7.4.3. Технологія виготовлення перетворювачів

Особливості технології виготовлення прямих суміщених перетворювачів. Конструкція прямих суміщених перетворювачів передбачає наявність декількох обов'язкових елементів: п′єзоелемента, демпфера, протектора й корпуса. Тому технологія виготовлення прямих суміщених перетворювачів включає технологію отримання кожного елемента і їх з'єднання між собою. Під час виготовлення корпусів п′єзоперетворювачів проблеми виникають тільки в разі великосерійного виробництва, оскільки вони торкаються пошуку оптимальної форми корпуса для багатоцільового використання перетворювачів, естетичності їх зовнішнього вигляду, продуктивності, вартості і т.ін. Для електричного екранування корпус п′єзоперетворювача виготовляють з металу або діелектрика з металізацією зсередини.

Акустичний вузол, що включає п′єзоелемент, демпфер і протектор, складають окремо, а потім закріплюють у корпусі якою-небудь відповідною заливальною масою. Спочатку припаюють електричні дроти, по яких підводиться електрична напруга до п′єзоелемента. Після установлення в корпус провідники виводять на з'єднувач, а якщо з’єднувача немає провідники припаюють до електричного кабелю, що веде до електричної схеми, а кабель фіксують у корпусі.

Складання резонатора починають з підготовки п′єзоелемента. В основному використовують п′єзоелементи, що випускаються серійно на спеціалізованих підприємствах. П′єзоелементи поляризовані і покриті електродами. Як правило, напрямок поляризації помічають на електроді.

Якщо необхідно зменшити товщину пластини або забезпечити плоско-паралельність клиноподібної пластини (такі пластини іноді трапляються в партії), то її шліфують на чавунній довідній плиті. Як абразивний матеріал застосовують карбід бору; плиту змочують водою. Для забезпечення паралельності поверхонь декількох пластин їх приклеюють до плоскої оправки сумішшю воску й каніфолі.

Електроди на поверхню п′єзокераміки наносять випалюванням. Для цього пластину миють в розчині соди або в спирті, потім сушать за температури 600 °С протягом двох годин. Срібну пасту наносять на поверхню пензликом дуже тонким шаром. Пасті дають висохнути за температури 60…80°С. Потім пластину обпалюють у муфельній печі протягом двох голин і охолоджують разом з піччю. Далі наносять другий шар пасти тим же способом. Якщо нагрівання пластини небажане, то її покривають колоїдним сріблом без випалення, але такі електроди з'єднуються з керамікою менш міцно. Кварцові пластини сріблять напиленням у вакуумі.

Поляризацію пластин із ЦТС проводять у ванні з трансформаторним маслом або силікатною рідиною. На дно ванни поміщають металевий електрод. Другий пружинистий електрод підводять до верхнього електрода пластини. Режим поляризації: напруженість електричного поля 3,0…4,0 кВ/мм; температура 140 °С; час витримки дві годин; охолоджування під напругою.

До електродів пластини припаюють провідники; при цьому часто виникає потреба не порушувати поляризацію пластини. Для цього паяння виконують електропаяльником з жалом з мідного дроту діаметром 1…2 мм зі скошеним торцем. Температура нагрівання не повинна перевищувати 100 °С. Застосовують легкоплавкі припої (сплав Вуда або Луповца), що мають малу усадку у процессі твердіння. Як флюс використовують розчин в етиловому спирті 30% каніфолі або 6% каніфолі і 14% гліцерину.

Флюсом мастять ділянку п′єзопластини в місці паяння. Кладуть шматочок припою розміром близько 0,2 мм і накладають контактний дріт (зазвичай мідну стрічку завтовшки 0,02 мм). Паяльником розгладжують припій. Товщина такого паяння становить близько 0,025мм, контакти витримують зусилля на відрив 4 Н.

Наступним етапом складання акустичного вузла є клейове з'єднання п′єзоелемента з іншими елементами конструкції – протектором і демпфером.

Типові технології склеювання металевих і неметалевих матеріалів полягають в такому. Для зменшення товщини клейового з'єднання, поліпшення його розтікання і усунення повітряних бульбашок при використанні епоксидних клеїв допускається їх нанесення на заздалегідь нагріті до 40…50 °С поверхні. З епоксидних клеїв, що використовуються для складання п′єзоперетворювачів, найбільше поширення набули клеї на основі епоксидної смоли, а також деякі термостійкі клеї.

