Способ ультразвуковой сварки и устройство для его осуществления

 

1. Способ ультразвуковой сварки , включающий воздействие ультразвуковых колебаний и статического давления через сварочный инструмент на: соединяемые детали, отличающийся тем, что, с целью повьшег. ния качества сварного соединения путем увеличения его прочности, воздействие ультразвуковыми колебаниями осуществляют поочередными последовательными изгибными колебани ями, кЬле баниями бегущей круговой волны и продольными колебаниями, при этом переход от изгибных колебаний на колебания бегущей круговой волны осуществляют при достижении минимума второй производной нагрузочной характеристики колебаний сварочного инструмента, а переход на продольные колебания - при достижении максимума второй производной указанной нагрузочной характеристики. 2. Устройство для ультразвуковой . сварки, содержащее генератор, логический блок управления, резонансную систему преобразователей и волноводов со сварочным инструментом и датчиком механических колебаний, отличающееся тем, что между датчиком механических колебаний и логическим блоком управления (Л дополнительно включены последовательно соединенные усилитель-выпрямитель, два дифференциатора и формирователь импульсов, а резонансная система с с преобразователей состоит из неоднородного стержня с расположенным ак,сйально на нем в узле продольных колебаний правильным многонранником СО со с четным числом сторон, расположенных на его гранях излучателей бегу4 СП щей круговой йолны, и расположенного в центре многогранника волновода 4 продольных колебаний с закрепленными в узле колебаний пьезоизлучателями продольных колебаний.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

09 (111

g(5g В 23 К 20/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОЧНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВЧОРСНОмм сВИДЕТИЛЬСтВУ (21) 3462107/25-27 (22) 29.03.82 (46) 23.05.84. Бюл. М 19 (72) В.М.Колешко, В.Я.Сунка и С.С.Кривоносов (71) Институт электроники АН Белорусской CCP (53) 621.791.16.037 (088.8) (56) 1. Колешко В.М. Ультразвуковая микросварка. Минск, "Наука и техника", 1977, с. 40-43.

2. Авторское свидетельство СССР

У 302203, кл. В 23 К 20/00, 1971.

3. Авторское свидетельство СССР

11 423592, кл. В 23 К 20/10, 1974 (про тотип) . (54) СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ И

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕН1И. (57) 1. Способ ультразвуковой сварки, включающий воздействие ультразвуковых колебаний и статического давления через сварочный инструмент на. соединяемые детали, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повыше-.... ния качества сварного соединения путем увеличения его прочности, воздействие ультразвуковыми колеба" ниями осуществляют поочередными последовательными изгибными колебаниями, кблебаниями бегущей круговой волны и продольными колебаниями, при этом переход от изгибных колебаний на колебания бегущей круговой волны осуществляют при достижении минимума второй производной нагрузочной характеристики колебаний сварочного инструмента, а переход на продоль- ные колебания — при достижении максимума второй производной указанной нагрузочной характеристики.

2. Устройство для ультразвуковой сварки, содержащее генератор, логический блок управления, резонансную систему преобразователей и волноводов со сварочным инструментом и датчиком механических колебаний, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что между датчиком механических колебаний и логическим блоком управления дополнительно включены последовательно соединенные усилитель-выпрямитель, два дифференциатора и формирователь импульсов, а резонансная система преобразователей состоит из неоднородного стержня с расположенным аксиально на нем в узле продольных колебаний правильным многонранником с четным числом сторон, расположенных на его гранях излучателей бегущей круговой волны, и расположенного в центре многогранника волновода продольных колебаний с закрепленными в узле колебаний пьезоизлучателями продольных колебаний.

093454 2

ЗО

1 1

Изобретение относится к электронике и приборостроению ультразвуковой сварки, а также может быть исполь зовано в различном технологическом оборудовании при обработке материалов с наложением различных видов (мод) механических колебаний, вводи-. мых в технологическую среду,.

Известен способ ультразвуковой сварки, в котором продольные ультразвуковые колебания превращают в изгибные, и устройство для его осуществления. Для получения язгибных колебаний используют преобразователь с концентратом (волноводом) продольных колебаний, к торцу . кото" . рого перпендикулярно прикреплены изгнбные волноводы, выполненные составными из параллельно. расположенных элементов с различными радиусами инерции поперечного сечения С1 3

К недостаткам данных способа и устройства относится низкое качество сварки, что объясняется возможностью использования в них только одной моды (вида) ультразвуковых колебаний

Известный способ, заключающийся в наложении на свариваемые детали крутильных колебаний,и устройство для его осуществления, содержащее ультразвуковой преобразователь, к рабочим торцам которого присоединены трансформаторы упругих колебаний, с которыми соединен водновод-инструмент. Длина трансформаторов упругих колебаний выбрана так, чтобы обеспечить противофазное колебание их торцов, соединенных с волноводом-инструментом Г2 3

К недостаткам данных способа и устройства. также относится низкое качество сварки (мала прочность соединения), так как крутильные коле-, бания эффективно воздействуют только на второй фазе процесса сварки и малоэффективны яа первой и третьей фазах, в связи с тем, что амплитуда колебаний инструмента значительно меньше, чем при изгибных и продольных колебаниях. Кроме того, устройство для осуществления способа сложно изготовить, так как необходимо точно выполнить условие противофаэности возбуждения волновода-излучателя, .т.е. требуется постоянная длина возбуждаемой волны, которая однако может изменяться s процессе сварки.

На данном устройстве невозможно получить другие виды колебаний s эави" симости от фазы ультразвуковой сварки, что ведет к понижению произвадительности и качества сварки.

Наиболее близким к изобретению являются способ ультразвуковой сварки, включающий воздействие ультразвуковых колебаний и статического давления через сварочный инструмент на соеди-.. няемые детали, и устройство, реализующее способ, которое содержит генератор, логический блок управления, резонансную систему преобразователей и волноводов со сварочным инструмен-.. том и датчиком механических колебаний С33

Недостатком известных способа и реализующего его устройства является то, что продольные колебания в значительной мере уменьшают контакт" ное трение между свариваемыми деталя4 ми, процесс удаления окисных пленок и адсорбированных частиц происходит медленнее, а на второй фазе эа счет

4 наличия изгибных колебаний происхо-. дит разрыв "первичных мостиков схватывания 1 из-эа большого перемещения конца инструмента, что снижает в целом качество сварки.

Целью изобретения является повышение качества сварного соединения путем увеличения его прочности.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу ультразвуковой сварки, включающему воздействне.ультразвуковых колебаний и статического давления через сварочный инструмент на соединяемые детали, воздействие ультразвуковыми колебаниями осущеетвляют поочередными последователь4О ными иэгибными колебаниями, колебаниями бегущей круговой волны и продольными колебаниями, при этом пере-.. ход от изгибных колебаний на колебания бегущей круговой волны осуществ

4 ляют при достижении минимума второй производной нагрузочкой характеристики механических колебаний сварного инструмента, а переход на продольные колебания - при достижении максимума второй произвщ ной укаэанной яагрузочной характеристики.

Кроме того, в устройство для осуществления способа, содержащее генератор, логический блок управления., резонансную систему преобразователей и воляоводов со сварочным ияструментом и датчиком механических колебаний, между датчиком механических колебаний и логическим блоком управления

1093

3 дополнительно включены последовательно соединенные усилитель-выпрямитель, два дифференциатора и формирователь импульсов, а резонансная система преобразователей состоит из неоднородного стержня с расположенным аксиально на нем в узле продольных колебаний правильным многогранником с четным числом сторон, распо ложенных на его гранях излучателей 10 бегущей круговой волны, и расположенного в центре многогранника волновода продольных колебаний с закрепленными в узле колебаний пьезоизлучателями продольных колебаний.

На фиг.l показана схема устройства, реализующего способ; на фиг.2— график, поясняющий взаимосвязь и обоснование размеров волноводов; на фиг.3 — график смещения и изменения второй производной механических колебаний инструмента.

Устройство содержит задающий генератор 1, формирователи 2 фазы, входной коммутатор 3, усилители 4 мощности, выходной коммутатор 5, схему 6 извлечения второй производной, логическую схему 7 и согласующую схему 8 .

Узлы 1-8 образуют устройство возбуждения. Многофункциональная волноводно-излучающая ультразвуковая система состоит из волновода 9 продольных колебаний, излучателей 10 продольных

I колебаний, датчика ll механических колебаний, излучателей для создания изгибных колебаний и для создания бегущих пучностей и узлов 12-17, а также сварочного инструмента 18.

Волноводная система является резонансной для трех видов колебаний продольных, изгибных и бегущих пучностей и узлов (кваэикрутильных).

Размеры (длина) волновода 9 связаны из условия получения максимума амплитуды продольных колебаний на сварочном инструменте и равны волновой длине Лб„(Лв -длина продольной волны). Излучатели 12-17 расположены на утолщенной части волновода 9, т..е. на гранях правильного многогранника (фиг.2) следующие: высота равна чет/верти продольной волны; расстояние 11 между противоположными гранями в осевом направлении равно нечетному числу (например, трем на фиг.2) полуволн Ау иэгибной волны, а расстояние d примерно равно длине полуволны,3в . Многогранник расположен на высоте 1/4 3р от сварочного инструмен-.

