Оборудование для ионной имплантации. Принцип работы любой установки для ионной имплантации состоит в ионизации в ионном источнике газообразных, жидких или твердых веществ и ускорении ионов в электростатическом поле. После разделения ионного пучка по массе сепарированный пучок ионов направляется на мишень-образец, находящийся в вакуумной камере. Для обеспечения однородности распределения заряда на поверхности проводят сканирование. Дозу имплантации определяют интегратором тока. Установки для ионной имплантации различаются способами ускорения, напряжением, способами фокусировки, источниками питания.
Установка для ионной имплантации включает: ионный источник У; системы ускорения и фокусировки ионов, разделения пучка ионов по массе, сканирования пучка 6; приемную камеру 2 и вакуумную систему. Имеется несколько типов ионных источников, основанных на различных принципах ионизации: электронным ударом, фотоионизация, химическая ионизация.
Источники с ионизацией атомов на разогретой поверхности твердых тел находят применение в исследовательских установках. Основное преимущество источников этого типа — малый разброс ионов по энергиям, основной недостаток — сравнительно малые токи. Такие источники используются при контролируемом нанесении пленок щелочных и щелочно-зе-мельных металлов, для получения пучков малого диаметра, в установках для получения узловых закономерностей при взаимодействии ионов с твердым телом, при анализе материалов.
Источник ионизации электронным ударом типа Нира применяется в масс-спектромет-рических устройствах. Сила выходного тока не превышает нескольких микроампер вследствие низкой ионизации (10~5). Разброс по энергиям составляет 2…3 эВ. В источниках типа плазмотрона также используется ионизация атомов электронным ударом. Они обеспечивают значительные ионные токи при малом разбросе ионов по энергиям, не превышающем 10 эВ. Основной недостаток — необходимость использования блоков электрического питания, находящихся под высоким потенциалом относительно земли.
В промышленных установках ИЛУ-4 и ,гВезувий-4″ применены источники с дуговым разрядом в парах рабочих веществ. Кроме того, для стабильного поддержания дугового разряда используется также ионизация электронным ударом. Рабочим веществом может быть газ (например, аргон), водород, гелий или пар (например, фосфор). Главным преимуществом дуговых источников является получение ионных пучков с большой силой тока. К недостаткам относятся сложный состав получаемого ионного тока, необходимость специальной стабилизации разряда, разброс ионов по энергиям, неравномерность плотности тока по сечению пучка.
В газоразрядных источниках с горячим катодом типа Пеннинга ионизация молекул и атомов осуществляется электронным ударом. Источники такого типа характеризуются значительным (менее 100 эВ) разбросом ионов по энергиям. В составе пучка находятся ионы материалов электродов, подвергнутых ионной бомбардировке и распылению. Такие источники используются в установках для обработки материалов ионными пучками, нанесения покрытий.
В высокочастотных разрядных ионных источниках электроны получают необходимую энергию для ионизации атомов, ускоряясь в электрическом высокочастотном поле. Разброс ионов по энергиям в таких источниках составлял 50… 100 эВ, а в новых конструкциях он снижен до 1…2 эВ. Основными недостатка- ми высокочастотных разрядных источников являются необходимость тщательного экранирования с целью исключения влияния высокочастотных наводок на измерительную аппаратуру, трудность получения ионов металлов, неспособность работать при повышенных температурах, необходимость контроля параметров и управления ими, недостаточно длительный цикл непрерывной работы (50… 100 ч). Однако высокочастотные источники характеризуются простотой конструкции и надежностью работы, на изготовление не требуется больших затрат, удобны в эксплуатации, отличаются экономичностью.
Для получения тяжелых ионов можно использовать источники с дуговым разрядом в парах материалов электродов. В установках с такими источниками используются ионные пучки и ускоренная плазма. Плазменные ускорители применяют, например, для высокоскоростного нанесения пленок, откачки газов. Они экономичны, высокопроизводительны, универсальны. В некоторых случаях находят применение лазерные ионные источники, в которых разброс ионов по энергиям составляет 0,2…0,5 эВ, искровые ионные источники, позволяющие «получать многозарядные ионы, но отличающиеся невысокой стабильностью ионного тока; источники с тлеющим разрядом, в которых обеспечивается высокая плотность тока, но затруднено измерение энергии ионов и невелика глубина их проникновения.
Высокие энергии сообщаются ионам с помощью систем ускорения двух типов: в одиночном зазоре между двумя электродами и в многозазорных ускорительных секциях. Одиночные зазоры надежно работают при ускоряющих напряжениях 40 кВ, но при напряжении свыше 100 кВ в подобной системе ускорения появляются пробои. Более надежны многозазорные ускорительные секции, обеспечивающие постепенный рост энергии ионов в каждом зазоре на 15…20 кэВ. Для фокусировки ионов применяют электростатические линзы (одиночные, иммерсионные, диафрагмы с отверстием).
Особенности основных узлов. Установка для механизированной сварки контактным плавлением включает: механическую часть, предназначенную для выполнения сборочно-сварочных операций; электрическую часть управления сборочно-сварочными операциями; источник питания; узлы аппаратуры газового обеспечения защиты зоны сварки. В состав механической части установки входят узлы, обеспечивающие сборку деталей под сварку и узел подвода тока к месту сварки. В большинстве случаев, на специализированных установках сварка производится по двухэлектрод-ной схеме, когда оба полюса источника питания подключают к сварочным электродам. При такой схеме практически исключается значительное протекание тока по свариваемой детали, благодаря чему сводятся к минимуму дополнительные потери энергии и деформация деталей от теплового воздействия. Кроме того, в 2 раза сокращается машинное время сварки.
При двухэлектродной схеме сварки электроды обычно размещены диаметрально противоположно и подпружинены, в результате чего создается необходимое давление в месте контакта электрод—деталь, исключаются ценообразование и нарушение процесса сварки. Для сварки применяют неплавящиеся электроды из тугоплавкого материала — вольфрама или молибдена (прутки диаметром 2… 10 мм) или специально разработанные электроды из керметов, в состав которых входят нитриды титана (основа), оксиды алюминия, вольфрам или молибден, никель и другие компоненты. Электроды из кермитов имеют цилиндрическую форму (3…10 мм), а контактный торец — клиновидную или конусную форму с закруглением на вершине. Один из электрододержателей изолирован от корпуса установки во избежание шунтирования тока помимо места сварки.
При сварке контактным плавлением подпружиненными электродами осуществляется самокопирование свариваемой поверхности, в связи с чем исключается необходимость в копирующем устройстве и упрощается конструкция сварочной установки. Электрододержатели закрепляются на планшайбе, которая перемещается посредством электропривода. Подвод тока к электрододержателям осуществляется через гибкие перемычки, позволяющие держателям свободно качаться на оси их крепления в необходимых пределах при скольжении электродов по свариваемому стыку. Подеод тока к гибким перемычкам производится через скользящий контакт.
В тех случаях, когда во время сварки движется свариваемая деталь, электрододержате-ли крепятся в неподвижной головке или на стойках. При этом исключается скользящий токоподвод, что упрощает конструкцию токо-подводящего узла и повышает надежность работы системы токоподвода. Питающие кабели подсоединяются непосредственно к гибким перемычкам, связанным с электрододержате-лями.
Особенности установок. Установка А-1459 для сварки стальных трубопроводов в монтажных условиях состоит из комплекса сварочных головок для сварки поперечных стыков труб диаметром 20, 30 и 50 мм.
Сварочная головка А-1384 предназначена для равномерного поступательного перемещения электродов вдоль свариваемого стыка, удержания электродов на стыке подвода сварочного тока к электродам, крепления на ней вспомогательных узлов и деталей и проведения сварочных работ с целью получения прочного и герметичного соединения изделий. В конструкцию сварочной головки входят корпус, узлы электрододержателей, прижима электродов и подачи защитного газа. Разъемный корпус обеспечивает установку сварочной головки на изделие, ее крепление и исключает поперечное перемещение электродов на стыке. Привод вращения головки вокруг свариваемого стыка осуществляется от электромеханизма ДП2-26 через планетарный редуктор.
Малогабаритная сварочная головка Н, предназначенная для сварки кольцевых стыков трубок из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т, выполнена по двухэлектродной схеме с использованием неплавящихся электродов из кермитов или вольфрама . Неразъемный корпус головки имеет вырез в радиальном направлении для возможности ее установки на трубопровод и снятие ее со стыка после окончания сварки. Узел сборки и центровки трубок оригинальной конструкции состоит из разъемных цанг, расположенных в направляющих, и специальных гаек с радиальным вырезом, посредством которых осуществляется перемещение цанг при фиксации трубок. Подвод тока к электрододержателям производится через скользящий контакт. Вращение планшайбы с электродами осуществляется посредством электродвигателя через понижающий редуктор. Сварочная головка Н обеспечивает качественную сварку стыков трубок.
Установка предназначенная для сварки поперечно-шовных сильфонов с наружным диаметром 62 мм и внутренним 40 мм с толщиной стенки 0,2 мм из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т, имеет сборочные устройства. Первоначально свариваются внутренние швы, когда соединяются два элемента сильфона; сварка осуществляется по од-ноэлектродной схеме неплавящимся электродом из вольфрама диаметром 3 мм. Для обеспечения качественной защиты соединений сварка сильфонов выполняется в защитной микрокамере.
Для механизированной сварки одно- и двухлитровых термосов из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т с толщиной стенки 0,5 мм разработан комплекс установок УД. Комплекс состоит из шести установок. Последовательность работы комплекса по сварке термосов следующая: сварка поперечного кольцевого стыка внутренней колбы; сварка крышки наружной колбы с обечайкой; сварка горловины с внутренней колбой; сварка горловин внутренней и наружной колб; приварка дна к наружной колбе; сварка горловины с наружной колбой.
В комплект каждой установки входят: станина с вращателем; блок сварочных головок с электрод одержателям и; центратор и сборочные устройства; источник питания типа И; шкаф управления; устройства для загрузки деталей и выгрузки сваренных узлов.
Откачные системы в установках с выводом пучка в атмосферу имеют несколько независимых ступеней откачки. Схема каждой ступени выбирается в зависимости от давления в ней, причем для ступени с давлением, близким к атмосферному, выбирают насосы типа РВН или водокольцевые, которые длительное время могут работать при высоком давлении с высокой производительностью, а для откачки полости катодного узла пушки предпочтительны турбомолекулярные насосы.
Сварочные манипуляторы. Сварочные, установочные и транспортные перемещения свариваемого изделия и электронной пушки осуществляются в соответствии с конфигурациями сварных швов, в числе которых характерными являются линейные, кольцевые и круговые в основном на горизонтальной и вертикальной плоскостях, а иногда на наклонных, конусных или сферических поверхностях, а также при различных их комбинациях. В соответствии с этим в состав манипуляторов входят различные механизмы и устройства.
На рис. представлена классификация манипуляторов установок для электроннолучевой сварки и их основных механизмов и устройств, согласно которой манипуляторы делятся на две основные группы: манипуляторы изделия и манипуляторы пушки . Первые являются непременным элементом практически любой установки, а вторые используются в тех случаях, когда сварочная пушка перемещается внутри вакуумной камеры.
По конструктивному исполнению сварочные манипуляторы подразделяются на универсальные с большим числом степеней свободы и специализированные — с ограниченным числом степеней свободы. Первые обеспечивают широкие технологические возможности, но имеют сложную конструкцию, что обусловливает их высокую стоимость. Применение универсальных манипуляторов целесообразно при единичном и мелкосерийном производстве с частой сменой типа свариваемых изделий. Специализированные манипуляторы намного проще по конструкции. Они предназначены для конкретного изделия (или группы однотипных изделий) и применяются как сменные манипуляторы. Основным их недостатком являются дополнительные затраты времени (иногда довольно значительные) на переналадку, установку дополнительных устройств и пр. Однако при крупносерийном и массовом производстве сменные устройства для сварки различных изделий позволяют получить максимальный эффект.
Использование сменных устройств предусмотрено во многих конструкциях отечественных установок У и др. Манипуляторы со сменными устройствами широко применяются и за рубежом. Такие фирмы как Эдварде (Великобритания), Юнион Карбайд (США) и другие разработали и рекомендуют сменные манипуляторы для промышленных установок. Манипуляторы изделия чаще всего выполнены в виде тележек, вращателей, двухкоорди-натных столов и других устройств с электромеханическим приводом. Манипуляторы сварочной пушки имеют вид шарнирно-рычаж-ных устройств, направляющей траверсы, по которой перемещается каретка с шарнирно закрепленной на консоли сварочной пушкой, двух- и трехкоординатных механизмов прямолинейного перемещения, а также различных самоходных портальных механизмов приводятся в действие от электромеханического привода.
Механизмы подачи присадочных материалов. Обычно ЭЛС ведется без подачи присадочных материалов в сварочную ванну. В необходимых случаях используются механизмы для подачи проволоки и сыпучих материалов. Механизмы подачи присадочных материалов можно разделить на две группы: 1) стационарные; 2) перемещаемые в вакууме. Механизмы первой группы используются в установках со стационарно закрепленной пушкой. Если пушка в процессе сварки перемещается внутри вакуумной камеры, то используются механизмы второй группы. Механизмы подачи проволок отличаются от аналогичных механизмов дуговых сварочных установок большей точностью подачи проволоки под пучок и повышенной стабильностью ее скорости. При диаметре пучка менее 1 мм и наиболее распространенном при ЭЛС диаметре проволоки 1…2 мм отклонение оси проволоки от оси пучка и стыка более 0,5 мм приводит к существенному изменению условий плавления проволоки. В связи с этим направляющий мундштук располагается как можно ближе к сварочной ванне, а вылет проволоки обычно не превышает 3…5 мм. Механизмы подачи сыпучих материалов — обычно бункеры с дозирующими устройствами.
Системы наблюдения. К системам наблюдения за процессом ЭЛС относятся смотровые окна, оптические и телевизионные системы, которые используются как раздельно, так и в различных комбинациях. Смотровые окна кроме прочного иллюминаторного стекла содержат рентгеновское стекло, необходимое для защиты обслуживающего персонала от рентгеновского излучения из сварочной ванны. Форма, размеры, конструкция, а также расположение смотровых окон на сварочной камере в каждом конкретном случае зависят от условий удобного наблюдения. При ЭЛС крупногабаритных изделий, когда место сварки удалено от оператора на значительное расстояние, а также при микросварке, визуальное наблюдение через смотровые окна уже недостаточно, поэтому используются оптические устройства, увеличивающие объект наблюдения в 5…50 раз. Указанные устройства могут быть независимыми и встроенными в конструкцию смотрового окна или сварочной пушки. Используются как окулярные оптические устройства, так и системы вывода изображения на экран.
В ряде случаев через шлюзовые окна свариваемые изделия и спутники могут проходить без трения с гарантированным зазором (0,05…0,1 мм). При этом значительно повышается надежность установки вследствие резкого снижения усилий проталкивания заготовок, исключения вакуумной смазки и износа уплотнителей. Недостатком такой системы является необходимость высокой точности изготовления устройств. Установки, построенные по схеме проталкивания свариваемых изделий через вакуумные уплотнения, имеют производительность до 500 изделий в 1 ч, т. е. вполне приемлемую для серийного или массового производства.
Установка УЛ со шлюзовой системой на основе скользящих вакуумных уплотнителей предназначена для изготовления поршней с масляной полостью охлаждения применительно к мощным двигателям внутреннего сгорания. Она имеет пятипозиционный поворотный стол, на рабочей поверхности которого закреплен уплотнитель, а на противоположной — гнезда для сварочных камер. Стол с уплотнителем прижат к неподвижной плите, в которой выполнены сквозные отверстия, форма, число и расположение которых соответствуют гнездам поворотного стола. Свариваемый поршень загружается в сварочную камеру, которая специальным механизмом на позиции загрузки выводится из-под стола для удобства обслуживания. Поворотный механизм возвращает камеру с заготовкой в рабочее положение и поднимает ее до стыковки с гнездом поворотного стола. Тем же ходом поворотного механизма на позицию перегрузки подается следующая камера со сваренным изделием. Камера с заготовкой после позиции загрузки попадает на позицию предварительной откачки, затем на позицию форвакуумной откачки. Время откачки камер на этих позициях не превышает 15 с. Время сварки одного шва диаметром 120… 125 мм при двух проходах составляет 25…30 с. При этих условиях производительность установки достигает 120 деталей віч.
На основе скользящего уплотнения выполнена и шлюзовая система установки Патон. Установка предназначена для сварки блоков шестерен. Конструкции стола и оснастки позволяют выполнять сварку деталей диаметром менее 170 мм и высотой до 300 мм.
В некоторых конструкциях шлюзовых систем на основе скользящих уплотнителей вместо поворотных столов применены поворотные барабаны. На этом принципе создана установка УЛ барабанного типа со шлюзовой системой для сварки изделий 2 средних и крупных габаритов . Неподвижным корпусом служит цилиндр диаметром 600 мм, внутренняя полость которого соединена с атмосферой. Внутри этого цилиндра размещены сварочная пушка 1 и патрубки откачной системы, а снаружи смонтирован поворотный барабан. Сварочные камеры закрепляют на наружной поверхности барабана, причем их форма может быть самой разнообразной, а размеры, особенно по длине, могут превышать размеры поворотного барабана.
