Ультразвуковая сварка металлов

Ультразвук находит широкое применение в науке для исследования некоторых физических явлений и свойств веществ. В технике ультразвуковые колебания исполь­зуют для обработки металлов и в дефектоскопии.

В сварочной технике ультразвук может быть исполь­зован в различных целях. Воздействуя им на сварочную ванну в процессе кристаллизации, можно улучшить ме­ханические свойства сварного соединения благодаря измельчению структуры металла шва и удалению газов. Ультразвук может быть источником энергии для создания точечных и шовных соединений. Ультразвуковые коле­бания активно разрушают естественные и искусственные пленки, что позволяет сваривать металлы с окисленной поверхностью, покрытые слоем лака и т. п. Ультразвук снижает или снимает собственные напряжения и деформа­ции, возникающие при сварке. Им можно стабилизиро­вать структурные составляющие металла сварного соеди­нения, устраняя возможность самопроизвольного дефор­мирования сварных конструкций со временем.

В качестве источника энергии при сварке металлов ультразвук еще не нашел широкого применения, хотя этот способ имеет ряд преимуществ и особенностей по сравнению с контактной и холодной сваркой.

При сварке ультразвуком неразъемное соединение ме­таллов образуется при совместном воздействии на детали механических колебаний высокой частоты и относительно небольших сдавливающих усилий. В принципе этот ме­тод сварки имеет много общего с холодной сваркой сдвигом.

Для получения механических колебаний высокой ча­стоты обычно используется магнитострикционный эффект, состоящий в изменении размеров некоторых металлов и сплавов под действием переменного магнитного поля. Для ультразвуковых преобразователей обычно используют чистый никель или железо-кобальтовые сплавы. Изме­нения размеров магнитострикционных материалов очень малы: так, для никеля магнитострикционное удлинение составляет 40·10^–8. Поэтому для увеличения амплитуды смещения и концентрации энергии колебаний, а также для передачи механических колебаний к месту сварки используют волноводы или концентраторы, которые в боль­шинстве случаев имеют сужающуюся форму.

Эксперименты показывают, что для сварки металлов достаточно иметь волноводы с коэффициентом усиления около 5, при этом амплитуда на конце волновода при хо­лостом ходе должна быть 20–30 мкм. Магнитострикцион­ный преобразователь и волноводы должны быть рассчи­таны и изготовлены на заданную частоту ультразвуко­вого генератора [7, с. 20–38].

Основной узел машины для выполнения точечных сое­динений с помощью ультразвука – магнитострикционный преобразователь (рис. 7.1). Его обмотка питается током высокой частоты от ультразвукового генератора.

Охла­ждаемый водой магнитострикционный преобразователь 1 изготовлен из пермендюра (К49Ф2), он служит для превращения энергии тока высокой частоты в механические колебания, которые передаются волноводу 6. На конце волновода имеется рабочий выступ 4. При сварке изде­лие 8 зажимают между рабочим выступом 4и ме­ханизмом нажатия 3,

ккоторому прикладывают уси­лие, необходимое для создания давления в процессе сварки.

Сварка происходит при включенном преобразователе. Высокочастотные упругие колебания передаются через волновод на рабочий выступ 4 в виде горизонтальных механических перемещений высокой частоты. Длитель­ность процесса сварки зависит от свариваемого металла и его толщины, для малых толщин она исчисляется до­лями секунды.

Основные узлы машины для выполнения шовных сое­динений при помощи ультразвука (рис. 7.2): вращающийся магнитострикционный преобразователь 1 и волновод 2. Конец волновода имеет форму ролика 3. Изделие 5, под­лежащее соединению, зажимают между вращающимся роликом 3волновода и холостым роликом 4. Упругие высокочастотные колебания передаются через волновод на ролик, который вращается вместе с волноводом. Изделие, зажатое между роликами, перемещается, и одно­временно создается герметичное соединение.

Сварка по контуру, разработанная в МВТУ – МЭИ, обеспечивает получение герметичного шва практически самого сложного контура.

Простейший ее вид – сварка по кольцу. В этом случае конический штифт, вставляе­мый в волновод, имеет форму трубки. При равно­мерном поджатии деталей к сваривающему штифту полу­чается герметичное соединение по всему контуру.

Процесс ультразвуковой сварки происходит при воз­действии сдвигающих высокочастотных колебаний, да­вления, приложенного перпендикулярно к поверхности листа, и теплового эффекта, сопровождающего процесс сварки. В результате в зоне сварной точки наблюдается небольшая пластическая деформа­ция.

