Устройство для ультразвуковой микросварки

) УСТРОЙСТВО Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано в различном технологическом оборудовании при обработке материалов с наложением ультразвуковых колебаний, в частности для ультразвуковой сварки интегральных схем.Известны устройства для ультразвуковой микросварки, в которых с целью повышения стабильности излучаемой акустической мощности расширяют полосу пропускания водноводно-излу- чаемой системы за счет последовательно соединенных колебательных звеньев и и 12,Каждое звено состоит из двух резонатооов, сбвдиненных связками. Такое построение волноводно-излучающей системы позволяет расширить поло" су пропускания до 6-10 от резонансной частоты.Недостатком известных устройств является низкий КПД, особенно на высших гармониках, обусловленный большими потерями механической энергии в ЛЬТРАЗВУКОВОЙ МИКРОСВАРК звеньях резонаторов, существенно отличающихся друг от друга по диаметру,Кроме того, в устройстве невозможно простыми методами регулироватьнеравномерность амплитуды механичесф ких колебаний в полосе пропускания.Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство, содержащее блок управления,задающий генератор, ультразвуковуюколебательную систему с элементамиее возбуждения, включающую последовательно соединенные формирователь ширины спектра, управляющий аттенюатор,усилитель мощности и по крайней мере 5два резонансно-колебательных звена,соединенных между собой последовательно 3.Недостатком известного устройства 20является невозможность раздельногорегулирования соотношения механических колебаний на каждой гармонике,т.е. оптимизировать ввод ультразвуковой энергии необходимого частотно3 92558го диапазона в технологическую среду,чтоснижает качесФяр сварки,Целью изобретения является повышение качества ультра;звуковой сварки.Поставленная цель достигается тем,что в устройство, содержащее блокуправления, задающий генератор,ультразвуковую колебательную систему сэлементами ее возбуждения, включающуюпоследовательно соединенные формиро ователь ширины спектра, управляемыйаттенюатор, усилитель мощности и покрайней мере два резонансно-колебательных звена, соединенных между собой последовательно, введены цепиобоатной связи, каждая из котооых состоит. йз, датчика механических колебаний, полосового резонанснбГо усилителя и схемы сравнения, а также допол-.нительные ультразвукбвые колебатель 20ные системы, число которых равно числу резонансно-колебательных звеньев,Выход каждого усилителя мощностиультразвуковой колебательной системысоединен с соответствующим резонансно-колебательным звеном, на каждомиз которых установлен датчик механических колебаний, соединенный черезсоответствующие полосовой резонансный усилитель и схему сравнения со30входом соответствующего управляемогоаттенюатора. Другие входы схем сравнения подключены к блоку управления.Каждое последующее резонансно-колебательное звено со стороны инструментаимеет длину, в два раза меньшую, иволновой импеданс, в 1.,8-2,2 разабольший, чем предыдущее звено.На фиг. 1 представлено многореэонансное ультразвуковое устройство 1 наФиг. 2 - амплитудно-частотные харак 40теристики механических колебаний.Устройство содержит задающий гене"ратор 1, на выходе которого включеныпараллельно несколько последователь-ных цепочек, каждая иэ которых состо" 45ит из формирователя ширины спектрачастот 2, управляемого аттенюатора 3и усилителя мощности ч, блок управления 5, цепи обратной связи, каждаяиз Которых состоит, из последовательно включенных датчика механическихколебаний 6, резонансного полосовогоусилителя 7 и схемы сравнения 8, выход которой соединен с управляющимвходом соответствующего аттенюато- Ыра 3.