Ультразвуковая сварка изделий малых размеров

Категория:
Технология миниатюрных изделий


Ультразвуковая сварка изделий малых размеров

Ультразвуковая сварка изделий малых размеров и толщин, различных конструктивных микроэлементов получила в современном производстве широкое распространение. Особенностью ультразвуковой сварки является возможность соединения однородных и разнородных по своей структуре материалов, которые не поддаются сварке обычными методами. Преимуществами ультразвуковой сварки является образование соединения в твердом состоянии без существенного нагрева изделий в зоне сварки, а также отсутствие их оплавления. В месте сварки под действием ультразвуковых колебаний создается температура, которая не превышает 60% температуры плавления материалов, что весьма важно при сварке изделий, не допускающих значительный нагрев.

Для ультразвуковой сварки обычно используются колебания частотой 18—60 кГц. При сообщении ультразвуковых колебаний свариваемым элементам и приложении к ним усилий в зоне контакта возникают сложные физические процессы: сдвиговые деформации в приконтактных участках, обеспечивающие разрушение и удаление поверхностных пленок, локальный нагрев и взаимная диффузия. При сближении поверхностей свариваемых элементов на расстояние межатомных сил образуется прочное их соединение. Наиболее хорошо свариваются материалы, обладающие высокой пластичностью. Чем тоньше свариваемые материалы и чем выше их пластичность, тем лучше они свариваются.

Типовая колебательная система для ультразвуковой сварки включает источник ультразвуковых колебаний, магнито- или пьезокера-мический преобразователь, концентратор, к концу которого прикреплен сварочный наконечник (инструмент). Свариваемые изделия размещают на подставке. Ультразвуковая сварка применяется в основном для соединения элементов внахлестку.

Основными параметрами режима ультразвуковой сварки являются амплитуда, частота ультразвуковых колебаний, контактное усилие, время сварки и мощность колебательной системы.

Амплитуда колебаний инструмента характеризует динамическую нагрузку, прилагаемую к свариваемым изделиям в зоне их контакта. От величины амплитуды зависит прочность соединения. Влияние амплитуды на процесс сварки следует рассматривать в комплексе с прилагаемым контактным давлением, подводимой мощностью и другими факторами. Для сварки малых толщин обычно используют малые амплиутды, порядка 0,005—0,015 мм.

Усилие прижатия обеспечивает плотный контакт свариваемых изделий и обусловливает пластическое течение материалов, необходимое для создания соединения. Величина необходимого контактного усилия возрастает с увеличением ряда физико-механи-ческих характеристик свариваемых материалов: предела текучести, твердости, а также толщины элементов.

В производственной практике величину усилия прижатия подбирают практически для каждой пары свариваемых материалов и толщины. Оптимальное контактное давления является такое, при котором получается наибольшая прочность соединения.

Частота ультразвуковых колебаний при сварке определяется частотой генератора и является величиной постоянной. Оптимальное значение частоты для каждой пары свариваемых материалов и их толщин устанавливают опытным путем. Для сварки малых толщин применяют повышенные частоты.

Время ультразвуковой сварки зависит от приведенных выше параметров, а также от физико-механических свойств и толщины свариваемых материалов. Обычно оно составляет 0,25—5 с.

Технология сварки. Технологические параметры сварки обычно устанавливают экспериментально, так как аналитическое определение их затруднительно. Качество сварки определяется путем испытаний прочности, а также микроструктуры соединения.

Рис. 1. Ультразвуковая сварка

Полученное соединение считают удовлетворительным, если при испытаниях на отрыв ядро соединения вырывается из основного материала. Отклонение частоты генератора от частоты колебаний механической системы на 1—2% резко снижает прочность соединения, поэтому изменение частоты генератора должно составлять не более 0,1% от собственной частоты волноводной системы.

Величина контактного давления определяется свойствами соединяемых материалов и толщиной изделий. Для сварки применяются малые давления. Обычно деформация свариваемых изделий не должна превышать 5—20%.

