Ультазвуковая сварка

С целью повышения качества наплавленного металла вокруг жидкого  металла создают специальную  газовую атмосферу, защищающую его  от воздействия воздуха, раскисляют и прикрывают жидкую ванночку специальными шлаками.

Строение сварного шва  после затвердевания и распределения  температуры в малоуглеродистой стали показаны на рис. 5, б. Зона I примыкает  непосредственно к металлу шва. Основной металл на этом участке в  процессе сварки частично расплавляется  и представляет собой смесь твердой  и жидкой фаз.

Наплавленный металл имеет  столбчатое (дендритное) крупнозернистое  строение, характерное для литой  стали. Если наплавленный металл или  соседний с ним участок был  сильно перегрет, то при охлаждении на этом участке (зона II) зерна основного  металла (малоуглеродистой стали) образуют грубоигольчатую так называемую видманшгетовую структуру.

Металл этой зоны обладает наибольшей хрупкостью и является самым  слабым местом сварного соединения. В  зоне III температура металла не превышает 1100°С. Здесь наблюдается структура  нормализованной стали с характерным  и мелкозернистым строением. Металл в этой зоне имеет более высокие  механические свойства (в сравнении  с металлом первых двух зон).

В зоне IV происходит неполная перекристаллизация стали, нагретой до температуры, лежащей между критическими точками А и А . На этом участке  после охлаждения наряду с крупными зернами феррита образуются мелкие зерна феррита и перлита. Металл этой зоны также обладает более высокими механическими свойствами.

В зоне V структурных изменений  в стали не происходит, если сталь  перед сваркой не подвергалась пластической деформации. В противном случае на этом участке наблюдается рекристаллизация.

В зоне VI сталь не претерпевает видимых структурных изменений. Однако на этом участке наблюдается  резкое падение ударной вязкости (синеломкость).

Структурные изменения основного  металла в зоне термического влияния  незначительно отражаются на механических свойствах малоуглеродистой стали  при сварке ее любыми способами. Однако при сварке некоторых конструкционных  сталей в зоне термического влияния  возможно образование закалочных структур, которые резко снижают пластические свойства сварных соединений и часто  являются причиной образования трещин.

Размеры зоны термического влияния зависят от способа и  технологии сварки и рода свариваемого металла. Так, при ручной дуговой  сварке стали тонкообмазанными электродами (обмазку применяют в виде покрытия для защиты сварного шва от воздействия внешней среды) и при автоматической сварке стали под слоем флюса размеры зоны термического влияния минимальны (2-2,5 мм); при сварке электродами с толстой обмазкой протяженность этой зоны равна 4-10 мм, а при газовой сварке – 20-25 мм.

Часть 2.

 

Ультразвуковая  сварка.

 

Ультразвуковая сварка –  изобретение, появление и первоначальное развитие которого относится к 30-40-м  годам прошлого столетия. Открытие этого процесса связано с исследованием  применения ультразвуковых колебаний  для очистки поверхностей, соединяемых  с помощью контактной сварки. Было обнаружено, что при одновременном  воздействии на зону сварки определенного  усилия сжатия и ультразвуковых колебаний  соединение образцов осуществляется без  пропускания через них сварочного тока.

На первом этапе развития ультразвуковой сварки были получены сравнительно прочные соединения из мягких алюминиевых сплавов толщиной от 0,01 до 0,2 мм.

Дальнейшему развитию ультразвуковой сварки препятствовало отсутствие полных сведений о процессах образования  неразъемных соединений твердых  тел под воздействием ультразвука  и эффективного специализированного  оборудования. Исследования, проведенные  в середине 60-х гг. ХХ в. в Институте  электросварки им. Е.О. Патона, ИМЕТ им. А.А. Байкова и ВНИИЭСО, позволили обосновать механизм образования соединения металлов с помощью ультразвука.

Процесс образования соединения металлов с помощью ультразвуковых колебаний в общем случае можно  разбить на три стадии:

а) получение первичных  «мостиков схватывания»;

б) повышение температуры  до (0,3 – 0,5)ТПЛ соединяемых металлов в зоне контакта, вызывающее повышение  пластичности поверхностных слоев  металла, испарение пленок жира и  влаги, растрескивание оксидных пленок;

в) сближение соединяемых  поверхностей на расстояния, достаточные  для появления межатомных взаимодействий, обуславливающих образование монолитного  соединения. Отдельные исследования указывают на то, что образование  соединения сопровождается интенсивным  протеканием в поверхностных  слоях диффузии, релаксации и в  ряде случаев – плавлением металла  на глубину нескольких атомных слоев.

