Способ ультразвуковой сварки и устройство для его осуществления

СОКИ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 09 (10 За В 23 К 20/10 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОЧНРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯН АВЧОРСНОму сВИДЕТВЪСтВУ(71) Институт электроники АН Белорусской ССР(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 Р 302203, кл. В 23 К 20/00, 1971.3. Авторское свидетельство СССР У 423592, кл. В 23 К 20/10, 1974 (прототип).(54) СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИИ, (57) 1. Способ ультразвуковой сварки, включающий воздействие ультразвуковых колебаний и статического давления через сварочный инструмент на. соединяемые детали, о т л и ч а ющ и й с я 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 волныосуществляют при достижении минимума второй производной нагрузочнойхарактеристики колебаний сварочногоинструмента, а переход на продоль-ные колебания - при достижении максимума второй производной указаннойнагрузочной характеристики.2. Устройство для ультразвуковойсварки, содержащее генератор, логический блок управления, резонанснуюсистему преобразователей и волноводов со сварочным инструментом идатчиком механических колебаний,о т л и ч а ю щ е е с я тем, чтомежду датчиком механических колебаний и логическим блоком управлениядополнительно включены последовательно соединенные усилитель-выпрямитель,два дифференциатора и формировательимпульсов, а резонансная системапреобразователей состоит из неоднородного стержня с расположенным аксиально на нем в узле продольныхколебаний правильным многонранникомс четным числом сторон, расположенных на его гранях излучателей бегущей круговой волны, и расположенногов центре многогранника волноводапродольных колебаний с закрепленнымив узле колебаний пьезоизлучателямипродольных колебаний,093454 2 5 10 15 25 ЗО 1 1Изобретение 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 изгибных 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 Г 1 3К недостаткам данных способа и устройства относится низкое качество сварки, что объясняется возможностью использования в них только одной моды (вида) ультразвуковых колебанийИзвестный 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 123К 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 на первой и третьей фазах, в связи с тем, что амплитуда колебаний инструмента значительно меньше, чем при изгибных и продольныхколебаниях. Кроме того, устройство для осуществления способа сложно изготовить, так как необходимо точно выполнить условие противофазности возбуждения волновода-излучателя, ,т.е. требуется постоянная длина возбуждаемой волны, которая однако может изменяться в процессе сварки. На данном устройстве невозможно получить другие виды колебаний в эави" симости от фазы ультразвуковой сварки, что ведет к понижению производительности и качества сварки,Наиболее близким к изобретению являются способ ультразвуковой сварки, включающий воздействие ультразвуковых колебаний и статического давления через сварочный инструмент на соединяемые детали, и устройство, реализующее способ, которое содержит генератор, логический блок управления,резонансную систему преобразователейи волноводов со сварочным инструмен-.,том и датчиком механических колебаний С 33,Недостатком известных способа иреализующего его устройства является то, что продольные колебания взначительной мере уменьшают контакт"ное трение между свариваемыми деталяФ ми, процесс удаления окисных пленоки адсорбированных частиц происходитмедленнее, а на второй фазе эа счет4наличия изгибных колебаний происхо-,дит разрыв "первичных мостиков схватывания" из-эа большого перемещенияконца инструмента, что снижает вцелом 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 последователь О ными иэгибными колебаниями, колебаниями бегущей круговой волны и продольными колебаниями, при этом пере-ход от изгибных колебаний на колебания бегущей круговой волны осуществ 45 ляют при достижении минимума второйпроизводной нагрузочкой характеристики механических колебаний сварного инструмента, а переход на продольные колебания - при достижении максимума второй произвщной укаэанной нагрузочной характеристики.Кроме того, в устройство для осуществления способа, содержащее генератор, логический блок управления., резонансную систему преобразователей 55 и волноводов со сварочным инструментом и датчиком механических колебаний,между датчиком механических колебаний и логическим блоком управления1093 40 45 50 55 3дополнительно включены последовательно соединенные усилитель-выпря"митель, два дифференциатора и формирователь импульсов, а резонанснаясистема преобразователей состоит изнеоднородного стержня с расположенным аксиально на нем в узле продольных колебаний правильным многогранником с четным числом сторон, распо.ложенных на его гранях излучателей 10бегущей круговой волны, и расположенного в центре многогранника волновода продольных колебаний с закрепленными в узле колебаний пьезоизлучателями продольных колебаний,На фиг.1 показана схема устройства, реализующего способ; на фиг.2 -график, поясняющий взаимосвязь иобоснование размеров волноводов;на фиг.З - график смещения и изменения второй производной механическихколебаний инструмента.Устройство содержит задающий генератор 1, Формирователи 2 фазы, входной коммутатор 3, усилители 4 мощности, выходной коммутатор 5, схему 6извлечения второй производной, логическую схему 7 и согласующую схему 8 .Узлы 1-8 образуют устройство возбуждения. Многофункциональная волноводно-излучающая ультразвуковая системасостоит из волновода 9 продольныхколебаний, излучателей 10 продольныхколебаний, датчика 11 механическихколебаний, излучателей для созданияизгибных колебаний и для созданиябегущих пучностей и узлов 12-17, атакже сварочного инструмента 18.Волноводная система является резонансной для трех видов колебанийпродольных, изгибных и бегущих пучностей и узлов (кваэикрутильных).Размеры (длина) волновода 9 связаныиз условия получения максимума амплитуды продольных колебаний на сварочном инструменте и равны волновойдлине Лб( Лв-длина продольной волны). Излучатели 12-17 расположенына утолщенной части волновода 9, те,на гранях правильного многогранника(фиг.2) следующие: высота равна чет/верти продольной волны; расстояние 11между противоположными гранями в осевом направлении равно нечетному числу (например, трем на фиг.2) полуволн Л иэгибной волны, а расстояние Й примерно равно длине полуволны,ЛО, Многогранник расположен навысоте 1/4 Лр 1 от сварочного инструмен-. 454 4 та 18, обеспечивая этим минимальнуюакустическую нагрузку излучателей 10и 12-17 друг на друга и увеличивая эффективность работы устройства вцелом. 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 фазмежду напряжениями, подаваемыми на излучатели, все формирователи 2синхронно запитываются от генератора 1. Для управления режимом работы(т.е. получения колебаний торцаинструмента определенной Формы) схемой питания колебательной системыслужат коммутаторы (блоки управления) 3 и 5, а также устройства 6извлечения второй производной и логическое устройство 7. В устройствах 6и 7 происходит определение максимумаи минимума второй производной, аустройство 7 своим напряжением запускает блоки 3,5 управления. Данноеустройство 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, пос-. тупает 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 второй производной нагрузочкой характеристики,колебательной системы 1,фиг.31 с выхода логической схемы 7 подаетсянапряжение 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 вмногограннике по его периметру чередующиеся пучности и узлы. Эти же ко,0934лебания распространяются и по периметру сварочного инструмента. Пере ход на эти колебания с изгибных соответствует моменту изгиба нагрузочной характеристики (фиг.З, точка А) 5 на восходящей ветви. При продолжении сварки в фазе максимального образования мостиков схватывания и роста очагов схватывания в обширные области амплитуда механических колебаний 10 уменьшается (фиг.З) При достижении максимальной зоны схватывания и образования соединения амплитуда механических колебаний уменьшается до минимума (фиг.З, точка .Б), Нри дости жении максимума второй производной (фиг.З) происходит срабатывание логической схемы 7 и ее выходным напряжением через коммутаторы 3 и 5 подклю- чаются к усилителю 4 мощности излу чатели 10 продольных колебаний. Продольные колебания способствуют упрочнению (наклепу) соединений свариваемых деталей. При этом разрывов образовавшихся соединений нет, так как 25 отсутствуют тангенциальные составляющие усилия на связываемые детали.П р и м е р. Резонансная частота для продольных колебаний 44 кГц, а для изгибных и колебаний, которые 30 создают по периметру торца инструмента чередование пучностей и узлов, приблизительно 66 кГц, Волновод изготавливается из стали У 10 с последующей закалкой до 50 единиц, скорость распространения ультразвуковых волн 54 6составляет 5,1 х 10 м/с (измеренная) . Для излучателя 1 О используется пьезо" керамика ЦТС, диаметром 35,7 мм, толщиной 3 мм, а ЦТСтолшиной 2 ммдля излучателей 12-17. Расчетные размеры многогранника (й 35,7 мм, Ьо 29 мм и расстояние между гранями Хб 2 95 мм) близки к экспериментальным, Напряжение, подаваемое для возбуждения преобразователей 10, 12-17 составляет 120-160 В. Устройство используется дпя микросварки гибридных интегральных схем, а также опробовано для сварки иаолированного провода к медным пистонам. При сварке алюминиевой проволоки прочность соединений возрастает иа 16"223, коэф 4 яциент вариации составляет 2-33 и не зависит от состояния свариваеиых поверхностей, При,сварке изолированного провода ПНЭТ - имид ТУ 1 Ь.489- 73 диаметром 0,18 мм с медным пистоном прочность соединений возрастает на 30-40 Е, а производительность на 70-80 Ж 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.093454 дакт каз 334 7/10 Тираж 1037 Подписное НИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5