10.5 Ультразвуковая сварка
Ультразвуковая сварка является одним из способов сварки давлением. Открытие этого процесса связано с исследованием применения ультразвуковых колебаний для очистки поверхностей, соединяемых с помощью контактной сварки. Было обнаружено, что при определённом усилии сжатия соединяемых поверхностей и введении в зону контакта ультразвуковых колебаний осуществлялось соединение образцов без пропускания через них сварочного тока. С этого момента были начаты исследования процесса соединения металлов и неметаллов с помощью ультразвуковых колебаний, получивших впоследствии название «ультразвуковая сварка».
Процесс образования соединения металлов с помощью ультразвуковых колебаний в общем случае можно разбить на три стадии:
получение первичных «мостиков схватывания»;
повышение температуры в зоне контакта, вызывающее повышение пластичности поверхностных слоёв металла, испарение плёнок жира и влаги и растрескивание окисных плёнок;
сближение соединяемых поверхностей на расстояния, достаточные для появления межатомного взаимодействия, обусловливающего образование монолитного соединения.
Оборудование для УЗС состоит из источника генерации высокочастотных (ультразвуковых) электромагнитных колебаний, механической колебательной системы, аппаратуры управления сварочным циклом и приводом давления.
К основным специфическим узлам этого оборудования относятся генератор электромагнитных колебаний и механическая колебательная система, которая преобразует электромагнитные колебания в механические, передаёт энергию колебаний в зону сварки, согласовывает сопротивление нагрузки с внутренним сопротивлением системы. Типовая колебательная система приведена на рис. 71. Она состоит из электромеханического преобразователя 1, изготовленного из магнитострикционных или электрострикционных материалов (никель, титанат бария, ниобат свинца, цирконат-титанат свинца и др.).
2
1
4
5
3
Рис. 71. Схема типовой колебательной системы.
1 – трансформатор;
2 – волновод;
3 – система крепления волнового звена;
4 – наконечник;
5 – свариваемые детали.
В преобразователе под воздействием переменного магнитного поля возникают механические напряжения, вызывающие упругие деформации материала. Волноводное звено 2 служит для передачи энергии к сварочному наконечнику и обеспечивает требуемое увеличение амплитуды колебаний, трансформирует сопротивление нагрузки и концентрирует энергию в заданном участке. Система крепления волноводного звена 3 позволяет практически всю энергию механических колебаний трансформировать и концентрировать в зоне контакта. Сварочный наконечник 4 является элементом, определяющим площадь и объём ультразвуковых механических колебаний в зоне сварки.
Поскольку наконечник плотно контактирует со свариваемой деталью 5, он служит также и согласующим звеном между нагрузкой и колебательной системой.
Основными параметрами, определяющими процесс ультразвуковой сварки, являются величина амплитуды колебаний сварочного наконечника, усилие его прижатия к соединяемым поверхностям, мощность колебательной системы и частота импульсов в зоне контакта.
Амплитуда является основным параметром режима УЗС, определяющим качество сварного соединения. С её увеличением прочность соединения увеличивается почти линейно. Однако при излишней амплитуде колебаний может произойти разрушение сварного соединения.
Величина амплитуды обычно лежит в пределах 5-20 мкм и зависит от толщины и химического состава свариваемых материалов.
Величину давления на сварочный наконечник при сварке, как правило, выбирают в зависимости от химического состава и толщины свариваемых материалов. При сварке однородных материалов эту величину можно определить по формуле:
Q = т.S
где, т – предел текучести материала;
S – площадь сварочного наконечника.
Однако при сварке разнородных материалов, особенно деталей микроэлектроники, контактное давление выбирают в каждом конкретном случае экспериментально либо по справочным данным.
Частота ультразвуковых колебаний лежит в пределах 0,4 – 2 МГц. Чаще всего используются генераторы с частотой тока 22 и 44 кГц. Выходная мощность генераторов для УЗС составляет 0,01…10,0 кВт. Ультразвуковая сварка получает всё большее и большее применение.
Ультразвуком сваривают многие термопластичные полимеры, (например, полистирол).
С помощью ультразвуковой сварки возможно соединение металлической фольги со стеклом и керамикой. Очень хорошо сваривается фольга из чистого алюминия, меди, серебра и золота, а также тонкие проволоки из этих металлов и их сплавов с металлическими плёнками и полупроводниковыми материалами.
Этот метод также может успешно использоваться при сварке металлов, образующих хрупкие интерметаллические соединения.
Преимущества сварки ультразвуком:
Сварка осуществляется в твёрдой фазе без существенного нагрева места сварки, что даёт возможность соединять химически активные металлы или пары металлов, склонные образовывать хрупкие интерметаллические соединения.
Возможность соединения тонких и ультратонких деталей, возможность приварки тонких листов и фольги к деталям неограниченной толщины.
Возможность проводить сварку плакированных и оксидированных поверхностей, металлических изделий, покрытых различными изоляционными плёнками.
Применение небольших сдавливающих усилий (10-250 кгс), вследствие чего деформация поверхности деталей в месте их соединения незначительна.
Малая мощность оборудования и несложность его конструкции.