Файл: Хорбенко, И. Г. Ультразвук в машиностроении.pdf

выводов из золота, алюминия и других металлов в самых различных полупроводниковых приборах, начиная от диодов и триодов и кончая интегральными схемами. Вызвано это тем, что влияние процесса сварки на свойства свариваемых материалов незначительно. Свойства р— п перехода не изменяются даже при толщине слоя 0,5 мкм, так как при сварке в зоне соединения не возникает зна­ чительных напряжеий или дислокаций, соединения имеют малое омическое сопротивление, высокую прочность и стойкость к вибрациям. Процент брака при ультразвуко­ вой сварке ниже, чем при термокомпрессионной, и состав­ ляет 10%, при этом обеспечивается более высокая произ­ водительность. Все эти преимущества обусловили широ­ кую разработку и создание специализированных ультра­ звуковых сварочных машин малой мощности для микро­ сварки. Применение ультразвуковой сварки в полупровод­ никовой технике не ограничивается привариванием вы­ водов. Сварочные установки, работающие на крутильных колебаниях, позволяют изготовлять капсюли полупровод­ никовых диодов и триодов без загрязнений, которые на­ блюдаются при электросварке.

Ультразвуковая микросварка используется и в элек­ тровакуумной промышленности. Некоторые детали ва­ куумных конденсаторов свариваются за 3—5 мин вместо 1,5 с при склеивании. В результате значительно сни­ жается себестоимость продукции и увеличивается произ­ водительность. Ультразвуком сваривается ряд изделий электротехнической промышленности (различные соедине­ ния проводов даже через изоляцию, сварка проводов термопар и приварка термопар к монтажным пластинам). Например, свариваются термопары железо-констант с алю­ минием, титаном, сталью. Ультразвуковая сварка блоков струнных пружин электромагнитных реле обеспечивает лучшее качество соединений и более высокую производи­ тельность, чем пайка. Большую группу соединений, выполняемых с помощью ультразвуковой сварки, состав­ ляют различные электрические выводы к изделиям из фольг, например, к анодированной алюминиевой фольге при изготовлении электролитических конденсаторов.

Ультразвуковая микросварка применяется также для соединения медных деталей обмоток электрических машин. Обширную область использования ультразвуковой микро­ сварки представляет соединение алюминиевых фольг при изготовлении различных упаковок. Представляет интерес

190

изготовление с помощью ультразвуковой сварки различ­ ных алюминиевых решеток для заполнения конструкций, защитных кожухов, а также емкостей, рассчитанных на работу под давлением.

В Ленинградском институте водного транспорта при­ менили ультразвуковую сварку анодированного алюминия

илатуни при изготовлении трансформаторов, телевизоров

ирадиоприемников. Был использован ультразвуковой генератор УЗГ-1,5. В качестве колебательного узла сва­ рочной головки была выбрана система, передающая продольно-поперечные колебания, состоящая из магнитострикционного преобразователя, концентратора и попе­ речного стержня. Сварка происходит следующим обра­

После сварки ленту наматывают на оправку галеты и под сварку подают второй конец обмотки и второй лепе­ сток. Весь цикл намотки занимает 40—60 ч, из которых на сварку приходится около одной секунды. При таком цикле сварочная головка работает без охлаждения. Лучшие результаты при сварке анодированной алюминие­ вой ленты толщиной 0,2 мм и латунного лепестка толщи­ ной 0,4 мм получены при контактном усилии 55—65 кгс, времени сварки 0,35—0,45 с и амплитуде 11— 12 мкм.

При сборке элементов микросхем с помощью сварки желательно исключить общий разогрев всего изделия, например, при соединении проволочек из пластических металлов типа алюминия и золота с кремнием и напылен­ ными на полупроводники и керамику пленками. Поэтому для улучшения качества соединений наиболее приемлем комбинированный способ сварки, при котором нагрев дополняется ультразвуковыми колебаниями, вводимыми в зону контакта соединяемых материалов. Одним из таких комбинированных способов соединения элементов микро­ схем является ультразвуковая сварка с импульсным косвенным нагревом. Последовательность включения им­ пульсов ультразвуковых колебаний и нагрева, а также длительности самих импульсов могут быть самыми раз­ нообразными в зависимости от физико-химических свойств соединяемых материалов. При этом совместное действие двух импульсов позволяет обеспечить стабиль­ ность механической прочности сварных контактов.

Значительное место ультразвуковая сварка занимает при соединении пластмасс и полимерных материалов.

191

Разработанный в Советском Со­ юзе метод позволяет сваривать пластмассы толщиной от не­ скольких микрон до 1 0 мм и более, причем так же, как при сварке металлов имеет значе­ ние толщина только той детали, которая расположена со сторо­ ны инструмента (рис. 62). Уль­ тразвуковой метод сварки по­ лимерных материалов привле­ кает все большее внимание ис­ следователей и технологов. Ведь он легко поддается автомати­ зации и обеспечивает высокую производительность труда. По производительности ультразву­ ковой метод не уступает свар­ ке токами высокой частоты, а по количеству видов пластмасс, которые могут быть сварены, значительно превосходит ее. Ультразвуком легко сварива­ ются такие диэлектрики, как например, полиэтилен, поли­

пропилен и полистирол. Ультразвуковая сварка пласт­ масс выгодно отличается от всех других способов воз­ можностью сваривать детали даже при значительном их загрязнении. Поэтому ультразвуковую сварку успешно применяют для герметизации пластмассовых упаковок пищевых продуктов, а также лакокрасочных и горюче­ смазочных материалов. Она незаменима и при упаковке легковоспламеняющихся продуктов и взрывчатых веществ (разогрев деталей происходит только в местах их кон­ такта). '

При сварке ультразвуком двух различных термопла­ стов с близкими температурами травления наряду с диф­ фузионными процессами имеет место химическая сварка. При ультразвуковой сварке одинаковых термопластов также наблюдаются химические превращения в зоне контакта, которые происходят в результате наличия больших циклических напряжений. При этом химические изменения материала обусловливают высокую механи­ ческую прочность соединения и его устойчивость к клима-

192

тическим воздействиям и механическим нагрузкам. Изде­ лия со сложной конфигурацией сварного шва, сваренные с помощью ультразвука, проверяли на прочность. Они выдержали без каких-либо нарушений сварных соедине­ ний следующие виды испытаний: на влагоустойчивость, устойчивость к циклическому изменению температуры, теплоустойчивость, холодоустойчивость, прочность при транспортировке, вибропрочность. В результате испы­ таний установлено, что прочность соединений, полученных при ультразвуковой сварке полимерных материалов, может достигать прочности основного материала. А при испытании сварных образцов на сдвиг разрушение чаще всего происходит в околошовной зоне по основному материалу. Таким образом, проведенные исследования показали, что ультразвуковая сварка является надежным способом соединения элементов изделий из термопласти­ ческих материалов.

Экспериментальные данные показали, что образование соединений при ультразвуковой шовной сварке термопла­ стических пленок может быть объяснено диффузионной теорией адгезии полимеров. Но так как одним из основных факторов, определяющих процесс диффузии, является температура, следует считать, что интенсивность тепло­ образования в зоне сварки и распределение температуры по сечению материала будет оказывать решающее влияние на образование соединений. Интенсивность теплообразо­ вания в зоне сварки будет зависеть, с одной стороны, от характера и величины механических напряжений, воз­ никающих в ней под воздействием сварочного инструмента, а с другой — от некоторых физико-механических свойств свариваемых материалов, характеризующих преобразо­ вание механической энергии в тепловую.

Процесс передачи энергии сварочным инструментом можно представить как серию ударов периодически ко­ леблющегося жесткого стержня о неподвижную упругую преграду с малой жесткостью. Сила и механические на­ пряжения в зоне контакта для подобного случая пред­ ставляют собой периодические положительные импульсы, амплитуда которых зависит от величины силы удара, силы прижима, а также от соотношения между ними. В результате периодических деформаций материала по толщине под воздействием сварочного инструмента в объеме материала имеет место теплообразование, свя­ занное с внутренними потерями в полимере. В зоне кон-

ультразвуковой сварке полимерных материалов [27]. При проведении исследований применялась сварочная головка типа СГ-28 с рабочей частотой / = 26 750 Гц, состоящая из ферритового преобразователя, к которому приклеен концентратор со сменным сварочным инструмен­ том-концентратором, изготовленным из титана ВТ-1. В про­ цессе исследований изменились амплитуда смещения конца сварочного инструмента, скорость сварки и сила прижа­ тия сварочного инструмента. Параллельно с ультразву­ ковой сваркой производилась термоимпульсная сварка образцов.

В табл. 19 приведены оптимальные режимы ультра­ звуковой сварки исследованных полимерных материалов и даны сравнительные данные прочности швов, получен­ ных при ультразвуковой и термоимпульсной сварке. Прочность швов при ультразвуковой сварке выше, чем при термоимпульсной, а пленка лавсана, вообще, сва­ ривается только ультразвуком.

Для определения влияния частоты колебаний свароч­ ной головки на прочность сварных швов проведена сварка

193