Рецептури декількох з них, а також їх життєздатність наведено в додатку (табл. Д.2).

У клеях гарячого затвердіння в ролі закріплювача використовують також триетаноламін, що вводиться в пропорції 1:10. У режимі твердження витримка 10 г за температури 120 °С.

Добре себе зарекомендував для складання резонаторів клей холодного затверждження ПД-20 (рецептуру наведено в таблиці Д.2). Порцію епоксидної смоли поміщають у фарфоровий або металевий стакан і нагрівають у термостаті до температури 80…90 °С. Наповнювача (порошок титанату барію, розмолотого в кульовому млині і просіяний через сито) просушують в термостаті протягом 2 год за температури 120…130°С.

Після охолодження висушеного наповнювача до температури 80…90 °С його вводять у смолу, постійно перемішуючи скляною паличкою або текстолітовим стрижнем. Перемішану з наповнювачем смолу піддають вакуумуванню для видалення повітряних включень у вакуумному термостаті за температури 80…90°С протягом 20…25 хв. Приготована таким чином маса в охолодженому до температури 20 °С стані може зберігатися в герметичних посудинах тривалий час. Перед використанням маси перемішують, беруть необхідну кількість для склеювання і потім додають отверджувач (поліетиленполіамін). З додаванням затверджувача життєздатність маси за температури 20 °С зберігається протягом 40…60 хв. П′єзокерамічні деталі знежирюють спиртобензиновою сумішшю. Для склеювання деталі укладають ув пристрій, що забезпечує тиск у склеюваному шві (5…8)10⁴ Па і товщину клейового шва 80…120 мкм. Затвердіння клейового шва відбувається за температури 20±5 °С протягом 48 год.

Разом із вживанням клею холодного тверднення для підвищення механічної міцності склеєного резонатора застосовують й інші додаткові заходи. Наприклад, видаляють металеве покриття з протектора зі всієї його поверхні, за винятком вузької смужки, до якої припаюють провідник, що здійснює підведення одного з потенціалів (зазвичай, нульового) від електричної схеми. В цьому випадку склеювальний компаунд зчіплюється по всій поверхні з матеріалом протектора, і лише по вузькій смужці склеювання проводиться з металевим покриттям.

Склеєний резонатор розміщують у корпусі перетворювача і фіксують заливанням якою-небудь відповідною за характеристиками заливальною масою.

Набагато простішою виявляється технологія складання п′єзоперетворювача в разі використання не приклеєного демпфувальної, а заливного на базі епоксидної смоли з наповнювачем, оскільки і технологія виготовлення самої демпфуючої маси досить проста, і немає потреби приклеювати демпфер. Крім того, операція фіксації резонатора в корпусі поєднується з операцією заливання демпфера.

Проте за такої технології дуже часто відривається демпфер від п′єзопластини, оскільки усадка в центральній частині сильніша, ніж на краях. У результаті цього центральна частина демпфера відривається від п′єзоелемента і не виконує своїх функцій. Тому більш надійна технологія виготовлення демпфера як самостійної деталі його старіння, шліфування контактної поверхні і приклеювання до п′єзопластини.

Операцію заливання виконують за такою технологією.В епоксидну смолу вводять пластифікатор (тіокол і поліефір) і суміш ретельно перемішують. Потім зважують і засипають наповнювач (вольфрам, сурик, окисел свинцю і т. ін.). Після перемішування суміші до однорідної консистенції безпосередньо перед заливанням п′єзоперетворювача (за 5…7 хв) до неї додають затверджувач з розрахунку 7…10 г на 100 г смоли (поліетиленполіаміни). Поверхні п′єзопластини і корпуса знежирюють, корпус установлюють в пристрій, після чого виконують операцю заливку. Полімеризація заливальної маси продовжується понад 24 год за температури 20 °С. Залежно від необхідного ступеня демпфування використовують різні суміші. Як приклад, в таблиці Д.3 (додаток) наведено склад декількох сумішей.

