Особенности и применение ультразвуковой пайки

Особенности и применение ультразвуковой пайки

  1. Описание
  2. Преимущества и недостатки
  3. Используемые аппараты
  4. Области применения

Ультразвуковая пайка представляет собой технологию бесфлюсовой пайки, не требующей каких-либо химических компонентов. В основе взаимодействия лежит энергия ультразвука, она позволяет спаивать такие материалы, как керамика, стекло, металлы и композиционные элементы, с трудом поддающиеся пайке стандартными способами.

Обо всех особенностях этой технологии мы расскажем в нашем обзоре.

Ультразвуковая пайка

  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5

Ультразвуковая пайка – это технология бесфлюсовой пайки, не требующая никаких химических веществ и использующая энергию ультразвука для спаивания таких материалов, как стекло, керамика, композиционные материалы, а также металлы, с трудом поддающиеся или совсем не поддающиеся пайке с помощью традиционных средств.

Данная технология находит всё большее применение при спаивании между собой металлических и керамических деталей, входящих в конструкцию фотоэлементов солнечных батарей, а также деталей из медицинских сплавов с памятью формы, используемых в специализированных электронных модулях и блоках датчиков.

Ультразвуковая пайка упоминается с 1955 года как метод пайки алюминия и других металлов без использования флюса.

Эта технология существенно отличается от ультразвуковой сварки. В последней энергия ультразвука используется для соединения деталей без добавления каких бы то ни было наполнителей, в то время как в традиционной (и ультразвуковой) пайке для формирования соединения применяется внешний нагрев с целью расплавления металлических наполнителей, то есть припоев. При этом ультразвуковая пайка может выполняться с помощью либо специального паяльника, либо специальной паяльной ванны.

Этот процесс может осуществляться либо автоматически при серийном производстве либо вручную при изготовлении прототипов или проведении ремонтных работ.

Изначально ультразвуковая пайка была предназначена для соединения алюминия и других металлов, однако в наши дни с появлением активных припоев можно спаивать более широкий спектр металлов, керамики и стекла.

В данной технологии применяются либо ультразвуковые паяльники с наконечником диаметром 0,5-10 мм, либо ультразвуковые паяльные ванны. В этих устройствах используются пьезоэлектрические кристаллы для генерирования звуковых волн высокой частоты (20-60 кГц) в слоях расплавленного припоя или в ванне с расплавленным припоем с целью механического разрушения оксидных плёнок, образующихся на поверхностях расплава. При этом наконечники ультразвуковых паяльников одновременно соединены с нагревательным элементом, в то время как пьезоэлектрический кристалл термически изолирован во избежание его разрушения.

Наконечники ультразвуковых паяльников способны нагреваться до 450 °C при механических колебаниях с частотой 20-60 кГц. Такой наконечник способен расплавлять металлические наполнители припоя при возбуждении звуковых колебаний в расплаве припоя. При этом вибрация и кавитация (порообразование) в полученном расплаве позволяют припоям смачивать поверхности многих металлов и сцепляться с ними.

Энергия звуковых волн, вырабатываемая наконечником ультразвукового паяльника или ультразвуковой паяльной ванной, вызывает в расплавленном припое кавитацию, которая механически разрушает оксидные плёнки, расположенные поверх слоёв самого припоя и на соединяемых металлических поверхностях.

Кавитация в ванне расплавленного припоя способна очень эффективно разрушать оксидные плёнки на поверхностях многих металлов, однако она неэффективна при пайке к керамике и стеклу, поскольку последние сами являются оксидами, а также к другим неметаллическим композиционным материалам, которые не могут быть разрушены, так как представляют собой вещество основы. В случае припаивания непосредственно к стеклу и керамике, металлические наполнители для ультразвуковой пайки должны быть легированы активными элементами, такими как индий (In), титан (Ti), гафний (Hf), цирконий (Zr), и редкоземельными элементами (церий/Ce, лантан/La и лютеций/Lu). Припои, легированные этими химическими элементами, называются «активными припоями», поскольку они напрямую воздействуют на стеклянные или керамические поверхности для создания сцепления с ними.

Технология ультразвуковой пайки находит всё большее применение, благодаря её чистоте, отсутствию флюса и сочетаемости с активными припоями, и предназначена для соединения деталей, не допускающих использования агрессивного флюса или состоящих из разнородных материалов (металлов, керамики или стекла).

Для эффективной адгезии к поверхностям должна быть разрушена собственная оксидная плёнка на активном припое, образующаяся при его плавлении, и ультразвуковая вибрация хорошо подходит для этой цели.

