Оборудование для ультразвуковой сварки металлов

1. Ультразвуковая сварка металлов и ее разновидности

При сварке ультразвуком неразъемное соединение металлов образуется при совместном воздействии на детали механических колебаний высокой частоты и относительно небольших сдавливающих усилий. Этим способом обеспечивается получение высоконадежных соединений, исключается общий разогрев изделия, можно соединять трудно свариваемые обычными методами сочетания материалов и т п.

Для получения механических колебаний высокой частоты обычно используется магнитострикционный эффект, состоящий в изменении размеров некоторых металлов и сплавов под действием переменного магнитного поля Для ультразвуковых преобразователей обычно используют чистый никель или железо-кобальтовые сплавы Для увеличения амплитуды смещения и концентрации энергии колебаний используют волноводы или концентраторы, которые в большинстве случаев имеют форму усеченного конуса Для сварки металлов достаточно иметь волноводы с коэффициентом усиления около 5, при этом амплитуда колебаний на конце волновода при холостом ходе должна быть 20. . .30 мкм.

Применяется несколько видов ультразвуковой сварки. Основной узел машины для выполнения точечных соединений с помощью ультразвука — магнитострикционный преобразователь (рис. 1) . Его обмотка питается током высокой частоты от ультразвукового генератора Охлаждаемый водой магнитострикционный преобразователь 1 изготовлен из пермендюра (К49Ф2), он служит для превращения энергии тока высокой частоты в механические колебания, которые передаются волноводу 7. На конце волновода имеется рабочий выступ 5. При сварке изделие 4 зажимают между рабочим выступом 5 и механизмом нажатия 3, к которому прикладывают усилие, необходимое для создания давления в процессе сварки.

Высокочастотные упругие колебания передаются через волновод 7 на рабочий выступ 5 в виде горизонтальных механических перемещений высокой частоты Длительность процесса сварки зависит от свариваемого металла и его толщины, при малых толщинах она исчисляется долями секунды.

Рис. 1. Схема установки для точечной сварки ультразвуком: 1 — магнитострикционный преобразователь; 2 — диафрагма; 3 — механизм нажатия; 4 — изделие; 5 — выступ; 6 — маятниковая опора; 7 — волновод; 8 — кожух водяного охлаждения

Основные узлы машины для выполнения шовных соединений при помощи ультразвука (рис. 2): вращающийся магнитострикционный преобразователь 1 и волновод 3. Конец волновода имеет форму ролика 4. Детали 6, подлежащие соединению, зажимают между вращающимся роликом 4 волновода и холостым роликом 5. Высокочастотные упругие колебания передаются через волновод на ролик, который вращается вместе с волноводом. Изделие, зажатое между роликами, перемещается между ними, одновременно создается герметичное соединение.

Рис. 2. Схема установки для роликовой сварки ультразвуком: 1 — магнитострикционный преобразователь; 2 — подвод тока от ультразвукового генератора; 3 — волновод; 4 — сваривающий ролик; 5 — прижимной ролик; 6 — изделие; 7 — кожух преобразователя; 8 — привод

Сварка по контуру обеспечивает получение герметичного шва самых сложных контуров. Простейший ее вид — сварка по кольцу.

Рис. 3. Схема установки для ультразвуковой сварки по контуру: 1 — волновод; 2 — сменный полый штифт; 3 — свариваемое изделие; 4 — сменный прижимной штифт; 5 — прижимная опора

В этом случае в волновод вставляется конический штифт, имеющий форму трубки (рис. 3). При равномерном прижатии деталей к сваривающему штифту получается герметичное соединение по всему контуру

2, Оборудование для ультразвуковой сварки

Ультразвуковая сварка нашла наиболее широкое применение в микроэлектронике, в основном для приваривания токоотводов к интегральным схемам. Разработаны и выпускаются значительными сериями ультразвуковые машины для сварки. Они оснащены автоматическими устройствами, позволяющими в значительной степени увеличивать их производительность: автоматизированы подача проводников, сварка, обрезка проводников и т.п.

Рис. 4. Установка УЗС

Установки типа УЗС (рис. 4) и УЗС-2 предназначены для присоединения круглых (диаметром 0,03. . . 0,1 мм) и плоских проводников толщиной до 0,1 мм из пластичных металлов (золота, алюминия) к тонким золотым, алюминиевым и медным пленкам, напыленным на диэлектрические подложки.

Полуавтомат МС41П2-1 предназначен для соединения деталей микросхем в круглом и плоском корпусах ультразвуковой сваркой золотыми и алюминиевыми проводниками диаметром 20. . .25 мкм. Высокая производительность станка (до 800 сварок в час) обеспечивается автоматическими подачей и обрывом проволоки. В полуавтомате для повышения стабильности прочностных показателей использован сопутствующий подогрев.

Кинематическая схема полуавтомата МС41П2-1 приведена на рис. 5. Полуавтомат состоит из сварочной головки, кассеты с проволокой, ультразвукового генератора, блока регулирования температуры подогрева, манипулятора и микроскопа МБС-2.

Рис. 5. Кинематическая схема полуавтомата МС41П2-1

Корпус сварочной головки 1 может перемещаться вертикально в направляющих. Ее подъем и опускание осуществляются кулачком 14. В установленном положении сварочная головка фиксируется стопором. Механическая колебательная система 5 укреплена в корпусе на оси 4. Поворот системы достигается с помощью кронштейна 7 от кулачка 10, который поворачивается от перемещения тяги 13 при нажатии на педаль 12. Обратный ход кулачка происходит под действием пружины 11. Начальное положение сварочного наконечника 6 относительно свариваемой детали регулируют перемещением ползуна 8 с роликом 9 в пазу кронштейна 7. Усилие сжатия регулируют винтом 2 механизма 3 давления.

Установка для ультразвуковой сварки с импульсным косвенным нагревом УЗСКН-1 (рис. 6) предназначена для изготовления полупроводниковых приборов, тонкопленочных и полупроводниковых интегральных схем. В ней использован комбинированный цикл — ультразвуковая сварка в сочетании с импульсным косвенным нагревом Установка предусматривает возможность как сварки комбинированным циклом с любой последовательностью импульсов ультразвука и нагрева и разной длительностью смещения моментов их включения, так и сварки только ультразвуком или только косвенным нагревом. Свариваемые элементы нагреваются за счет теплопередачи от сварочного инструмента (пуансона), нагреваемого импульсом проходящего через него тока промышленной частоты (50 Гц).

Для осуществления токоподвода для нагрева сварочного инструмента в установке УЗСКН-1 применена конструкция «расщепленного» преобразователя ультразвуковых колебаний: волновод разрезан на две равные части, между которыми расположен тонкий слой изоляции (рис. 7). Сварочный инструмент в виде V-образной иглы вставляется в отверстие на рабочем конце «расщепленного» волновода между его частями и зажимается винтом для обеспечения хорошего акустического и электрического контакта. На установке УЗСКН-1 можно приваривать круглые (диаметром 0,03. . . 0,1 мм) и плоские (толщиной до 0,05 мм) проводники из алюминия, золота, меди к контактным площадкам из золота, алюминия, меди, тантала, никеля, напыленным на диэлектрические полупроводниковые подложки.

Рис. 6. Установка УЗСКН-1 для ультразвуковой сварки пленочных микросхем: 1 — объектив; 2 — магнитострик- ционный преобразователь; 3 — зажим; 4 — основание; 5 — столик; 6 — осветитель

Рис. 7. Преобразователь ультразвуковых колебаний и нагревательный элемент установки УЗСКН-1

Рис. 8. Схема сварочной ультразвуковой машины МТУ-0,4

Акустический узел машин типа КТУ и МТУ (табл. 1) состоит из резонирующего стержня со сварочным наконечником 1 (рис. 8) и концентратора с магнитострикционным преобразователем 2 с обмоткой. Диаметр контактной площади наконечника определяется технологическими требованиями к сварной точке.

Сварочный наконечник изготовлен из высоколегированной стали, применение которой исключает налипание свариваемых металлов на наконечник и не требует зачистки даже после сварки 5-20 тыс. точек.

Таблица 1

Технические характеристики машин типа МТУ и КТУ

Широко используется ультразвуковая сварка для соединения деталей из термопластичных пластмасс. Например, упаковка продуктов в одноразовые герметичные пакеты может выполняться на установке «Гиминей-ультра-3», показанной на рис. 9, б, с помощью пьезоэлектрической ультразвуковой колебательной системы (рис. 9, а) .

Рис. 9. Ультразвуковой аппарат «Гиминей-ультра-3»: а — пьезоэлектрическая ультразвуковая колебательная система; б — общий вид.

Опыт применения сварки ультразвуком выявил следующие преимущества этого способа:

1. Происходит в твердом состоянии без существенного нагрева места сварки, что позволяет соединять химически активные металлы или пары металлов, склонные образовывать хрупкие интерметаллические соединения в зоне сварки
2. Возможно выполнять соединения тонких и ультратонких деталей, приваривать тонкие листы и фольгу к деталям неограниченной толщины, сваривать пакеты из фольги

3. Снижены требования к чистоте свариваемых поверхностей, поэтому возможна сварка плакированных и оксидированных поверхностей и вообще сварка металлических изделий, поверхности которых покрыты различными изоляционными пленками.

1. Небольшие сдавливающие усилия (98. ..2450 Н) вызывают незначительную деформацию поверхности деталей в месте их соединения, и вмятина, как правило, не превышает 5. . .10 % толщины.

Применяется оборудование малой мощности и несложной конструкции (если, например, для контактной точечной сварки алюминия толщиной 1 мм необходима машина мощностью 100. . .150 кВА, то при сварке ультразвуком аналогичного соединения — всего 2,5. . . 5 кВ • А).