Здоровый ультразвук — в каждый цех.
Система тестирования и калибровки ультразвуковых трактов F&K Physiktechnik

№ 1’2016
PDF версия
Самым заветным желанием всех, кто имел отношение к ультразвуковой сварке, было управлять этим процессом и знать, как и что именно происходит в каждую его миллисекунду. После продолжительных бесед с технологами и операторами установок становится понятно, что до сих пор для многих процесс формирования микросварных соединений остается загадочным, влияние различных факторов на качество — неочевидным, а пути решения конкретных проблем на производстве — неясными.

По мере того как современные установки сварки теснят на производстве старые, унаследованные со времен СССР агрегаты, возникают следующие проблемы: каким техническим языком перевести технологические наработки, режимы и параметры со старых машин на новые? Как убедиться в том, что две, три, четыре имеющиеся разнотипные сварочные установки делают одно и то же? Но кроме этого, есть и ряд практических вопросов: почему один оператор варит хорошо, а другой выдает брак и постоянно меняет параметры? Почему «вчера варило, а сегодня не варит»? К сожалению, звоном пинцета об инструмент многое не объяснишь. Но на смену неопределенности приходит элегантное по своей философии и компактное по исполнению решение для тестирования ультразвукового контура, сверки и взаимной калибровки разнородных установок сварки, входного и периодического контроля качества необходимых рабочих инструментов (клиньев, капилляров) от F&K Physiktechnik (рис. 1).

Команда F&K Physiktechnik (г. Потсдам)

Рис. 1. Команда F&K Physiktechnik (г. Потсдам)

В статье рассмотрено практическое применение комплекта приборов, который в основном отвечает на актуальные вопросы, поставленные технологами и операторами, и помогает всем пользователям установок ультразвуковой сварки понять причины и преодолеть возникающие трудности. И здесь хотелось бы вспомнить о некоторых базовых понятиях. Для искушенных специалистов это азбучные истины, однако для начинающих операторов следующие несколько фраз станут полезным стартом к пониманию собственных задач. Итак, давайте вернемся к тому, как все происходит.

У любой установки ультразвуковой сварки — от старой ручной до новой и полностью автоматической — принцип работы одинаков: генератор формирует электрический синусоидальный сигнал, который подается на пьезоэлектрический элемент, являющийся частью преобразователя (англ. — transducer). Электрический сигнал с генератора заставляет пьезоэлемент (небольшая цилиндрическая «таблетка» из специфической многослойной керамики) расширяться и сокращаться с той же частотой, с какой меняется сигнал генератора. Поскольку «рог» (англ. — horn) преобразователя механически прочно связан с таблеткой пьезоэлемента, эта «дрожь» естественно переходит в механические колебания самого «рога», в котором под углом 90° к его оси закреплен рабочий инструмент (рис. 2). То есть колебания происходят строго по оси преобразователя: вперед-назад. В рабочий инструмент, керамический или металлический, пропущена тонкая нить проволоки, чей конец инструмент прижимает к месту сварки. И поскольку вся система начинает «дрожать» вслед за пьезоэлементом, рабочий конец инструмента также начинает, скользя по проволоке с приложением давления, притирать ее к месту сварки до тех пор, пока за счет трения проволока не станет пластичной и не произойдет диффузии ее материала в поверхность места контакта. Причем управляемый и воспроизводимый результат сварки возможен только в том случае, если вся система «поет в унисон» — другими словами, частота колебаний кончика инструмента соответствует его внутренней резонансной частоте, а фаза сигнала генератора совпадает с фазой тока через него. На рис. 3 представлена картина оптимальной настройки ультразвукового тракта: ясный пик резонансной частоты и фаза, совпадающая с ней.

Внешний вид преобразователя и инструмента ультразвуковой сварки (на примере F&S Bondtec 5610 шарик-клин)

Рис. 2. Внешний вид преобразователя и инструмента ультразвуковой сварки (на примере F&S Bondtec 5610 шарик-клин):
1 — пьезоэлемент;
2 — крепление преобразователя;
3 — «рог»;
4 — крепление рабочего инструмента (седло и фиксирующий винт);
5 — рабочий инструмент

Кривые силы и фазы тока преобразователя. Оптимальная настройка контура:  фаза имеет ноль на резонансной частоте, кривая фазы в резонансной области ровная

Рис. 3. Кривые силы и фазы тока преобразователя. Оптимальная настройка контура:
фаза имеет ноль на резонансной частоте, кривая фазы в резонансной области ровная

К чему был этот экскурс? Давайте-ка проанализируем, где в этой цепочке могут таиться проблемы.