Многорезонансная ультразвуковаяколебательная система состоит из не 9 фскольких резонансно-колебательных звеньев, каждое из которых включает ультразвуковой элементарный преобразователь 9, частотно-понижающие накладки 10 и технологический инструмент 11,Устройство может возбуждаться электрическим напряжением; как синусоидальным, импульсным моночастотным напряжением, так и электрическим напряжением широкого спектра частот (например, шумовым), охватывающим полосу пропускания ультразвуковой колебательной системы в пределах всех гармоник, возбуждаемых каждым звеном. Если задающий генератор вырабатывает моночастотное электрическое напряжение, то формирователи 2 представляют собой делители частоты с увеличивающимся в два раза коэффициентом деления. Если же задающий генератор выполнен в виде шумового генератора напряжения с равномерной спектральной плотностью энергии, то формирователи ширины 2 представляют собой полосовые фильтры. Устройство при возбуждении колебательной системы шумовым напряжением работает следующим образом.Напряжение генератора 1 поступает на входы Формирователей 2, представляющих собой полосовые Фильтры. Центральные частоты полос пропускания фильтров соответствуют резонансным частотам каждого резонансно-колебательного звена. Ширина полосы пропускания каждого фильтра лежит в пределах 10- 153 от центральной частоты и полностью перекрывает диапазон возможного изменения резонансной частоты звена при изменении условий эксплуатации. С выходов формирователей 2 электрическое напряжение через аттенюатор 3 поступает на усилители мощности 4, а затем подается на соответствующие преобразователи 9 резонансно-колебательных звеньев много- резонансной ультразвуковой колебательной системы. Для обеспечения нулевого сдвига фаз между напряжениями, подаваемыми на отдельные звенья, все формирователи 2 синхронно запитываются от генератора 1. На рабочем конце колебательной системы образуются интенсивные стоячие волны кратных частот, Это обусловлено тем, что геометрические размеры каждого последующего звена в сторону излучения5 925589 6 акустической энергии в два раза боль-. за счет конструктивного исполнения ше геометрических размеров предыду-, колебательной системы в целом (т,е. щих звеньев, т.е. резонансная часто- оптимальным фазовым соотношением мета каждого предыдущего элементарно- ханических колебаний кратных частот, го звена равна второй гармонике пос а также увеличивающейся пропорциональледующего. Таким образом, для резо- но частоте амплитуде механических нансной частоты каждого элементарно- колебаний), а за счет раздельного го звена система в целом представляет автоматически поддерживающего задан- собой. неоднородную механическую длин- ный уровень механических колебаний ную линию, в которой укладывается це электрического возбуждения каждого лое число полуволн. Для управления звена преобразователя. режимом работы схемы питания колеба- В области каждой гармоники протельной системы служит блок управле- исходит расширение полосы пропускания 5, в котором закладывается про- ния за счет того, что колебательная грамма изменения электрических напря система конструктивно представляет жений, возбуждающих преобразователи собой систему механически связанных 9 отдельных звеньев. Для сохранения контуров, В каждое широкополосное выбранного соотношения этих напряже- звено входят три резонансно-колеба- мнии в реальных условиях эксплуата- тельных элементарных звена, соединенции устройства служат цепи обратной щ ных механически последовательно.При связи, каждая из которых включает в этом в широкополосном звене крайние себя датчик механических колебаний 6, элементы являются резонаторами, а паласовой резонансный усилитель 7 и средние - перемычками, Каждая после- схему сравнения 8. Для выделения меха- дующая перемычка в предыдущем звене нических колебаний с частотой, соот- Б выполняет роль резонатора, Можно поветствующей резонансной частоте дан; казать, что для рассматриваемых обного звена, служат паласовые резо- разцов при неизменной ширине полосы нансные усилители. Таким образом, пропускания произведение длины резо- имеется возможность селективно регу- натора на отношение волновых импеданлировать амплитуду механических ко О сов резонатора и перемычки - величи-лебаний всех гармоник, Если заданное на постоянная. Поэтому уменьшение значение амплитуды механических коле- длины резонатора каждого последующебаний не выдерживается, то электри- го звена для сохранения заданной шическим напряжением с выхода схемы рины полосы пропускания требует сосравнения 8 изменяется коэффициент35ответствующего увеличения в 2 раза деления аттенюатора 3, что