Основными операциями технологического процесса ультразвуковой сварки являются:
а) очистка и обезжиривание свариваемых поверхностей;
б) установка тока подмагничивания генератора;
в) установка ориентировочного значения выходного напряжения генератора;
г) настройка частоты выходного напряжения на резонансную частоту преобразователя с инструментом в нагруженном состоянии;
д) подбор контактного усилия (усилия сжатия);
е) выбор оптимального времени сварки. Путем проведения нескольких пробных сварок на образцах соединяемых материалов, варьируя параметрами, определяют наилучший режим сварки.

При установке инструмента относительно поверхности столика или изделия необходимо следить за тем, чтобы ось инструмента была перпендикулярна поверхности, так как в противном случае может иметь место «выползание» привариваемого изделия во время сварки.

Приведем режимы ультразвуковой сварки некоторых материалов. Сварку алюминия А1 толщиной 0,1 мм производят при частоте 30—35 кГц и усилий сжатия 7—15 кГс (амплитуда 0,012— 0,016 мм; время сварки 0,5 с). Изделия из титанового сплава АТЗ толщиной 0,2 мм сваривают при частоте 30—40 кГц и усилии сжатия 40 кГс (амплитуда 0,016—0,018 мм; время сварки 0,3 с).

Для сварки полимерной пленки толщиной 0,02 мм .используют частоту 25—35 кГц и усилие сжатия 1,5 кГс (амплитуда 0,025— 0,03 мм; время сварки 1,5 с). Сварку металлизированной алюминием полимерной пленки толщиной 0,0125 мм производят при частоте 30 кГц и усилии сжатия 15 кГс (амплитуда 0,025—0,03 мм; время сварки 2 с).

Подготовка поверхности свариваемых изделий. Требования к состоянию поверхности свариваемых изделий при’ультразвуко-вой сварке несколько ниже, чем при пайке и склеивании. Однако свариваемые поверхности не должны быть загрязненными, иметь жировую пленку и грубые поверхностные дефекты.

В целях повышения стабильности качества соединений, полу- ‘ ченных при одинаковых режимах, рекомендуется обеспечивать одинаковое исходное состояние свариваемых поверхностей. Наблюдается некоторое снижение прочности сварных соединений у нетравленых поверхностей по сравнению с травлеными, а также у плакированных изделий по сравнению с неплакированными.

Прочность соединений медных изделий снижается на 50% при нанесении покрытий олова, никеля или цинка. Необходимым условием получения качественного соединения материалов является обеспечение беспрепятственного контактирования свариваемых поверхностей. Это достигается путем интенсивных относительных микроперемещений, обусловливаемых определенными значениями амплитуды колебаний. В результате этих микроперемещений происходит разрушение окисных пленок и обнажение чистых слоев материала.

Ультразвуковой сварке поддаются оксидированные изделия, микропровода, покрытые изоляцией, толщиной 0,004—0,01 мм, металлическая фольга, тонкие полимерные пленки и других материалы.

Инструмент. Конец рабочего инструмента в процессе сварки подвергается интенсивному разрушению. Форма его может быть различной: сферическая, усеченная сфера, усеченный конус, по очертанию свариваемых элементов и др. С целью уменьшения Износа рабочего конца инструмента его упрочняют.

Для изготовления инструмента используют стали 45, 50, 40Х, 65Г, ШХ15, У8 и др. с последующей термической обработкой. В ряде случаев рабочую часть инструмента армируют вставками из твердых сплавов ВК8, ВК20, ВК25 и др.

При сварке имеет место налипание материала на рабочую часть инструмента, поэтому ее периодически чистят. Для этой цели можно использовать тонкую шкурку, наклеенную на деревянную подкладку. В процессе сварки в инструменте могут возникнуть усталостные трещины, и он разрушится. Однако образовавшаяся трещина выявляется не сразу. Признаками, по которым можно судить о дефекте инструмента, являются: падение прочности получаемых соединений; возникновение вибраций на низких частотах, максимальное значение тока сетки генератора, соответствующее резонансу, падает и при настройке становится не резко выраженным; отдельные места инструмента сильно нагреваются. Для определения места расположения трещины предполагаемый участок поверхности смазывают жидким машинным маслом и производят пробную сварку. Если возникшая трещина вышла на поверхность, то масло, затекая в нее, начинает интенсивно нагреваться и пузыриться.

