Конспект лекций по дисциплине Основные способы сварки наплавки. Конспект лекций по дисциплине Основные способы сварки, наплавки и пайки для подготовки бакалавров по направлению 5522700Машины и технология сварочного производства

• Название: Конспект лекций по дисциплине Основные способы сварки, наплавки и пайки для подготовки бакалавров по направлению 5522700Машины и технология сварочного производства
• Дата: 22.03.2022
• Размер: 3.05 Mb.
• Имя файла: Конспект лекций по дисциплине Основные способы сварки наплавки.doc
• Тип: Конспект лекций; #408350
• страница: 4 из 13

Лекция № 6.

Холодная сварка

План:

6.1. Сущность холодной сварки металлов

6.2. Виды холодной сварки

6.3. Подготовка свариваемых поверхностей
6.1. Сущность холодной сварки металлов

Холодная сварка – сварка давлением при значительной пластической деформации без нагрева свариваемых частей внешними источниками тепла.

Метод холодной сварки основан на использовании пластической деформации, с помощью которой разрушают на свариваемых поверхностях хрупкую пленку окислов - основное препятствие для соединения металлов. Образование цельнометаллического соединения происходит за счет возникновения металлических связей между соединяемыми металлами. Эти связи возникают между атомами при сближении поверхностей соединяемых металлов на расстоянии порядка (28)10^-7 мм в результате образования общего электронного облака, взаимодействующего с ионизированными атомами обеих металлических поверхностей.

Преимущества холодной сварки:

- малая стоимость;

- высокая производительность;

-  возможность автоматизации работ во взрыво- и огнеопасной среде;

- возможность сварки деталей с нанесенной изоляцией;

- высокая гигиеничность процесса.

Области применения холодной сварки. Холодной сваркой можно сваривать металлы, имеющие высокие пластические свойства: алюминий и его сплавы, медь и ее сплавы, кадмий, никель, свинец, олово, цинк, титан, серебро и др. Этот способ сварки применяют при сварке разнородных металлов, например, меди с алюминием.
6.2. Виды холодной сварки

В промышленности в основном применяют два вида сварки: сварка внахлестку и сварка встык.

При сварке внахлестку свариваемые детали собирают внахлестку и помещают под пресс. Сварное соединение образуется за счет пластической деформации деталей.

В практике применяют следующие виды сварки: без предварительного зажатия свариваемых деталей, с предварительным зажатием свариваемых деталей, с односторонним деформированием свариваемых деталей.

1) Точечная сварка без предварительного зажатия деталей.



Рис. 6.1. Схема сварки без предварительного зажатия свариваемых деталей.

Детали 1, подготовленные к сварке, устанавливаются между соосно расположенными пуансонами 2. При воздействии определенного усилия рабочие выступы пуансонов вдавливаются в металл, обеспечивая необходимую для его сварки деформацию. Наиболее рациональная форма рабочих выступов пуансонов прямоугольная и круглая. Ширину или диаметр рабочего выступа пуансона берут равными 1-3 толщины свариваемых деталей в зависимости от толщины последних.

2) Точечная сварка с предварительным зажатием детали.

Этот способ сварки позволяет устранить основные недостатки, присущие способу сварки без предварительного зажатия деталей.



Рис. 6.2. Схема сварки с предварительным зажатием свариваемых деталей.

Зажатие деталей между опорными частями (прижимами) 2 производят до вдавливания рабочих выступов пуансонов 3 в металл (деталь) 1 или одновременно с ним. За счет этого устраняется коробление свариваемых деталей и увеличивается прочность сварного соединения. При этом способе сварки давление на прижимы рекомендуется применять 29,4-49МПа. Площадь прижима должна превышать площадь торца рабочего выступа пуансона в 15-20 раз.

При сварке полосовых материалов (рис. 8.3) рекомендуется применять зажимные плиты (кондукторы). В плитах делают сквозные калибровочные отверстия 3 по размерам и форме рабочих пуансонов 4, служащие для них направляющими.



Рис. 6.3. Схема сварки с предварительным зажатием свариваемых деталей в кондукторе.
Использование этих кондукторов дает возможность уменьшить массу сварочных клешей, исключает разметку и прихватку деталей перед сваркой.

3) Точечная сварка с односторонним деформированием.

Этот способ сварки применяют в том случае, когда требуется особенно ровная поверхность сварного соединения с какой-то одной стороной соединения по техническим или эстетическим требованиям.



Рис. 6.4. Схема точечной сварки с односторонним деформированием свариваемых деталей.

В этом случае соединяемые внахлестку детали 1 располагаются на плоском основании 4, а рабочий пуансон 3 заданной формы и размеров вдавливается в эти детали.

Прочность сварного соединения при одностороннем деформировании достигает максимального значения при глубине вдавливания пуансона около 60% толщины свариваемых деталей.

Процесс сварки выполняют на любых механических, пневматических или гидравлических прессах, создающих необходимое давление. Рабочие части пресса - пуансоны, зажимные плиты, направляющие и фиксирующие детали - изготовляют применительно к свариваемым деталям. Пуансоны применяют различной формы: круглые (плоские и сферические), клиновидные, квадратные, прямоугольные, эллиптические, в зависимости от конфигурации изделия.

6.3. Подготовка свариваемых поверхностей
Поверхности, подлежащие сварке, должны быть тщательно очищены от любых органических пленок. Прежде всего, свариваемые детали при наличии на них слоя жира и грязи должны быть промыты и досуха вытерты.

Лучшие результаты дает механическая очистка деталей. Очистку деталей при сварке внахлестку и деталей больших сечений при сварке встык рекомендуется выполнять вращающейся стальной щеткой. Диаметр щетки при ее стационарной установке 200 мм, а диаметр проволочек 0,2-0,3 мм. В переносных установках диаметр щетки должен быть не более 100 мм. Частота вращения щетки 1500-3000 об/мин.

Подготовку стержней малых и средних сечений, а также проводов к сварке встык рекомендуется выполнять обрезкой их концов и в исключительных случаях - многократным осаживанием их вылетов в зажимных губках сварочной машины.

Мелкие алюминиевые детали можно подготавливать к сварке с помощью прокаливания при температуре 350400 ⁰С при свободном доступе воздуха, а медные детали - никелированием. Химическое обезжиривание деталей не может применяться для подготовки деталей к холодной сварке.

Очищенные детали не должны загрязняться (даже прикосновение пальцами к поверхностям, подлежащим сварке, резко снижает прочность сварного соединения).
Контрольные вопросы:

1. В чем состоит сущность холодной сварки?

2. Назовите основные преимущества холодной сварки.

3. Какие группы конструкционных материалов можно сваривать холодной сваркой?

4. В чем состоит преимущество холодной точечной сварки с предварительным зажатием деталей по сравнению со сваркой без предварительного зажатия деталей?

5. Какие методы подготовки поверхностей применяется при холодной сварке?
Лекция № 7.

Диффузионная сварка
План:

7.1. Сущность диффузионной сварки

7.2. Классификация процессов диффузионной сварки

7.3. Технология диффузионной сварки
7.1. Сущность диффузионной сварки

Диффузионная сварка входит в группу способов сварки давлением, при которых соединение за счет пластической деформации свариваемых частей при температуре ниже температуры плавления, т.е. в твердой фазе. Отличительной особенностью является применение повышенной температуры при сравнительно небольшой остаточной деформации.

Процесс можно осуществлять с использованием большинства тепловых источников, известных при сварке. Наибольшее применение на практике находят индукционный, радиационный, электронно-лучевой нагрев, а также нагрев проходящим током и нагрев в расплаве солей.

Контакт соединяемых деталей при сварке выполняется либо непосредственно, либо через прослойки (фольговые или порошковые прокладки, покрытия).

Чаще всего диффузионную сварку проводят в вакууме. Однако принципиально возможно осуществление процесса в атмосфере защитных или восстановительных газов или их смесей (диффузионная сварка в контролируемой атмосфере). При сварке материалов, имеющих относительно малое сродство к кислороду, процесс можно вести даже на воздухе. В качестве среды для диффузионной сварки могут быть использованы и расплавы солей, выполняющие одновременно роль источников тепла.

Процесс сварки с помощью диффузионного соединения условно подразделяют на две стадии.

На первой стадии происходит нагрев материалов до высокой температуры и приложение давления, что вызывает пластическую деформацию микровыступов, разрушение и удаление различных пленок на контактируемых поверхностях. При этом образуются многочисленные участки непосредственного металлического контакта (металлические связи).

Вторая стадия – ликвидация оставшихся микронеровностей и образование объемной зоны взаимного соединения под действием диффузии.

7.1.1. Преимущества и недостатки диффузионной сварки.

Преимущества диффузионной сварки:

- возможность соединять разнородные материалы без каких – либо особых трудностей (сталь с чугуном, титаном, ниобием, вольфрамом, металлокерамикой; платину с титаном; золото с бронзой и т.д.);

- возможность выполнения соединений разнотолщинных деталей;

- обеспечение равнопрочности основного металла и сварного соединения;

- в процессе сварки отсутствует плавление металла, что исключает влияние неблагоприятных металлургических явлений на сварное соединение, удешевляет изготовление конструкции (за счет отсутствия флюсов, припоев)

Ограничения применения и недостатки технологии:

- низкая производительность процесса из-за высокой длительности цикла сварки;

- сложность оборудования (особенно вакуумного) и технологической оснастки, подвергающейся одновременно нагреву и нагружению;

- высокие требования к качеству контактных поверхностей.
7.2. Классификация процессов диффузионной сварки.