Пропускание ультразвука в течение 0,73 с привело к дальнейшему увеличению площади зашлифованного пятна, при этом площадь узла схватывания также воз­росла. Вокруг основного узла схватывания возникли от­дельные небольшие участки схватывания, удлиненные в направлении ультразвуковых колебаний. С увеличе­нием времени пропускания ультразвука более 0,73 с пло­щадь зашлифованного участка почти не изменяется (рис. 7.3, г, д ), но площадь узлов схватывания начинает увеличиваться более интенсивно. При пропускании уль­тразвука свыше 1,06 секунд происходит разрушение сварного соединения с взрывом точки по всему контуру.

Таким образом, процесс ультразвуковой сварки про­исходит под действием трения, вызванного микроскопическим возвратно-поступательным перемещением тру­щихся поверхностей.

В начальный момент действия ультразвуковых коле­баний на свариваемых поверхностях возникает сухое тре­ние, приводящее к разрушению окисных пленок и пленок из адсорбированных газов и жидкостей. После появле­ния ювенальных поверхностей процесс сухого трения переходит в чистое трение, которое сопровождается обра­зованием узлов схватывания. Схватыванию в значитель­ной степени способствует малая амплитуда колебаний тру­щихся поверхностей и возвратно-поступательный характер этих колебаний.

При малых давлениях прочность точки в значительной степени зависит от продолжительности прохождения уль­тразвука. С повышением давления сварные соединения прочнее при меньшей продолжительности прохождения ультразвука. При очень продолжительном пропускании ультразвука и большом давлении сварное соединение не­качественно вследствие значительных деформаций основ­ного металла и приваривания его к электроду. При шовной сварке прочность сварных соединений обычно выше прочности основного металла и разрушение проис­ходит по основному металлу.

Сварка ультразвуком позволяет соединять различные металлы. В частности хорошо свариваются ультразвуком алюминий, медь, никель; удовлетворительно свариваются высоколе­гированные стали. При этом прочность сварных точечных соединений достаточно высока, разрушение соединений происходит обычно с взрывом точки по контуру как при испытаниях на срез, так и при испытаниях на отрыв.

С помощью ультразвука получены соединения на ряде тугоплавких металлов - ниобии, тантале, молибдене и вольфраме. Однако недостаток сварных соединений воль­фрама и молибдена состоит в их хрупкости.

Ультразвуковая сварка нашла наибольшее применение в микроэлектронике, в основном для приварки токоотводов к интегральным схемам. Разработаны и выпускаются значительными сериями ультразвуковые машины для сварки различных элементов микросхем (табл. 7.1).

Таблица 7.1–Технические характеристики машин для сварки изделий микроэлектроники

Показатели	УЗС	УЗС-2	МС41П2-1	УЗСКН-1
Мощность, В А
Частота, кГц
Усилие сжатия, кгс	До 0,5	До 0,5	0,02–0,250	0,02–1,0
Производительность (число точек в минуту)	–	–
Масса, кг

Машины оснащены автоматическими устройствами, позволяющими в значительной степени увеличивать их производитель­ность: автоматизированы подача проводников, сварка, обрезка проводников и т. п.

Установки типа УЗС (рис.7.4) и УЗС-2 предназначены для присоединения круглых (диаметром 0,03–0,1) и плоских проводников толщиной до 0,1 мм из пластичных металлов (золота, алюминия) к тонким золотым, алюми­ниевым и медным пленкам, напыленным на диэлектриче­ские подложки. Установки комплектуются ламповыми ультразвуковыми генераторами.

Полуавтомат МС41П2-1 предназначен для соединения деталей микросхем в круглом и плоском корпусах ультра­звуковой сваркой золотыми и алюминиевыми проводни­ками диаметром 20—25 мкм. Высокая производительность станка (до 800 сварок в час) обеспечивается автоматиче­ской подачей и обрывом проволоки. В полуавтомате для повышения стабильности прочностных показателей исполь­зован сопутствующий подогрев. Полуавтомат состоит из следующих узлов: сварочной головки, кассеты с прово­локой, ультразвукового генератора, блока регулирования температуры подогрева, манипулятора и микроскопа МБС-2.

Электрическая схема управления машиной выполнена на транзисторных конических элементах с бесконтактной коммутацией цепей. Ультразвуковой генератор на тран­зисторах имеет автоматическую подстройку частоты, чем достигается стабильность амплитуды колебания свароч­ного инструмента. Кинематическая схема полуавтомата МС41П2-1 приведена на рис. 7.5.

