Есть контакт

Производство транспортных средств — сложный и трудоемкий процесс, требующий множества инженерных решений. На крупных автомобильных заводах благодаря роботизированной контактной сварке удается значительно снизить время работы над кузовом легкового или грузового автомобиля, причем без потери качества. Но можно ли усовершенствовать сам метод точечной контактной сварки? Ученые НИТУ «МИСиС» разработали новую технологию по производству диодов, позволяющих вдвое повысить скорость соединения деталей, а также продлить срок работы сварочных аппаратов. N + 1 в партнерстве с НИТУ «МИСиС» рассказывает об этом подробнее.

О чем речь?

Все современные высокотехнологичные машины — автомобили, самолеты или суда — имеют очень сложную конструкцию, и их приходится собирать из большого количества деталей. Изначально для тех деталей, которые нужно соединить раз и навсегда, применяли заклепки. Но к середине XX века во многих областях машиностроения заклепки вытеснила сварка. Полученные таким способом соединения получаются не менее прочными, а их вес, по сравнению с заклепочными, получается ниже.

В серийном промышленном производстве часто используется точечная контактная сварка — очень быстрый процесс, который к тому же не требует дополнительных расходных материалов. Принципиально этот процесс устроен довольно просто. Сначала две не очень толстые металлические детали, как правило толщиной в несколько миллиметров, прислоняют друг к другу и с двух сторон подводят к месту будущего соединения два электрода. Через электроды пропускают электрический ток. Обычно импульс тока длится секунду или даже меньше, но за это время через детали в месте контакта проходит ток силой в тысячи ампер, из-за чего они нагреваются и успевают расплавиться, а после остывания между ними образуется надежное соединение.

Герметичные швы, например при прокладке труб, таким способом делать сложно, но этот вид сварки удобен для производств, где требуется быстро создавать большое количество точечных соединений. Например, точечную сварку часто применяют на автомобильных заводах, где на один кузов легкового автомобиля приходится несколько тысяч таких соединений. При таком объеме работ скорость их выполнения крайне важна и напрямую влияет на стоимость машины.

Помимо этого, точечная сварка удобна для серийных производств тем, что ее довольно легко автоматизировать — роботу достаточно знать длительность импульса и быстро перемещаться от одной точки соединения к другой. При этом благодаря точной электронике каждое соединение получается именно таким, каким его рассчитали конструкторы.

В целом этот вид сварки устроен довольно просто, но для создания первоклассных аппаратов, использующих контактный метод, инженерам приходится решать множество технических задач. Например, во время контактной сварки ток проходит не только через металлические детали, которые надо нагреть, но и через электроды, которые также сделаны из металла и нагреваются при прохождении тока. Поскольку плавить сам инструмент — не самая лучшая идея, электроды делаются, во-первых, большого сечения, а во-вторых, из хорошо проводящего и жаропрочного сплава, часто на основе меди.

Электроды в аппаратах контактной сварки нужны не только для проведения тока. Для того чтобы расплавленный металл не покидал зону соединения, электроды еще и давят на детали, плотно прижимая их друг к другу. Механическому давлению электродов помогают и сами детали — при нагревании они расширяются и тем самым дополняют давление электродов. Однако после того, как расплавленный металл остывает, он уменьшается в объеме, и в нем возникают внутренние напряжения. Поскольку это отрицательно влияет на прочность соединения, в некоторых случаях после окончания импульса тока электроды не просто продолжают давить на детали, а еще и увеличивают давление, тем самым частично снимая напряжения в месте сварки.

Но больше всего на качество сварки влияют не параметры электродов, а сам электрический ток, нагревающий место соединения. При контактной сварке, как правило, не используют переменный ток, который течет в электросетях и доступен нам в розетках. Дело в том, что переменный ток в электросетях десятки раз в секунду меняет свое направление и во время «разворота» сила тока меняется, проходя через ноль. Чтобы этого не происходило и сила тока оставалась высокой, хотя и не постоянной, в сварочных аппаратах переменный ток преобразуют в пульсирующий. Его сила тоже часто колеблется, повышаясь и понижаясь, но направление тока при этом всегда остается постоянным и, следовательно, свариваемые детали все время нагреваются.

Для преобразования переменного тока в пульсирующий используют диоды, которые пропускают ток только в одну сторону, практически не пропуская в другую. С помощью диодов можно создать схему, которая будет преобразовывать ток разной полярности в ток, который меняется только по величине, но не по направлению. Группа ученых под руководством доцента кафедры «Полупроводниковая электроника и физика полупроводников» НИТУ «МИСиС» Петра Лагова разработали технологию, позволяющую создавать более совершенные диоды и тем самым ускорить точечную сварку.

А что, раньше ничего такого не было?

Конечно, диоды для выпрямления тока применяются в сварочных аппаратах давно, но, как и в других областях электроники, прогресс может заключаться как в создании абсолютно новых устройств, так и в заметном усовершенствовании уже существующих.

Как уже было сказано, в аппаратах для точечной контактной сварки используется пульсирующий ток. Поскольку сила тока в них постоянно увеличивается и уменьшается, то и нагревание свариваемых деталей происходит неравномерно по времени, ускоряясь и замедляясь. Соответственно, чем чаще сила тока достигает максимальных значений, тем быстрее плавится металл. Но повысить частоту диода не так просто, как может показаться. На практике после переключения направления тока диод перестает проводить его не сразу. Дело в том, что при прохождении тока через диод в нем накапливаются неосновные носители заряда — электроны или дырки, в зависимости от области, — и при переключении направления эти скопившиеся носители устремляются обратно. Это вызывает сразу несколько проблем.