Оборудование. Типовая установка для ультразвуковой сварки состоит из двух агрегатов: ультразвукового генератора и сварочной машины. Для сварки используют генераторы малой мощности (см. табл. 13). Применительно к ультразвуковой сварке целесообразно использование генераторов с независимым возбуждением и системой стабилизации их выходных параметров.

Процесс сварки является кратковременным, поэтому важнейшим технологическим требованием, предъявляемым к генератору, является стабильность мощности при различных режимах. Типовое сварочное устройство состоит из сварочной головки, в которую входит магнитострикционный или пьезокерамический преобразователь, снабженный рабочим инструментом; нагружающего устройства и реле для автоматической выдержки времени сварки.

Для ультразвуковой сварки применяют различные установки и полуавтоматы. Так, для соединения круглых (диаметром 0,3— 0,1 мм) и плоских проводников (толщиной до 0,1 мм) с тонкими металлическими пленками применяют ультразвуковую сварочную установку УЗС. Для питания установки используют ультразвуковой генератор УН1-0,4-Г мощностью 30 Вт и с рабочей частотой 60 кГц. Длительность импульсов ультразвуковых колебаний сварочной установки составляет 0,1—4,4 с. Максимальное усилие сжатия свариваемых элементов равно 0,5 кГс. Имеется установка для сварки алюминиевых и золотых проводников диаметром 0,03—0,05 мм.

Ультразвуковая сварка может производиться с подогревом. Максимальная выходная электрическая мощность генератора, питающего установку, составляет 20 Вт; рабочая частота колебаний — 44 кГц; диапазон регулирования длительности импульсов составляет 0,1—0,2 с; максимальная температура нагрева предметного стола установки 300 °С; усилие сжатия свариваемых элементов регулируют в пределах 0,025—0,25 кГс.

Ультразвуковую установку УЗСКН-1 применяют для приварки проводников из меди, алюминия и золота диаметром 0,03—0,1 мм и плоских лент толщиной до 0,05 мм к контактным площадкам и пленкам из тантала, никеля, золота И других металлов, напыленных на диэлектрические и полупроводниковые подложки. Максимальная выходная электрическая мощность генератора, питающего сварочную установку, составляет 20 Вт; рабочая частота ультразвуковых колебаний равна 44 кГц; диапазон регулирования длительности импульса 0,1 —1,6 с; максимальная температура нагрева рабочей части инструмента 800 °С; усилие сжатия свариваемых элементов регулируемое и составляет 0,025—1 кГс.

Созданы ультразвуковые полуавтоматы для сварки металлических проводников диаметром 0,02—0,075 мм при монтаже микросхем. Подача и обрыв микропровода в них автоматизированы.

Универсальную ультразвуковую сварочную установку КОНТАКТ применяют для прецизионной приварки медной, золотой, алюминиевой микропроволоки с напыленными полупроводниковыми пленками. Сварку производят в среде защитного газа. Катушка с микропроводом находится в герметичной кассете и продувается инертным газом. Отрезка и оформление конца провода производится специальным механизмом, работающим в автоматическом режиме.

Для ультразвуковой сварки пленочных микросхем с соединением микропровода толщиной менее 0,1 мм с металлическими пленками толщиной 0,001 мм, напыленным на стекло или ситалл с контактными площадками менее 0,1 X 0,1 мм, применяют специальную ультразвуковую установку (рис. 108). Установка смонтирована на основании и включает следующие основные узлы: сварочную головку с колебательной системой, механизм давления, рабочий стол и микроскоп.

Рис. 2. Установка для ультразвуковой сварки пленочных микросхем

Для сварки тонкой полимерной пленки толщиной до 0,04 мм и металлизированной пленки толщиной 0,0125 мм применяют портативные ультразвуковые сварочные головки, работающие на частотах 23 и 28 кГц. Мощность головок составляет 20—30 Вт.