454 4 та 18, обеспечивая этим минимальную акустическую нагрузку излучателей 10 и 12-17 друг на друга и увеличивая эффективность работы устройства в целом.

Изгибные колебания сварочного инструмента 18 получают при возбуж— дении в противофазе излучателей, лежащих на противоположных гранях многогранника, например, 12 и 15, или 13 и 16, или 14 и 17. Для обеспечения определенного сдвига фаз между напряжениями, подаваемыми на излучатели, все формирователи 2 синхронно запитываются от генератора 1. Для управления режимом работы

{т.е. получения колебаний торца инструмента определенной формы) схемой питания колебательной системы служат коммутаторы (блоки управления) 3 и 5, а также устройства 6 извлечения второй производной и логическое устройство 7. В устройствах 6 и 7 происходит определение максимума и минимума второй производной, а устройство 7 своим напряжением запускает блоки 3,5 управления. Данное устройство может возбуждаться электрическим напряжением синусоидальной а также напряжением прямоугольной формы.

Реализация способа происходит следующим образом.

В начале сварки выходное напряжение генератора 1 подается на формирователи 2 фазы, а затем через коммутатор 3, управляемый схемой 7, поступает на усилитель 4 мощности. Усиленное напряжение через коммутатор 5 и согласующую схему 8 возбуждает только одну пару излучателей, например, 12 и 15. С выхода датчика 11 механи"ческих колебаний подается напряжение, пропорциональное амплитуде механических колебаний сварочного инструмента 18, в схему 6 извлечения про-. изводной. При достижении минимума вто рой производной нагрузочкой характеристики,колебательной системы (фиг.31 с выхода логической схемы 7 подается напряжение на коммутаторы 3 и 5.

Происходит переключение излучателей на многограннике, так что в сварочном инструменте возникают квазикрутильные высокочастотные колебания, при этом возбуждаются преобразователи 12-17 поочередно образуя в многограннике по его периметру чередующиеся пучности и узлы. Эти же ко,10934 лебания распространяются и по периметру сварочного инструмента. Пере ход на эти колебания с изгибных соответствует моменту изгиба нагрузочной характеристики (фиг.З, точка А) на восходящей ветви. При продолжении сварки в фазе максимального образования мостиков схватывания и роста очагов схватывания в обширные области амплитуда механических колебаний уменьшается (фиг.3}„ При достижении максимальной зоны схватывания и образования соединения амплитуда механических колебаний уменьшается до минимума (фиг.3, точка .Б), Нри дости- 15 жении максимума второй производной (фиг.3) происходит срабатывание логической схемы 7 и ее выходным напряжением через коммутаторы 3 и 5 подклю- чаются к усилителю 4 мощности излу- 20 чатели 10 продольных колебаний. Продольные колебания способствуют упрочнению (наклепу) соединений свариваемых деталей. При этом разрывов образовавшихся соединений нет, так как отсутствуют тангенциальные составляющие усилия на связываемые детали.

Пример. Резонансная частота для продольных колебаний 44 кГц, а для изгибных и колебаний, которые ЗО создают по периметру торца инструмента чередование пучностей и узлов, приблизительно 66 кГц. Волновод изготавливается иэ стали У10 с последующей закалкой до 50 единиц, скорость распространения ультразвуковых волн

54 6 составляет 5,1x1 0 м/с (измеренная) .

Для излучателя 10 используется пьезокерамика ЦТС-19, диаметром 35,7 мм, толщиной 3 мм, а ЦТС-19 толшиной 2 ммдля излучателей 12-17. Расчетные pasмеры многог11анника (d 35,7 мм, Ьо

29 мм и расстояние между гранями

Хб2 95 мм) близки к экспериментальным. Напряжение, подаваемое для возбуждения преобразователей 10, 12-17 составляет 120-160 В. Устройство используется для микросварки гибридных интегральных схем, а также опробовано для сварки изолированного провода к медным пистонам. При сварке алюминиевой проволоки прочность соединений возрастает Hà 16-22Х, коэффяциент вариации составляет 2-З и не зависит от состояния свариваеиых поверхностей. При,сварке изолированного провода ПНЭТ - имид ТУ16-505.48973 диаметром 0,18 мм с медным пистоном прочность соединений возрастает на 30-40К, а производительность на

70-80X по сравнению с существующими способами.

Таким образом, использование предлагаемых способа и устройства позволяет существенно повысить качество ультразвуковой обработки материалов и значительно расширить возможности экспериментов в исследовании фиэикохимических процессов, происходящих при ультразвуковой обработке, в частности, сварке.

1093454

I 093454

Составитель В.Катин

P Т.Кугр ева техред И.Метелева Корректор Ю.Макаренк

Заказ 3347/10 Уираж 1037 Подписное .

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4