Показано, что характер процессов, протекающих при образовании  соединения, определяется физико-химическими  свойствами соединяемых материалов и технологическими параметрами  сварки. В конце 60-х гг. была обнаружена возможность качественной сварки полимеров  с помощью ультразвука.

Практической реализацией  ультразвуковой сварки пластмасс успешно  занимались ряд фирм США, Англии, ФРГ  и Японии. В СССР наиболее заметный вклад в этой области внесен учеными  МГТУ им. Н.Э. Баумана, где выполнен цикл работ по соединению термопластов с  термореактопластами и металлами. Следует отметить весьма перспективное направление использования ультразвуковой сварки в сочетании с контактной. В этом случае появляется возможность существенно снизить мощность сварочных машин, особенно при сварке металлов, имеющих небольшое электрическое сопротивление (медь, серебро, никель).

Под действием ультразвуковых колебаний в результате фрагментации поверхностных слоев в зоне контакта возрастает его электрическое сопротивление, что обуславливает эффективность  тепловыделения в зоне сварки и существенно  повышает скорость процессов диффузии.

Последний эффект может быть использован для интенсификации диффузионной сварки. Другим не менее  важным направлением в области получения  соединений с помощью ультразвуковых колебаний является комбинированный  способ сварко-пайки, сочетающий ультразвуковую сварку с различными процессами пайки, особенно в тех случаях, когда исключено применение флюсов.

Для осуществления данного  вида сварки было разработано специализированное оборудование, состоящее из источника  генерации высокочастотных (ультразвуковых) электромагнитных колебаний, механической колебательной системы, аппаратуры управления сварочным циклом и привода  сварочного усилия. Преобразование электромагнитных колебаний в механические и введение последних в зону сварки обеспечивается механической колебательной системой.

Типовые колебательные системы  для ультразвуковой сварки металлов приведены на рис. 6.

Основным звеном колебательных  систем является преобразователь 1, который  изготавливают из магнито-стрикционных или электрострикционных материалов (никель, пермендюр, титанат бария, ниобат свинца и др.).

Преобразователь является источником механических колебаний. Волноводное  звено 2 осуществляет передачу энергии  к сварочному наконечнику и обеспечивает увеличение амплитуды колебаний  по сравнению с амплитудой исходных волн преобразователя, а также трансформирует сопротивление нагрузки и концентрирует  энергию в заданном участке свариваемых  деталей 5. Акустическая развязка 3 от корпуса  машины позволяет практически всю  энергию механических колебаний  трансформировать и концентрировать  в зоне контакта.

Сварочный наконечник 4 является согласующим волноводным звеном между нагрузкой и колебательной  системой. Он определяет площадь и  объем непосредственного источника  ультразвуковых механических колебаний  в зоне сварки. В зависимости от формы сварочного наконечника колебательной  системы ультразвуковая сварка может  быть точечной, шовной или кольцевой. С помощью ультразвука можно  сваривать металлы и сплавы как  между собой (в однородном или  разнородном сочетании), так и  с некоторыми неметаллическими материалами.

Свариваемость металла зависит  от его твердости и кристаллической  структуры. Свариваемость ухудшается в следующей последовательности для металлов, имеющих ГЦК, ОЦК  и гексагональную решетки, а также  с увеличением твердости.

Ультразвуковая сварка позволяет  соединять разные элементы изделий  толщиной 0,005 – 3,0 мм или диаметром 0,01 – 0,5 мм. При приварке тонких листов и фольг к деталям толщина  последних практически не ограничивается.

Особые преимущества этот процесс имеет при соединении разнородных и термочувствительных  элементов.

Областями использования  ультразвуковой сварки являются: производство полупроводников, микроприборов и микроэлементов для электроники, конденсаторов, предохранителей, реле, трансформаторов, нагревателей бытовых холодильников, приборов точной механики и оптики, реакторов, сращивание концов рулонов различных тонколистовых материалов (медь, алюминий, никель и их сплавы) в линиях их обработки, а также автомобильная промышленность.

