Материал: Сварка и свариваемые материалы. Технология и оборудование

JO-8—io~9 л • мкм/с, позволяющим автоматизировать процесс испытания масс-спектрометрическим методом с чувствительно­ стью до 10~8 л • мкм/с гелия. При ХСС качество контролируют посредством как внешнего осмотра, так и механического испы­ тания на изгиб с выпрямлением; сварной стык при этом не должен разрушаться. Для подтверждения результатов механи­

ческих испытаний применяют металлографические исследо­ вания.

12.4-2. Методы разрушающего контроля

Методы разрушающего контроля в производственных условиях применяют выборочно на образцах-свидетелях. При оценке ка­ чества соединений, выполненных ХТС, проводят механические испытания образцов-свидетелей на срез или отрыв. Для конт­ роля замкнутых швов, выполненных ХШС, применяют метод опрессовки, доводя испытуемый образец до разрушения избы­ точным давлением. Основными методами контроля соединений, выполненных ХСТС, являются механические испытания специ­ альных образцов-свидетелей на растяжение и изгиб.

Г л а в а 13 УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СВАРКА

13.1* Общие сведения

Ультразвуковая сварка (УЗС) является одним из современных способов соединения металлов в твердом состоянии.

Возможность применения ультразвука для получения неразъемного сое­ динения была обнаружена при исследовании особенностей контактной сварки с ультразвуковой очисткой соединяемых поверхностей [1].

Наиболее интенсивное развитие этот процесс получил в последние 30— 40 лет. к настоящему времени в СССР и за рубежом разработаны обору­ дование и технология УЗС металлов, которые успешно применяются в про­ мышленности.

13.1-1. Определение и основные схемы процесса

УЗС — сварка давленном, осуществляемая при воздействии ультразвуковых колебаний (ГОСТ ?60i—84; СТ СЭВ 5277—85). Неразъемное соединение при УЗС металлов получают в процессе сжатия соединяемых элементов с от­ носительно небольшим усилием (десятые доли или единицы ньютона при соединении элементов микросхем н полупроводниковых приборов и не более

кварку с поМоц*ью ультразвука осуществляют на специальных машинах, состоящих из источника генерации высокочастотных (ультразвуковых) элек­ тромагнитных кОле^аний, механической колебательной системы, аппаратуры управления сварочМыМ циклом и привода сварочного усилия [1, 2, 4—6].

Преобразование электромагнитных колебаний в механические и введение последних в зону сварки обеспечивается в этих машинах механической коле­ бательной системой. Типовые колебательные системы для УЗС металлов приведены на рис. 13.1. Основным звеном колебательных систем является преобразователь /, который изготавливают из магнитострикционных или электрострикционных материалов (никель, перминдюр, титанат бария, ниобат свинца и др.). Преобразователь является источником механических колеба­ ний. Волноводное звено 2 осуществляет передачу энергии к сварочному на­ конечнику и обеспечивает увеличение амплитуды колебаний по сравнению с амплитудой исходных волн преобразователя, а также трансформирует со­ противление нагрузки и концентрирует энергию в заданном участке свари­ ваемых деталей 5. Акустическая развязка 3 от корпуса машины позволяет практически всю энергию механических колебаний трансформировать и кон­ центрировать в зоне контакта. Сварочный наконечник 4 является согласую­ щим 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 УЗС металлов может быть точечной, шовной или кольцевой [2, 4, 5, 7].

13.1.2- Физические основы

При УЗС необходимые условия для образования соединения создаются в результате наличия механических колебаний в зоне контакта соединяемых элементов. Энергия вибрации со­ здает сложные напряжения растяжения, сжатия и среза. При превышении предела упругости соединяемых металлов проис­ ходит пластическая деформация в зоне их контактирования. В результате пластической деформации и диспергирующего действия ультразвука происходит разрушение и удаление по­ верхностных пленок различного происхождения, а также обра­ зование сварного соединения [2, 4—6, 8, 9]. При этом отмеча­ ется [8] резкая интенсификация процесса образования соедине­ ния в результате ультразвукового воздействия на свариваемые материалы. Температура нагрева в зоне контакта обычно не превышает 0,3—0,5 от температуры плавления соединяемых металлов [2, 4, 5, 9]. Согласно [2], повышение температуры не является определяющим фактором в образовании сварного со­ единения и не оказывает значительного воздействия на свари­ ваемые металлы. При УЗС происходит лишь незначительное изменение структуры и свойств свариваемых металлов.

13.1.3. Технологические возможности

УЗС позволяет соединять разные элементы изделий толщиной 0,005—3,0 мм или диаметром 0,01—0,5 мм [7]. При приварке тонких листов и фодьг к деталям толщина последних практиче­ ски не ограничивается [2]. Разнотолщинность свариваемых де­ талей при УЗС может достигать 1: 100 [4, 5]. На рис. 13.2 представлены наиболее распространенные для ультразвуковой сварки металлов типы сварных соединений (4—6].

Рис. 13.2. Основные fHtib1 сварных соединений металлов f4—6J:

А I -сплавы

де - сплавы

Си .латунь

Gг Аи

Сталь.железо

Мд -сплавы Мо-сплавы

Ni -оплавь/ Pdсплавы

P i-сплавы

SI

Ад -сплавы Та -сплавы

5 л

Ti -сплавьi

Nb -сплавы W- сплавы

U

1г-сплавы

V

Стекло

С помощью ультразвука можно сваривать металлы и сплавы как между собой (в однородном или разнородном сочетании), так и с некоторыми неметаллическими материалами. Сварива­ емость металла зависит от его твердости и кристаллической структуры. С увеличением твердости свариваемость ухудша­ ется. При сварке металла с решетками г. ц. к., о. ц. к. и гек­ сагональной свариваемость ухудшается в пропорции 24:8:6. Это обусловлено тем, что металлы с разной кристаллической структурой обладают неодинаковой способностью проводить ультразвуковые колебания [10]. На рис. 13.3 приведены соче­ тания свариваемых материалов при УЗС [7].

13.2. Технология сварки

Схема типового технологического процесса при УЗС металлов представляет собой комплекс последовательно выполняемых операций, основными из которых являются: подготовка свари­ ваемых поверхностей, сборка узлов, прихватка, сваркД и правка. Объем работ по каждой операции определяется особен­

ностями технологии изготовления конкретных изделий. При­ хватка при ограниченном числе сварных точек может не вы­ полняться [4, 5].

13.2.1■ Подготовка поверхностей

Большинство исследователей [2, 4—8] отмечают, что влияние поверхностных пленок на прочность соединений, выполненных УЗС, невелико. Поэтому считается, что при УЗС металлов мо­ жно получать сварные соединения с высокими эксплуатацион­ ными характеристиками без предварительной обработки соеди­ няемых поверхностей. Вместе с тем в некоторых работах [4, 5] указывается на целесообразность удаления поверхностных пле­ нок с соединяемых поверхностей, так как они не только сни­ жают возможность образования сварного соединения, но в ряде случаев исключают получение технологического эффекта.

В работах [7, 11) предлагается для подготовки поверхно­ стей, свариваемых с помощью ультразвука, применять обезжи­ ривающую обработку.

13.2.2. Выбор параметров режима сварки

Основными технологическими параметрами режима УЗС ме­

Амплитуда колебаний сварочного наконечника является важнейшим параметром режима сварки, влияющим на созда­ ние необходимых условий для удаления поверхностных пленок, нагрев, расположение и размеры зоны пластической деформа­ ции свариваемого Металла. В каждом конкретном случае £Св назначают в зависимости от наличия оксидной пленки и ее толщины, а также от свойств (предела текучести и твердости) и толщины свариваемого металла. При этом она растет про­ порционально пределу текучести, твердости и толщине свари­

в соответствии с типовыми циклограммами, приведенными на

рис. 13.4 [3—5].

Сварочное усилие обеспечивает передачу ультразвуковых ко­ лебаний и вызывает пластическую деформацию металла в зоне соединения. С увеличением предела текучести, твердости и тол­ щины свариваемого металла величина Рсв растет. При этом FCB и £Св взаимосвязаны между собой, т. е. при заданной мощности Механической колебательной системы с увеличением £Св свароч­ ное усилие необходимо снижать. При соединении элементов микросхем и полупроводниковых приборов Fсв составляет деся­ тые Доли либо единицы ньютона, а при сварке относительно