3.13. Ультразвуковая сварка

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 (рис. 3.61). 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. 3.61).

При этом методе сварки колебательные движения ультразвуковой частоты разрушают неровности поверхности (рис. 3.62) 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 материа-лов. 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.

Рис. 3.61. Схема ультразвуковой сварки:

1 - акустический узел; 2 - инстру­мент (волновод); 3 - регулировоч­ный винт опоры; 4 - свариваемые детали; 5 - вибратор; 6 - кожух

Рис. 3.62. Профиль поверхности: а - двух собранных медных деталей перед ультразвуковой сваркой;

б- ниж­ней детали после воздействия ультра­звука

Рис. 3.63. Схемы выполнения процесса ультразвуковой сварки с использованием продольной (а, б) и продольно-поперечной {в, г) колебательных систем.

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. 3.63).