9. Ультразвуковая сварка

В настоящее время ультразвук находит широкое применение в науке и технике для исследований некото­рых физических явлений и свойств веществ, а также для обработки различных труднообрабатываемых материа­лов. В сварочном производстве ультразвук используется в различных целях. При воздействии ультразвуковых ко­лебаний на сварочную ванну в процессе кристаллизации существенно улучшают механические свойства сварного соединения, так как происходит измельчение структуры металла шва и лучшее удаление газов. В сварочном обо­рудовании ультразвук может быть источником энергии для создания точечных и шовных соединений.

Ультразвуковая сварка (УЗС) является одним из методов соединения металлов и пластмасс. Следует от­метить, что УЗС является ведущим способом при изго­товлении изделий из пластмасс. В ряде случаев этот спо­соб соединения является незаменимым.

Сварка металлов ультразвуком имеет ряд преиму­ществ и особенностей по сравнению с контактной и хо­лодной сваркой. Особенно широко УЗС используется на операциях сборки изделий электронной техники.

УЗС основана на использовании энергии механи­ческих колебаний сварочного наконечника. Источником механических колебаний являются электромеханические преобразователи, работа которых основана на использо­вании магнитострикционного или пьезоэлектрического эффекта. Колебания совершаются с частотой свыше 16 кГц и амплитудой в пределах 0,5÷50 мкм. При УЗС обыч­но используется диапазон частот 18÷80 кГц.

При этом методе сварки колебательные движения ультразвуковой частоты разрушают неровности поверх­ности и окисленный слой, а также частицы, внедряющие­ся в металлическую поверхность. Совместное воздейст­вие на соединяемые детали механических колебаний и относительно небольшого давления сварочного волново­да - инструмента обеспечивает течение металла в зоне соединяемых поверхностей без внешнего подвода тепла. За счет трения, вызванного возвратно-поступательным движением сжатых контактирующих поверхностей, про­исходит нагрев поверхностных слоев материалов. Внут­реннее трение не является доминирующим источником теплоты при сварке, например, металлов, но его вклад в образование сварного соединения является существен­ным.

При сближении соединяемых поверхностей (физи­ческом контакте) первыми вступают в контакт пары про­тивостоящих на сопрягаемых поверхностях выступов с наибольшими высотами (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Профиль повер­хности:

а — двух собранных медных деталей перед УЗС; б — нижней детали после воз­действия ультразвука

В результате пластической деформации все большая часть сопрягаемых поверхно­стей в зоне контакта приводится в соприкосновение друг с другом. Затем под действием ультразвуковых колеба­ний начинается рост площади контактных пятен при за­медлении темпа роста их количества. Кроме этого, происходит упрочнение поверхностных слоев в зоне контак­тирования, что приводит к деформированию более глу­боких слоев твердого тела с одновременным интенсив­ным тепловыделением. В результате происходит релак­сация напряжений вблизи поверхностных слоев, вовлече­ние в деформацию все больших объемов металла, разрас­тание мостиков схватывания, что в конечном счете при­водит к образованию прочного соединения.

Таким образом, сварка происходит на локальных участках зон контактирования, узлы схватывания обра­зуются последовательно, и объемное взаимодействие происходит, видимо, в то время, когда элементов внеш­него трения уже нет. Процесс УЗС можно представить в виде четырех последовательно протекающих стадий: раз­рушение окисных и адсорбированных пленок и рост фак­тической площади касания сопрягаемых поверхностей за счет количества единичных неустойчивых точек схваты­вания; пластическое деформирование микровыступов в местах фактического контакта и образование устойчивых контактных пятен; рост и слияние контактных пятен с развитием пластического деформирования поверхностно­го слоя и образованием единого контактного пятна с от­дельными изолированными пятнами «непровара»; фор­мирование структуры общих решеток и границ зерен вдоль плоскостей раздела поверхностей, а также «залечи­вание» пятен непровара.

Машины для УЗС состоят из следующих основных узлов: сварочной головки, представляющей собой меха­ническую колебательную систему со сварочным инстру­ментом, источника питания (ультразвукового генератора с дозатором энергии - реле времени), предметного стола (опоры), механизма создания усилия сжатия свариваемых элементов.

Механическая колебательная система служит для преобразования электрической энергии источника тока ультразвуковой части (ультразвукового генератора) в механическую в форме упругих колебаний и передачи ее в зону сварки. Данная система обеспечивает необходи­мую колебательную скорость (амплитуду колебаний) сварочного инструмента.

