способ изготовления сварных изделий из кварцевого стекла

Формула изобретения

Способ изготовления сварных изделий из стекла, преимущественно кварцевого, включающий подготовку подлежащих сварке поверхностей деталей, стыковку деталей, лазерную сварку и последующий отжиг, отличающийся тем, что свариваемые детали в зоне сварки выполняют с припуском не менее 2 мм в направлении, перпендикулярном их поверхности, подготовку подлежащих сварке поверхностей деталей производят путем механической фиксации взаимного углового положения деталей и обрезки припусков лазерным излучением с обеспечением параллельности стыкуемых поверхностей, а стыковку деталей осуществляют с сохранением взаимного углового положения деталей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам изготовления особо чистых сварных изделий из кварцевого стекла, в частности оснастки из кварцевого стекла для производства сверхбольших интегральных схем (СБИС).

Известен способ сварки деталей из кварцевого стекла, при котором между свариваемыми деталями помещают непрозрачную для лазерного излучения прокладку из окиси кремния с добавками, а излучение лазера, мало поглощаемое кварцевым стеклом, направляют на прокладку до ее расплавления и перемещают излучение по месту стыка [1] Способ характеризуется наличием примесей в присадочном материале прокладки, что определяет низкую стойкость сварного соединения к термоциклическому режиму эксплуатации изделий из-за возникновения термических напряжений в сварном шве, а также диффузию примесей (добавок) из прокладки в рабочее пространство печей в ходе их эксплуатации.

Прототипом изобретения является способ изготовления сварных изделий из стекла, включающий подготовку подлежащих сварке поверхностей деталей, стыковку деталей, лазерную сварку и последующий отжиг [2]

Недостатком способа по прототипу является загрязнение шовной зоны изделий при подготовке (подгонке) стыкуемых поверхностей. При этом резко снижаются эксплуатационные свойства сварных изделий, используемых для высокотемпературных технологий. Другим недостатком способа по прототипу является высокая трудоемкость операции подгонки стыкуемых для лазерной сварки поверхностей.

В связи с этим существует задача создания незагрязняющего способа сварки стекла при снижении трудоемкости и улучшении качества изготовления сварных изделий из кварцевого стекла.

Поставленная задача решается следующим образом.

При известном способе изготовления сварных изделий из стекла, включающем предварительную подготовку подлежащих сварке поверхностей деталей, стыковку деталей, лазерную сварку и последующий отжиг, свариваемые детали в зоне сварки выполняют с припуском не менее 2 мм в направлении, перпендикулярном их поверхности, подготовку подлежащих сварке поверхностей деталей производят путем механической фиксации взаимного углового положения деталей, обрезки припусков лазерным излучением с обеспечением параллельности стыкуемых поверхностей, а стыковку деталей осуществляют с сохранением взаимного углового положения деталей.

Технический результат от применения предлагаемого способа состоит в возможности изготовления более высокого качества, например, сварных изделий из особо чистого (ОСЧ) кварцевого стекла при существенном снижении трудоемкости изготовления изделий.

Основным техническим преимуществом изобретения по сравнению с прототипом является отсутствие загрязнений, вносимых в зону сварки обрабатывающими инструментами, за счет того, что детали, подлежащие сварке, выполняют с припуском не менее 2 мм от предлагаемого сварного шва и осуществляют лазерную незагрязняющую обрезку припусков перед соединением деталей лазерной сваркой.

Другим техническим преимуществом предлагаемого способа по сравнению с прототипом является снижение трудоемкости изготовления сварных соединений за счет исключения из технологического процесса достаточно трудоемкой операции подготовки (подгонки, шлифовки) свариваемых поверхностей. Это достигается применением взаимной фиксации деталей по угловому положению перед резкой и стыковкой свариваемых деталей после проведения операции лазерной обрезки при фиксированном взаимном угловом положении деталей, позволяющей обеспечить необходимый для проведения сварки минимальный зазор между ними.

На фиг. 1 изображена поэтапная схема процесса изготовления цилиндрических сварных изделий из кварцевого стекла при сварке деталей встык; на фиг. 2

поэтапная схема производства фланцевого соединения для сосуда из кварцевого стекла.

На фиг. 1 показан схематически поэтапный процесс изготовления реакционного сосуда из кварцевого стекла по предлагаемому способу. Сосуд состоит из трех деталей фланцев 1 и 3 и корпуса 2. Фланцы изготавливаются согласно способу соответственно длиной A и C с припусками 2 мм в осевом направлении. Величина припуска D определяется максимальной шириной зоны термического влияния при последующей незагрязняющей лазерной обрезке торцев. При D 2 мм, как показали спектральные и химические исследования, полностью исключается появление следов загрязнения материалом обрабатываемых инструментов на торцах деталей, в данном случае после их вторичной лазерной резки.

На фиг. 1а показано схематическое расположение трех указанных деталей на этапе предварительной сборки при использовании трехшпиндельного технологического устройства крепления и вращения деталей, однако способ может быть реализован в этом примере и с последовательным во времени использованием двухшпиндельного устройства. Каждая из трех деталей или очередная пара деталей (в последнем случае) закрепляется в отдельных шпинделях (не показаны) с обеспечением их соосности.

