Ультразвуковая сварка

Диффузионная сварка

Способ основан на использовании процесса диффузии металлов. Соединяемые детали помещают в сварочную камеру, заполняемую инертным или восстановительным газом (в нашей промышленности применяется редко) или вакуумируемую, с поддержанием постоянного вакуума порядка (10² - 10⁵) мм рт. ст. Детали в камере нагревают и сдавливают удельным давлением порядка 0,5-2 кГ/мм². Вакуум поддерживается непрерывной;работой вакуумных насосов, откачивающих газы, поступающие в сварочную камеру через неплотности системы, а также адсорбированные поверхностями аппаратуры и непрерывно выделяемые нагреваемым металлом с поверхности и из объема. Очень важна температура нагрева металла; сталь обычно нагревается до 800° С. Происходит очищение поверхности металла, удаляются поверхности загрязнения и адсорбированные газы, восстанавливаются и растворяются в металле окислы. Поверхности сварки должны быть хорошо обработаны механически для обеспечения соприкосновения по всей поверхности сварки. Непрерывно действующее давление сминает все выступы и неровности горячего металла и обеспечивает необходимое прилегание по всей поверхности.

Процессы очистки, пригонки поверхностей и диффузии идут довольно медленно, и требуется 5-20 мин, а иногда и более для завершения процесса сварки. Нагрев деталей обычно электрический, причем в разных случаях используется излучение нагревателей, иногда теплопередача от нагревателей через теплопроводность; возможен и индукционный нагрев.

Температура нагрева и ее контроль имеют большое значение, уже небольшое ее повышение значительно ускоряет диффузию; с другой стороны, нагрев может снижать качество металла. Способ отличается большой универсальностью в отношении свариваемых металлов: возможна сварка многих сочетаний разнородных металлов, а также металлов с металлокерамическими сплавами, металлов с керамикой, с графитом и т. д. Способ получил уже достаточно широкое применение для различных случаев, часто трудновыполнимых другими способами.

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).

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.

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.

Дата добавления: 2014-01-07