В практике диффузионной сварки известно применение двух технологических схем процесса, различающихся характером приложения нагрузки или напряжения действующего в течение цикла:

1) Диффузионная сварка по схеме свободного деформирования – при этом используют постоянную нагрузку по величине ниже предела текучести.



Рис. 7.1. Схема диффузионной сварки свободным деформированием:

1- система нагружения; 2 – нагреватель; 3 – детали.

2) Диффузионная сварка по схеме принудительного деформирования (ДСПД - процесс) – при этом нагрузка и пластическая деформация обеспечивается специальным устройством, перемещающимся в процессе сварки с контролируемой скоростью.



Рис. 7.2. Схема диффузионной сварки принудительным деформированием:

1 – система деформирования; 2 –нагреватель; 3 – детали.
7.3. Технология диффузионной сварки.

7.3.1. Подготовка поверхностей к сварке.

Свариваемые поверхности должны быть обработаны с чистотой поверхности Ra < 1,25 мкм. Предпочтительно применение механической обработки. Непосредственно перед сваркой детали проходят очистку от жировых и других загрязнений, а также от оксидов методами химической обработки (травление, обезжиривание).

7.3.2. Применение покрытий и промежуточных прокладок.

Покрытия наносят чаще всего гальваническим или термовакуумным методами на одну или обе свариваемые детали, но, как правило, только в пределах площади их контактирования. При сварке мелких деталей допускается нанесение покрытия на всю поверхность. Покрытия применяют для защиты от окисления в процессе нагрева при сварке сплавов, в состав которых входят активные по отношению к кислороду элементы (Cr, Al и др.). Чаще всего используют никелевое, медное или серебряное покрытие толщиной 5 – 10 мкм.

При сварке материалов, образующих в контакте при температуре процесса интерметалидные фазы, необходимо применение барьерных прослоек. Для этого могут быть использованы покрытия достаточной толщины, а также фольговые прокладки, изготавливаемые по форме площади контактирования.

7.3.3. Выбор параметров режима сварки

а) Рабочие среды.

В зависимости от свойств свариваемых материалов степень разряжения в вакуумной камере выбирают в диапазоне 1,3 – 1,3·10^-4 Па. При сварке малоуглеродистых сталей, меди, никеля требования к давлению наименее жесткие.

В качестве контролируемых атмосфер применяют осушенные аргон или гелий, очищенные и осушенные водород, азот или смесь азота с 6 – 8 % водорода.

На воздухе сваривают малоуглеродистые и некоторые инструментальные стали. При этом контактные поверхности заготовок после механической обработки защищают от окисления консервирующими покрытиями: эпоксидной смолой или глицерином.

Состав соляных ванн для диффузионной сварки определяется необходимой температурой, например, 850 – 870˚С при использовании NaCl, 1000 - 1150˚С – для BaCl₂.

б) Параметры термодеформационного воздействия.

При сварке по схеме свободного деформирования основными параметрами являются температура сварки Т_св, давление р, время выдержки t (или степень остаточной деформации ε_св).

Температуру сварки выбирают в диапазоне (0,7 - 0,8)·Т_пл, иногда несколько ниже 0,5·Т_пл.

Скорость нагрева и охлаждения зависит от источника теплоты, и в большинстве случаев их не регламентируют.

Давление выбирают в диапазоне 0,8 – 0,9 предела текучести при температуре сварки.

Время выдержки в зависимости от температуры, давления, чистоты обработки контактных поверхностей может колебаться от нескольких секунд до нескольких часов.

При ДСПД – процессе основными параметрами являются температура Т, скорость роста нагрузки Р, скорость деформирования ε, время деформирования t, время выдержки в режиме релаксации t_рел.

7.3.4. Оборудование, применяемое при диффузионной сварке.

Установки для диффузионной сварки в общем случае имеет рабочую камеру, механизм для создания сварочного давления или деформирования, систему для получения рабочей среды, аппаратуру управления и контроля.

В настоящее время в эксплуатации находятся универсальные установки разных модификаций типа СДВУ, УДС, А-306, А-308, ОЗД, УДСПД и др.

Учитывая современную тенденцию применения диффузионной сварки для изготовления крупногабаритных изделий сложной формы, проводятся работы по созданию крупногабаритных установок модульного типа. Модуль такой установки снабжен автономными системами вакуумирования, нагрева и сжатия.
Контрольные вопросы:

1. Какие стадии включает процесс образования диффузионного соединения?

2. Назовите основные преимущества и недостатки диффузионной сварки.

3. По каким признакам можно классифицировать процессы диффузионной сварки?