Для досягнення максимального демпфування застосовують наповнювач з важкого металу (вольфраму) із вмістом у суміші до 70 % (за більшого вмісту наповнювача маса стає непластичною).

Після склеювання акустичного вузла і його фіксації в корпусі виконують останню технологічну операцію – притирання протектора, тобто забезпечення площинної його поверхні, поверненої до ОК. Потребу в цій операції зумовлює те, що під час полімеризації компаунда усадковістю відбувається деформація тонкого протектора, в результаті якої його поверхня стає неплоскою, що призводить до появи додаткового шару контактного середовища між перетворювачем і виробом, яке впливає на акустичне поле перетворювача.

Розглянемо деякі загальні вимоги, що становлять до склеювальних мас і компаундів, використовуваних для складання ультразвукових перетворювачів. До Цепередусім вимога малої усадковості під час полімеризації, близькість коефіцієнтів лінійного розширення клеїв, компаундів і матеріалів склеюваних деталей резонатора, можливість отримання тонких шарів, що зберігають міцність з'єднання, досить широкий температурний діапазон збереження міцності з'єднання, опір старінню (зниження з часом когезійних і адгезійних властивостей клею).

Зазвичай клей класифікують за належністю основного компонента до термореактивних або термопластичних полімерів. Термореактивні елементи (фенолоформальдегідні, епоксидні та ін.) забеспечують високоміцні, теплостійкі клейові з'єднання. Термопластичним полімерам (поліамідами, похідними акрилової і метакрилової кислот тощо) властиві еластичність, відносно невисока термостійкість (100…150°С) і низька механічна міцність. Оскільки ультразвукові перетворювачі в умовах експлуатації не зазнають великих статичних механічних напружень, а температурний робочий діапазон і умови транспортування не перевищують -40…±60 °С, то найістотнішими виявляються не абсолютні значення тих або інших параметрів, а їх стійкість до динамічних дій і особливо до перепадів температури, оскільки, на жаль, температурні коефіцієнти лінійного розширення склеювальних мас і елементів конструкції прямих перетворювачів надто розрізняються (табл.Д.4).

З цієї точки зору використання термопластичних полімерів варто визнати за переважне, хоча найбільшого поширення для складання перетворювачів набули епоксидні клеї, що належать до групи термореактивних полімерів.

Технологія склеювання термопластичним клеєм більш проста, ніж термореактивним. Якщо режим склеювання після підготовки поверхні органічного скла епоксидним клеєм потребував температури 70…80 °С і тиску 500…1000 Па, то норакрилом можна клеїти за температури 20 °С без тиску.

Дослідження стійкості клейового з'єднання до циклічних перепадів температур (витримування в нагрівальній печі протягом однієї години за теператури 50°С, а потім охолодження за температури мінус 10 °С протягом однієї години показали, що межа міцності клейового шару компаунда К-115 знижується до нуля за 10 – 12 циклів. Руйнування, як правило, завжди відбувається по межі розділу органічне скло – клейовий шар. У разі роботи з норакрилом після 24 циклів межа міцності знижується лише удвічі, а руйнування відбувається як по клейовому шву, так і по межах розділу.

Крім того, важливою особливістю умов експлуатації склеювальної маси в ультразвукових перетворювачах є дія пружних коливань на клейовий шар під час роботи перетворювача. Зазвичай погіршення властивостей склеювальної маси не враховується. Проте межа міцності компаунда з часом знижується швидше, і, отже, норакрил довговічніший, ніж епоксидний компаунд. Межа міцності після 500 год роботи у компаунда К-115 зменшується майже в 10 разів, а у норакрила практично залишається майже незмінною. Низьке абсолютне значення межі міцності епоксидного клею можна пояснити його малою адгезією до органічного скла. У разі використання норакрилу розрив проходить по самому клейовому шару, а для компаунда К-115 – по поверхні клейовий шар – органічне скло.

Таким чином, для багатьох типів перетворювачів норакрил може з успіхом замінити епоксидні клеї. Крім того, великою перевагою норакрилу є досить малий час тверднення (усього 20–30 хв за температури 20 °С), а також виявлений експериментально малий порівнянно з епоксидним компаундом розкид меж міцності клейових з'єднань. Остання обставина свідчить про невисоку критичність якості клейового шва від умов склеювання.