Соединение при этом способе  сварки образуется под действием  ультразвуковых колебаний (частотой 20-40 кГц) и сжимающих давлений, приложенных  к свариваемым деталям.

Ультразвуковые колебания  в сварочных установках получают следующим образом. Ток от ультразвукового  генератора (УЗГ) подаётся на обмотку  магнитострикционного преобразователя (вибратора), который собран из пластин  толщиной 0,1-0,2 мм. Материал, из которого они изготовлены, способен изменять свои геометрические размеры под действием переменного магнитного поля.

Если магнитное поле направлено вдоль пакета пластин, то любые его  изменения приводят к укорочению или удлинению магнитостриктора, что обеспечивает преобразование высокочастотных электрических колебаний в механические той же частоты.

Вибратор соединяется  припоем (или клеем) с волноводом или концентратором (инструментом), который может усиливать амплитуду  колебаний. Волноводы цилиндрической формы передают колебания, не изменяя  их амплитуды, в то время как ступенчатые, конические концентраторы усиливают  колебания. Размеры и форму концентратора  рассчитывают с учётом необходимого коэффициента усиления. Как правило, достаточен коэффициент 5, обеспечивающий амплитуду колебаний рабочего выступа  при холостом ходе 20-30 мкм. Размеры  волноводной системы подбирают  так, чтобы в зоне сварки амплитуды  колебаний были максимальными (кривая упругих колебаний, рис. 7).

При этом методе сварки колебательные  движения ультразвуковой частоты разрушают  неровности поверхности (рис. 8) и оксидный слой. Совместное воздействие на соединяемые  детали механических колебаний и  относительно небольшого давления сварочного волновода-инструмента обеспечивает течение металла в зоне соединяемых  поверхностей без внешнего подвода  теплоты. В результате трения, вызванного возвратно-поступательным движением  сжатых контактирующих поверхностей, нагреваются поверхностные слои материалов. Однако трение - не доминирующий источник теплоты при сварке, например, металлов, но его вклад в образование  сварного соединения является существенным. Ультразвуковая сварка может применяться  для соединения металла небольших  толщин, широко применяется для сварки полимерных материалов. При сварке полимеров ультразвуковые колебания  подаются волноводом перпендикулярно  к соединяемым поверхностям, и  под их воздействием возникает интенсивная  диффузия - перемещение макромолекул из одной соединяемой части в  другую.

Разработан процесс сварки костных тканей в живом организме, основанный на свойстве ультразвука  ускорять процесс полимеризации  некоторых мономеров. Так, циакрин, представляющий собой этиловый эфир цианакриловой кислоты, под действием ультразвука образует твёрдый полимер в течение десятков секунд, в то время как без ультразвука процесс полимеризации идёт несколько часов. Это явление и легло в основу соединения, или сварки, обломков костной ткани с помощью циакрина, смешанного с костной стружкой. Циакрин затвердевает и прочно соединяется с костной тканью, проникая в её капилляры под действием ультразвуковых колебаний. В результате получается прочное соединение отдельных частей кости.

Ультразвуковая сварка позволяет  решить проблему присоединения к  кристаллам кремния полупроводниковых  приборов алюминиевых проводников-выводов, которыми осуществляется подключение  приборов к внешним электрическим  цепям. Диапазон геометрических размеров контактных площадок полупроводниковых  приборов очень широк - от нескольких микрометров у интегральных схем и дискретных транзисторов до 400-700 мкм  у мощных транзисторов и диодов. Присоединение выводов - наиболее трудоёмкая операция во всём цикле изготовления приборов.

Разработано несколько вариантов  ультразвуковой сварки кристаллов с  выводами: с использованием продольной, поперечной, продольно-поперечной колебательных  систем (рис. 9).

Конкретными примерами применения ультразвуковой сварки металлов является сварка тонких элементов разнотолщинных деталей, выполненных из однородных и разнородных металлов:

аллюминиевых электролитических конденсаторов

выводов трансформаторов  и дросселей 

электронных приборов

радиаторов для тепловых и электронных приборов

тары изготовленной из фольги, элементов игрушек и т.п.

Основными областями применения являются:

автомобильная промышленности

авиационная промышленности

электронная промышленности