Широкую номенклатуру оборудования для ультразвуковой сварки выпускают за рубежом. Например, в ЧССР для приварки микропроводов и алюминиевой фольги разработана установка с источником питания мощностью 50 Вт и частотой 50 кГц. Генератор имеет автоматическую подстройку частоты. Установка снабжена микроманипулятором, обеспечивающим точное перемещение и поворот свариваемых изделий. Для наблюдения за процессом сварки установка снабжена стереомикроскопом. В США разработана установка настольного типа мощностью 100 Вт для сварки особо тонких и миниатюрных изделий и для приварки алюминиевых выводов к полупроводникам.

Оснастка. В зависимости от конфигурации и размеров свариваемых изделий используют специальную оснастку для их фиксации во время сварки, в качестве которой применяют технологические, прижимные, поворотные столики и приспособления. На рис. 3, а приведена кинематическая схема прижимного столика, предназначенного для сварки тонкой фольги. Свариваемые изделия располагаются на колпачке. При нажатии на ножную педаль движение через рычаг и реечную передачу передается шпинделю. В результате свариваемые изделия прижимаются к рабочему наконечнику сварочного инструмента. Необходимое статическое давление обеспечивается вмонтированной в корпус приспособления пружиной, усилие сжатия которой регулируется стаканом. Возврат шпинделя и колпачка происходит под действием грузов.

Рис. 3. Приспособления для ультразвуковой сварки

Для сварки миниатюрных изделий одного типоразмера служит многопозиционное приспособление. С помощью кронштейна приспособление крепят к корпусу ультразвукового сварочного агрегата. Изделия и привариваемые к ним микроэлементы укладывают в гнезда свободно поворачивающегося стола и при помощи гайки закрепляют прижимом. Стол укреплен в корпусе приспособления. Для регулирования положения стола и изделий относительно сварочной головки предусмотрен стакан и штурвал. Приспособление снабжено фиксатором, обеспечивающим поворот и фиксацию стола в требуемом положении.

Применение ультразвуковой сварки. Ультразвуковая сварка получила наибольшее распространение для получения неразъемного соединения миниатюрных изделий, тонких пластин, лент, пленок и в тех случаях когда применение пайки или термокомпрессионной сварки затруднено или невозможно.

В ряде случаев при нагреве свариваемых элементов образуется интерметаллическая фаза, при которой соединение становится хрупким и пористым. Указанные недостатки устраняются при ультразвуковой сварке, так как энергия, идущая на образование соединения, легко дозируется, а тепловое влияние незначительно. Соединение имеет малое омическое сопротивление, высокую прочность и стойкость к вибрациям. Процент брака при ультразвуковой сварке ниже, чем при термокомпрессионной, и составляет не более 10%.

Применение ультразвуковой сварки позволяет заменять золотую микропроволоку алюминиевой. За рубежом алюминиевую микропроволоку применяют для соединения полупроводников в системах космических кораблей в связи с меньшим их весом по сравнению с медными и золотыми проводниками, а также более высокой стойкостью соединений из алюминия при инерционных и вибрационных нагрузках. Используя ультразвуковые колебания и косвенный импульсный нагрев, можно осуществлять соединение малопластичных и трудносвариваемых металлических проводников с полупроводниками с нанесенным на них металлическим слоем или без него.

Ультразвуковую сварку применяют для соединения проводников из драгоценных металлов с различными материалами при изготовлении реле. Получение таких соединений контактной сваркой невозможно ввиду различия в тепло- и электропроводности материалов. При ультразвуковой сварке можно изготовлять капсюли полупроводниковых диодов и триодов без загрязнений, характерных при применении различных видов сварки оплавлением. С помощью ультразвуковой сварки приваривают выводы, получают сотовые конструкции, емкости и другие изделия из алюминиевой фольги толщиной 0,075 мм. Из берриллиевой фольги толщиной 0,025 мм методом контурной сварки изготавливают мембраны счетчиков космической радиации и прочие изделия.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум