Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

Раніше відзначалася можливість у.з. зварювання з використанням стороннього джерела теплоти. Найбільш широко застосовують цю схему в електроніці для зварювання тонких дротів. При підвищенні температури підігріву від стороннього джерела теплоти час зварювання може бути значно скорочено (рис.2.21) [120].

Рис.2.21. Вплив часу дії у.з.к. та температури підігріву на руйнуюче зусилля відриву при зварюванні алюмінієвих дротів діаметром 0,1 мм з алюмінієвими плівками на ситалі:

1 – 20; 2 – 150; 3 – 220; 4 – 300 ºС

Із рис.2.21 видно, що енергетичні характеристики теплового імпульсу і часу його дії відносно дії у.з.к. є додатковими параметрами режиму, які визначають якість зварювання.

Для у.з. зварювання характерні з'єднання внапуск із різним конструктивним оформленням їх елементів. Зварювання може виконуватися однією або декількома точками, безперервним швом, по замкнутому контуру. Можливе зварювання пакетом.

Діапазон зварюваних товщин обмежений зверху. Із підвищенням товщин необхідно збільшувати амплітуду у.з.к., але це можливо лише до певного значення, при якому будуть відсутні руйнування від стомленості та недопустимі деформації. Тому найбільш часто зварюють плоскі елементи, які знаходяться під зварюваним інструментом, товщиною від 0,3 мкм до 1,0 мм. Технічний алюміній зварюють товщиною до 2,0…2,5 мм при наявності устаткування відповідної потужності.

Товщина деталі, що знаходиться на опорі, не обмежується. Короткочасність зварювання дозволяє з'єднувати різнорідні матеріали, які схильні до утворення інтерметалідів. Товщина останніх, звичайно, мала і не впливає на якість з'єднання.

153

У.з. зварювання не вимагає складної підготовки деталей. Для підвищення стабільності якостіз'єднань доцільно лишезнежирити поверхні.

Теоретичне визначення параметрів режиму зварювання складає досить важке багатофакторне завдання. Тому їх вибір проводиться експериментально шляхом обробки результатів механічних випробувань серії зразків, які отримують при варіації одного з параметрів та фіксованих інших. Звичайно вибирають зусилля стиснення, потім час зварювання та амплітуду у.з.к. Уявлення про величину цих параметрів дають наведені вище рисунки. Потужність і частота у.з.к. визначаються наявним устаткуванням.

Максимальна міцність з'єднань може бути досягнена при певних значеннях частоти й амплітуди у.з.к., контактного зусилля та часу зварювання. Відсутність або низька якість з'єднань обумовлюється поганим зачищенням поверхонь і недостатньою пластичною деформацією металу. Зниження міцності після оптимального значення пов'язане з частковим руйнуванням та значними деформаціями металу під зварювальним інструментом. При оптимальних параметрах режиму зварювання співвідношення сил тертя в парах "інструмент–деталь", "деталь– деталь" і "деталь–опора" повинне бути таким, щоб не було прослизання між інструментом і опорою та деталями, налипання металу на інструмент і їх зварювання. В останньому випадку деталь включається в коливальний контур і за рахунок своєї маси змінює частоту коливальної системи, виводячи її з резонансу. Це значно погіршує умови передачі енергії до зони зварювання. Крім того, різко скорочується ресурс роботи зварювального інструмента.

Умови виділення теплоти в зоні з'єднання значною мірою можна регулювати зміною контактного зусилля. При малому зусиллі інструмент ковзає по деталі і зварювання неможливе. При надмірному зусиллі значні пластичні деформації під інструментом роблять неможливим тертя в площині "деталь–деталь".

154

При збільшенні товщини і діаметра зварної точки контактне зусилля повинне збільшуватись. Пропорціонально повинна збільшуватись також амплітуда у.з.к., що вимагає збільшення електричної потужності зварювального устаткування.

Поява тріщин стомленості особливо характерна для наклепаного металу, що необхідно враховувати при виборі амплітуди у.з.к. Зменшити вплив у.з.к. на зварну деталь можна шляхом підвищення частоти коливань, однак це можливе лише тоді, якщо акустична система устаткування розрахована на цю частоту.

Час зварювання є найменш критичним параметром. Він вибирається тим тривалішим, чим більша товщина і твердість металу та менша потужність у.з.к.

У випадку зварювання пластичних металів із підігрівом від стороннього джерела теплоти оптимальним є цикл із запізненням теплового імпульсу по відношенню до моменту включення у.з.к. При зварюванні твердих металів доцільно давати тепловий імпульс із випередженням моменту включення у.з.к., причому тривалість дії у.з.к. повинна бути меншою тривалості дії теплового імпульсу. Така схема зварювання поширена в мікроелектроніці.

У.з. зварювання застосовують для з'єднання багатьох металів. Найбільш легко зварюються пластичні метали (алюміній, мідь та їх сплави, срібло, нікель тощо) як між собою, так і з твердими малопластичними матеріалами. Металічні деталі можуть зварюватися з керамікою, склом, напівпровідниковими матеріалами (кремній, германій). Успішно зварюються тугоплавкі метали: вольфрам, ніобій, тантал, цирконій, молібден. Можна зварювати заготовки через прошарок із третього металу, наприклад, сталь зі сталлю через алюміній, а також покриті оксидами, лаками, полімерами тощо. Використовується у.з. зварювання також для з'єднання пластичних мас.

Режими одноточкового зварювання деяких металів наведено в табл.2.5 [124].

155

Таблиця 2.5. Режими зварювання деяких металів та руйнуючі зусилля

з'єднань унапуск при розтягуванні–зрізі

У наведених дослідженнях (табл.2.5) зварювальний наконечник мав сферичну поверхню радіусом 10 мм. При зварюванні алюмінію, міді та її сплавів діаметр зварної точки складав 4 мм, титану і цирконію – 3 мм. Частота у.з.к. складала 19,5…20,0 кГц.

Із табл.2.5 видно, що при малих товщинах руйнування одноточкових з'єднань відбувається шляхом вириву точки. При збільшенні товщин заготовок руйнування з'єднань відбувається зрізом. При цьому міцність з'єднань при у.з. зварюванні вища, ніж при контактному зварюванні [124].

Якість з'єднань при шовному зварюванні визначається тими ж параметрами, що і при точковому, лише замість часу зварювання вво-

156

диться швидкість руху деталі. Обов'язковою умовою отримання якісних з'єднань є рівність лінійних швидкостей руху зварювального ролика та опори. При правильно вибраних режимах шовного зварювання руйнуюче зусилля у зварного з'єднання вище, ніж в основного металу.

2.2.3. Зварювальне устаткування. Устаткування для у.з. зварю-

вання складається з власне зварювального обладнання та ультразвукового генератора (у.з.г.). У.з.г. призначений для перетворення електричної енергії промислової частоти в електричну енергію ультразвукової частоти (18...106 кГц). До його енергетичних характеристик відносяться: вихідна потужність, робочий діапазон частот, напруга. Генератори випускаються різних типів і можуть використовуватися для очищення деталей у рідині, інтенсифікації різних процесів, обробки металів, зварювання тощо. Вони можуть бути ламповими, напівпровідниковими, лампово-напівпровідниковими, тиристорними, інверторними. Характеристики деяких генераторів, які найбільш часто застосовуються для різних технологічних процесів, наведено в табл.2.6 [74].

Таблиця 2.6. Характеристики деяких генераторів для використання в

технологічних процесах

Для зварювання в мікроелектроніці використовують у.з.г. з потужністю в декілька десятків Вт та частотою 40…66 кГц.

Власне зварювальне обладнання складається з коливальної системи, механізму стискування, системи охолодження, апаратури керу-

157

вання параметрами режиму зварювання та приводу обертання роликів при шовному зварюванні. До коливальної системи входять перетворювач енергії електромагнітних хвиль в енергію механічних коливань, трансформатор пружних коливань (хвилевід), зварювальний інструмент тощо.

Для зварювання використовують ультразвукові акустичні коливання, тобто механічні коливання пружного середовища, які поширюються у вигляді хвиль. Ультразвуковими називають коливання з діапазоном частоти 18...106 кГц. При у.з. зварюванні звичайно використовується діапазон частот 18…80 кГц.

Генерація у.з.к. базується на магнітострикційному або п'єзоелектричному ефектах, відкритих, відповідно, Джоулем у 1847 р. та Жаном і П'єром Кюрі в 1880 р.