При необходимости выполнить короткое или узкое паяное соединение может быть очень эффективна ультразвуковая пайка с использованием паяльных наконечников диаметром 1-10 мм, так как объём расплавленного металла невелик и может быть эффективно приведён в колебание с их помощью. При большей площади паяного соединения применяются широкие нагреваемые ультразвуковые наконечники для распространения активных припоев по большей поверхности алюминия (а также других металлов, керамики и стекла) и её лучшего увлажнения этими припоями.

Для чего нужна ультразвуковая сварка?

Несмотря на то, что до пандемии коронавируса об этом мало кто задумывался, но технология ультразвуковой сварки довольно давно применяется для изготовления гигиенических и медицинских изделий из полипропилена – материала на основе нетканых материалов. Так, немецкая компания Weber Ultrasonics защитные маски еще не производит, а вот их ультразвуковые сварочные системы имеют решающее значение для производителей масок. Преимущественно, что так было и до вспышки CoVID-19, однако с начала пандемии компания столкнулась с растущим спросом на компоненты для ультразвуковой сварки. Об этом сообщает Кристиан Унсер, главный коммерческий директор компании Weber Ultrasonics:

Во всем мире экономическая ситуация сегодня критическая, но у таких компаний, как наша, дела идут хорошо. Мы уже работаем с производителями масок и многие из них обращаются к нам, чтобы приобрести ультразвуковые компоненты, такие как генераторы, ускорители и преобразователи и др.

Так что же представляет собой этот ультразвуковой процесс? При всей кажущейся сложности, ультразвуковая сварка на самом деле простой процесс. Источником энергии являются ультразвуковые колебания, которые воздействуют на соединяемые детали. В нашем случае ткани – собранные вместе под небольшим давлением. По мимо тканей это могут быть любые другие материалы.

Если не вдаваться в подробности, то через две части материала, которые нужно сварить между собой, пропускается высокочастотные звуковые волны (ультразвук). Они нагревают материал и и за счет своего колебания создают трение между деталями. Таким образом обе части как бы проникают друг в друга и свариваются между собой. А чтобы было еще проще, представьте себе две зефирки, которые вы слегка нагрели на плите и соединили между собой. Тут принцип такой же, только нагревание и трение достигается за счет ультразвуковых волн.

Две детали кладут друг на друга, надавливают и плотно прижимают, затем пропускают через них ультразвук, немного ждут и все готово.

Сварка, ламинирование, резка и тиснение нетканых и рулонных материалов с помощью ультразвука дарит многочисленные преимущества по сравнению с другими способами склейки. Но какие и почему?

Чтобы всегда быть в курсе новостей из мира популярной науки и высоких технологий, подписывайтесь на наш канал в Google News

Ультразвуковая чистка оправы

Это высокотехнологичная процедура, позволяющая очистить оправы и линзы от различного рода загрязнений.

Используется в случае сильного загрязнения очков в области носовых упоров, или просто для профилактики сохранения хорошего состояния очков. Ультразвуковая антисептическая чистка очков позволяет очистить линзы и оправу очков не только от видимых загрязнений, но и от невидимых глазу микробов. Линза и оправа при этом не повреждаются. После ультразвуковой чистки ваши очки будут как новые!

Читайте также  Лайфхаки для ремонта

Audi A4 2013, двигатель бензиновый 1.8 л., 220 л. с., передний привод, вариатор — электроника

Машины в продаже

Audi A4, 2013

Audi A4, 2010

Audi A4, 2008

Audi A4, 2009

Комментарии 15

Занимаюсь автоэлектрикой. Очень нравится такой метод соединения. Видел много раз в штатной проводке, очень бы хотелось также делать своим клиентам вместо скруток. Не знаю где достать данный прибор и можно ли им пользоваться в салоне автомобиля

voobshe eto krupniy stend podklyuchenniy k kompressoru I electrichestwu. s perenosnimi ya ne rabotal.

no bistriy poisk po interneu podskazal vot takoe reshenie — www.ebay.com/p/Portable-U…11252648?iid=222752382845

no nado testirovat. ne garantiuyu resultata

Занимаюсь автоэлектрикой. Очень нравится такой метод соединения. Видел много раз в штатной проводке, очень бы хотелось также делать своим клиентам вместо скруток. Не знаю где достать данный прибор и можно ли им пользоваться в салоне автомобиля

Если автобус, то влезет в салон))

Теперь я знаю как это называется)) Сначала думал это обжатие такое хитрое

хорошо, но мало!
Почему Мерседесы не переходят на сварку, а идут на поводу у Ваза?

Тут нет однозначного ответа, это выбор производителя. Я просто расскажу о скобе в сравнении с УЗС:

1. Скоба дороже, т.к. для исполнения каждого соединения нужны затраты материала.
2. Оборудование опрессовки скобой может работать около 1.000.000 циклов без ремонта. УЗС межремонтный интервал несколько десятков тысяч (до 100.000)
3. Воспроизводимость процесса опрессовки скобой гораздо выше. Брака заметно меньше.
При УЗС процент брака выше, воспроизводимость хуже.

Я не видел хороших и масштабных исследований, что выходит дороже для автопроизводителя — скоба или узс, но общепринятым считается, что ультразвук — дешевле, несмотря на брак и малый межремонтный интервал. Просто за счет доп затрат на материал скобы.

Нужно понимать, что в автомобиль все равно попадут одинаково годные компоненты, будь то УЗС или скоба, так что конечному потребителю разницы никакой нет.

Также исполнение скобы. У Мерседеса и Автоваза, к сожалению, скобы разные и по материалу, и по конструкции, и по нормам обжатия.

Сейчас, в связи с объединением автоваза в рено-ниссан-автоваз, на новых вазах также скоба исчезает и используется ультразвук. Скобы остались, насколько мне известно, только на приорах и калинах. Но я не могу гарантировать, что еще не прошло инженерное изменение на переход к УЗС. В вестах уже УЗС.

Подытоживая: переход к УЗС обусловлен удешевлением закупочной цены компонентов и общим удешевлением автомобилей.
Скоба же это верность традициям.

Технология ультразвуковой сварки металлов

Технологический процесс сварки металлов ультразвуком представляет собой ряд последовательно выполняемых операций, главными из которых можно выделить: подготовка соединяемых деталей, их сборка, прихватка, сварка и правка. В каждом отдельном случае объём работ по каждой из операций может существенно различаться.

Подготовка свариваемых поверхностей

Результаты, полученные на практике, показывают, что влияние оксидных плёнок на сварных кромках почти не влияет на прочность сварного соединения при ультразвуковой сварке. Поэтому, можно получить качественное сварное соединение при УЗС даже без предварительной обработки свариваемых участков.

Но, результаты некоторых отдельных исследований говорят о том, что целесообразнее будет удалять оксидные плёнки с соединяемых поверхностей, т.к. они могут снизить качество сварного соединения, а в ряде случаев и вовсе технологический эффект не может быть достигнут. Для подготовки поверхностей под УЗС хорошо подходит обезжиривающая обработка.

Выбор режимов сварки

Главными показателями режима ультразвуковой сварки являются частота и амплитуда колебаний сварочного наконечника, величина усилия и продолжительность процесса.

Амплитуда является важнейшим параметром, от него зависит эффективность удаления оксидных плёнок, нагрев, а также зоны пластической деформации. Амплитуду назначают исходя из предела текучести и твёрдости свариваемых материалов, толщины свариваемых элементов и от того, очищались ли сварные кромки от оксидных плёнок, или нет. Чем выше твёрдость, предел текучести и толщина свариваемых материалов, тем выше должна быть амплитуда колебаний. В большинстве случаев, она находится в диапазоне 0,5-50мкм.

Величина сварочного усилия определяет эффективность передачи ультразвуковых волн и способствует возникновению пластической деформации в зоне сварки. Чем выше твёрдость, предел текучести и толщина свариваемых элементов, тем выше должно быть сварочное усилие. При этом усилие напрямую связано с величиной амплитуды колебаний и при увеличении амплитуды, усилие необходимо снижать. При соединении элементов приборов и микросхем усилие составляет от десятых долей до нескольких ньютонов, а при сваривании относительно толстых листов усилие может составлять до 10 000Н. Величина усилия в процессе сварки может оставаться постоянной или же изменяться по определённой программе.

Продолжительность процесса зависит от амплитуды колебаний, усилия сварки, толщины свариваемого металла и его физических свойств. Зависимость времени от амплитуды и свойств такая же, как и зависимость усилия сварки.

Видео: технология ультразвуковой сварки

Виды ультразвуковой сварки

Классификация, характеризующая процесс соединения деталей, позволит понять специфику метода.

  • Движение рабочей головки (степень механизации оборудования):

— ручной инструмент – волновод сварочного пистолета по шву направляет сварщик;

— механическая сварка – автомат самостоятельно регулирует движение по заданным параметрам, обеспечивая точность соединения до микрон.