  1. Генератор. Каковы его реальные возможности по адаптации своей частоты к неизбежным небольшим различиям «характеров» рабочих инструментов? Постоянна ли его мощность в диапазоне автоподстройки, устойчива ли амплитуда сигнала? Не захватит ли система автоподстройки паразитную гармонику вместо основного резонанса? Не изменились ли характеристики генератора со временем? Все ли в порядке с кабелями, передающими сигнал на преобразователь?
  2. Преобразователь. Сколько ему лет? (Со временем, да и просто как следствие миллиардов колебаний материал пьезоэлемента стареет.) Каково значение тока, напряжения и импеданса, совпадают ли сигналы тока и напряжения на резонансной частоте? И не работает ли система на паразитном сигнале вместо основного? Каково состояние седла «рога», насколько стабильно можно закрепить в нем инструмент? (Были случаи, когда заказчики промывали керамические капилляры в «царской водке», остатки которой уничтожали место крепления химической коррозией.)
  3. Инструмент. Наиболее слабое звено цепи. Какова его реальная резонансная частота? (Вследствие трещин и особенностей металлургической структуры любой новенький инструмент может уже на входе быть дефектным.) Умеет ли оператор правильно его вставлять? А если он повторит процедуру закрепления инструмента несколько раз, будет ли заметна разница в качестве сварки? Каков реальный износ инструмента?
  4. И наконец, вся система в целом: нет ли разницы в ее функционировании с течением времени? Не пострадала ли система во время перевозки, в период простоя или механического повреждения (популярная причина — удар инструмента о поверхность стола)? Как «сверить» качество работы разных установок и «откалибровать» их друг под друга? Как показать строгим проверяющим, собственному метрологическому отделу, руководству и партнерам, что установки работают так, как им положено, параметры систем в норме, а процесс управляем? Как предъявлять претензии производителю рабочих инструментов (из 10 штук порой один-два бывают дефектными)?

Иными словами, любой элемент ультразвукового тракта содержит несколько потенциальных проблем, а незнание реального состояния своей установки лишь умножает эти риски. Кроме того, все больше проектов в области корпусирования приборов предусматривают ультразвуковой монтаж кристаллов (с распространением флип-чип-технологий и ростом заказов на приборы с эвтектическим монтажом кристаллов), и все вышеупомянутые проблемы так или иначе мигрируют и на эту область технологического процесса.

Ни начинающие операторы, ни умудренные опытом специалисты-наладчики не застрахованы от проблем с оборудованием. В большинстве случаев они вынуждены тратить часы и недели, чтобы определить суть проблем и выстроить собственную систему координат и критериев, признаков и намеков. Я видел результаты сотен человеко-часов таких исследований, которые можно смело отправлять в урну при следующей смене инструмента неопытным оператором. Но, как говорится в рекламе, теперь все изменилось.

Комплект, предлагаемый F&K Physiktechnik, состоит из двух небольших приборов и программного обеспечения (рис. 4). Первый прибор — система оптического измерения колебаний инструмента ODS‑21, новое поколение устройства, ставшего за прошедшее десятилетие золотым стандартом в компаниях, производящих электронику автомобильного назначения, изделия силовой и микропроцессорной техники, оптоэлектроники и МЭМС. С помощью ODS‑21 заказчик может измерить реальный характер колебаний кончика рабочего инструмента и откалибровать выходной сигнал генератора так, чтобы система действовала надлежащим образом, а частоты, амплитуды и фазы всех ее сигналов находились в очевидной гармонии между собой. К тому же приятным добавлением к основной функции является наличие прецизионной нагрузочной платформы для измерения силы прижима инструмента. Согласитесь, неплохо быть уверенным в том, что 30 г, предусмотренные в меню рабочей программы сварочной установки, не превращаются на поверхности вашего кристалла ни в 5, ни в 50 г.

Комплект приборов для диагностики и настройки ультразвуковой системы установки сварки

Рис. 4. Комплект приборов для диагностики и настройки ультразвуковой системы установки сварки:
а) ODS-21;
б) TTS-30

Второй прибор — более фундаментальный TTS‑30 — система характеризации ультразвуковых преобразователей, он позволяет наблюдать за реальным функционированием всего ультразвукового тракта в ходе работы установки сварки, «подцепившись» к электрической цепи преобразователя. Очень важно отметить, что оба прибора F&K Physiktechnik могут взаимодействовать с любой установкой сварки. Фирма K&S включила их в обязательный набор, предназначенный для наладчиков своих установок, что обеспечило ему огромную популярность и рыночный успех. Delvotec, TPT, Orthodyne, K&S, УЗС-М, УСИМ.М‑3 (почему бы и нет?)… Отсутствуют ограничения и по году выпуска: физика остается неизменной. Вы всегда будете знать, что происходит, и сможете документировать, хранить, интерпретировать и передавать коллегам эти знания не на уровне эмоций, а базируясь на точных данных.

