Технологии в электронной промышленности №8'2013

Применение ультразвуковой сварки в электронике и электротехнике

Сафонов Владимир


Принцип ультразвуковой сварки был случайно открыт еще в середине прошлого столетия. При подготовке поверхности алюминия с помощью ультразвуковых колебаний для контактной сварки было замечено образование прочного соединения алюминиевых пластин без пропускания через них сварочного тока — так и было положено начало УЗ-сварке металлов.

Немного теории. Как правило, оборудование для ультразвуковой сварки независимо от свариваемых материалов состоит из комплекта высокочастотного генератора, блока управления, механической колебательной системы и привода давления. Ультразвуковой генератор преобразует ток электрической сети в ток высокой частоты, который, при получении сигнала с блока управления, поступает на пьезоэлементы колебательной системы. Преобразование колебаний электрического тока высокой частоты в механические и введение их в зону сварки обеспечивается механической колебательной системой, которая состоит из конвертера (преобразователь), бустера (усилитель) и волновода (сонотрод). Эта система является важнейшим узлом оборудования для ультразвуковой сварки.

Для доступности сравним колебательную систему с автомобилем, где конвертер выступает в роли мотора, преобразовывая ток высокой частоты в механические колебания с соответствующей частотой. Далее бустер, как коробка передач, изменяет амплитуду колебаний в зависимости от передаточного числа и передает их на волновод, который в свою очередь при необходимости увеличивает амплитуду колебаний и непосредственно передает механические колебания высокой частоты в зону сварки, приводя в движение верхнюю свариваемую деталь.

В основу работы пьезокерамического конвертера положен пьезоэлектрический эффект. При воздействии на пьезоэлемент переменного давления появляется переменное электрическое напряжение, а под воздействием переменного электрического поля возникают механические напряжения, которые вызывают упругие деформации материала, вследствие чего пьезоэлемент начинает сжиматься и увеличиваться на определенную величину с частотой, равной частоте тока.

Величина изменения размера пьезоэлемента соответствует амплитуде механических колебаний, которая зависит от мощности и конфигурации конвертера. Так, при частоте 20 кГц амплитуда пьезо-керамического конвектора обычно не превышает 10 мкм, а за счет увеличения амплитуды бустером и волноводом можно получить максимальную амплитуду в зоне сварки до 70 мкм. Для ультразвуковой сварки, как правило, используется частота от 20 кГц и выше. Применение той или иной частоты зависит от материала и габаритов свариваемого изделия.

В процессе ультразвуковой сварки металлов колебательные движения волновода совместно с усилием прижатия передаются на верхнюю свариваемую деталь, которая подвижна относительно нижней детали, закрепленной на наковальне. В результате между свариваемыми деталями возникает трение с определенной частотой и амплитудой, поэтому ультразвуковую сварку можно классифицировать как механическую сварку трением с высокой частотой без ввода сварочного тока в зону сварки.

В процессе сварки микросмещения деталей относительно друг друга вызывают стирание шероховатостей, разрушение оксидных пленок и возникновение узлов схватывания. При повышении температуры в зоне сварки за счет трения и дальнейшей деформации свариваемых деталей также наблюдается повышение пластичности поверхностных слоев металла, вытеснение оксидных пленок и загрязнений из зоны сварки. Все это приводит к интенсивному разрастанию зон схватывания, диффузии одного материала в другой, локальному плавлению верхних атомарных слоев и появлению межатомных связей. Все эти структурные изменения можно наблюдать на фотографии микрошлифа сваренных между собой медных проводов, покрытых серебром.

Ультразвуковая сварка металлов обладает уникальными технологическими свойствами. Это и возможность сварки без предварительной подготовки поверхности свариваемых деталей, и незначительное оказываемое температурное воздействие на них. К преимуществам ультразвуковой сварки также относится соединение термочувствительных элементов. Допустима сварка деталей разной толщины, а также разнородных металлов (медь-алюминий, алюминий-никель и др.). При соединении с помощью ультразвуковой сварки достигаются отличные электрические свойства и незначительное переходное сопротивление, а прочность соединений достигает 70% основного материала. Важно отметить высокую скорость, экологическую чистоту и экономичность процесса.

Инновационная технология ультразвуковой сварки металлов благодаря своим преимуществам находит все более широкое применение в различных отраслях промышленности.

В автомобилестроении ультразвуковая сварка используется при соединении медных многожильных проводов жгутов электропроводки (рис. 1). Эту технологию успешно применяют в России такие производители автокомпонентов, как Leoni Group, Prettl, Завод радиоаппаратуры, ИВК, «АвтоВАЗ» и другие. Также ультразвуковую сварку используют при производстве патронов для подушек безопасности и электромоторов.

Элемент электропроводки после УЗ-сварки

Рис. 1. Элемент электропроводки после УЗ-сварки

Широкое применение ультразвуковая сварка получила также в электронной и электротехнической промышленности, так как с ее помощью можно соединять как небольшие изделия, так и с большим сечением (до 200 мм2). Такие системы оснащаются генераторами мощностью 10 кВт и способны оказывать усилие в 8000 Н. Например, на Свердловском заводе трансформаторов тока приваривают многожильные провода к контакту, а на Протвинском опытном заводе «Прогресс» — многожильные медные провода к шинам электрических шкафов.

Преимущества ультразвуковой сварки может подтвердить и наглядный пример: в компании Bosch при изготовлении электродвигателей соединяют провода с контактами без снятия эмали с проводов. Компания «Элеконд» применяет ультразвук при сварке алюминиевой фольги и контактов.

Растущая потребность в солнечных батареях и системах нагрева воды повлекла за собой использование ультразвуковой шовной сварки металлов в процессе создания таких систем; подобная технология применима также при изготовлении алюминиевой фольги. При производстве литий-ионных аккумуляторов компания VARTA (рис. 2) сваривает между собой алюминиевую, медную и никелевую фольгу. Специалисты ВНИИА им Н. Л. Духова, используя технологию ультразвуковой сварки, соединяют алюминиевую фольгу толщиной всего 5 мкм. На заводе им. Фрунзе при изготовлении предохранителей сваривают медные и биметаллические пластины.

Элемент литий-ионной батареи, изготовленный с помощью УЗ-сварки

Рис. 2. Элемент литий-ионной батареи, изготовленный с помощью УЗ-сварки

Уникальная технология ультразвуковой сварки способна решать и весьма сложные задачи, примером которых может служить соединение медных проводников с контактами в керамической подложке (рис. 3).

Соединение, выполненное УЗ-сваркой на керамической подложке

Рис. 3. Соединение, выполненное УЗ-сваркой на керамической подложке

Системы TelsoSplice фирмы Telsonic AG способны сваривать многожильные медные провода суммарным сечением до 45 мм2. Прецизионные сварочные системы Telsonic AG могут работать как автономно, так и в составе автоматизированных линий.

Ультразвуковая сварка металлов благодаря новым достижениям в разработке сварочных систем приобретает с каждым годом все более широкое применение и позволяет решить разнообразные задачи в электронной, электротехнической и автомобильной промышленности.

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо