Способ ультразвуковой обработки материалов и устройство для его осуществления

Союз Советских Социалистических Республик(51)М. Кл. В 23 К 19/04 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения В. Л. Венгринович и В. М. Колешко Институт электроники АН Белорусской ССРи Отдел физики нераэрушающего контроляАН Бало усской ССР(54) СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯИзобретение относится к технологии ультразвуковой обработки и может найти широкое применение при разработке технологических процессов микросварки и пайки, очистки и резания, плакирования и гальванического осаждения металлов и сплавов.Известен способ ультразвуковой об" работки, основанный на том, что на обрабж.ываемый материал воздействуют упругими ультразвуковыми колебаниями. Причем магнитострикционный преобразователь возбуждают на резонансной частоте, т.е, механический резонанс преобразователя должен строго соответ ствовать электрическому резонансу генератора 11 .Однако такое строгое соответствие трудно достижимо, что снижает качество ультразвуковой обработки. 2 ОИзвестен также способ присоединения металлических выводов к напыленным металлическим пленкам на полупроводниковых кристаллах с использованием ультразвуковых колебаний2 , ; 25 Для этого изготавливались акустические системы на основе пьезокерамики.Однако при использовании. таких систем для качественного соединения необходимо строгое согласование эле ментов акустической системз между собой и с электрической частью,Из известных способов наиболееблизким к описываемому является способ ультразвуковой обработки материалов путем возбуждения упругих колебаний в магнитострикционном преобразователе посредством его перемегничивания на резонансной частоте с автоматической подстройкой сигналом, снимаемым со вспОмогательной обмоткипреобразователя Я ,Известно также устройство, содержащее генератор ультразвуковой частоты,усилитель, фазовращатель и магнитострикционный преобразователь поменьшей мере с одной обмоткой возбуждения 3 .Недостатком известного способа иустройства является то, что системысогласования не стабильны во времени,так как эксплуатационные режимы, импеданс зоны сварки резко сказываютсяна величине рассогласования механического и электрического резонансов.Для увеличения амплитуды механическихколебаний при наименьшей затратеэлектрической мощности обычно используют различного рода концентраторы.Однако и они не беспредельны. Поэтомусовременные требования диктуют разработку способов ультразвуковой обработки с высоким КПД и повышенной производительностью процесса.ЦеЛью изобретения является поньвдекие качества обработки материалов, КПД и производительность процессов. Поставленная цель достигается тем, что ферромагнитный сердечник.магнитострикционного преобразователя дополнительно перемагничивают на инфра- звуковой частоте в диапазоне 0,01- 200 Гц, а резонансную частоту выбирают в диапазоне частот между инфра- звуковой частотой перемагничивания и максимальной частотой спектра скачков Баркгаузена соответствующей частоте резонанса доменных границ для данного ФерромагниФного материала, а также так, что устройство снабжено генератором инфразвуковой частоты, соединенным со входом обмотки возбуждения, а также дополнительной обмоткой регистрации соединенной со входом усилителя и фаэовращателем, вход ко.торого подключен к выходу указанного усилителя, а выход - ко входу обмотки возбуждения магнитнострикционного преобразователя.На фиг. 1 изображена схема устройства для ультразвуковой обработки, например, сварки; на Фиг. 2 -осциллограмма сигнала на выходе магнито-. стрикционного преобразователя (кривая 1) и сигнала, задаваемого генератором ультразвуковой частоты (кривая 2); на фиг. 3 - характер изменения амплитуды на свободном торце концентратора преобразователя.Сущность способа и принцип работы устройства основаны на явлении коллек. тивного смещения доменных границ при перемагничивании ферромагнетика высокочастотным магнитным полем в совокупности с полем, изменяющимся на ининфранизкой частоте. Это явление наблюдается на осциллографе в виде скачкообразного увеличения ЭДС сигнала на выходе обмотки регистрации, намотанной на ферромагнетик, перемагничиваемый указанными полями. Это явление, носит резонансный характер, причем частота резонанса зависит от скорости изменения низкочастотной компоненты магнитного поля и спектральных характеристик магнитного шума Баркгаузена для данного ферромагнетика., Устройство для реализации способа содержит два генератора: ультразвуковой частоты 1 и инфранизкой частоты 2.