана в начале 1970-х годов. С тех пор в процесс внесены изменения, прежде всего внедрение систем компьютерного управления и повышения мощности и надежности. Лучший тип лазера для герметизации корпусов — это традиционный неодим-иттриевый гранат (Nd/Yag). В таком лазере электроны твердого кристалла Nd/Yag стимулируется излучением мощной лампы с электронным управлением. Этот тип лазера выдает монохроматическое излучение с длиной волны 1,06 мкм (инфракрасная часть спектра, невидимая глазу). Для того чтобы лазерный луч смог выполнить свою функцию, его необходимо доставить в зону сварки, что и делается с помощью гибкого оптоволоконного тракта. Оптика на основе оптоволокна может иметь очень большую длину и очень удобна для переноса лазерного луча от источника к рабочей зоне. Оптоволокно надежно защищено внешним кожухом и имеет систему, отключающую лазер при возникновении нештатной ситуации с оптоволокном. Луч лазера, доставленный по оптоволокну внутрь скафандра, должен быть сфокусирован в маленькую точку с энергией, достаточной для выполнения сварки. Эта функция осуществляется узлом фокусировки, состоящим из фокусирующей линзы, которая обеспечивает нужный диаметр луча, в среднем от 0,3 до 0,6 мм. 

Сфокусированный луч затем должен быть прецизионно направлен на место сварки, что достигается применением интегрированной системы машинного зрения, ось которой совпадает с лазерным лучом. Импульсы лазера регулируются по длительности, частоте и амплитуде системой управления. Дискретность излучения означает, что мгновенная мощность излучения достигает нескольких киловатт, в то время как средняя мощность — нескольких сотен ватт. Энергия излучения устанавливается так, чтобы достичь необходимой степени воздействия (в зависимости от толщины крышки, материала корпуса и т. д), частотой импульсов можно регулировать скорость перемещения лазера, следя за общей температурой корпуса и кристалла изделия. Нормальная герметизация достигается серией импульсов, частично перекрывающих координаты друг друга. В процессе сварки сфокусированный луч направлен на поверхность будущего соединения. Излучение поглощается материалом методом термической кондукции. Мощность излучения отрегулирована так, чтобы достичь достаточной температуры материала выше точки его плавления, но ниже точки испарения. Материал находится в жидком состоянии достаточно долго — для начала перемешивания металлов крышки и корпуса и последующего отверждения и остывания. Преимуществом такой сварки является то, что в процессе не добавляется инородного металла, весь процесс проходит только с участием металлов крышки и корпуса. Таким образом, в широком диапазоне сплавов может быть достигнуто высочайшее качество сварных соединений.

Воздушный шлюз AL1/508/380 GB1 Airlock

Шлюз служит для удаления готовых изделий из внутреннего пространства установки. Он формирует барьер между сухой инертной внутренней средой системы и внешней средой. В закрытом состоянии в шлюз подается та же атмосфера, что и в скафандр, чтобы при помещении в шлюз изделия из рабочей зоны не загрязнить внутреннюю среду. Шлюз изготовлен из нержавеющей стали, окрашен и состоит из системы подачи газа, подводящей и распределяющей азот внутри шлюза. В шлюзе создается избыточное давление во избежание попадания внешней влаги. Азот подается в систему через датчик расхода (ратаметр) и равномерно распределяется через распределительную трубку. Избыточное давление поддерживается непроходным клапаном, установленным на манометре посадочным размером 1/2". Это предотвращает потери азота и в то же время не позволяет попадать влаге внутрь. Оператор имеет доступ в шлюз через порт размером 254×152 мм с неопреновой резиновой перчаткой, подсоединенной через уплотнительное кольцо. В шлюзе также имеется стеклянное окно и освещение. Более подробно все описано в руководстве Glove box Enclosures and Systems refers. Шлюз содержит две дверцы. 

Внутренняя сдвижная дверца расположена на торце скафандра так, чтобы ее можно было открыть как из шлюза, так и из крайнего порта самого скафандра. Обычно оператор проводит сварку нескольких изделий, прежде чем поместить их в шлюз. После такого переноса дверца герметично закрывается с помощью пневматических замков. 

Внешняя дверца шлюза подвешена на петлях, открывается после герметизации внутренней дверцы и позволяет вынуть готовые изделия из системы во внешнюю среду. Затем дверца закрывается. Важно отметить, что открытой может быть либо внутренняя, либо внешняя дверца шлюза, чтобы сохранить условия внутри скафандра. После открывания внешней двери системе требуется около 10 мин для восстановления сухой азотной атмосферы внутри шлюза. После 10-минутной продувки азотом условия внутри шлюза выравниваются с условиями внутри скафандра, так что оператор может снова открыть внутреннюю дверцу для выгрузки изделий из рабочей зоны.

Система очистки газов RGD 1102 Gas Purification System

Система является экономически оправданной для снижения расхода азота, а также понижает точку росы подаваемого газа. Система состоит из двух колонн, внутри которых находится молекулярное сито и медный катализатор для удаления молекул воды и кислорода до уровня 1 ppm. Вентилятор нагнетает сухой азот из скафандра через одну из колонн, где газ фильтруется и очищается перед повторным попаданием в скафандр. Пополнение азота происходит автоматически через фотодатчик давления. В то время как одна колонна системы работает, другая регенерируется. Регенерация производится с помощью комбинации нагрева, вакуума и введения форминг-газа (смеси водорода и азота). Переключение между колоннами производится автоматически через управляющий контроллер. Система очистки и регенерации позволяет снизить расход азота в 4–5 раз.