Работая ручным сварочным аппаратом, можно менять направление шва. Автоматы двигают волновод по прямой, но с большой точностью, фиксированной скоростью.

  • Разновидности соединений

Характер движения волновода определяет структуру шва:

— непрерывный создается при постоянном движении головки;

— прерывный или прессовый получается путем периодического отрыва инструмента от детали;

— точечный – импульс направляется в одну точку, образуется небольшая диффузионная зона;

— продольный – при работе вручную смещается сварочная головка, когда используется автомат, соединяемые детали перемещают ролики.

В автоматическом режиме работы задаются фиксированные интервалы. Пистолетом ровные «стежки» или ряд точек выполнить сложнее.

  • Силовое воздействие

Колебания подводятся к соединяемым элементам:

— с одной стороны – односторонний вид сварки, применяется для соединения деталей свыше 2 мм;

— сверху и снизу – двусторонняя, удобна при работе с тонкими элементами.

При подводе импульсов с двух сторон рабочая зона быстро разогревается, поэтому оборудование оснащается системой охлаждения.

  • Направление деформации

По принципу распространения импульсной нагрузки выделяют два вида сварки:

— контактная – тонкие детали толщиной до 2 мм соединяются внахлест;

— передаточная – шов формируется по принципу последовательных точечных соединений, когда ультразвук распространяется во всех направлениях, создавая прочное соединение.

При сварке полистирола, полиамида, поликаорбоната, пластиков с хорошими акустическими характеристиками чаще используют передаточный вид сварки. Мягкие полимеры для упрочнения структуры предварительно промораживают.

Как происходит ультразвуковая сварка пластмасс?

Ультразвуковой генератор вырабатывает электрические колебания ультразвуковой частоты (20 — 50кГц), преобразуемые пьезокерамическим конвертером в механические колебания сварочного инструмента (волновода или сонотрода). Под действием пневмоцилиндра волновод прижимает свариваемые детали друг к другу и передаёт колебания в зону ультразвуковой сварки. В результате свариваемые полимеры деформируются и диффузируют между собой: аморфные материалы переходят в вязкотекучее состояние, а кристаллические нагреваются до температуры плавления кристаллов. Ультразвук отключается, а детали ещё некоторое время выдерживаются под давлением «холодного» волновода для равномерного распределения расплавленного материала в сварочном шве и его застывания. Затем волновод поднимается в исходное положение, а готовое изделие извлекается из опоры. Как правило, детали соединяются «внахлёст». При этом принято различать точечную ультразвуковую сварку, шовную сварку и сварку по периметру изделия.

Читайте также  Детская песочница своими руками

Основными отличительными чертами УЗС пластмасс является:

  • возможность УЗС, в т.ч. автоматизированной, по поверхностям, загрязненным различными продуктами;
  • локальное выделение теплоты в зоне сварки, что исключает перегрев пластмассы, как это имеет место при сварке нагретым инструментом, нагретыми газами и т.д.;
  • возможность получения неразъемного соединения при сварке жестких пластмасс на большом удалении от точки ввода УЗ энергии;
  • возможность выполнения соединений в труднодоступных местах;
  • при УЗС нагрев материала до температуры сварки осуществляется быстро; время нагрева исчисляется долями секунды.

Техническим центром «ВИНДЭК» производятся и поставляются комплекты оборудования для следующих технологических операций:

  • ультразвуковой сварки пластмасс (полистирола, АБС-пластика, полиэтилена, лавсана, капрона и т.п.), применяемых в пищевой, химической, авиационной, автомобильной, и других отраслях промышленности;
  • производства дорожной георешетки;
  • ультразвуковой резки термопластичных материалов-полимеров различных марок, бумаги, пленок, продуктов питания и др.;
  • армирования пластмасс металлами, развальцовки заклепок из полимера, нарезания резьбы в пластмассе, соединение пластмасс с металлами;
  • изготовление изделий из нетканых материалов на основе полипропилена, капрона, лавсана и др.

Преимущества и недостатки

Рассматривая каждый метод варки однородных и неоднородных соединений нельзя пройти мимо положительных и отрицательных качеств. К плюсам использования метода, о котором идёт речь, можно отнести:

  1. возможность выполнять работы без предварительной подготовки.
  2. T режим может быть не большим.
  3. Возможность прочно соединять термочувствительные конструкции.
  4. Проведение варки элементов различной толщины.
  5. Ультразвуковая сварка позволяет соединять разнородные металлы.
  6. Варка характеризуется хорошими электрическими свойствами при небольшом переходном сопротивлении.

