Лазерный мир

Из современных способов соединения медных деталей первой была забракована самая простая операция — газовая, точнее ацетиленовая сварка. Химики рады: медь — лучший катализатор полимеризации ацетилена. Зато технологи из-за этого были вынуждены отказаться от чистой меди практически везде, кроме электротехники. Например, простые трубопроводы для ацетилена делаются из сплавов, где содержание Cu не превышает 64%. 

С чистым водородом тоже не все прекрасно: сам газ недешев, поэтому давно заменен на дуговой метод с расщеплением воды на “гремучий газ” — смесь водорода и кислорода. Все это громоздко, к тому же выделение тепла при горении водорода настолько интенсивное, что точные мелкие операции становятся невозможными.

Решение

Теоретическое решение достаточно простое: твердотельный или волоконный лазеры. Электродуговая сварка тоже хороша, но из-за необходимости использования аргона этот метод слишком громоздок и больше подходит для “более фундаментальных” работ, вроде обработки контактов промышленных трансформаторов. Но со всей этой техно-сбруей не на каждый трансформатор залезешь!

Зато у лазеров этих проблем нет — они, во-первых, портативны. Лазерный луч тонок и почти без потерь передает эенергию в точку сварки. Однако твердотельные модели имеют низкое КПД и, соответственно, малую энергоотдачу. Зато даже типовые волоконные лазеры самых компактных моделей имеют мощность в 1,5КВт — этого уже хватает, чтобы спаять 5-миллиметровые листы стали, но из-за особенностей меди — только чтобы сварить медные пластинки не более чем 1мм толщины. Хотите больше? Переключайтесь в импульсный режим: волоконные лазеры умеют и любят повышать энергию луча до 2,5КВт. И не забывайте — это всего лишь мощность утюга.

На самом деле аппарата волоконно-лазерной сварки хватит на любые операции от сварки дорожек компьютерных плат до статуй Церетели, но надо знать некоторые физические свойства меди. Об этом ниже: Сварка электрооборудования от батарей до клемм Медь в обычных атмосферных условиях не покрывается окислами. Солнце — наверное самый несущественный параметр окружающей среды, который может повлиять на поверхность металла, так как коэффициент отражения меди достигает 0,95. Но есть одно интересное исключение: зеленый спектр света в 500-550nm, который соответствует колебаниям электронов внешней орбитали атома Cu, очень активно поглощается металлом в виде тепловой энергии. Медный поручень под закатным солнцем нередко обжигает руку.

Поглощение зеленого излучения более чем закономерно, не зря медь во многих языках называют «красным металлом». Однако важен не сам факт поглощения энергии, а то, что коэффициент отражения медью зеленого света начинает с запредельных 0,95 при обычной температуре и резко падает до 0,5 при приближении к температуре плавления. И еще более важен тот факт, что броуновское движение одного из самых тяжелых промышленных металлов просто не успевает за ускоряющимся прогревом: зеленый лазер легко успевает проделать очень стабильную плавильную ванну глубоко в теле пластины или между заготовками. Ее еще часто называют обратной замочной скважиной — она глубокая, и образует микроскопический шарообразный аналог «очага магмы», как в глубине вулкана.

Преимущества и недостатки лазерной сварки меди

Так уж случилось, что электротехника и электроника неявно, но зависят от легковесности материалов. Например электробатареи, аккумуляторы и электронные схемы слишком перегружены тяжелыми металлами, поэтому весят соответственно. Медь имеет высокую плотность, но одновременно обладает достаточно высокой температурой плавления, устойчивостью к атмосферному кислороду и дружелюбностью к созданию сплавов. В первую очередь с алюминием. Такие сплавы почти сохраняют электропроводность меди, почти достигают низкой плотности алюминия, но все же имеют особенности и каверзные недостатки, особенно в сварке, когда все процессы происходят за секунду, а то и доли секунд.

Эти недостатки настолько разнообразны, что бороться с ними можно только одним общим способом: скоростью.

В «тяжелой промышленности» чистую медь используют только в дорогостоящих батареях/аккумуляторах и ответственных силовых платах управления высоким напряжением. Например, очищенная рудная медь стоит около 8-9 тыс долларов за тонну без рудной очистки, а чистая, пригодная для электроники, стоит минимум в полтора раза дороже. Все просто: даже примесь 0,015% алюминия (чистую медь большей частью получают через гидролиз солей, а значит без алюминия не обходится) задирают электросопротивление металла с 0,0001 мкОм*м до 0,02 мкОм*м. Представьте, что бытовой трансформатор 220~5V, изготовленный из такой проволоки, вдруг начинает греться, обжигая руку!

Но есть и другая сторона медали. Оказывается, никакие другие загрязнения или намеренные вмешательства практически не влияют на электропроводность меди с примесями, после того как она остыла! Несложно рассчитать необходимые меры охлаждения и параметры сплава, чтобы получить необходимый результат. В любом случае каждую партию электролизной или химической меди подвергают хроматоанализу и только потом дают ей соответствующую марку. Раз у Магомета не получилась 99%-ная гора, значит Магомет назначит 99% той горе, которая этого заслуживает. В свою очередь алюминий тоже отлично проводит электричество и заодно сам приобретает дополнительную прочность при легировании. Сплавов на основе меди и алюминия столько, что некоторые из них даже не имеют «просторечного инженерного» названия. 

Полное содержание на https://irobs.ru/blog/stati/lazernaya-svarka-medi-tekhnologiya-protiv-kharaktera/