книги из ГПНТБ / Хорбенко, И. Г. Ультразвук в машиностроении

выводов из золота, алюминия и других металлов в самых различных полупроводниковых приборах, начиная от диодов и триодов и кончая интегральными схемами. Вызвано это тем, что влияние процесса сварки на свойства свариваемых материалов незначительно. Свойства р— п перехода не изменяются даже при толщине слоя 0,5 мкм, так как при сварке в зоне соединения не возникает зна­ чительных напряжеий или дислокаций, соединения имеют малое омическое сопротивление, высокую прочность и стойкость к вибрациям. Процент брака при ультразвуко­ вой сварке ниже, чем при термокомпрессионной, и состав­ ляет 10%, при этом обеспечивается более высокая произ­ водительность. Все эти преимущества обусловили широ­ кую разработку и создание специализированных ультра­ звуковых сварочных машин малой мощности для микро­ сварки. Применение ультразвуковой сварки в полупровод­ никовой технике не ограничивается привариванием вы­ водов. Сварочные установки, работающие на крутильных колебаниях, позволяют изготовлять капсюли полупровод­ никовых диодов и триодов без загрязнений, которые на­ блюдаются при электросварке.

Ультразвуковая микросварка используется и в элек­ тровакуумной промышленности. Некоторые детали ва­ куумных конденсаторов свариваются за 3—5 мин вместо 1,5 с при склеивании. В результате значительно сни­ жается себестоимость продукции и увеличивается произ­ водительность. Ультразвуком сваривается ряд изделий электротехнической промышленности (различные соедине­ ния проводов даже через изоляцию, сварка проводов термопар и приварка термопар к монтажным пластинам). Например, свариваются термопары железо-констант с алю­ минием, титаном, сталью. Ультразвуковая сварка блоков струнных пружин электромагнитных реле обеспечивает лучшее качество соединений и более высокую производи­ тельность, чем пайка. Большую группу соединений, выполняемых с помощью ультразвуковой сварки, состав­ ляют различные электрические выводы к изделиям из фольг, например, к анодированной алюминиевой фольге при изготовлении электролитических конденсаторов.

Ультразвуковая микросварка применяется также для соединения медных деталей обмоток электрических машин. Обширную область использования ультразвуковой микро­ сварки представляет соединение алюминиевых фольг при изготовлении различных упаковок. Представляет интерес

190

изготовление с помощью ультразвуковой сварки различ­ ных алюминиевых решеток для заполнения конструкций, защитных кожухов, а также емкостей, рассчитанных на работу под давлением.

В Ленинградском институте водного транспорта при­ менили ультразвуковую сварку анодированного алюминия

илатуни при изготовлении трансформаторов, телевизоров

ирадиоприемников. Был использован ультразвуковой генератор УЗГ-1,5. В качестве колебательного узла сва­ рочной головки была выбрана система, передающая продольно-поперечные колебания, состоящая из магнитострикционного преобразователя, концентратора и попе­ речного стержня. Сварка происходит следующим обра­

После сварки ленту наматывают на оправку галеты и под сварку подают второй конец обмотки и второй лепе­ сток. Весь цикл намотки занимает 40—60 ч, из которых на сварку приходится около одной секунды. При таком цикле сварочная головка работает без охлаждения. Лучшие результаты при сварке анодированной алюминие­ вой ленты толщиной 0,2 мм и латунного лепестка толщи­ ной 0,4 мм получены при контактном усилии 55—65 кгс, времени сварки 0,35—0,45 с и амплитуде 11— 12 мкм.

При сборке элементов микросхем с помощью сварки желательно исключить общий разогрев всего изделия, например, при соединении проволочек из пластических металлов типа алюминия и золота с кремнием и напылен­ ными на полупроводники и керамику пленками. Поэтому для улучшения качества соединений наиболее приемлем комбинированный способ сварки, при котором нагрев дополняется ультразвуковыми колебаниями, вводимыми в зону контакта соединяемых материалов. Одним из таких комбинированных способов соединения элементов микро­ схем является ультразвуковая сварка с импульсным косвенным нагревом. Последовательность включения им­ пульсов ультразвуковых колебаний и нагрева, а также длительности самих импульсов могут быть самыми раз­ нообразными в зависимости от физико-химических свойств соединяемых материалов. При этом совместное действие двух импульсов позволяет обеспечить стабиль­ ность механической прочности сварных контактов.