П'єзоелектричний ефект полягає в тому, що неметалічні кристали змінюють свої розміри, якщо до протилежних сторін кристалів прикладати електричний потенціал. Це явище оборотне. При пружних деформаціях кристала на його гранях з'являється різниця електричних потенціалів.

Магнітострикцією називається зміна розмірів і форми зразка з феромагнітного матеріалу під дією пронизуючого змінного магнітного потоку. Якщо змінюється об'єм зразка без зміни його форми (наприклад, при нагріванні ненамагниченого феромагнетика в точці Кюрі зменшується його об'єм без зміни форми), то це явище називають об'- ємною магнітострикцією. Якщо при незначній зміні об'єму спостерігається зміна форми зразка і його розмірів у певному напрямку, то говорять про лінійну магнітострикцію. Лінійна магнітострикція спостерігається при дії на феромагнетик магнітного поля нижче точки Кюрі. Феромагнітний матеріал змінює свої розміри синхронно зі зміною напруженості магнітного поля. Величина лінійної магнітострикції складає біля 10–5 (∆l / l ≈ 10–3 %) і залежить від напруженості зовнішнього

158

магнітного поля. Розрізняють поздовжню магнітострикцію (відносна змінна довжина зразка в напрямку дії магнітного поля) і поперечну магнітострикцію (у перпендикулярному напрямку). Феромагнітні властивості мають залізо, кобальт, нікель та їхні сплави.

Для феромагнетиків (коефіцієнт магнітної проникливості µ >> 1), як і для парамагнетиків (µ > 1), характерна наявність власних магнітних моментів у часток (доменів), які їх складають. Це обумовлено спіновими магнітними моментами електронів. Джерелом феромагнетизму можуть бути нескомпенсовані магнітні моменти електронів внутрішніх оболонок атома. Наприклад, в ізольованого атома заліза з електронною структурою 1s22s22p63s23p63d 64s2 з десяти d-станів заповнено тільки шість. Згідно з правилом Хунда та принципом Паулі (п.1.1), п'ять електронів мають однакове орієнтування спіну й один – протилежне, що повинно було б давати спіновий магнітний момент атома заліза 4µВ, де µВ – магнетон Бора. Насправді ж в атомів кристалічного α-заліза відбувається взаємодія 3d- і 4s-електронів і спіновий магнітний момент зменшується. Він складає 2,221µВ на один атом. У розрахунку на атом магнітний момент у кобальта (1s22s22p63s23p63d74s2)

складає 1,716µВ, у нікеля (1s22s22p63s23p63d 84s2) – 0,606µВ.

Отже, феромагнетиками можуть бути лише кристали, які містять атоми перехідних елементів із не повністю забудованими внутрішніми оболонками [10]. Проте хром і марганець мають у 3d-станах по п'ять електронів. Але їхні кристали не мають феромагнітних властивостей.

Другим критерієм феромагнетуму є обмінна взаємодія типу "електрон – електрон" та "електрон – іон", оскільки всі "магнітні" електрони нерозрізювані. Кожний із них може обмінюватися місцем з будь-яким іншим електроном і входити до складу будь-якого іона гратки. Фізична природа обмінної взаємодії в перехідних елементів із незабудованою d-оболонкою сьогодні ще не з'ясована, але можна впевнено стверджувати, що феромагнетизм обумовлений обмінною взаємодією [10].

159

Обмінна взаємодія в кристалах феромагнітних металів призводить до паралельної орієнтації спінів. Орієнтуючись певним чином, нескомпенсовані спіни можуть викликати макроскопічну намагніченість кристалів. Тому феромагнетик повинен мати значну за величиною власну намагніченість, але насправді при відсутності зовнішнього магнітного поля намагніченість мікроскопічного феромагнетика дорівнює нулю або дуже мала. Це пояснюється тим, що, як показали експериментальні дослідження, макроскопічний об'єм феромагнетика розбивається на мікрообласті з взаємноскомпенсованими антипаралельними векторами намагніченості. Ці області самодовільної намагніченості дістали назву феромагнітних доменів. Таке розташування векторів намагніченості забезпечує мінімальне власне магнітне поле. Чим більшою буде кількість антипаралельних доменів, на які розбивається кристал, тим меншою буде його магнітостатична енергія. Границя між доменами не є різкою, а охоплює велику кількість атомів, оскільки поступовий поворот спінів електронів від атома до атома в кристалічному шарі відповідає меншій енергії. Границю між доменами схематично показано на рис.2.22,а, а магнітну структуру намагніченого феромагнетика, що складається тільки з доменів, вектор намагніченості яких орієнтований за зовнішнім магнітним полем, на рис.2.22,б [10].

Під дією зовнішнього магнітного поля вектори намагніченості орієнтуються за цим полем. Результуюча магнітна структура залежить від напруженості зовнішнього поля та температури.

Магнітострикція під дією зовнішнього магнітного поля обумовлена, головним чином, процесами зміщення доменних границь і обертанням векторів намагніченості доменів, що призводить до зміни взаємодії між атомами гратки і міжатомних відстаней [10]. Оскільки ці процеси пов'язані з напрямком вектора напруженості зовнішнього магнітного поля, то відбувається зміна форми зразка вздовж поля.

Магнітострикційний ефект, як і п'єзоелектричний, – явище зворот-

160

не, якщо механічні деформації не виходять за межі пружних. При деформації феромагнетика змінюється його намагніченість. Це явище називають магнітопружним ефектом.

Рис.2.22. Границя між доменами з антипаралельними векторами намаг-

а ніченості (а) та орієнтація векторів намагніченості за зовнішнім магніт-

ним полем (б)

б

Ефект магнітострикції використовують для генерації у.з.к. із досить високими значеннями енергії, зокрема, у магнітострикційних перетворювачах для зварювання та обробки металів.

Головним елементом зварювальної установки є магнітострикційний перетворювач. Для його виготовлення застосовують чистий нікель, залізо-нікелеві, залізо-алюмінієві та залізо-кобальтові сплави, наприклад, пермендюр К49Ф2 (49 % Со; 1,5…1,8 % V; решта Fe), К65 (65 % Co; решта Fe), альфер Ю-14 (14 % Al; решта Fe). Магнітострикційне подовження цих матеріалів складає для нікелю 3,5 10–5; К49Ф2 – 7 10–5; К65 – 9 10–5; Ю-14 – 5 10–5 см/см.

Магнітострикційний перетворювач набирається у вигляді замкнутого магнітопроводу зі штампованих пластин, наприклад, пермендюру з оксидною ізоляційною плівкою. Він має обмотку збудження, яка

161

підключається до у.з.г., що є джерелом змінного струму ультразвукової частоти. Обумовлений природою магнітострикційного ефекту та як видно з рис.2.22, ефект є парним, тобто він виявляється як при прямому, так і при протилежному напрямках магнітного поля. Тому частота пружних механічних коливань у два рази більше частоти змінного струму в обмотці.

Оскільки, як було вказано вище, розташування векторів намагніченості в доменах забезпечує мінімальне власне магнітне поле, то в магнітопроводі створюється також постійний магнітний потік за допомогою постійного струму (потік або струм підмагнічування).

Магнітострикційний перетворювач має також обмотку зворотного зв'язку (використовується зворотний ефект магнітострикції) для автоматичного підстроювання частоти у.з.г. до частоти перетворювача.

Магнітострикційні перетворювачі випускаються з різними характеристиками, серед яких найважливішими є потужність і частота. Наприклад, перетворювач ПМС-15А-18 має потужність 4,5 кВт (частота

18 кГц), ПМС1-1 – 1,2 кВт (22 кГц), ПМС-27 – 0,9 кВт (27 кГц), ПМС-6-22 – 2,5 кВт (22 кГц).

Вихідна потужність у.з.г. не може бути меншою потужності перетворювача. Робочий діапазон частоти у.з.г. визначається резонансною частотою магнітострикційного перетворювача і повинен допускати регулювання частоти в межах її зміни в перетворювачі при експлуатації. Для підвищення ефективності використання енергії у.з.к. розроблено перетворювачі з плавним регулюванням резонансної частоти.

Зміна розмірів магнітострикційних матеріалів незначна. Тому для збільшення амплітуди, швидкості і концентрації енергії у.з.к. та передачі їх до зони зварювання використовують трансформатори і хвилеводи пружних коливань.

Процес розповсюдження у.з.к. є хвильовим. Залежно від напрямку коливання часток, розрізняють декілька типів хвиль. Якщо частки середовища коливаються у хвилях у напрямку їх розповсюдження, то

162