Колебательная система состоит (рис. 9.2) из электромеханического преобразователя 1 с обмотками, заключенного в металлический корпус 2, охлаждаемый водой; трансформатора упругих колебаний (волновода) 3 и сварочного инструмента 4. Ультразвуковой преобразо­ватель должен быть рассчитан и изготовлен на заданную частоту ультразвукового генератора. Основное назначе­ние трансформатора упругих колебаний - передача коле­баний от преобразователя к инструменту. Одновременно трансформатор упругих колебаний увеличивает ампли­туду колебаний. Сварочный инструмент непосредствен­но передает нагрузку и колебания соединяемым деталям.

Рис. 9.2. Конструкция типовой ультразвуковой колебательной системы

Различные схемы механических колебательных систем для точечной и шовной сварки металлов пред­ставлены на рис. 9.3. В колебательную систему могут входить элементы опоры и механизма давления, в кото­рых возбуждаются колебания.

Рис. 9.3. Механические колебательные системы для точечной (а) и шов­ной (б) сварки: 1 — преобразователь; 2 — волновод; 3 — резонансный стержень (диск); 4 — опора; 5 — сварочный наконечник; 6 — свариваемые заготовки

Основной характеристикой трансформатора упру­гих колебаний (волновода) является коэффициент усиле­ния амплитуды колебаний, определяемый отношением квадратов диаметров входного и выходного торцов вол­новода. Волноводы бывают различной формы: ступенча­тые, конические и экспоненциальные. Материалом для изготовления волноводов служат стали 45, 50, 40Х. 30ХГСА, титан, алюминиевые сплавы и др.

Сварочный наконечник изготавливается из высо­колегированной стали или металлокерамических твердых сплавов. Материал для марочного наконечника подбира­ется из условия отсутствия налипания со стороны свариваемых материалов. В некоторых случаях возможен по­догрев сварочного инструмента проходящим через него током промышленной частоты.

Основными технологическими параметрами УЗС являются амплитуда колебаний сварочного наконечника, сварочное усилие и время сварки. Режимы сварки подби­раются в зависимости от физико-механических свойств свариваемых материалов. Выходные характеристики ультразвукового генератора должны обеспечивать выде­ление необходимой энергии в зоне сварки.

Процесс УЗС сопровождается выделением тепла в зоне сварки. Температура зависит от твердости свари­ваемого материала и его теплофизических свойств: теп­лопроводности и теплоемкости, режима сварки. Экспе­рименты показали, что существует оптимальное давле­ние, при котором развивается максимальная температура. В то же время повышение температуры не является оп­ределяющим фактором, так как максимальная прочность сварных соединений достигается ранее, чем достигается максимальная температура в контакте.

Прочность точечных соединений зависит от про­должительности пропускания ультразвуковых колебаний и давления (рис. 9.4). При малых давлениях прочность зависит от времени прохождения ультразвука. С повы­шением давления сварные соединения прочнее при меньшем времени воздействия ультразвуковых колеба­ний. При большом давлении и продолжительном пропус­кании ультразвука наблюдается получение некачествен­ных соединений вследствие значительных деформаций основного металла и приваривания его к сварочному на­конечнику.

Рис. 9.4. Зависимость прочности Р точечных алюминиевых соединений при срезе от усилия сжатия Q и продолжительности t пропускания ультразвука

При шовной сварке наблюдается получение каче­ственных сварных соединений. Обычно прочность свар­ного шва выше прочности основного металла. При испы­таниях на прочность разрушение происходит по основному металлу. Большие значения предела прочности ультразвуковых сварных соединений подтверждают то, что они образуются вследствие возникновения металли­ческих связей в местах схватывания.

УЗС находит достаточно широкое применение для соединения тонких деталей из однородных и разнород­ных материалов в технологии производства изделий электронной техники. Этот метод сварки в микроэлектронике обеспечивает получение высокона­дежных соединений, так как исключает общий разогрев изделия. На установках УЗС можно приваривать круглые (диаметром до 0,02÷0,1 мм) и плоские (толщиной до 0,05 мм) проводники из алюминия, золота и меди к контакт­ным площадкам из золота, алюминия, меди, серебра, ни­келя и др. металлов, напыленные на диэлектрические подложки.

УЗС также используется в авиационной и автомо­бильной промышленности для соединения тонких обши­вок к несущей конструкции.

Широкое применение УЗС в промышленности объ­ясняется следующими преимуществами перед другими методами монтажа изделий:

сварка осуществляется в твердом состоянии металла без существенного нагрева места сварки;

возможность соединений тонких и ультратонких деталей;

снижение требований к чистоте свариваемых по­верхностей;

применение небольших сдавливающих усилий;

малая мощность оборудования и несложность его конструкции.

Совершенствование технологического процесса и оборудования позволят непрерывно расширять область применения УЗС.