Во-первых, процесс движения неосновных носителей в обратную сторону происходит не мгновенно, а в течение промежутка, называемого временем восстановления обратного сопротивления. Во-вторых, сопротивление диода в обратном направлении гораздо больше, чем в прямом, и из-за этого носители заряда заметно разогревают диод, основные свойства которого напрямую зависят от его рабочей температуры. В результате получается, что рабочую частоту диода нельзя увеличивать бесконечно. Но исследователи из НИТУ «МИСиС» нашли способ увеличить ее в два раза по сравнению с лучшими диодами этого класса.

И какая там наука?

Для повышения частоты и оптимизации ряда других качеств диода, рассказал N + 1 Петр Лагов, ученые решили намеренно создавать в изначально высококачественной кремниевой пластине — основном рабочем элементе диода — дефекты. Для этого пластина помещается в линейный ускоритель, который облучает ее протонами. Попадая в пластину, протоны выбивают атомы из ее кристаллической решетки и создают дефекты в виде вакансий. Сами по себе вакансии подвижны даже при комнатной температуре, но, соединяясь с примесями в кремнии, они образуют комплексы, устойчивые при нагревании на несколько сотен градусов Цельсия. Параметры облучения подобраны таким образом, что протоны выбивали атомы избирательно, на глубине около ста микрометров. Именно эта зона самая проблемная у диодов, разрабатываемых учеными, и в ней накапливается больше всего неравновесных носителей заряда — электронов и дырок.

Во время переключения направления тока скопившиеся электроны, как обычно, начинают двигаться обратно. Но в новом диоде они практически сразу захватываются комплексами вакансий (дефектами), на которых и происходит их рекомбинация с дырками (то есть неравновесные электроны и дырки исчезают). В результате после переключения диода носители не проходят через всю структуру кристалла и обратный ток быстро гасится. Благодаря этому диод тратит меньше времени на восстановление и может работать с большей частотой. Ученым НИТУ «МИСиС» удалось поднять частоту с десяти килогерц — показатель самых быстрых диодов этого класса — до двадцати. Помимо этого такой диод меньше разогревается, а значит, будет меньше изнашиваться из-за термического расширения и прослужит дольше.

Проще говоря, диод можно уподобить спортсмену, которому надо постоянно приседать и выпрыгивать вверх. Так вот, новый «спортсмен» умеет делать это в два раза быстрее и при этом меньше устает.

Кому это нужно?

Новые диоды можно устанавливать на более эффективные аппараты точечной сварки, которые получат сразу несколько преимуществ. Из-за более высокой частоты диода на нагревание металла будет уходить заметно меньше времени. Помимо этого, за счет того, что в процессе переключения диод меньше разогревается, на его остывание также требуется меньше времени. В результате сварочный аппарат сможет соединять больше деталей за стандартный промежуток времени.

Кроме того, за счет более быстрого нагревания контактную сварку можно применять для работы с металлами, имеющими более высокую теплопроводность. При меньшей скорости нагревания они успевают рассеять тепло, возникающее в зоне сварки. Наконец, новый диод за счет меньшего нагревания будет меньше подвергаться термическому расширению и меньше изнашиваться.

Но одной только сваркой область применения технологии, разработанной специалистами НИТУ «МИСиС», не ограничивается. Таким же способом можно улучшать практически все кремниевые биполярные приборы, в том числе транзисторы и тиристоры, используемые для различных целей. Пригодится новая технология и для того, чтобы повысить устойчивость элеткроники, работающей в условиях жесткого внешнего воздействия, например в космосе, — образовавшиеся в результате внешнего воздействия носители заряда будут быстрее исчезать и меньше повреждать прибор.

На этом можно заработать деньги?

Оборудование для роботизированной или полностью автоматической точечной сварки стоит немало. Но в случае с большими заводами его использование все равно приносит выгоду. Вложив большие средства в создание или модернизацию производства, завод получает линию, на которой множество роботов одновременно соединяют разные части автомобильного кузова или другие конструкции, причем делают это с присущим роботам постоянством. За счет этого качество продукции получается стабильно высоким, что уменьшает издержки, связанные с браком и контролем качества.

Но технологии не стоят на месте, и производства постоянно модернизируются. Сварочные аппараты, работающие на новых диодах, тратят меньше времени на каждое соединение, а значит, повышается производительность их труда. Кроме того, благодаря большей долговечности новых диодов сварочные аппараты будут реже выходить из строя и останавливать производственную линию.

Ученые из НИТУ «МИСиС» произвели прототипы диодов и подтвердили их выпрямляющие и частотные свойства на одном из предприятий Китая. Кроме того, они получили от российской компании «Протон-Электротекс», занимающейся, в том числе, производством силовых диодов, акт о внедрении и подтверждение того, что выбранные ими режимы могут быть использованы при массовом производстве диодов.

Сколько такая штука может стоить?

Как и в случае со многими другими устройствами, цена нового диода зависит, прежде всего, от массовости производства. В целом можно считать, что при одинаковом масштабе производства она будет примерно в полтора раза выше, чем цена применяемых сегодня высокочастотных диодов. Стоимость нового диода может достигать 20 тысяч рублей против 10–13 тысяч рублей для выпускаемых сегодня аналогов. Это незаметная сумма в общей стоимости сварочных роботов, цена на которые измеряется миллионами рублей.

Григорий Копиев