Своими выходами оба генератора соединены со входами Обмоток 3 и 4 возбуждения ферромагнитного сердечника 5 магнитострикционного.преобразователя б, На сердечнике 5 расположена обмотка 7 регистрации. Последовательно включенные обмотки 7, усилитель 8 и фазовращатель 9 образуют цепьобратной связи, инструмент 10.При перемагничивании Ферромагнитного сердечника 5 высокочастотным(резонансной частоты) и инфра низкочастотных магнитными полями на выходеобмотки регистрации будет индуктиро-ваться ЭДС, осциллограмма которойприведена на фиг. 2 кривая 1. Характерный пик ЭДС, обусловленный низкочастотным резонансом доменных границ,является результатом коллективногосмещения доменных границ в Ферромагнетике, в отличие от стохастическогосмещения доменных границ при,обычнонаблюдаемом эффекте Баркгаузена. Нафиг. 2 (кривая 2) показано изменениетока в обмотке возбуждения 3 задаваемого генератором 1. Как видно из фиг.2оба указанных сигнала имеют различиепо амплитуде и смещены по фазе. Для20 согласования обоих сигналов по амплитуде и по фазе в цепи обратной связиприменены усилитель 8 и фазовращатель9. На вход обмотки возбуждения 3 бу;дет подаваться сигнал с характерным25 пиком, аналогичным Фиг. 2 кр.1. Приэтом рабочий конец обрабатывающегоинструмента 10 будет осуществлятьколебания, амплитуда которых будетизменяться по закону, представленноЗО му на фиг. 3. В интервале времени линструмент будет осуществлять ударноевоздействие на обрабатываемые детали,что, как известно, резко увеличивает производительность процесса и качество обработки. Величина и фаза пика ЭДС на выходе обмотки регистрации7 могут регулироваться за счет; изменения инфраниэкой частоты перемагничивания сердечника 5 магнитостриктора б; изменения материала и структу 40 ры материала сердечника 5 магнито-стриктора б; изменения задающей частоты генератора 1, Таким образом,благодаря генерированию дополнительного мощного ударного импульса на ос 45 новной ультразвуковой частоте пеРемагничивания сердечника преобразователя увеличивается КПД, производитель"ность и стабильность процесса ультразвуковой обработки,Предварительные сравнительные испытания устройства в сопоставлении сустройством согласно прототипа производились применительно к процессуультразвуковой микросварки выводовмикросхем. Результатом испытаний являлось повышение КПД процесса, снижение времени сварки на 30 и значительное увеличение стабильности качества сварных соединений.60Формула изобретения1. Способ ультразвуковой обработки материалов, например, сварки, очистки, Резки и др., путем возбуждения65766790 аказ 7096/9 Тираж 1160 Подписное ВНИИ иал ППП"Патент",г,ужгород,ул.Проектна упругих колебаний в ферромагнитном сердечнике магнитострикционного преобразователя посредством его перемагничивания на резонансной частоте с автоматической подстройкой сигналов, снимаемым со вспомогательной обмотки преобразователя, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью поведения качества обработки, КПД и производительности процесса, ферромагнитный сердечник магнитострикционного преобразователя дополнительно перемагничивают на инфразвуковой частоте в диапазоне 0,01-200Гц, а резонансную частоту выбирают в диапазоне частот между инфраэвуковой частотой перемагничивання и максимальной частотой спектра скачков Баркгауэена, соответствунзцей частоте резонанса доменных границ для данного ферромагнетика.2, Устройство для осуществления способа ультразвуковой обработки ма". териалов по п, 1, содержащее генератор ультразвуковой частоты, усилитель, фазовращатель и магнитострикционный преобразователь, по меньшей мере содной обмоткой возбуждения, о т л ич а ю щ е е с я тем, что оно снабжено генератором инфразвуковой частоты,соединенным со входом обмотки возбуж 5 дений, и обмоткой регистрации, соединенной со входом усилителя и фазовращателем, вход которого подключен квыходу усилителя, а выход - ко входуобмотки возбуждения магнитострикционного преобразователя,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Колешко В. И. Ультразвуковаямикросварка. Минск "Наука и техника"1977, с, 239-241,15 2. Северденко В. П., Гурский Л. И.Колешко В, И. Соединение металловв твердом состоянии в зависимостиот частоты ультразвуковых колебаний.20 ДАН БССР, 1974, т. 18, М 10, с. 886 .3. Колешко В. И. Ультразвуковаямикросварка. Минск, "Наука и техникаф.1977, с. 156.