Показатель прочность соединений на уровне 70% от прочности основного металла.»

Нельзя не согласиться, что данный метод – это скорость, экологическая чистота и экономичность.

Не будем восхищаться вышеперечисленными положительными моментами. Просто зафиксируем их в памяти. Хотя, и негатив нельзя откинуть в сторону, он существует:

  • так при выполнении процесса рабочие детали может разворачивать;
  • от используемого инструмента на рабочих поверхности остаются видимые вмятины;

Кроме этого, устройство ограничено эксплуатационным сроком. Возникают, определенного рода проблемы, в процессе проведения ремонтных работ.

Несмотря на это, можно утверждать, что ультразвуковая сварка прогрессивный метод , имеющий больше положительных моментов, нежели отрицательных.

Виды ультразвуковой сварки

В процессе рассмотрения эффективности использования данного метода варки, необходимо остановиться на соединении полупроводников.

В данном случае используется нахлёсточный способ соединения. К этому добавляется конструктивное оформление рабочих элементов. Данная технология ультразвуковой сварки заключается в соединении конструкций точечным методом с использованием одной или нескольких точек. Это может быть непрерывный шов или замкнутый круг. Когда проводится формовка проволочной рабочей заготовки, выполняется тавровое соединение с её плоскостью.

Этот вариант допускается при предварительной формовке!»

Ультразвуковая сварка проводников

Предусмотрена возможность пакетирования: одновременное соединение нескольких материалов воедино.

Ультразвуковая сварка пластика и пластмасс

Ультразвуковая сварка пластмасс. Варка этим способом возможна с использованием спецмашин. Это сложное, в технологическом плане устройство, где есть рабочие узлы, а именно:

  1. Источник питания.
  2. Колебательная система механического принципа действия.
  3. Блок управления.
  4. Привод давления.
  5. Электромеханический преобразователь с обмоткой, заключённый в корпус с жидкостью для охлаждения.
  6. Трансформатор упругих колебаний.
  7. Сварочный наконечник.

Ультразвуковая сварка пластмасс

А также опора с механизмом давления на рабочие поверхности.

Ультразвуковая сварка пластмасс даёт возможность соединения микро/деталей.

Технологические схемы

Технологические схемы можно различить по характеру колебаний. Существует несколько вариантов, таких как:

  1. Крутильный.
  2. Изгибный.
  3. Продольный.

Изгибные и продольные колебания используются для контурного, шовного и точечного соединения рабочих поверхностей.

Схема ультразвуковой сварки

К особенностям рабочего процесса УЗ/С можно отнести возможность формирования положительных соединений.

Создание нивелирных участков на обрабатываемых деталях, а также физический контакт возможен с использованием специального инструмента.

Видео-пример ультразвуковой сварки

Техника безопасности

При проведении работ соблюдение технологического процесса выполняется с использованием методов и условий противопожарной безопасности.

Неотъемлемой частью выполнения работ для обслуживающего персонала является использованием средств и методов индивидуальной защиты.

Рабочий процесс условно можно разделить на два этапа:

  • подготовительные мероприятия;
  • и рабочий цикл.

На первом этапе нужно подготовить рабочий материал, привести в соответствие рабочую площадь, освободив её от посторонних предметов, и проверить оборудование. Обратить внимание на исправность электрических соединений.

Осуществлять допуск к работе только для лиц достигших 18 летнего возраста и закончивших специальные курсы.»

Перед началом работ, мастер или ответственное лицо назначенное приказом, проводит инструктаж по ТБ (технике безопасности). О чём должна быть соответствующая роспись ознакомленного сотрудника в журнале инструктажа ТБ. Подробно о соблюдении ТБ написано в инструкции по проведению работ.

В интернете достаточно литературы по этому вопросу. Есть обучающие ролики, где показано не только видеоматериал данного метода, рабочих процессов, но и в полном объёме раскрывается тема ТБ.

Заключение

Ультразвуковая сварка в отдельных отраслях народного хозяйства стала незаменимым методом соединения однородных и неоднородных деталей, пластичных и твёрдых материалов.

Инженеры и сегодня трудятся над усовершенствованием рабочих инструментов. Цель научных работ – обеспечить ультразвуковой контроль сварки. Сделать варочный процесс более качественным и эффективным, обеспечив его новым оборудованием.

Сегодня не только в производстве возможно использование данного метода. Возможна ультразвуковая сварка своими руками при выполнении несложных в техническом плане работ. Это может быть ультразвуковая сварка проводов различных бытовых приборов и металлов.