книги / Сварка и свариваемые материалы. Технология и оборудование
.pdfJO-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
10‘ Н при сварке относительно толстых |
листов) при одновременном воздей |
ствии на зону Контакта механических |
колебаний с частотой 15—80 кГц |
[2—51. |
|
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].
Рнс. 13.1. Схема |
типовых колебательных систем для УЗС металлов [1]: |
г —кру |
|
а — продольная; |
б — продольно-поперечная; |
в — продольно-вертикальная; |
|
тильная |
|
|
|
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].
•ЕЕ |
У /////////// |
|
|
е |
з |
Рис. 13.2. Основные fHtib1 сварных соединений металлов f4—6J:
а —внахлестку; |
б — *10 РеДьефам; в —с |
раздавливанием |
кромок; |
г — параллельное, |
||
круглого |
элемента |
с >1Л0СКЧм; д — встык |
круглого элемента с плоским; а — крестооб |
|||
разное, |
круглых |
элеМ*йтов; ж — параллельное, круглых |
элементов; |
з — многослойных |
||
деталей |
и пленок; |
и, /с^“ угловое |
|
|
|
^ |
а од 54 |
в» о |
»—»"Q +л |
о» о с «ч ^ |
^ |
^ |
2сЗй ^ ^ X I |
2 2 Q .W O |
: к W к 2 |
S |
-Э М > <^ |
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
таллов являются амплитуда колебаний сварочного |
наконеч |
ника |св, сварочное усилие FCB и время сварки tcв [4, |
5, 9]. |
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
ваемого металла. Величина | Св |
обычно |
находится |
в пределах |
от 0,5 до 50 мкм. В процессе |
сварки |
| Св может |
изменяться |
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
evoi—/I
|
КРАТКИЕ |
ТЕХНИЧЕСКИЕ |
ДАННЫЕ*1 МАШИН |
ДЛЯ Y3C МЕТАЛЛОВ |
t4. б1 |
||
Марка сварочной |
W, кВт |
f. кГц |
|
h, мм |
Р |
Назначение |
|
машины |
' е в - 11 |
||||||
|
|
|
|
|
МТУ-0,4 4У4 |
0,4—0,63 |
22± 1,65 |
392 (кПа) |
КТУ-0,1 У4 |
0,1 (0,63) |
44 (22) |
50 (600) |
(0,63) |
1,5 |
22 |
1200 |
КТУ-1,5 У4 |
|||
МТУ-0,6 ЗУ4 |
2X0,6 |
22± 1,65 |
600 |
МТУМ-0,1 У4 |
2X1,5 |
22± 1,65 |
1200 |
МТУ-0,1 УХЛ4 |
1±0,15 |
22± 1,65 |
200—1000 |
МШУ-0,63 |
0,63 |
22 |
500 |
МШУ-1,5 |
1,5 |
22 |
1500 |
МШУ-4 |
4,0 |
18 |
2500 |
0,2+0,2 — Си |
До 3600** |
Точечная сварка |
|
|||
0,3+0,3 — А1 |
До 3600 |
|
|
|
|
|
0,1+0,1 (0,25 + |
|
|
|
|
||
+ 0,25) — А1 |
(3600)** |
|
|
|
|
|
0,5+0,5 — А1 |
До 3600** |
1 |
|
» |
приварка |
|
0,5+0,5 |
180*3 |
Одновременная |
||||
|
|
|
плавкого |
элемента из пер |
||
|
|
|
форированной |
алюминие |
||
|
|
|
вой фольги к толстостенным |
|||
|
|
|
ножам |
электрических пре |
||
5 - 4 |
ЮНДК |
180*3 |
дохранителей |
магнитов |
||
Точечная |
сварка |
|||||
0,15-0,4 МНЦ |
|
из сплава ЮНДК с держа |
||||
|
|
|
телем из сплава МНЦ при |
|||
|
|
|
изготовлении реле разных |
|||
0,2+0,2 |
1000*3 |
типов |
|
|
|
|
Точечная сварка никелевых |
||||||
|
|
|
токоподводов с медными ши |
|||
0,2 — А1 |
З*4 |
нами |
электронагревателей |
|||
Шовная сварка |
|
|||||
0,5 — А1 |
З*4 |
» |
|
I |
|
|
0,8 - |
А1 |
З*4 |
» |
|
» |
|
*г W — мощность; f — частота; FCB — сварочное усилие; h — толщина свариваемого металла; Р — производительность. •* Число сварок в час. •* Число изделий в час. *4м/мин.
