Новая технология, удваивающая скорость контактной сварки

Группа ученых под руководством доцента кафедры «Полупроводниковая электроника и физика полупроводников» НИТУ «МИСиС» к.т.н Петра Лагова  разработала новый тип силовых диодов с оптимизированной кремниевой структурой.

 Применение инновационных диодов в составе ручной или роботизированной сварочной машины резко повышает энергоэффективность процесса и качество сварного соединения за счет двухкратного увеличения рабочей частоты до 20 кГц.

Роботизированная контактная сварка широко применяется в машиностроении, судоходной, авиационной промышленности, при производстве бытовых изделий  – это основной способ соединения многочисленных деталей путем нагрева и деформации металла проходящим через него электрическим током без использования присадочных материалов. Таким способом можно создавать до нескольких десятков соединений за 1 минуту.

Частота импульсов тока является важнейшей характеристикой процесса контактной сварки и непосредственно определяет его скорость, производительность, а также качество получаемого сварного соединения и его прочность. Исследовательский коллектив НИТУ «МИСиС» разработал технологию получения наноразмерных центров рекомбинации (атомных «вакансий») в структуре диодного монокристалла. Они формируются посредством контролируемого смещения (выбивания) атомов из узлов кристаллической решетки в определенных слоях кремниевой пластины сварочного диода - важнейшего функционального элемента оборудования контактной сварки.

Атомные «вакансии», проще говоря, микро-дырки в слоях структуры кремния, получаются путем бомбардировки готового монокристалла легкими ионами высоких энергий на ускорителе.  В результате на определенных глубинах тонких (1–2 мкм) слоев формируются структурные дефекты атомарного уровня размером около 1 нм. В процессе контактной сварки при многократной периодической смене полярности тока, эти атомные «вакансии» мгновенно захватывают поток текущих электронов, приводя к их аннигиляции (исчезновению) и подавлению нежелательного остаточного тока. Соответственно, резко уменьшается время на смену полярности тока и увеличивается частота переменного тока.

Технология создания атомных «вакансий» позволяет  повысить максимальную рабочую частоту диода  диаметром 50 мм с 10 до 20 кГц при сохранении прочих характеристик. На сегодняшний день сварочный диод с таким сочетанием параметров превосходит известные мировые аналоги и позволяет удвоить количество сварных операций в единицу времени, а значит, и повысить скорость сборки механизмов.

В результате возрастает максимальная рабочая частота диода, уменьшаются паразитные потери электрической мощности, разогрев и циклические колебания температуры диода, приводящие впоследствии к его износу, механическому повреждению и потере работоспособности. При прочих равных условиях такой диод может обеспечить более высокий рабочий ток сварки и точность его удержания, а также сократить интервал времени между отдельными рабочими циклами, в течение которых происходит остывание («отдых») диода.

Становится возможной сварка металлов и сплавов, которые не свариваются при меньшей частоте. Кроме того, такой диод более устойчив к разного рода электрическим перегрузкам, что предотвращает выход из строя узла и остановку всей конвейерной сборочной линии. Повышение рабочей частоты также позволяет уменьшить размер и массу трансформаторно-выпрямительного блока сварочного аппарата, который закрепляется на роботизированной «руке», и практически до нуля снижает помехи в энергетической сети, что способствует повышению энергоэффективности автоматизированного производства в целом.

«Мы не только разработали технологию создания рекомбинационных центров в структуре силового сварочного диода, но и получили готовые к применению экспериментальные образцы инновационных диодов, обладающих конкурентными преимуществами – максимальной рабочей частотой не менее 20 кГц (вдвое превышает лучшие зарубежные образцы) при токе 7 кА.

Кроме того, в ходе серии проведенных инициативных работ с рядом отечественных предприятий нами установлено, что технология локального формирования центров рекомбинации может быть успешно применена при производстве кремниевых биполярных приборов и интегральных схем различных классов.

Масштабное внедрение данной технологии в полупроводниковое производство позволит существенно повысить качество целого сегмента отечественной электронной компонентной базы, что способствует обеспечению технологической независимости в условиях импортозамещения» - рассказал руководитель проекта Петр Лагов.

«Научная Россия»

• Знакомство с инновациями в сфере сварочных технологий
• На «ЗиО-Подольск» завершена уникальная операция сварки деталей корпуса реакторной установки «РИТМ-200» для головного атомохода «Арктика»