Основные параметры, которые могут быть исследованы комплектом, представлены в таблице.

Таблица. Комплект ODS/TTS: измеряемые параметры и новые возможности

Измеряемые и вычисляемые величины

  • Ток в преобразователе.
  • Напряжение в преобразователе.
  • Угол фаз между синусоидой тока преобразователя и напряжением.
  • Вычисление производных величин (импеданс преобразователя, потребляемая мощность на резонансной частоте).
  • Амплитуда вибрации кончика рабочего инструмента (от максимума до минимума смещения).
  • Частота механических колебаний инструмента.
  • Сила прижима инструмента к поверхности.

Возможности

  • Определение частотного отклика (ток, фаза, импеданс) ультразвукового тракта на измеренных у преобразователя величинах.
  • Определение резонансной частоты и ее дрейфа при изменении мощности, оценка стабильности системы.
  • Определение собственного резонанса инструментов (капилляры, клинья, пирамидки для монтажа кристаллов) и оптимизация условий их работы (положение в зажиме и сила затяжки).
  • Определение качества преобразователя, оптимизация его положения в зажиме, силы затяжки.
  • Регулировка генератора для получения максимальной мощности и оптимальной частоты.
  • Превентивное обслуживание и замена выходящих из строя элементов ультразвукового тракта.

Мощность TTS‑30 (до 30 Вт при 32 Ом) позволяет использовать комплект на сварочных установках с любым типом проволоки — от тончайшей золотой до алюминиевой ленты и монтажа кристаллов с притиркой. Измеряемый диапазон резонансных частот (от 20 до 250 кГц с точностью 1 Гц) также гарантирует широкое применение и точный результат.

Выше упоминалось, что на рынке данный комплект приборов, по сути, является безальтернативным вариантом, предназначенным для выполнения определенного круга технических вопросов. Столь привлекательное предложение появилось благодаря огромному опыту F&K Physiktechnik в решении нестандартных задач, которые ставили пользователи установок сварки на протяжении длительного времени (помимо комплекта ODS/TTS, фирма давно и успешно выпускает УЗ-преобразователи и генераторы для всей группы компаний F&K Delvotec/Bondtec). И тем, кто по какой-либо причине захочет реализовать те же методы измерений, но другими аппаратными и программными средствами, придется инвестировать в них в несколько раз больше времени и средств.

Весьма часто бывает, что после покупки широко разрекламированное и интересное по свойствам оборудование становится памятником человеческому гению и включается в сеть только для дорогих гостей. В случае с ODS/TTS этого не произойдет, поскольку отделы входного контроля качества, технологи, конструкторы и операторы будут буквально вырывать приборы друг у друга из рук. Не говоря уже о приемке заказчика и студентах-практикантах. Почему так будет? Потому что с комплектом ODS/TTS становится возможным следующее:

  1. Входной контроль качества рабочих инструментов сварки, сравнение свойств инструментов, изготовленных разными производителями и из различных материалов, рассчитанных на разную резонансную частоту или имеющих разную длину.
  2. Входной контроль качества купленных взамен вышедших из строя преобразователей и тестирование состояния имеющихся (рис. 5).
  3. Проверка и сохранение в архиве характеристик режимов работы ультразвукового тракта при техническом обслуживании установок сварки, использование протоколов тестирования при пусконаладке и приемке установок сварки как критерия качества их работы.
  4. Приведение всех имеющихся установок сварки к единому технологическому окну параметров так, чтобы рабочие программы одной установки можно было применить в другой, а операторы и технологи имели бы универсальные инструкции по режимам работы (рис. 6).
  5. Экстренные проверки состояния ультразвукового тракта, его регулировка по всей цепи от генератора до зажима инструмента в случае ошибок оператора и аварийных ситуаций (рис. 7).
  6. Обучение и аттестация операторов и наладчиков: простая ошибка в креплении инструмента или преобразователя приводит к катастрофическим проблемам с качеством продукции, и навыки оператора должны быть отточены до автоматизма (рис. 8–10).