Значительное место ультразвуковая сварка занимает при соединении пластмасс и полимерных материалов.

191

Разработанный в Советском Со­ юзе метод позволяет сваривать пластмассы толщиной от не­ скольких микрон до 1 0 мм и более, причем так же, как при сварке металлов имеет значе­ ние толщина только той детали, которая расположена со сторо­ ны инструмента (рис. 62). Уль­ тразвуковой метод сварки по­ лимерных материалов привле­ кает все большее внимание ис­ следователей и технологов. Ведь он легко поддается автомати­ зации и обеспечивает высокую производительность труда. По производительности ультразву­ ковой метод не уступает свар­ ке токами высокой частоты, а по количеству видов пластмасс, которые могут быть сварены, значительно превосходит ее. Ультразвуком легко сварива­ ются такие диэлектрики, как например, полиэтилен, поли­

пропилен и полистирол. Ультразвуковая сварка пласт­ масс выгодно отличается от всех других способов воз­ можностью сваривать детали даже при значительном их загрязнении. Поэтому ультразвуковую сварку успешно применяют для герметизации пластмассовых упаковок пищевых продуктов, а также лакокрасочных и горюче­ смазочных материалов. Она незаменима и при упаковке легковоспламеняющихся продуктов и взрывчатых веществ (разогрев деталей происходит только в местах их кон­ такта). '

При сварке ультразвуком двух различных термопла­ стов с близкими температурами травления наряду с диф­ фузионными процессами имеет место химическая сварка. При ультразвуковой сварке одинаковых термопластов также наблюдаются химические превращения в зоне контакта, которые происходят в результате наличия больших циклических напряжений. При этом химические изменения материала обусловливают высокую механи­ ческую прочность соединения и его устойчивость к клима-

192

тическим воздействиям и механическим нагрузкам. Изде­ лия со сложной конфигурацией сварного шва, сваренные с помощью ультразвука, проверяли на прочность. Они выдержали без каких-либо нарушений сварных соедине­ ний следующие виды испытаний: на влагоустойчивость, устойчивость к циклическому изменению температуры, теплоустойчивость, холодоустойчивость, прочность при транспортировке, вибропрочность. В результате испы­ таний установлено, что прочность соединений, полученных при ультразвуковой сварке полимерных материалов, может достигать прочности основного материала. А при испытании сварных образцов на сдвиг разрушение чаще всего происходит в околошовной зоне по основному материалу. Таким образом, проведенные исследования показали, что ультразвуковая сварка является надежным способом соединения элементов изделий из термопласти­ ческих материалов.

Экспериментальные данные показали, что образование соединений при ультразвуковой шовной сварке термопла­ стических пленок может быть объяснено диффузионной теорией адгезии полимеров. Но так как одним из основных факторов, определяющих процесс диффузии, является температура, следует считать, что интенсивность тепло­ образования в зоне сварки и распределение температуры по сечению материала будет оказывать решающее влияние на образование соединений. Интенсивность теплообразо­ вания в зоне сварки будет зависеть, с одной стороны, от характера и величины механических напряжений, воз­ никающих в ней под воздействием сварочного инструмента, а с другой — от некоторых физико-механических свойств свариваемых материалов, характеризующих преобразо­ вание механической энергии в тепловую.

Процесс передачи энергии сварочным инструментом можно представить как серию ударов периодически ко­ леблющегося жесткого стержня о неподвижную упругую преграду с малой жесткостью. Сила и механические на­ пряжения в зоне контакта для подобного случая пред­ ставляют собой периодические положительные импульсы, амплитуда которых зависит от величины силы удара, силы прижима, а также от соотношения между ними. В результате периодических деформаций материала по толщине под воздействием сварочного инструмента в объеме материала имеет место теплообразование, свя­ занное с внутренними потерями в полимере. В зоне кон-

ультразвуковой сварке полимерных материалов [27]. При проведении исследований применялась сварочная головка типа СГ-28 с рабочей частотой / = 26 750 Гц, состоящая из ферритового преобразователя, к которому приклеен концентратор со сменным сварочным инструмен­ том-концентратором, изготовленным из титана ВТ-1. В про­ цессе исследований изменились амплитуда смещения конца сварочного инструмента, скорость сварки и сила прижа­ тия сварочного инструмента. Параллельно с ультразву­ ковой сваркой производилась термоимпульсная сварка образцов.

В табл. 19 приведены оптимальные режимы ультра­ звуковой сварки исследованных полимерных материалов и даны сравнительные данные прочности швов, получен­ ных при ультразвуковой и термоимпульсной сварке. Прочность швов при ультразвуковой сварке выше, чем при термоимпульсной, а пленка лавсана, вообще, сва­ ривается только ультразвуком.

Для определения влияния частоты колебаний свароч­ ной головки на прочность сварных швов проведена сварка

193

ультразвуковой сварки, пропорциональна величине 2nfA2. Амплитуда колебаний конца сварочного инстру­ мента А 2 при / 2 равна 15 мкм, следовательно, пропорцио­ нальность при /д сохраняется при условии

2яДА? = 2я/М2,

отсюда можно найти, что А г = 2 0 мкм.

Исследования проводились на полиэтиленовой пленке при скорости сварки ѵ = 1 м/мин и силе N прижатия инструмента 0,8 кгс. В результате экспериментов полу­ чены следующие данные: прочность шва на раздирание при Д = 26 570 Гц составила 47%, а при / 2 = 46 000 Гц — 19%. Следовательно, при ультразвуковой сварке поли­ мерных материалов в случае одинакового введения кине­ тической энергии 2яД42 прочность швов повышается с уве­ личением амплитуды смещения сварочного инструмента независимо от частоты ультразвуковых колебаний.

На этом не ограничиваются примеры промышленного применения ультразвуковой сварки. Например, сравни­ тельно недавно ультразвук начали применять и в техноло­ гии обычной сварки. Оказывается, если вслед за электро­ сварочным электродом в расплавленный слой шва вводить мощные ультразвуковые колебания, то после затвердева­ ния шов становится однороднее, мелкозернистее и проч­ нее. Это явление объясняется способностью кристалли­ зации металла под действием ультразвука. Исследования показывают, что ультразвуковые колебания целесообразно применять при автоматической аргоно-дуговой и электро­ шлаковой сварке сталей и сплавов. Ультразвуковые коле­ бания оказывают диспергирующее действие, что позво­ ляет вводить в расплав твердые измельченные частицы тугоплавких компонентов, а также получать сплавы из металлов, не смешивающихся между собой в обычных условиях. Подробные исследования в этой области при­ ведены в работе [148].

Ультразвуковое сварочное оборудование

Для ультразвуковой сварки применяются специальные сварочные аппараты, машины и пистолеты, которые ра­ ботают совместно с ультразвуковыми генераторами. Уль­ тразвуковые сварочные аппараты очень экономичны. Для соединения, например, алюминиевых листов толщиной

196

рата

до полутора миллиметров требуется мощность всего 5 кВт. При контактной электросварке потребовалась бы мощность в 5— 10 раз больше. Принцип работы ультра­ звукового сварочного аппарата состоит в следующем. В концентраторе (рис. 64), соединенном с магнитострикционным преобразователем 3, распространяются про­ дольные колебания, направленные горизонтально (вдоль оси преобразователя). На конце концентратора закреплен инструмент 2, который прижимается к свариваемым деталям 1. При работе аппарата па свариваемые пластины действуют переменные силы, напоминающие процесс вти­ рания, в результате чего пластины прочно соединяются. Многие отечественные ультразвуковые сварочные аппа­ раты, машины и пистолеты успешно применяются в произ­ водственных процессах. Для сварки металлов разрабо­ тана серия ультразвуковых сварочных аппаратов и машин (УЗСМ-1, УЗСМ-2, УЗСМ-З, УЗСА-З, УЗСА-4, УЗСА-5) и пистолеты (УЗСП-6 , УЗСП2-0,2С).

Ультразвуковая машина УЗСМ-1 предназначена для точечной сварки внахлестку небольших деталей из тонко­ листового алюминиевого сплава. Машина УЗСМ-2 может быть рекомендована для шовной сварки тонколистовых алюминиевых сплавов. Соединяемые металлические де­ тали устанавливаются на нижний ролик, прижимаются верхним роликом и подвергаются воздействию ультра­ звуковых колебаний, в результате чего возникает прочная связь без значительной внешней деформации материалов. Мощность магнитострикционного излучателя (ПМС-15) 2,5—4 кВт, рабочая частота 19,5. кГц, контактное усилие 20— 140 кгс, скорость сварки 75—850 мм/мин, габаритные размеры 1320x490x950 мм, масса 200 кг.

Ультразвуковой сварочный аппарат УЗСА-З (рис. 65) предназначен для сварки тонколистовых деталей на кон-

197

Рис. 65. Ультразвуковой сварочный аппарат УЗСА-З

струкциях с большими плоскостями или фасонными по­ верхностями, тле применение стационарных сварочных аппаратов невозможно. Сварка осуществляется ручной переносной сварочной головкой, которая крепится на аппарате с помощью вакуумной присоски.

Аппарат состоит из сварочной головки, вакуумной установки и электрической системы управления. В кон­ струкцию сварочной головки входят ультразвуковой пре­ образователь, устройство для создания и регулирования статического усилия и вакуумная присоска. Ультразву­ ковой сварочный преобразователь 1 типа ПМС-11А яв­ ляется специальным облегченным магнитострикционным преобразователем. Статическая сила на инструмент соз­ дается рукой с помощью рычажного устройства 2 и пру­ жины 3, сжимаемой до упора. Включение и выключение колебаний производится конечным выключателем 4, кото­ рый срабатывает при сжатии пружины 3. Для установки и закрепления сварочной головки применена вакуумная присоска 5, служащая также основанием для кронштей­ нов 6 преобразователя и рычажного устройства. Усилие, с которым присоска прижимается к плоскости, примерно вдвое больше усилия отрыва, создаваемого рукой при приложении статического усилия сварки. При этом исклю­ чаются также боковые смещения сварочной головки во время сварки. Вакуумная присоска посредством гибкого шланга связана с вакуумной установкой, состоящей из форвакуумного насоса ВН-461 с электродвигателем и ва­ куумного ресивера. Мощность ультразвукового преоб­

198

разователя 1 кВт, рабочая частота 22 кГц, габаритные размеры 150x180x750 мм, масса 8 кг.

Для точечной сварки тонколистовых деталей в крупных изделиях создан аппарат УЗСА-4. Преимущество УЗСА- 4 перед другими образцами состоит в том, что с его помощью можно сваривать детали диаметром и высотой до 1 2 0 0 мм. Ультразвуковой сварочный аппарат УЗСА-5 предназна­ чен для точечной сварки тонколистового металла. Для получения соединения материалы зажимаются между наконечником инструмента и опорой и подвергаются воздействию ультразвуковых механических колебаний. Для предотвращения смещений материалов в процессе сварки в аппарате предусмотрен автоматический дей­ ствующий прижим. Аппарат состоит из следующих основ­ ных узлов: ультразвукового преобразователя с инстру­ ментом, пневматических устройств для создания стати­ ческих усилий инструмента и прижима, электрической системы управления с электронным реле времени, регу­ лирующим время сварки и паузы. В качестве преобразо­ вателя электрических ультразвуковых колебаний в меха­ нические применен типовой магнитострикционный пре­ образователь ПМС-І5М.

Статические силы создаются пневмогидравлическими диафрагменными устройствами, обеспечивающими плав­ ное регулирование усилий инструмента с регулируемой скоростью перемещения инструмента и прижимного уст­ ройства. Усилия регулируются регуляторами давления путем изменения давления воздуха через масло на диа­ фрагмы. Контроль и настройка давления осуществляются по воздушным манометрам. Подача воздуха на диафрагмы и его выпуск производятся клапанами с электромагнит­ ным приводом. Аппарат имеет ручной режим работы, слу­ жащий для наладки, и автоматический, являющийся рабочим режимом. Мощность магнитострикционного пре­ образователя 2,5—5 кВт, рабочая частота 19—20 кГц, контактная сила прижима инструмента 20—300 кГс, продолжительность сварки при автоматической работе 0,3—5 с, габаритные размеры 1060x750x1650 мм, масса

250 кг.

Все перечисленные выше сварочные машины и аппа­ раты работают от ультразвуковых генераторов УЗГ-2,5; УЗГ-2,5М; УЗГ-6 М; УЗГ-10; УЗГ-10М и УЗГ-10У.

Ультразвуковой сварочный пистолет УЗСП- 6 пред­ назначен для сварки фольги, цветных пластичных ме­

І99