Способ ультразвуковой микросварки и инструмент для его осуществления

СОЮЭ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Иехнизво беспечиваю го срыва н отбираема игает макси развуковых (УЗ) колебаний, о щего исключения фрикционно конечной стадии сварки, когда от источника мощность даст мальных значенийНа фиг. 1 представлены г ций источника и потребителя рафики функ- ультраэвукоК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54) СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МИКРОСВАРКИ И ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯЯ(57) Изобретение относится к сварке и может быть использовано при ультразвуковойсварке выводов микросхем в радиоэлектронике. Цель изобретения - повышение качества сварных соединений и стойкостисварочного инструмента за счет согласования импедансов эоны сварки и источникаультразвуковых (УЗ) колебаний на конечнойстадии сварки. Сварочный инструмент (СИ)1 устанавливают на свариваемые детали 4,прикладывают к нему давление и подают УЗколебания от УЗ генератора. Амплитудаэтих колебаний равна удвоенному отношению касательного усилия разрушения сварного соединения и статической изгибной зобретение относится к сварочной т ке и может быть использовано в прои дстве микроэлектронных приборов,Цель изобретения - повышение качества сварных соединений, стойкости сварочного инструмента эа счет согласования импедансов зоны сварки и источника ульт.,Ж, 1609008 А 1(5)5 В 23 К 26/10// В 23 К 101:36 жесткости СИ 1. В процессе сварки амплитуду колебаний СИ 1 изменяют обратно пропорционально текущему значению касательного усилия сопротивления зоны сварки. При достижении касательной нагрузки на СИ 1, равной величине касательного усилия разрушения сварного соединения, подачу УЗ колебаний на СИ 1 прекращают. СИ для УЗ сварки содержит среднюю часть 2 в районе узла 3 иэгибных колебаний с уменьшенным поперечным сечением. Длина этой части не менее макси- с мальной величины смещения узла изгибных колебаний 3 вдоль оси СИ 1. При возраста- Я нии касательной нагрузки на СИ 1 до величины касательного усилия разрушения сварного соединения. Толщина СИ 1 в средней части выби ается из соотношения 1 = =1 24 тепп бпр/е Еи би где 1 - длина средней части (м), - предел прочности привари- д ваемой проволоки на сдвиг (МПа); - (Ь начальная амплитуда колебаний торца инструмента (м); Е - модуль Юнга материала а,О инструмента (н/м ); бпр - диаметр привари 2, ваемой проволоки (м); би - диаметр инструмента (м). При этом исключается возникновение фрикционного срыва в кон- О такте между СИ и ириаариааемой деталью и фе тем самым повышается выход годных сварных соединений, 2 с.п.ф-лы, 6 ил.5 10 15 203 24 пл пр Бо Еидвых колебаний (УЗК) в координатных "колебательная скорость - касательная сила"; на фиг. 2 - инструмент, средняя часть которого имеет уменьшенную толщину; на фиг. 3 - сечение А - А на фиг, 3; на фиг. 4 показан инструмент с технологической лыской, средняя часть которого имеет уменьшенную толщину; на фиг. 5 - сечение В - В инструмента с технологической лыской; на фиг. 6 представлены эпюры распределения амплитуды колебаний вдоль оси инструмента.Способ ультразвуковой микросварки осуществляют сварочным инструментом 1, имеющим среднюю часть 2. Длина средней частиравна длине максимального смещения узла 3 изгибных колебаний (фиг.6) вдоль оси инструмента при возрастании касательной нагрузки на инструмент до величины касательного усилия разрушения сварного соединения, а ширина и выбирается из со- отношения где- длина средней части (м);тли - предел прочности привариваемой проволоки на сдвиг (МПа);яо - начальная амплитуда колебаний торца инструмента (м),, - модуль Юнга материала инструмента (Нlм ),бпр - диаметр привариваемой проволоки (м);б, - диаметр инструмента (м). Инструмент 1 устанавливают на привариваемую проволоку 4. К инструменту 1 прикладывают давление и с помощью УЗ генератора 5 и волновода 6, соединенного с инструментом 1, возбуждают в инструменте 1 узел колебания. В процессе сварки амплитуду колебаний торца инструмента 1 в месте контакта с проволокой 4 уменьшают обратно пропорционально текущему значению касательного усилия сопротивления зоны сварки от величины, равной удвоенному отношению. касательного усилия разрушения сварного соединения и статической изгибной жесткости сварочного инструмента 1. При достижении касательной нагрузки на инструмент 1 величины, равной касательному усилию разрушения сварного соединения, т,е. когда эпюра колебаний сварочного инструмента 1 в режиме холостого хода 7 (фиг.7) перейдет в эпюру колебаний инструмента 1 в режиме максимальной нагрузки на инструмент 8, процесс сварки прекращают. Если на инструменте есть технологическая лыска 9 (фиг. 4), уменьшение толщины 25 30 35 40 45 50 55 инструмента 1 в средней части 2 со с героны лыски 9 не осуществляют.Минимальная длинадолжна превышать величину смещения узла колебаний 0 (фиг.б) при увеличении касательной нагрузки на инструмент до касательного усилия разрушения соединения. В противном случае зависимость изменения амплитуды на торце инструмента от нагрузки будет нелинейной при смещении узла в область переменного сечения (область боковых граней пазов) инструмента. Максимальная длина паза может быть равна вылету инструмента (рабочей длине стержня инструмента - от торца инструмента до выхода из района закрепления инструмента),Причем для каждого диаметра привариваемой проволоки напр толщина инструмента в районе паза должна быть различной, чтобы удовлетворялось равенство где тлл - предел прочности привэриваемой проволоки на сдвиг (МПа);е - начальная амплитуда УЗ К рабочего торца (м);Еи - модуль Юнга материала инструмента (Н/м );ои - диаметр стержня инструмента (м); для - диаметр и роволоки (м).Зэ счет задания оптимальной иэгибной жесткости инструмента обеспечивают воз-; можность гибкого управления амплитудой колебательного режима в зависимости от нагрузки со стороны эоны сварки, обеспечивающего исключение фрикционного срыва в контакте инструмент-проволока в конечной стадии процесса сварки с достижением саморегулируемого режима колебаний, опре-деляемого равенством двигательной силы источника УЗК и силы сопротивления зоны сварки.Процесс саморегулирования УЗ сварки осуществляют следующим образом.Включают УЗК с амплитудой колебательной скорости на рабочем торце Чо и прикладывают к зоне сварки нормальное усилие К, При этом отмечают, что в начальный момент касательной силе трения инструмента о зону сварки Гэ -,ий (где р - коэффициент трения) будет соответствовать падение амплитуды колебательной скорости на инструменте ЛЧи, а по функции потребителя - падение амплитуды колебательной скорости на зоне сварки Чз В начальный момент процесэ может иметь место фрикционный срыв в кон 1609008такте инструмент - зона сварки с падением амплитуды колебательной скорости ЬЧфс. Фрикционный срыв может произойти также и внутри зоны сварки (что полезно для зачистки деталей),отчего зависит соотношение градиентов ЛЧзс и ЬЧф.с (на фиг.1). В процессе сварки при образовании зон схватывания и росте их числа касательное усилие сопротивления зоны сварки Рзс и ее импе- данс возрастают, а амплитуда колебательной скорости Чп на торце инструмента падает обратно пропорционально этим величинам. При этом рабочие точки Ми и Мзс во времени смещаются вправо к точке М устойчивого динамического равновесия системы. Точка М пересечения графиков функций характеризуется квазистатической стабилизацией колебательного режима источника и потребителя УЗК, соответствующей падению амплитуды УЗК на рабочем торце инструмента вдвое от начальной и увеличению касательной нагрузки на инструмент со стороны зоны сварки до значения касательного усилия разрушения соединения. Динамика поведения системы источник-потребитель УЗК характеризуется двумя стадиями: в первой происходит развитие процесса во времени при динамическом неравновесии системы, во второй стадии наступает квазистатическое равновесие системы с постоянством основных параметров режима во времени, определяемых точкой пересечения графиков функций источника и потребителя УЗК. Время протекания первой стадии не постоянно и зависит от конкретных условий в .зоне сварки. Поэтому процесс сварки прекращают по достижении спада амплигуды на торце инструмента вдвое, что определяется заданной иэгибной жесткостью инструмента,. обеспечивающей равенство импедансов его самого и зоны сварки.Таким образом, процесс УЗ сварки осуществляютт эа счет создания режима колебаний инструмента, при котором амплитуду его торца автоматически и беэынерционно изменяют (уменьшают) в зависимости от возрастающей нагрузки со стороны зоны сварки и ограничивают на уровне, исключающем фрикционный срыв в конечной стадии процесса, - основной фактор износа сварочного инструмента. Ограничение силового воздействия на зону сварки после образования соединения исключает разрушение образованных связей в нем, тем самым повышает КПД процесса и стабильность воспроизводимости качества соединений, так как процесс заканчивают устойчивым режимом стабилизации конечных параметров во времени, которое становится некритичным для качества соединений.Пример осуществления процесса УЗ 5 сварки.Для заданного диаметра алюминиевойпроволоки бпр.-30;10 м, предел прочности-бпроволоки на сдвиг тпп= 100 МПа и площади сечения нормального соединения Ззс =10 1,5 напр 3 бпр = 4,5 10 м имели расчетную-9прочность соединенияРрасч.зс.= 0,7 7 пп Язс 0,38 Н,Для обеспечения в зоне сварки сдвиговой деформации у = 0,02 с конечной высо той 0,5 бпр (пластическая деформация на50) градиент амплитуды смещения в зонесварки считалиу 0 ЛЕзс= у - .0,021520 м=0,310 м,У аппо -6 -бИз этого определяли статическую изгибную жесткость инструмента25ЛЕзс О,З Ю мВеличину Ки контролировали измерением величины изгиба инструмента заданнойдлины при приложении тарированной каса.30 тельной нагрузки к его торцу при защемленном противоположном Конце. Подбираясечение инструмента и момент инерции сечения по всей длине или части длины инструмента, модуль упругости материала,35 обеспечивают расчетную статическую изгибную жесткость инструмента Ки,Определяли начальную амплитуду колебаний инструмента.40 2 оэсро- =Об 10 мпиВыставляли начальную амплитуду колебаний на холостом ходу с помощью вибра ционного датчика.Б процессе сварки с ростом сопротивления зоны сварки амплитуду колебаний на торце инструмента автоматически снижали до постоянного значения Ео/2= 0,3 10 м, 50 практически не зависящего от последующе- . го времени сварки, которое ограничивалипосредством таймера или датчиком амплитуды, сопряженным с отключающим устройством.Соединения, полученные в лабораторных условиях на модернизированной установке УЗ сварки типа УЗС. М - 2,5, имеют. следующие характеристики: средняя проч ность на разрушение перемычек при отрывегде 1 -длин Тпп" пр проволоки н яо- на вых колебан Еи- мод та (Н/м); бпр - ди ки (м); би - диаои ен- лосоставила Р - 12,7 мН при коэффициенте вариации у,1, при сварке свободными УЗК в тех же условиях те же параметры имеют значения Р 12,1 сН и у=: 4,6. Время сварки в обоих случаях составляло 5 мс, толщина напыления золота на контактных площадках 0,3 мкм, Кристалл - арсенид галлия, При этом в партиях по 50 приборов на повторных после сварки) испытаниях злектропараметров по статике было выявлено отсутствие отказов после монтажа выводов по предлагаемому способу и 3 отказа после сварки свободными УЗК, причем "выколы" в этом случае встречались и при испытаниях перемычек на отрыв.Изобретение позволяет повысить выход годных сварных соединений, их качество, исключить прилипание инструмента к свариваемому изделию и его функциональ ный срыв в процессе сварки и тем самым повысить срок службы инструмента, снизить энергозатраты на осуществление процесса УЗ-сварки.Формула изобретения 1. Способ ультразвуковой микросварки, при котором сжимают свариваемые детали сварочным инструментом, возбуждают в инструменте ультразвуковые колебания и конолируют амплитуду изгибных колебаний сварочного инструмента, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения качества сварных соединений и стойкости инструмена путем исключения фрикционного срыва за счет использования процесса саморегулирования колебательного режима в процессе сварки, амплитуду колебаний инструмента уменьшают обратно пропорционально текущему значению касательного Ъе вбфф 5 10 15 20 25 усилия сопротивления зоны сварки от начального значения, равного удвоенному отношению касательного усилия разрушения соединения к статической изгибной жесткости сварочного инструмента, а процесс сварки прекращают при достижении величины касательного усилия на инструмент величины, равной касательному усилию разрушения сварного соединения,2. Инструмент для ультразвуковой микросварки, выполненный в виде стержня с рабочим и нерабочим торцом и средней частью в области узла иэгибных колебаний стержня, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения качества сварных соединений и стойкости инструмента, средняя часть выполнена длиной не менее длины максимального смещения узла изгибных колебаний инструмента вдоль оси стержня при возрастании касательной нагрузки на рабочий торец инструмента до величины касательного усилия разрушения сварного соединения, а толщина инструмента Ь в средней части выбрана иэ соотношенияз а средней части м),едел прочности привариваеа сдвиг (МПа),чальная амплитуда ультраэвуий рабочего торца (м);уль Юнга материала инструм метр привариваемой прометр инструмента (м).1609008 ктор Н,Гунько Редакт зл оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 аз 197 ВНИИ Составитель Г.ТютченковТехред М.Моргентал Тираж Подписноесударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5