Появление паразитных резонансов (посторонние пики тока преобразователя вверху) и дрейф (внизу) тока преобразователя при нагрузке — признак скорого отказа. Нормальным считается дрейф не более 0,5% от значения резонансной частоты

Рис. 5. Появление паразитных резонансов (посторонние пики тока преобразователя вверху) и дрейф (внизу) тока преобразователя при нагрузке — признак скорого отказа. Нормальным считается дрейф не более 0,5% от значения резонансной частоты

Параметры ультразвуковой системы двух установок сварки до (а) и после (б) взаимной калибровки с помощью ODS 21: величина амплитуды колебаний инструмента в зависимости от силы тока преобразователя приведена к единому значению

Рис. 6. Параметры ультразвуковой системы двух установок сварки до (а) и после (б) взаимной калибровки с помощью ODS 21: величина амплитуды колебаний инструмента в зависимости от силы тока преобразователя приведена к единому значению

Вид кривых тока и фазы после механического повреждения преобразователя

Рис. 7. Вид кривых тока и фазы после механического повреждения преобразователя

Неправильная установка рабочего инструмента. Сдвиг резонансной частоты, уменьшение мощности и рассогласование фаз сигналов

Рис. 8. Неправильная установка рабочего инструмента. Сдвиг резонансной частоты, уменьшение мощности и рассогласование фаз сигналов

Работа ультразвуковой системы при дефекте пьезоэлемента преобразователя. Сдвиг резонансной частоты, уменьшение мощности и рассогласование фаз сигналов

Рис. 9. Работа ультразвуковой системы при дефекте пьезоэлемента преобразователя. Сдвиг резонансной частоты, уменьшение мощности и рассогласование фаз сигналов

Повреждение преобразователя: синяя кривая — ток в преобразователе до повреждения, зеленая кривая — после повреждения

Рис. 10. Повреждение преобразователя: синяя кривая — ток в преобразователе до повреждения, зеленая кривая — после повреждения

Поскольку все результаты измерений наглядно представлены на мониторе компьютера в виде графиков и диаграмм, оператор и наладчик могут ясно увидеть, как их действия влияют на работу оборудования и результаты сварки. В ходе обучения становится возможным наглядно иллюстрировать важность соблюдения процедур и инструкций, что переводит аккуратность в этом вопросе из непонятного ритуала в практическую необходимость. На рис. 8 показан пример снижения качества ультразвукового тракта в силу небрежности или неопытности оператора.

 

Выводы

С комплектом ODS/TTS быстро оптимизируются, верифицируются, а также лучше контролируются в ходе производства параметры сварки, сокращается период простоев оборудования для превентивного обслуживания и ремонта, уменьшается время самого ремонта, поскольку гадать о возможном дефекте той или иной части тракта методом проб и ошибок больше не нужно. В результате сокращается себестоимость и повышается качество продукции. Операторы, прошедшие курс обучения по применению комплекта, достигают лучших результатов и относятся к своей работе более ответственно, поскольку их ошибки можно теперь легко увидеть и показать. Уменьшается время отладки параметров при смене инструмента. Отдел качества предприятия теперь сможет хранить и обрабатывать данные о работе установок, устанавливать собственные критерии качества и создавать процедуры контроля, ведь весь их массив может быть экспортирован в доступный формат электронных таблиц Excel. И наконец, полная прослеживаемость и измеряемость этих важных параметров будет позитивно принята заказчиком, так как отпадет необходимость изобретения неявных и косвенных методов проверки условий проведения процессов.

Проверка функционирования ODS/TTS проводится с помощью обычного осциллографа (рис. 11).

Выходной сигнал с выхода ODS 21 на экране осциллографа: совпадение измеренной осциллографом и ODS 21 частоты — правильная работа прибора

Рис. 11. Выходной сигнал с выхода ODS 21 на экране осциллографа: совпадение измеренной осциллографом и ODS 21 частоты — правильная работа прибора

В заключение хотелось бы указать еще на одну возможность для заказчиков в России. Совершенно необязательно приобретать комплект ODS/TTS, тем более если ваше производство или лаборатория не работают в две-три смены. Начиная с I квартала 2016 года «Ай Ви Тек Электроникс», официальный представитель и сервисный центр F&K Delvotec, проводит запись на повышение квалификации ваших операторов и проверку функционирования установок УЗ-сварки. Теперь, наряду с остальными работами, проверка систем с помощью ODS/TTS является стандартной процедурой, частью программы технического обслуживания отечественных заказчиков. Процедура проводится инженерами «Ай Ви Тек Электроникс», гражданами России, и занимает один рабочий день. Будем рады решить ваши проблемы и обрести уверенность в том, что установки сварки у вас на производстве работают в штатном режиме. «Здоровый» ультразвук — залог качества ваших изделий!

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *