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

таллов друг с другом, а также для приварки фольги к толстостенным конструкциям. Основной частью писто­ лета является ультразвуковой магнитострикционный пре­ образователь, в трансформаторе которого продольные колебания преобразуются в изгибные колебания стержня. Статическое усилие при сварке создается нажатием руки оператора, а время сварки определяется временем нажа­ тия или отсчитывания реле времени. Для включения коле­ баний генератора или реле времени в рукоятку пистолета вмонтирован конечный выключатель, срабатывающий при нажатии. Пистолет рассчитан на питание от любого типа ультразвукового генератора мощностью не менее 0,5 кВт, рабочая частота 17 кГц, габаритные размеры 300ХІ50Х

толщиной до 0 , 2 мм между собой, а также для приварки их к толстым листам и массивным конструкциям из того же

в течение 7 ч в нормальных цеховых условиях. Питается пистолет от ультразвукового генератора УЗГ-З-0,4, по­ требляемая мощность 220 кВт, рабочая частота 44 кГц, габаритные размеры 52x142x245 мм, масса 1,2 кг.

Рис. 66. Ультразвуковой сварочный пистолет УЗСП2-0,2С

200

Рис 67. Ультразвуко­ вая сварочная уста­ новка УСФ-45

Режим работы пистолета прерывистый, длительность рабочего импульса не более 5 с, время между импульсами не менее 3 с. Пистолет и генератор выпускаются серийно.

Ультразвуковая установка УСФ-45 (рис. 67) пред­ назначена для присоединения ультразвуковым методом контактов к полупроводниковым приборам микромодуль­ ной техники. Установка состоит из следующих основных узлов, размещенных на специальном столе: ультразву­ ковой сварочной головки СГ-44 (или СГ-60) с ферритовым преобразователем; генератора ультразвуковых колебаний ГУФ-45/10 с автоподстройкой частоты и с реле времени; механизма вертикального перемещения головки и созда­ ния давления; предметного столика, смонтированного на координатном столе; механизма подачи проволоки в зону сварки; микроманипулятора. Для наблюдения за совме­ щением свариваемых элементов в зоне сварки исполь­ зуется бинокулярный микроскоп МБС-1. Использование в установке УСФ-45 ферритового преобразователя с по­ стоянными магнитами обусловило ее высокую экономич­ ность, простоту конструкции, малые габариты генератора. Высокие эксплуатационные характеристики — постоян­ ство технологического режима сварки, повторяемость характеристик сварных соединений — достигнуты в ре­ зультате использования генератора с автоподстройкой частоты. Потребляемая мощность установки 400 Вт, ра-

sбочая частота 44 и 60 кГц, напряжение на обмотке пре­ образователя сварочной головки 10 В, длительность

201

импульса ультразвуковых колебаний 0 ,1 — 1 , 0 с, контакт­ ная сила 40—900 г, электрическая мощность, потреб­ ляемая установкой 400 Вт.

Для сварки деталей из большинства термопластиче­ ских масс (полиамидной и формальдегидной смол, поли­ стирола, органического стекла и др.) с воздействием ультразвука в различных областях промышленности при­ меняются ультразвуковые сварочные аппараты типа УЗАП (модели 2, 3 и 4). В аппаратах используются типовой пре­ образователь ПМС-15А, преобразующий подводимые к нему от генератора электромагнитные колебания и упругие колебания ультразвуковой частоты. Деталь в про­ цессе сварки удерживается пневматическим прижимом. Регулировка силы прижатия и времени выдержки осуще­ ствляется автоматически по заранее заданной программе. В конструкции аппаратов предусмотрен контроль измере­ ния трещины свариваемой детали, что позволяет уста­ новить необходимое время сварки для получения сварного шва высокого качества. Особенностью аппаратов УЗАП является то, что с их помощью можно сваривать пластич­ ные материалы внахлестку по всей плоскости касания сварочного инструмента. В аппарате УЗАП-2 предусмо­ трена возможность установки взамен преобразователя ПМС-15А многостержневого преобразователя для сварки деталей с большой протяженностью шва.

Ультразвуковой сварочный аппарат УЗАП-З может производить одновременную сварку двух концентриче­ ских швов значительной протяженности, используется для сварки деталей из поливинилохлорида в полуавтома­ тическом режиме. Конструкцией аппарата предусмотрена возможность питания пневматического схватывающего уст­ ройства от магистрали или баллона со сжатым воздухом.

Ультразвуковой сварочный аппарат УЗАП-4 предна­ значен для соединения дисков пластмассовых рабочих колес насосов, работающих в агрессивных средах. Приме­ нение аппарата позволяет исключить вредные для здо­ ровья рабочих и трудоемкие операции по склеиванию при помощи фенола и создать замкнутую автоматическую линию по изготовлению рабочих колес насосов. Аппарат может применяться для сварки деталей из пластических масс (полиамидной и формальдегидной смол, полисти­ рола, органического стекла и др.). Свариваемые детали укладывают в гнезда и совмещают с инструментом. Краткие технические характеристики ультразвуковых

202

сварочных аппаратов типа УЗАП приведены в табл. 20. На рис. 6 8 изображена установка, предназначенная для ультразвуковой сварки пластмассовых деталей авто­ мобиля ВАЗ-2101. Установка состоит из ультразвукового генератора УЗМ-1,5; шкафа управления, пресса с меха­ низмом подачи и фиксации. При смене инструмента и сварочных приспособлений установка может быть исполь­ зована для сварки других деталей автомобиля — толсто­ стенных и сложных конфигураций — из различных пласт­ масс (полистирола и его сополимеров, полиакрилатов, новых материалов типа дакрила, ABS, а также полиэти­ лена, полипропилена и др.). Установка обеспечивает хорошее качество сварных соединений, их герметичность и прочность. Режим работы автоматический и наладоч­ ный, время обработки ультразвуком 3 с, охлаждения под давлением 2 с, холостого хода 1 с, производительность

600 дет/ч.

Ультразвуковым методом можно сваривать пластмас­ совые упаковки различных форм и объема, применяющиеся в пищевой промышленности. Ультразвуковые сварочные машины созданы Московским высшим техническим учи­ лищем им. Баумана совместно с московским энергетическим институтом. Они позволяют производить точечную и прес­ совую сварки пластмасс. Одна из таких машин ПУТ-5А сваривает от 15 до 100 точек в минуту; другая машина — УПТ-14 предназначена для ультразвуковой герметической

203

Рис. 68. Установка для ультразвуковой сварки пластмассо­ вых деталей автомобилей

сварки пластмасс и полипропилена толщиной до 2 мм. Осо­ бенностью применения ультразвука при сварке пластмасс является возможность сварки без предварительной очистки соприкасающихся поверхностей деталей от жира, воды, масла и других пищевых продуктов. Во всех случаях швы получаются чистыми и высокой прочности. Для сварки полипропиленовых и полиэтиленовых туб разработан авто­ мат ПУТ-12. Он выполняет следующие основные операции: очистку туб от пыли и загрязнений; дозировку и запол­ нение туб пищевыми продуктами; ультразвуковую сварку туб; выталкивание туб на конвейер.

Ультразвуковой сварочный аппарат УЗСЛ предназна­ чен для сварки внахлестку однонаправленной стеклоленты на основе эпоксидной смолы. На аппарате можно полу­ чить ленту непрерывной длины. Аппарат может быть ис­ пользован для устранения дефектов при изготовлении однонаправленных стеклолент на ленточных машинах. Размеры шва при толщине ленты до 1,5 мм— 50Х-50 мм. Цикл сварки без перерыва технологического процесса при изготовлении детали 40 с. Аппарат работает от гене­ ратора УЗГ2-0,4, мощность преобразователя ПМС-42 0,25 кВт, рабочая частота 44 кГц, масса аппарата 150 кг.

204

Г л а в а VI УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ПАЙКА

И ЛУЖЕНИЕ

Сущность ультразвуковой пайки и лужения

В промышленности все большее значение приобретает ультразвуковая пайка и лужение алюминия, нержаве­ ющей стали и других материалов. Трудность пайки алю­ миния состоит в том, что в отличие от большинства метал­ лов его поверхность всегда покрыта тугоплавкой пленкой окиси алюминия, которая образуется при соприкосновении металла с кислородом воздуха. Эта пленка препятствует соединению расплавленного припоя с поверхностью алю­ миния. Пленку можно удалить с помощью сильнодей­ ствующих растворителей, которые сильнее действуют на металл, чем на его окисел. Следовательно, основное не­ удобство пайки алюминия заключается в большой труд­ ности удаления окисной пленки с его поверхности. Одним из эффективных методов пайки алюминия является ультра­ звуковой метод. Пайка с применением ультразвука про­ изводится без флюсов. Введение упругих механических колебаний ультразвуковой частоты в расплавленный при­ пой в процессе пайки или лужения способствует меха­ ническому разрушению окисной пленки, постоянно на­ ходящейся на соединяемых деталях, и облегчает смачи­ вание припоем поверхности.

Принцип ультразвуковой пайки алюминия заключается в следующем (рис. 69). К нагретому наконечнику ультра­ звукового паяльника 1 подводятся ультразвуковые коле­ бания, которые вызывают появление в расплавленном припое 2 кавитационных пузырьков 3. Под воздействием кавитации окисная пленка 6, покрывающая алюминий 7, разрушается, и последний покрывается слоем припоя 5, который, охлаждаясь, затвердевает. Остатки окисной пленки образуют поверхностную корку 4. Волновое со­ противление расплавленного припоя более чем в 1 0 раз выше волнового сопротивления воды. Поэтому при оди­ наковой звуковой отдаче интенсивность ультразвука в при­ пое больше, чем в воде, что и обеспечивает получение

205

температуры, при этом температура нагрева должна быть выше температуры плавления припоя.' Нагрев является важной операцией ультразвуковой пайки, так как только в расплавленном жидком припое возможно появление кавитации, при которой происходит разрушение окисной пленки. Детали можно нагревать в печи, газовой горелкой или на электроплитке. Небольшие детали можно нагре­ вать паяльником непосредственно перед пайкой. Поэтому в современных ультразвуковых паяльниках совмещено нагревание припоя и введение в него ультразвуковых колебаний. Для ультразвуковой пайки алюминия можно применять чистое олово, но на практике чаще исполь­ зуют припой с содержанием 80—90% олова и 10—20% цинка.•

Ультразвуковая пайка позволяет устранять значи­ тельные трудности, возникающие при соединении легко­ окисляющихся металлов флюсовой пайкой, значительно облегчает работу и повышает качество соединений.* Вне­ дрение ультразвукового метода пайки алюминия исклю­ чает необходимость применения специальных агрессивных флюсов, уменьшает трудоемкость процесса пайки на 20—30%.’ Большим преимуществом ультразвукового ме­ тода является то, что его можно с успехом применять при работе с керамикой. Этим методом можно лудить, а затем паять керамику и стекло.* Кроме того, ультразвуковая пайка значительно расширяет возможности применения легкоокисляющихся металлов для изготовления различ­ ных изделий, что ранее было затруднено. Особый интерес ультразвуковой метод пайки представляет в современных условиях, когда в промышленности начали применять новые специальные сплавы и керамику,

206

В настоящее время в радиотехнической, электронной, электротехнической аппаратуре широко применяются де­ тали и узлы из керамики ферритов, абразивных материа­ лов, кварца и т. п. Механический метод крепления кера­ мических деталей между собой и обеспечение электриче­ ских контактов с помощью вжигания серебра имеет ряд недостатков: расходуется драгоценный металл, высокая трудоемкость, недостаточная механическая прочность, длительный технологический цикл производства. Ультра­ звуковой метод пайки керамики исключает эти недостатки. Ультразвуковую пайку обычно ведут на частотах 18 и 22 кГц. В большинстве случаев применяют магнитострикционные преобразователи из пермендюра, так как они обладают высоким значением точки Кюри и могут обеспечить достаточно большой к. п. д. при значитель­ ной интенсивности ультразвуковых колебаний.

В производстве полупроводников начали применять комбинированную пайку давлением, сочетающую нагрев

сультразвуковыми колебаниями инструмента. Одной из важнейших операций в технологии изготовления полу­ проводниковых приборов является соединение кристалла

сдержателем. При этом к соединениям предъявляются требования высокой механической прочности, надежного термического и электрического контакта. Ультразвук существенно повышает скорость выполнения этой опера­ ции и улучшает качество соединений. При пайке с по­ мощью ультразвука необходимо учитывать, что мощные ультразвуковые колебания могут нарушать структуру полупроводника в зоне контакта. Кроме того, нельзя допускать большого нагрева деталей в течение длитель­ ного времени.

Опытами по ультразвуковой пайке кристаллов крем­

ния к позолоченному коваровому держателю с подогревом на лабораторной установке (рис. 70) определено влияние режимов ультразвуковой пайки, а также толщины золо­ того покрытия на прочность соединения полупроводнико­ вых кристаллов с коваровым кристаллодержателем [83]. Проведенные исследования в этой области показали, что применение ультразвука для присоединения кремниевых кристаллов к позолоченным коваровым держателям позво­ ляет значительно ускорить процесс и уменьшить расход драгоценных материалов, так как при этом не нужны прокладки из золотой фольги. Толщина золотого покры­ тия держателя должна быть 5— 8 мкм. Оптимальные

207

Рис. 70. Принципиальная

М — микроманипулятор

параметры при ультразвуковой пайке кристаллов кремния к позолоченным держателям следующие: подогрев до 420° С, длительность воздействия ультразвука 0,2— 1 с, мощность ультразвуковых колебаний до 20 Вт при ча­ стоте 60 кГц и амплитуде 4 мкм.

Метод ультразвуковой пайки можно применить для исправления брака алюминиевых отливок в виде раковин, трещин, шлаковых включений. До появления ультразву­ кового метода отливки исправляли наклепыванием ку­ сочков металла на дефектные места, заполнением наруж­ ных дефектов расплавленным алюминием или металли­ зированной пастой. Эти методы не обеспечивали надежной прочности и чистой поверхности. Зачастую дефектные детали отправляли на переливку, так как исправления обходились дорого. При использовании ультразвукового метода дефектные места запаиваются оловянноцинковым припоем. После механической обработки исправленные места почти не заметны и по цвету, и по структуре; при этом связь припоя равноценна с прочностью основного металла.

С помощью ультразвука можно производить и лужение, при этом применяется такой же метод, как и при пайке, с той только разницей, что детали помещаются в ванну с расплавленным припоем. Под действием ультразвуковых колебаний с деталей снимается слой окисла и очищенная поверхность алюминия облуживается.

208

грева, нанесения припоя и лужения. В процессе подго­ товки детали очищаются от грязи, масла, следов коррозии. При лужении деталей припой можно наносить и паяль­ ником. Излучатель паяльника должен быть нагрет до температуры, превышающей температуру плавления при­ поя, применяемого для пайки. При лужении керамики рекомендуется наносить припой в твердом состоянии. Если твердый припой хорошо и быстро плавится, значит деталь нагрета достаточно и лужение будет производиться хорошо. Если припой плавится медленно, значит деталь нагрета недостаточно. Такую деталь перед лужением следует дополнительно нагреть. Вся поверхность облуживается путем последовательного передвижения (без касания) ультразвукового паяльника по всей поверхности лужения. Время, потребное на лужение поверхности, на­ ходящейся в сфере активной кавитации, исчисляется секундами и даже долями секунд. Процесс пайки по уль­ тразвуковой полуде может осуществляться как ультра­ звуковыми, так и обычными электропаяльниками с при­ менением оловянно-цинковых припоев. Надежность уль­ тразвукового лужения экспериментально проверена на целом ряде материалов, в том числе на керамике, ферри­ тах, абразивных изделиях, кварце, графитизированных изделиях, стекле, рубинах, инваре, ниобии, тантале, молибдене, вольфраме, титане, германии и др.

Ультразвуковое оборудование для пайки и лужения

Промышленностью выпускается ультразвуковой паяль­ ник УЗП2-0,025 (рис. 71), предназначенный для пайки деталей из алюминия, феррита, керамики и других ма­ териалов мягкими припоями без применения флюсов при сборке и монтаже. Конструкция паяльника удобна и надежна в эксплуатации. Паяльник отличается компакт­ ностью и малым весом и имеет высокий к. п. д. Нагрева­ тель его вмонтирован внутри наконечника (вместо наруж­ ного нагревателя в старых конструкциях). Питается паяльник от ультразвукового генератора типа УЗГ-З-0,4, при этом от генератора могут питаться одновременно пять паяльников. Потребляемая мощность паяльника 25 Вт, напряжение питания 26 В, рабочая частота 44 кГц, масса 600 г. Ультразвуковой паяльник УЗП2-0,025 является первой серийной моделью в Советском Союзе.

203