Корпус сварочной головки 1 может перемещаться вертикально в направляющих. Ее подъем и опускание осуществляются кулачком 2. В установленном положении сварочная головка фиксируется стопором. Механическая колебательная система 6 укреплена в корпусе на оси 5. Поворот системы достигается с помощью кронштейна 8 от кулачка 11, который поворачивается от перемещения тяги 13 при нажатии на педаль 14. Обратный ход кулачка происходит под действием пружины 12. Начальное поло­жение сварочного наконечника 7 относительно сваривае­мой детали регулируют перемещением ползуна 9 с роли­ком 10 в пазу кронштейна 8. Усилие сжатия регулируют ручкой 3 механизма 4 давления.

Установка для ультразвуковой сварки с импульсным косвенным нагревом УЗСКН-1 (рис. 11) предназначена для изготовления полупроводниковых приборов, тонко­пленочных и полупроводниковых интегральных схем.

В установке использован комбинированный цикл – уль­тразвуковая сварка в сочетании с импульсным.косвенным нагревом. Установка предусматривает возможность сварки как комбинированным циклом с любой последовательно­стью импульсов ультразвука и нагрева и с разной длитель­ностью смещения моментов их включения, так и сварки только ультразвуком или только косвенным нагревом. Свариваемые элементы нагреваются за счет теплопередачи от сварочного инструмента (пуансона), нагреваемого им­пульсом проходящего через него тока промышленной ча­стоты (50 Гц).

Опыт эксплуатации сварочных ультразвуковых уста­новок показал, что этот метод наиболее перспективный в микроэлектронике, так как обеспечивает получение вы­соконадежных соединений, исключает общий разогрев изделия, позволяет соединять трудно свариваемые обыч­ными методами сочетания материалов и т. п.

ВНИИЭСО разработан ряд ультразвуковых сварочных машин типа КТУ и МТУ к сварной точке. Имеющийся опыт применения сварки ультразвуком выявил следующие преимущества этого способа.

Сварка ультразвуком происходит в твердом состоя­нии без существенного нагрева места сварки, что позво­ляет соединять химически активные металлы или пары металлов, склонные образовывать хрупкие интерметалли­ческие соединения в зоне сварки.

Возможны соединения тонких и ультратонких де­талей, приварка тонких листов и фольги к деталям неог­раниченной толщины, сварка пакетов из фольги.

Снижены требования к чистоте свариваемых поверх­ностей, в связи с чем, возможна сварка плакированных и оксидированных поверхностей и вообще сварка металли­ческих изделий, поверхности которых покрыты различ­ными изоляционными пленками.

Небольшие сдавливающие усилия [10–250 кгс (98–2450 Н)] вызывают незначительную деформацию по­верхности деталей в месте их соединения (вмятина, как правило, не превышает 5–10%). Применяется оборудование малой мощности и несложной конструкции (если, например, для контактной точечной сварки алюминия толщиной 1 мм необходима машина мощностью 100–150 кВА, то при сварке ультра­звуком аналогичного соединения – всего 5–2,5 кВА).

Ультразвуковая сварка нашла достаточно широкое при­менение для соединения тонких деталей из однородных и разнородных материалов в приборостроении и радио­электронной промышленности.

	Рис. 7.7 – Медные проводники диаметром 0,3 мм, покрытые лаковой изоляцией, приваренные с по­мощью ультразвука к клеммной колодке

Примеры применения. Приварка медных проводников диаметром 0,3 мм, покрытых термостойким лаком, к клеммной колодке (рис. 7.7) без предварительной зачистки изо­ляции. Приварка контактов размером 1,5x1,5x0,4 мм из платиноиридиевого сплава марки ПИ-10 к контактным пружинам из нейзильбера толщиной 0,12 мм и бериллиевой бронзы Б-2 толщиной 0,15 мм (рис. 7.8). Прессовая сварка по всему контуру медного корпуса прибора типа П6 с медной крышкой толщиной 0,3 мм (рис. 7.9).

В дальнейшем можно ожидать, что этот метод будет использован при сварке металлов, образующих хрупкие интерметаллические соеди­нения, для приварки тонких обши­вок к несущей конструкции (в авиа­ционной промышленности, автомо­билестроении и ряде других отра­слей промышленности).

Значительные успехи могут быть получены при воздействии ультра­звука на жидкий металл в процессе сварки плавлением. Озвучивание металла приводит к раз­дроблению зерен, улучшению механических свойств. Об­работка ультразвуком сварных соединений после сварки приводит к уменьшению остаточных напряжений, сниже­нию остаточных деформаций и предупреждает развитие деформаций с течением времени.