Вопрос 61. Ультразвуковая сварка

Ультразвуковая сварка, способ сварки с применением ультразвука для сообщения колебаний инструменту, прижимаемому к поверхностям свариваемых материалов. Сварка металлов происходит в твёрдой фазе (без расплавления). Металл разогревается до 200—600 °С в результате действия сил трения между инструментом и металлом. Колебания инструмента способствуют очистке поверхностей, поэтому шов получается хорошего качества. Этим способом соединяют отдельными точками или непрерывным швом главным образом листовые металлы (Al, Ti, Cu), некоторые сплавы, пластмассы. Толщина листов 0,1—2 мм. Время сварки точки 0,1—5,0 сек при силе прижатия инструмента 20—200 кгс (0,2—2 кн).

При сварке деталей разной толщины одна должна быть тонкой (не более 1 мм), вторая может иметь сколь угодно большую толщину. К оборудованию для У. с. относятся: высокочастотный ламповый генератор мощностью 0,5—5 квт, магнитострикционный преобразователь с сердечником, длина которого может изменяться. Сердечник соединён с волноводным концентратором акустическим, несущим рабочий инструмент с наконечником из твёрдого сплава. У. с. находит применение главным образом в радиотехнической, электронной, электротехнической промышленности.

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. 1). 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. 1).

Рис. 1. Схема ультразвуковой сварки:

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

При этом методе сварки колебательные движения ультразвуковой частоты разрушают неровности поверхности (рис. 2) 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 материалов. 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.

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

Вопрос 60. Виды ОМД

Прокатка (рис. 1.1, а). Деформацию металла с помощью вращающегося инструмента — валков — называют прокаткой. Заготовка 1 под действием сил трения втягивается в зазор между валками 2, деформируется ими и приобретает требуемую форму поперечного сечения. При прокатке площадь поперечного сечения заготовки уменьшается, а длина увеличивается. Эту операцию осуществляют с помощью специальных машин, называемых прокатными станами.

Прокаткой изготовляют: блюмы квадратного сечения со стороной до 350 х 350 мм; слябы — плоские заготовки толщиной 100... 600 мм и шириной 600... 2300 мм; квадратные и круглые профили с размерами сечений 5... 150 мм; угловую сталь с размерами полки 20......250 мм; швеллеры высотой 20 … 450 мм; балкивысотой до 1100 мм; рельсы, трубы, листы, полосы, ленты и др. На специальных прокатных станах изготовляют заготовки переменного по длине сечения (периодический прокат), бандажи колес, шары, шестерни и др.

Прокатка является наиболее высокопроизводительным видом обработки давлением, 75 … 80 % всей выплавляемой стали подвергается прокатке.

Прессование (рис. 1.1, б). Сущность прессования заключается в выдавливании металла заготовки 5 пуансоном 4 из контейнера 6 через матрицу 7. В матрице имеется отверстие, по форме соответствующее требуемому профилю 8. Прессованием изготовляют простые и очень сложные, сплошные и пустотелые профили.

Этому виду обработки давлением подвергают в основном цветные металлы и сплавы, однако в последнее время прессование применяют при изготовлении профилей и заготовок деталей также из сталей и малопластичных специальных сплавов.

Волочение (рис. 1.1, в). Проволоку диаметром от 16 мм до нескольких микрометров, высококачественные тонкостенные трубы ф 0,2...... 20 мм и другие пустотелые профили, калиброванные прутки из сталей, цветных металлов и сплавов различных марок получают волочением. Этот вид обработки заключается в протягивании заготовки 9 через отверстие в волоке 10. Исходной заготовкой для данной операции является, как правило, продукция прокатного производства. При волочении уменьшается площадь поперечного сечения заготовки и увеличивается ее длина. В процессе волочения достигаются точность размеров и шероховатость поверхности, соответствующие получаемым при обработке резанием, а за счет наклепа при холодной деформации повышается прочность изделия 11.

Ковка (рис. 1.1, г) — это вид обработки давлением, при котором заготовка деформируется универсальным инструментом простой формы, например плоскими бойками. Нагретую до ковочной температуры заготовку 13 устанавливают на нижний боек 14, а верхним бойком 12 ее деформируют до нужных размеров. Для ковки характерно свободное или почти свободное течение металла в направлении, перпен­дикулярном движению инструмента.

Ковку применяют для изготовления фасонных поковок деталей машин практически из всех деформируемых сталей и сплавов массой от нескольких граммов до сотен тонн. Мелкие поковки изготовляют ручной ковкой, средние и крупные — машинной.

Объемная штамповка (рис. 1.1, д). Сущность этого вида обработки заключается в деформировании заготовки 16 в полости между половинами 15 и 17 штампа; эту полость металл заготовки заполняет при сближении половин. Форма полости штампа соответствует форме будущей поковки, что обеспечивает высокую точность последней. Исходной заготовкой служит, как правло, продукция, полученная прокаткой и разделенная предварительно на мерные части. Объемную штамповку осуществляют на молотах, прессах и специализированных машинах. Пользуясь этим видом обработки, изготовляют коленчатые валы, шестерни, турбинные лопатки, кронштейны и другие детали машин в массовом и серийном производстве.

Листовая штамповка (рис. 1.1, е). Этот вид обработки давлением характеризуется тем, что в качестве исходной заготовки 19 используют лист, полосу или ленту, которую деформируют в специальном инструменте — штампе. Основными частями штампа являются пуансон 10 18 и матрица 20. Штампы устанавливают, как правило, на кривошипных листоштамповочных и реже — гидравлических прессах различной мощ­ности. Листовой штамповкой изготовляют достаточно точные и прочные детали машин или заготовки для них при минимальном расходе металла. В большинстве случаев штамповка выполняется без нагрева металла, поэтому полученная продукция отличается малой шероховатостью поверхности и повышенной прочностью. Процесс листовой штамповки легко автоматизируется — производительность листоштамповоч­ных автоматов достигает нескольких сотен деталей в минуту.