Особливості технології виготовлення похилих суміщених перетворювачів. Виготовляючи похилі перетворювачі, необхідно брати до уваги загальні міркування, висловлені в попередньому підрозділі. Крім того, виявилися додаткові чинники, пов'язані зі специфікою конструкцій похилих перетворювачів (наявність призми, менш жорсткі вимоги до демпфера і т. ін.).

Найпростішими з погляду технології складання є похилі перетворювачі, у яких п′єзопластина притискається до призми через рідке мастило (масло). Проте їх недоліки – складність конструкції, висихання масла, адсорбція масла мікропорами п′єзокераміки, знижуючи її п′єзомодуль, часті поломки п′єзоелемента, роблять таку конструкцію небажаною. Тому останніми роками найбільшого поширення набули похилі перетворювачі з жорстким клейовим з'єднанням п′єзопластини з призмою. При цьому залежно від матеріалу призми для забезпечення кращої адгезії технологія складання перетворювачів має ті або інші особливості.

Перш ніж приступити до аналізу технології складання, відзначимо, що надзвичайно великий вплив на якість роботи перетворювачів має наявність несуцільностей в матеріалі призми або клейовому з'єднанні. Із цього погляду перевагу належить віддавати матеріалам, оптично прозорим у видимому діапазоні спектра. Інакше заготівки призм слід піддавати неруйнівному контролю. Це особливе значення у разі використання для призми нових полімерних матеріалів – капролону, полікарбонату та ін.

Органічне скло, яке широко застосовують як матеріал призм, оптично прозоре. Проте адгезія до нього епоксидних клеїв невисока і ще більше погіршується у разі дії перепадів температур. Найгіршу якість клейового шва отримують у разі використання смоли ЕД-6. Кращих результатів за робочого діапазону температур +5 ±40 °С можна досягти, за допомогою епоксидних компаундів К-139, К-153, К-300. Для збільшення діапазону робочих температур до мінус 20 °С рекомендується приклеювати п′єзопластину до призми з органічного скла і призму до протектора клеєм БФ-4, а фіксувати призму в корпусі – заливанням компаундом К-153. Усі склеювані поверхні заздалегідь знежирюють у бензині двічі і зневоднюють у спирті, а поверхні деталей (окрім кераміки) загрубляють шліфуванням без порушення площинності. Склеювання пакета п′єзопластина – призма – протектор (якщо він є) виконують за допомогою фіксувального пристрою, розташованому в термошафі, за температури 70 °С протягом чотирьох годин.

У конструкціях, не призначених для роботи за низьких температур, за тих самих склеюваних елементів термін експлуатації перетворювачів можна значно збільшити, додавши до складу клею дихлоретан. Дихлоретан добре клеїть органічне скло, тому поліпшується його адгезія до п′єзокераміки і металу.

Похилі перетворювачі зазвичай не мають демпфера. Проте часто для герметизації п′єзопластину заливають зверху тією ж клейовою композицією, яку використовують для приклеювання пластини до призми. В цьому випадку виникає небезпека відриву пластини від призми через усадковість герметизувальної маси, що щільно склеюється з пластиною. Для запобігання цьому на невипромінювальну частину пластини заздалегідь накладають еластичний матеріал, який не проводить ультразвукових коливань (пробка, пінопласт) і на який кладеться герметизувальна маса.

Клейову композицію готують такого складу (в частках за масою): 100 смоли, 12 затверджувача і 8 дихлоретану. Не рекомендується готувати відразу більше ніж 5г клею, оскільки під час вистоювання підвищується його в'язкість. Більш радикального поліпшення адгезії, можна досягати заміною епоксидних компаундів на термопластичні клеї.

Важливо розглянути питання створення надійного клейового з'єднання між п′єзопластиною і призмою, якщо призму виготовлено не з органічного скла, а з інших полімерних матеріалів з поліпшеними характеристиками, оскільки кожний новий такий матеріал вимагає своєї технології склеювання.

Найбільш детально досліджено технологію склеювання п′єзопластини з призмою з капролону, що використовується в похилих перетворювачах. Після механічної обробки матеріал призми промивають в лужному розчині протягом 15 хв, потім призму піддають термообробці, нагріваючи її до температури, достатньої для зняття внутрішніх напружень. Після цього перед склеюванням п′єзопластини з призмою послідовно проводять обробку призми водою за температури її кипіння протягом 2,5–3 год і хімічну обробку призми лужним розчином протягом однієї години. Далі призму промивають водою за температури не нижчої за 70 °С протягом 1,5 год, висушують за температури не нижчої за 100 °С протягом однієї години з подальшим охолодженням в термопечі до температури навколишнього середовища. Після такої підготовки призму склеюють з п′єзоелементом. Для цього доводять температуру призми до температури розрідженого епоксидного клею, знежирюють склеювану поверхню спиртом, просочують її клеєм, а потім у фіксувальному пристрої склеюють. Призму з приклеєною п′єзопластиною нагрівають у пристрої до температури 50…60 °С, і заливають демпфувальною масою.

Готовий п′єзоперетворювач піддають термічній обробці протягом восьми годин за температури 80 °С з подальшим охолодженням в термопечі до температури навколишнього середовища. Така процедура сприяє нормалізації клейового шва.

Хімічна обробка призми водою і лугом сприяє утворенню «мікростільників» у склеюваній поверхні в результаті взаємодії води з метиленовими групами, що становлять структуру полімеру. Вода вимиває ці групи і створює «мікростільники», куди добре проникає клей. Попереднє просочення клеєм сприяє заповненню цих мікростільників клеєм, що скорочує час, необхідний для створення стабільного акустичного контакту.

Технологія складання розбірних перетворювачів, з призми і змінних вкладишів, досить проста. Безпосередньо вкладиш (його ще називають резонатором), що складається з п′єзоелемента, демпфера й узгоджувального шару (протектора), виготовляють за тією ж технологією, що і прямі суміщені перетворювачі. При цьому вимоги до елементів конструкції і технології зберігаються. Потім вкладиш закріплюють на призмі за допомогою кріплень, передбачених конструкцією. Акустичний контакт між вкладишем і призмою в таких п′єзоперетворювачах зазвичай здійснюється через шар масла.

Особливості технології виготовлення роздільно-суміщених перетворювачів. Технологія виготовлення роздільно-суміщених перетворювачів складається з трьох етапів: виготовлення кожної з половин резонатора, складання резонатора і розміщення та закріплення резонатора в корпусі перетворювача. Під резонатором мають на увазі вузол, що здійснює пряме й обернене перетворення електричної і пружної енергій. Він містить дві призми з приклеєними до них п′єзоелементами і електроакустичний екран, що забезпечує електричну й акустичну розв'язки передавальної і приймальної половин. Геометрію призм, визначувану функціональним призначенням перетворювача, було розглянуто вище. Як матеріал призм роздільно-суміщених перетворювачів вибирають ті самі матеріали, що і для похилих перетворювачів, тому технологія підготовки п′єзоелементів до склеювання їх з призмами нічим не відрізняється від технології, розглянутої в попередньому викладі матеріалу.

Особливості технології починають виявлятися на етапі складання перетворювачів. Перша з особливостей стосується виготовлення електроакустичного екрана. Він має містити елементи електричного та акустичного екранування, оскільки зазвичай в одному елементі не вдається сумістити електричні й акустичні ізолювальні властивості. Добротні електроакустичні екрани виходять у разі використання металевої фольги, на яку наклеюються листи синтетичної шкіри СК-4 (непротекс) або спіненого пінополістіролу.

Наступна технологічна операція полягає в складанні резонатора, за допомогою спеціального пристрою, що забезпечує притиснення призм до екрана, взаємну орієнтацію обох половин резонаторів, а також розміщення в одній площині обох торцевих поверхонь призм.

Склеєні резонатори перед заливанням фіксуються в корпусі. Особливу увагу при цьому варто звертати на необхідність забезпечення симетричності резонатора в корпусі і збіжність випромінювальної і приймальної площин призм з робочою площиною корпуса. Оскільки остання обставина значно впливає на експлуатаційні характеристики перетворювача, іноді доцільною є спеціальна технологічна операція, що створює площинність притирання. Всі операції приклеювання і заливання роздільно-суміщених перетворювачів виконують такими самими склеювальними масами і за тією ж технологією, що і й виготовлення похилих перетворювачів.