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).

СВАРКА ПРОКАТКОЙ

Сварка прокаткой - высокопроизводительный технологический процесс получения биметаллов как из разнородных металлов, так и из металлов, близких по химическому составу, но отличающихся по свойствам. Этот процесс применяется для производства листов, по­лос, лент, фасонных профилей, прутков, проволоки. Соединение ком­понентов биметалла происходит при их совместной горячей или хо­лодной пластической деформации, осуществляемой в прокатных ста­нах в вакууме или на воздухе.

Исходной заготовкой для получения биметалла служит пакет, со­стоящий из двух различных слоев металла в виде слябов и пластин. Обычно применяют одинарные пакеты - для получения одного лис­та биметалла (рис. 3.64, а), двойные симметричные пакеты – для получения двух листов биметалла (рис. 3.64, б) и тройные пакеты -для получения трех листов биметалла, два из которых двухслойные, а один трехслойный (рис.3.64,в).

Так как надежное соединение слоев обеспечивается при 5-7-крат­ном обжатии, для получения биметаллического листа толщиной 25 мм исходная толщина пакета должна составлять не менее 250-350 мм. Ширина слябов, применяемых для основного слоя при про­изводстве двухслойных коррозионно-стойких листов из стали, обычно составляет 700-1200 мм, а длина 1700-2500 мм. Слябы основного слоя из углеродистой и низколегированной стали подвергают правке на прессе и механической обработке по свариваемой поверхности с последующими обезжириванием, промывкой и сушкой. Одновремен­но подготавливают пластины плакирующего слоя.

Для уменьшения степени окисления поверхностей заготовок при их нагреве перед сваркой прокаткой пакеты герметизируют сварным швом по периметру, а в ряде случаев сварку производят в защитной атмосфере (вакууме или инертном газе).

i Перед прокаткой пакеты нагревают в нагревательных шахтных или камерных печах. Температура нагрева, например, пакетов из уг­леродистой и коррозионно-стойких сталей составляет 1200-1250 °С.

Рис. 3.64. Конструкции пакетов для сварки прокаткой:

1 - основной слой; 2 - плакирующий слой; 3 - разделительный слой; 4 -

технологическая планка; 5 - сварной шов

При получении биметалли­ческих листов с покрытием из ак­тивных металлов (например, ти­тана) используют герметичную конструкцию пакета с размещен­ным внутри него пирофорным материалом церием, который при нагреве пакета сгорает и связы­вает кислород окружающей сре­ды. Надежное соединение в процессе горячей прокатки легко окисляющихся металлов достигается на вакуумных прокатных ста­нах. Пакеты прокатывают (рис. 3.65) на обычных прокатных станах для получения однослойных листов аналогичных размеров.

Холодную сварку прокаткой применяют для получения двух- или трехслойных биметаллов, состоящих из стальной основы и плаки­рующих слоев из цветных металлов, например сталь + медь, сталь + латунь, медь + алюминий, алюминий + титан, алюминий + сталь + алюминий. Для получения доброкачественного соединения слоев в биметалле требуется значительная деформация при сварке прокат­кой и чистота соединяемых поверхностей, причем особенно важно отсутствие органических веществ.

При сварке прокаткой соединение образуется в условиях при­нудительного деформирования и малой длительности взаимодействия. Вначале происходит смятие микронеровностей и увеличение кон­тактных поверхностей из-за значительной вытяжки, приводящей к утонению и частичному разрушению оксидных пленок. В отдель­ных местах контактирования между свариваемыми поверхностями образуются участки схватывания, между которыми остаются полос­ти, содержащие газы. Возможность дальнейшего увеличения числа и площади участков схватывания определяется развитием процесса адсорбции остаточных газов металлом. При дополнительной пласти­ческой деформации по мере поглощения газа металлом участки схва­тывания расширяются, формируются зоны взаимодействия, граница соединения превращается в непрерывную межфазную границу.

Образование соединения заканчивается схватыванием контактных поверхностей и релаксацией напряжений в той мере, в какой это не­обходимо для сохранения образовавшихся межатомных связей.

Рис. 3.65. Схема сварки прокаткой