Файл: Эскин, Г. И. Ультразвук шагнул в металлургию.pdf

делия находятся под воздействием статической нагруз­ ки, осуществляющей контакт соединяемых поверхностей, и переменной нагрузки ультразвуковой частоты.

Согласно данным А. М. Мицкевича и С. К. Гинзбур­ га [38], в зависимости от режима ультразвуковой евар-

ки, т. е. амплитуды колебаний сварочного инструмента и сжимающего свариваемые детали усилия, может дей­ ствовать один из двух различных механизмов образова­ ния сварного соединения.

В первом случае, когда амплитуда колебаний свароч­ ного инструмента превышает некоторую пороговую вели­ чину1, свариваемые поверхности проскальзывают относи­

1 Пороговое значение амплитуды сварочного инструмента 5—

10 мкм.

140

тельно Друг друга большую часть сварочного цикла. При таких относительно больших перемещениях проис­ ходят разрушение возникающих на микронеоднородно­ стях поверхности зон схватывания и износ соединяемых поверхностей. Температура в месте контакта начинает быстро повышаться и отдельные наиболее прочные зо­ ны схватывания пластически деформируются. Поскольку время свар:ки ограничено и большинство зон контакта непрерывно разрушается и вновь образуется, диффузи­ онные процессы протекают не в полном объеме контакт­ ной зоны. Считают, что процесс сварки при этом напоми­ нает процесс сварки вибротрением.

Во втором случае амплитуда колебания сварочного инструмента меньше пороговой. При таких условиях проскальзывание свариваемых поверхностей практиче­ ски исключено и микронеровности начинают пластиче­ ски деформироваться под действием ультразвука. Дефор­ мация микронеровностей под действием ультразвуковой нагрузки хорошо видна на рис. 62, где показаны профи­ лограммы поверхностей свариваемых медных пластин перед сваркой и через 0,1—0,2 сек после начала сварки. В результате сближения свариваемых поверхностей воз­ никает большое количество зон схватывания, которые испытывают небольшие знакопеременные деформации; окислые пленки разрушаются. В дальнейшем продол­ жается возникновение новых зон схватывания, что ведет к созданию сплошной поверхности контакта, в которой происходят рекристаллизациониые процессы (образу­ ются общие зерна).

Ведущим процессом описываемого механизма ультра­ звуковой сварки является в этом случае диффузия (самодиффузия). Как и при знакопеременном нагружении при усталостных испытаниях, в указанном режиме уль-

141

а

1'

//бмкм

б

Рис. 62. Профилограммы поверхности сваривае­ мых медных пластин перед сваркой (а) и через ОД—0,2 сек после начала сварки (б); стрелкой указано направление колебаний [38]

тразвуковой сварки происходит непрерывный процесс упрочнения металла у соприкасающихся поверхностей. Процесс упрочнения в зоне контакта соответствует со­ зданию увеличенной плотности дислокаций, поэтому за сравнительно малое время сварки (порядка 1 сек) мо­ жет осуществляться миграция точечных дефектов от кон­ тактной зоны в свариваемый материал и встречная ми­ грация атомов из материала в контактную зону, что не может не способствовать образованию прочной связи в месте сварки.

142

К этому следует добавить, что прочность сварных со­ единений, полученных в описанных двух крайних режи­ мах ультразвуковой сварки, различна, и ощутимо выше во втором случае, когда за счет отсутствия проскальзы­ вания в полной мере развивается процесс диффузии.

Исследования механизма ультразвуковой сварки, вы­ полненные в последние годы Джонсом (США), В. Нолтингом (Англия), Н. А. Ольшанским, М. Н. Крумбольтом, Л. Л. Силиным, В. Байером, А. А. Аловым, А. М. Мицкевичем, С. К. Гинзбургом (СССР), показали, что этот метод соединения нельзя свести ни к холодной свар­ ке давлением, ни к методу сварки трением, ни к методу диффузионной сварки в твердом состоянии. Ультразву­ ковая холодная сварка является самостоятельным мето­ дом сварки, характеризующимся малыми энергетически­ ми затратами и разнообразными возможностями приме­ нения. На рис. 63, например, приведена схема станка

из

для ультразвуковой сварки микроэлементов, разработан­ ного А. П. Кожевниковым и др. [27]. На этом станке можно успешно приваривать металлические проводники (алюминий, золото) диаметром 0,1 мм к металлическим пленкам толщиной менее 1 мкм, напыленным на стекло или ситалл с контактной площадкой менее 0,1X0,1 мм2. Такой сварочный станок позволяет в импульсном режи­ ме ультразвуковой сварки осуществлять прочный кон­ такт металлических проводников с пленками печатного монтажа из металлов золота, алюминия, тантала, ни­ келя и т. д.

Соединение металлов без расплавления может быть осуществлено и посредством пайки. Однако пайка воз­ можна далеко не всегда. Так, например, проведение пай­ ки алюминия и его сплавов затруднительно из-за плот­ ной и прочной окисной пленки. Окисная пленка мешает

от окисной пленки непосредственно под слоем расплав­ ленного припоя неэффективен, так как качество пайки зависит от количества царапин; применение химических методов борьбы с окисной пленкой с использованием флюсов снижает коррозионную стойкость места соедине­ ния. Ультразвуковой бесфлюсовый метод пайки алюми­ ния и его сплавов обеспечивает безукоризненное каче­ ство соединений. Механизм процесса описан еще в пя­

Посредством жала паяльника (рис. 64) ультразвуко­ вые колебания передаются в каплю припоя, находяще­ гося на поверхности нагретого металла. В расплавлен­ ном припое под действием ультразвука начинается кави­ тация. Хрупкая окисная пленка под влиянием кавита­

144

ции разрушается, отслаивается и дает доступ расплав­ ленному .припою к чистой поверхности металла. В какойто степени разрушающему действию кавитации подвер­ гается и поверхность металла, что способствует смачи­ ванию и диффузионной связи припоя и основного метал­ ла. Следует указать, что описанный механизм не затра­ гивает самого процесса соединения припоя и металла в

поле ультразвука. Видимо, условия взаимодействия рас­ плавленного припоя и чистой (без пленки) поверхности металла в поле ультразвука должны быть соответству­

ющим образом изучены.

Обычно прочность паяного соединения составляет 15—25% от прочности основного металла. Чаще всего в качестве припоя используют сплавы олова с цинком и кадмием [39], так как чистое олово имеет сравнительно высокое поверхностное натяжение, а сплавы олова со свинцом вызывают коррозию шва и повышенную хруп­ кость.

Пайка ультразвуком может осуществляться не толь­ ко посредством паяльника, но и применением специаль­ ных паяльных ванн1. В этом случае удается получить со­

1Авторское свидетельство СССР № 181967, 1965.

145

ГЛАВА IX

УЛЬТРАЗВУК в ПРОИЗВОДСТВЕ п о к р ы т и и

Современное машиностроение и металлургия широко используют покрытия. В зависимости от поставленной за­ дачи покрытие может быть получено в результате про­ стого молекулярного сцепления или за счет диффузии в процессе химических или электрохимических реакций.

Высокие требования к коррозионной стойкости изде­ лий новейшей техники, особые требования к прочности, твердости, износостойкости, теплопроводности и др. —• все это привело к созданию новой области машиностро­ ения — техники покрытий.

Так как в основе технологии создания любого покры­ тия лежит процесс массообмена между поверхностью изделия, и средой (жидкий расплав, в котором осущест­ вляется покрытие горячим способом, или электролит, в котором идут электродные процессы, и т. д.), а скорость протекания процесса массообмена, как правило, весьма мала, то возникает необходимость интенсификации мас­ сообмена и нахождения способа управления этим про­ цессом.

Ультразвуковые колебания и являются как раз таким средством, причем не только способствующим ускоре­ нию процесса маосоо'бмена, но и дающим возможность управления им.

Ультразвуковое воздействие на процессы нанесения

147

покрытий обусловлено созданием в обрабатываемой сре­ де интенсивного перемещения ее частиц благодаря раз­ личного рода микро- и макропотокам.

Нанесение покрытий методом металлизации встре­ чается в технике довольно часто — горячее лужение и цинкование стальных полуфабрикатов, лужение керами­ ки, покрытие ферритов и других неметаллических мате­ риалов электронной и полупроводниковой техники, лу­ жение алюминия, алитирование титана и т. д.

При нанесении покрытий из расплава серьезную про­ блему представляет предварительная химическая подго­ товка поверхности, связанная с затратами времени, за­ грузкой оборудования и расходованием реактивов. Кро­ ме того, между подавляющим количеством пар покры­ тие — основной материал невозможно создать молеку­ лярную связь без применения специальных флюсов, об­ ладающих поверхностно активными свойствами. Это также усложняет технологический процесс, снижает про­ изводительность труда и является в последующем источ­ ником развития коррозии. Выделение паров флюсов пре­ пятствует автоматизации процесса нанесения покрытий из-за разрушающего действия паров на оборудование.

Всех этих в достаточной мере неприятных явлений можно избежать при нанесении покрытий из расплава в ультразвуковом ноле. С применением ультразвука от­ падает необходимость в химической очистке и использо­

Можно также указать на еще одно преимущество ультразвукового метода нанесения покрытий из распла­ ва: возможность металлизации материалов, обычно не поддающихся покрытию либо из-за присутствия на по­ верхности прочной пленки окисла (алюминий и его спла­ вы), либо вследствие большого различия в физико-меха­

148