ш
КРАТКИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ* УСТАНОВОК |
|
||||||
ДЛЯ |
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ |
МИКРОСВАРКИ [4, б, 3, 11 — 14] |
|
||||
Марка установки |
W, Вт |
f. кГц |
Frn. Н |
|
d„. ыкы |
Р, число |
|
*св’ с |
сварок/ч |
||||||
|
|
|
СВ |
|
|||
МС-41П2-1 |
6,3 |
66 |
0,2—1.5 |
0,05—1,5 |
20—50 |
800—1200 |
|
МС-41ПЗ-2 |
|
|
|
|
|
|
|
МС-41ПЗ-3 |
|
|
|
|
|
|
|
УЗП-02 |
До 8,0 |
75±2,0 |
0,05—0,7 |
0,05—0,5 |
25—50 |
2500 |
|
УЗП-ОЗ |
До 8,0 |
75±2,0 |
0,1 —1,0 |
0,05—0,5 |
20—50 |
600 |
|
ЭМ-421 А |
До 6,3 |
66+6,6 |
0,1—1,2 |
0,08—3.,6 |
25-60 |
700 |
|
ЭМ-423 |
До 6,3 |
59—61 |
0,1—0,75 |
0,1—1,0 20—60 800—1200 |
|||
ЭМ-425 А |
До 6,3 |
66±6,6 |
0,1—1,2 |
0,08—3,6 |
25—60 |
800 |
|
НВП-1 |
6,0 |
75±5,0 |
0,05—0,5 |
0,04—2,0 |
20—50 |
1500 |
|
НВП-2 |
6,0 |
75±5,0 |
0,1—0,2 |
0,04—2,0 |
24—40 |
2400 |
|
УЗСКН-1 |
20 |
44 |
0,25—10,0 |
0,1—1,5 |
30—100 |
300 |
|
Контакт-4А |
20 |
60 |
0,2—1,8 |
0,04—4,0 |
20—160 |
350 |
* Обозначения параметров см. в табл. 13.1; </п — диаметр провода.
клатуры изделий. Машины, как правило, выполнены на весьма высоком техническом уровне и позволяют автоматизировать сварочный процесс. Краткие технические данные некоторых отечественных машин для УЗС металлов приведены в табл.
13.1[4, 5].
Впоследнее время существенное развитие получила ультра звуковая микросварка, предназначенная для соединения раз
ных элементов микросхем и полупроводниковых приборов. Оборудование для ультразвуковой микросварки отличается вы сокими показателями производительности и уровня автомати зации всего технологического процесса сборки и сварки из делий. В табл. 13.2 приведены краткие технические данные некоторых установок для ультразвуковой микросварки, разра ботанных в СССР [4, 5, 8, 11—14].
13.4. Промышленное применение
Процесс УЗС применяют для соединения относительно тонких фолы, листон, проволок и других деталей. Особые преимущества этот процесс имеет при соединении разнородных и термочувствительных элементов. Областями
пользования УЗС являются: производство полупроводников, микроприборов к микроэлементов для электроники, конденсаторов, предохранителей, реле, трансформаторов, ламп бегущей волны, нагревателей бытовых холодильни ков, приборов точной механики и оптики, реакторов, десублиматоров ва куумных сушильных установок, сращивание концов рулонов различных тон колистовых материалов (медь, алюминий, никель и их сплавы) в линиях их обработки, а также автомобильная промышленность [2—5, 8].
Накопленный опыт применения УЗС выявил следующие преимущества этого процесса [2, 4, 5]:
1. Сварка осуществляется в твердом состоянии металла без существен ного нагрева места сварки, что дает возможность соединять химически ак тивные металлы и разнородные металлы, склонные к образованию хрупких интерметаллидов в зоне соединения.
2.Возможность получения сварных соединений, которые трудно выпол нить с помощью других видов сварки из-за больших энергетических и тех нологических затрат (например, сварка меди, алюминия и др.).
3.Возможность соединения тонких и ультратонких деталей, возмож
ность приварки таких листов и фолы к деталям практически неограничен ной толщины, сварка пакетов из фольги.
4.Снижение требований к чистоте свариваемых поверхностей дает воз* можность проводить сварку деталей с плакированными и оксидированными поверхностями, а также деталей, поверхности которых покрыты разными изоляционными пленками.
5.Незначительная деформация поверхности деталей в месте их соедине ния вследствие применения небольших сварочных усилий.
6. Малая мощность сварочных машин и несложность их конструкции.
7.Простота автоматизации.
8.Гигиеничность процесса.
Гл а в а 14 СВАРКА ТРЕНИЕМ
Сваркой трением (СТ) называют технологический процесс получения неразъ емного соединения, осуществляемый за счет использования теплоты, образу ющейся на поверхности контакт? двух заготовок, прижатых одна к другой и участвующих в относительном движении. После прерывания или полного
прекращения |
относительного |
движения |
СТ завершается приложением |
уси |
лия проковки [1]. |
|
давлением, сварное соединение |
при |
|
Как и при других способах сварки |
||||
СТ образуется |
в результате |
совместного |
пластического деформирования |
при- |
контактных объемов свариваемых заготовок. Отличительной особенностью СТ является получение теплоты непосредственно в зоне контакта за счет прямого преобразования работы, затрачиваемой на преодоление сил трения, возникающих при взаимном перемещении трущихся поверхностей заготовок.
СТ имеет следующие преимущества: высокое качество сварного соеди нения; высокая производительность; возможность сварки металлов в одно родных и разнородных сочетаниях; высокий КИМ; возможность установки
машин |
для |
СТ в автоматические |
и |
роторные линии, управляемые |
ЭВМ. |
|
|
|
|
14.1. |
О бщ ие сведения |
|
|
|
В табл. 14.1 |
приведены регулируемые |
и |
производные параметры режима |
СТ с непрерывным приводом и инерционной СТ, получивших наибольшее промышленное применение.
РЕГУЛИРУЕМЫЕ И ПРОИЗВОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РЕЖИМА СТ С НЕПРЕРЫВНЫМ ПРИВОДОМ (I) И ИНЕРЦИОННОЙ СТ (II)
|
|
Обозна |
Единицы |
Сварка тре |
|
Параметр |
Определение |
|
нием |
||
чение |
измере |
|
|
||
|
|
|
ния |
> |
II |
|
|
|
|
|
Регулируемые параметры |
|||||||
Окружная линей |
Отношение пути, прой |
V |
||||||
ная скорость |
денного точкой по |
|
на |
|
||||
|
ружному |
диаметру |
на |
|
||||
|
поверхности |
трения |
з? |
|
||||
|
промежуток времени, к |
|
||||||
|
длительности этого про- |
|
||||||
Угловая скорость |
межутка |
|
|
|
|
|
со |
|
Отношение угла поворо |
||||||||
(частота вращения) |
та радиус-вектора точки |
(п) |
||||||
|
в плоскости скольжения |
|
||||||
|
за промежуток времени |
|
||||||
|
к длительности этого |
|
||||||
|
промежутка (количество |
|
||||||
|
оборотов вокруг оси вра |
|
||||||
|
щения, |
|
совершенных |
|
||||
|
шпинделем за |
одну |
се |
|
||||
Удельное давление |
кунду) |
|
|
|
|
|
|
|
Усилие |
при |
к |
притирке, |
Рп |
||||
притирки |
отнесенное |
единице |
|
|||||
|
площади |
исходного |
се |
|
||||
|
чения свариваемых |
|
за |
|
||||
Удельное давление |
готовок |
|
|
|
|
|
|
|
Усилие при нагреве, от |
Ян |
|||||||
нагрева |
несенное к единице пло |
|
||||||
|
щади исходного сечения |
|
||||||
Удельное давление |
свариваемых заготовок |
|
||||||
Усилие проковки, отне |
Япр |
|||||||
проковки |
сенное к единице площа |
|
||||||
|
ди сечения свариваемых |
|
||||||
Время притирки |
заготовок |
|
|
|
|
|
|
|
Длительность приложе |
in |
|||||||
|
ния к заготовкам, |
под |
|
|||||
|
лежащим |
сварке, |
уси |
|
||||
Время нагрева |
лия притирки |
выделе |
|
|||||
Длительность |
|
|||||||
|
ния теплоты |
трения в |
|
|||||
|
процессе |
относительно |
|
|||||
|
го движения |
сваривае |
|
|||||
Время проковки |
мых заготовок |
|
|
|
||||
Длительность приложе |
^пр |
|||||||
|
ния к свариваемым за |
|
||||||
|
готовкам |
усилия |
про |
|
||||
|
ковки |
в |
завершающей |
|
||||
|
стадии процесса сварки |
|
м/с + +
рад/с |
+ |
+ |
(с'1) |
|
|
МПа +
МПа + +
МПа +
с+
с+
с+