На фиг. 1б схематически изображена операция обрезки припусков деталей лазерным излучением при помощи лазерной головки 4. Наиболее целесообразным для реализации целей изобретения способом резки припусков является способ прецизионной резки кварцевого стекла в режиме квазистационарного разрушения материала, описанный в авт. св. N 1436362, обеспечивающий минимальную высоту микронеровностей по поверхности резки, следовательно, минимальный средний зазор между деталями на этапе сварки. Устойчивость резки, т. е. квазистационарная (неизменная в координатах, связанных с осью пучка) деструкция материала на передней (разрушаемой) стенке реза, обеспечивает низкие остаточные термические напряжения в материале вблизи кромок реза. В связи с этим на стыкуемых кромках, подлежащих сварке, отсутствуют макро- и микротрещины, что позволяет избежать при подготовки деталей к сварке дополнительных трудозатрат, связанных с необходимостью заплавления (сплавления) дефектных кромок в ходе дополнительной операции с использованием, например, газовых горелок. Обрезку торцов деталей целесообразно производить таким образом, чтобы поверхность образующей кромки деталей была перпендикулярна оси деталей. Это обеспечивает проведение последующей операции сварки и позволяет получить сварное соединение, равнопрочное с материалом деталей.

Окончательную предсварочную сборку стыковку деталей (фиг. 1в) производят путем взаимного осевого перемещения заготовок-деталей с сохранением их взаимного радиального положения для предотвращения влияния неточностей предварительной сборки на средний зазор между деталями. В условиях макетного образца установки реальный зазор между деталями удается снизить до величины менее 0,08 мм (при диаметре цилиндрических деталей порядка от 250 до 300 мм).

На фиг. 1г и д показан заключительный этап изготовления сварки встык цилиндрических деталей 1 и 2, 2 и 3. Сварку, в частности, можно производить тем же лазером и той же лазерной головкой 4, которую использовали при резке. При этом должны быть снижены мощность в пучке, линейная скорость перемещения пучка по линии сварки и расход газа, подаваемого в сопло головки. Как правило, в ходе сварки и после нее проводится термообработка соответственно околосварочной зоны и всего изделия в целом (см. например, [1]). Сварку толстых деталей ( толщиной более 1,0 мм) целесообразно проводить в режиме глубокого проникновения лазерного пучка, однако тонкие детали могут быть сварены лучом в режиме проплавления материала за счет теплопроводности.

На фиг. 2 показана поэтапная схема производства фланцевого соединения (например, деталей 1 и 2 на фиг. 1) сосудов из кварцевого стекла. При предварительной сборке (фиг. 2а) заготовка для фланца в виде диска 5 или диска с отверстием диаметром не более диаметра трубки с учетом припуска и заготовка для трубки 6 с припуском 2 по длине устанавливаются соосно в раздельных шпинделях (на фиг. 2 не показаны). Перед окончательной сборкой производят лазерную обрезку одного припуска D на трубке и лазерное вырезание отверстия во фланце (фиг. 2б). При вырезании отверстия во фланце образующая трубки 6 служит базой для установки текущего радиального смещения лазерной головки (реализуемое, например, с помощью пружинно-рычажного устройства 7, соединенного с лазерной головкой, и обкатывающего ролика 8). Таким образом предварительная сборка деталей 5 и 6 позволяет получать во фланцах 6 отверстие, повторяющее форму поверхности сопрягаемой с фланцем трубы и обеспечить минимальный зазор между деталями по всей окружности трубы.

Окончательную сборку деталей перед сваркой (фиг. 2в) производят путем относительного осевого перемещения подлежащих сварке деталей без изменения их взаимного радиального положения. Сварку деталей 5 и 6 производят лазерной головкой 4. В результате сварки блок фланцевого соединения имеет размер (A + D), где D припуск, обрезаемый при последующих операциях сварки готового изделия.

Пример. На макетном образце установки лазерной обработки сваривали трубчатые элементы вакуумной печи из кварцевого стекла. Диаметр (наружный) труб D 92 мм, толщина стенки В от 4 мм до 6 мм. В двухшпиндельном технологическом блоке макета проводили предварительную сборку соосно полых цилиндров-заготовок из кварцевого стекла, обрезанных алмазным инструментом, длиной от 60 до 100 мм. Затем проводилась отрезка припусков CO₂-лазерным излучением с использованием лазера типа "Комета-2". Мощность в пучке измерялась измерителем мощности излучения ИМО-2М и устанавливалась равной 600 Вт. Время резки 2,5 мин, режим резки устойчивое разрушение передней кромки. Сварка проводилась после проведения заключительной сборки деталей излучением того же лазера при мощности в пучке 200 Вт. Время сварки 25 мин, линейная скорость сварки около 0,2 мм/с. В результате сварки получен вакуум-плотный сварной шов. Спектральный и химический анализ материала и околошовной зоны не показал изменения состава указанных участков по сравнению с составом исходных труб из кварцевого стекла. Для сравнения: время подготовки свариваемых поверхностей механической шлифовкой составляет 0,6-0,8 ч.