позволяет волнового импеданса резонансно-коле- восстановить исходную величину ампли- бательного звена. туды механических колебаний соответ- Изготовлен макет многорезонансноствующим изменением электрического го ультразвукового устройства, Коле- напряжения, возбуждающего преобразо- бательная система состояла из четыватели.40рех звеньев на частоты соответственНа фиг. 2 представлены графиками но 40; 80; 160 и 320 кГц. Электронная 12 в 12 частотные зависимости ампли- часть позволяла выравнивать амплитутуды механических колебаний сущест- ды механических колебаний на каждой вующих моночастотных колебательных гармонике до уровня амплитуды меха- систем. Очевидно, что с ростом номе- нических колебаний на первой гармони 45ра гармоники в значительной степени ке, При этом электрические напряжепадает амплитуда механических колеба ния, возбуждающие преобразователи,с,инии. повышением номера гармоник целесообДанное устройство позволяет не разно распределить следующим обратольке выравнивать амплитуду механи-. 5 ф зом 0,5 В; 2, 1 В; 8,4 В и 23 В. Ам- ческих колебаний на каждой гармонике плитуда механических колебаний на (зависимость 131-13 р фиг,2), но икаждой гармонике равна 1,15 мкм. изменять форму общей амплитудно-час- Изготовленный макет многорезонанстотной характеристики в зависимости ного ультразвукового устройства исот требуемых конкретных условий оп пользовался для микросварки интег" тимального протекания физико-хими- ральных схем. При этом для получения ческих процессов ультразвуковой абра- максимальной прочности соединений в ботки материалов. Это достигается начале процесса сварки амплитуды ме 7 9255 ханических колебаний на гармониках были равны соответственно 1,95 мкм, 1,6 мкм, 1,0 мкм и 1 мкм.Во второй половине времени сварочного процесса амплитуды меха нических колебаний на гармониках были следующими: 0,3 мкм, 0,6 мкм, 1,0 мкм и 1 мкм. В этих условиях при сварке изделий из алюминия прочность соединений возросла на 35-424, а ко эффициент вариации составил 2-54.Таким образом, предложенное устройство позволяет существенно повысить качество ультразвуковой обработки материалов и значительно расширить % возможности исследования физико-химицеск 1 х процессов, происходящих при ультразвуковой обработке.20Формула изобретения1. Устройство для ультразвуковой микросварки, содержащее блок управления, задающий генератор, ультра- гз звуковую колебательную систему с элементами ее возбуждения, включающую последовательно соединенные формирователь ширины спектра, управляемый аттенюатор, усилитель мощности и по крайней мере два резонансно-колебательных звена, соединенных между собой последовательно, о т л и ч а ющ е е с я тем, цто, с целью повышения качества ультразвуковой сварки, в устройство введены цепи обратной 89связи, каждая из которых состоит издатчика механических колебаний, полосового резонансного усилителя исхемы сравнения, а также дополнительные ультразвуковые колебательныесистемы, число которых равно числурезонансно-колебательных звеньев,приэтом выход каждого усилителя мощности ультразвуковой колебательной системы соединен с соответствующим резонансно-колебательным звеном, накаждом из которых установлен датчикмеханических колебаний, соединенныйцерез соответствующие полосовой резонансный усилитель и схему сравненияс входом соответствующего управляемого аттенюатора, а другие входы схемсравнения подключены к блоку управления.2, Устройство по и. Ф, о т л и -ч а ю щ е е с я тем, цто каждое последующее резонансно-колебательноезвено со стороны инструмента имеетдлину, в два раза меньшую, и волновой импеданс в 1,8-2,2 раза больший,цем предыдущее звено.Источники информации,принятые во внимание при экспертизеАвторское свидетельство СССРМ 694326, кл. В 23 К 19/04, 19772, Авторское свидетельство СССРИ 721285, кл. В 23 К 19/04, 1978.3, Колешко В.М. Ультразвуковаямикросварка. Минск, "Наука и техника", 1977, с. 143, 166 308 (прототип).925589 Фю Составитель В,КатинУтехина Техред З. Фанта Корре Редак Заказ е ве го етен жи о ауш ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная,и.р О/2 Ти НИИПИ Государпо делам изо 13035 Москва Подписмитета СССРткрытийская наб., д