4. Какие этапы включает подготовка поверхностей к диффузионной сварке?

5. Какие параметры входят в режим диффузионной сварки?

Лекция № 8.

Ультразвуковая сварка

План:

8.1. Сущность ультразвуковой сварки

8.2. Оборудование, применяемое при ультразвуковой сварке

8.3. Технология ультразвуковой сварки
8.1. Сущность ультразвуковой сварки

Ультразвуковая сварка – сварка давлением, осуществляемая при воздействии ультразвуковых колебаний. Неразъемное соединение при ультразвуковой сварке металлов получают в процессе сжатия соединяемых элементов с относительно небольшим усилием (десятые доли или единицы ньютона при соединении элементов микросхем и полупроводниковых приборов и не более 10 ⁴ Н, при сварке относительно толстых листов) при одновременном воздействии на зону контакта механических колебаний с частотой 15 – 80 кГц.

При ультразвуковой сварке необходимые условия для образования соединения создаются в результате наличия механических колебаний в зоне контакта соединяемых элементов. Энергия вибрации создает сложные напряжения растяжения, сжатия и среза. При превышении предела упругости соединяемых металлов происходит пластическая деформация в зоне их контактирования. В результате пластической деформации и диспергирующего действия ультразвука происходит разрушение и удаление поверхностных пленок различного происхождения, а также образование сварного соединения. Температура нагрева в зоне контакта обычно не превышает 0,3 – 0,5 температуры плавления соединяемых металлов.

8.1.1. Преимущества ультразвуковой сварки:

- сварка осуществляется в твердом состоянии металла без существенного нагрева места сварки, что дает возможность соединять химически активные металлы и разнородные металлы, склонные к образованию хрупких интерметалидов в зоне соединения;

- возможность получения сварных соединений, которые трудно получить с помощью других видов сварки из-за больших энергетических и технологических затрат;

- возможность получения сварных соединений тонких и ультратонких деталей, возможность приварки тонких листов и фольг к деталям практически неограниченной толщины, сварки пакетов из фольг;

- снижение требований к чистоте свариваемых поверхностей дает возможность проводить сварку деталей с плакированными и оксидированными поверхностями, а также деталей, поверхности которых покрыты разными изоляционными пленками;

- незначительная деформация поверхности детали в месте их соединения вследствие применения небольших сварочных усилий;

- простота автоматизации процесса сварки.

8.1.2.Область применения и технологические возможности ультразвуковой сварки.

Ультразвуковая сварка позволяет соединять разные элементы изделий толщиной 0,005 – 3,0 мм или диаметром 0,01 – 0,5 мм. При приварке тонких листов и фольг к деталям, толщина последних практически не ограничивается. Разнотолщинность свариваемых деталей при ультразвуковой сварке может достигать 1:100.

Областями использования ультразвуковой сварки являются: производство полупроводников, микроприборов и микроэлементов для электроники, конденсаторов, предохранителей, реле, трансформаторов, нагревателей бытовых холодильников, приборов точной механики и оптики, реакторов, а также автомобильная промышленность.
8.2. Оборудование, применяемое при ультразвуковой сварке

Сварку с помощью ультразвука осуществляют на специальных машинах, состоящих из источника генерации высокочастотных (ультразвуковых) электромагнитных колебаний, механической колебательной системы, аппаратуры управления сварочным циклом и привода сварочного усилия.

Преобразование электромагнитных колебаний в механические и введение последних в зону сварки обеспечивается в этих машинах механической колебательной системой. Типовые колебательные системы для ультразвуковой сварки приведены на рис. 8.1.

Основным звеном колебательных систем является преобразователь 1, который изготавливается из магнитострикционных или электро- стрикционных материалов (никель, перминдюр, титанат бария, ниобат свинца и д.р.). Преобразователь является источником механических колебаний. Волноводное звено 2 осуществляет передачу энергии к сварочному наконечнику и обеспечивает увеличение амплитуды колебаний по сравнению с амплитудой исходных волн преобразователя, а также трансформирует сопротивление нагрузки и концентрирует энергию в заданном участке свариваемых деталей 5. Акустическая развязка 3 от корпуса машины позволяет практически всю энергию механических колебаний трансформировать и концентрировать в зоне контакта. Сварочный наконечник 4 является согласующим волноводным звеном между нагрузкой и колебательной системой. Он определяет площадь и объем непосредственного воздействия источника ультразвуковых колебаний в зоне сварки.

Рис. 8.1. Схема типовых колебательных систем для ультразвуковой сварки металлов:

а – продольная; б – продольно-поперечная; в – продольно-вертикальная; г – крутильная.

В зависимости от формы сварочного наконечника колебательной системы УЗС металлов может быть точечной, шовной или кольцевой.
8.3. Технология ультразвуковой сварки

Схема типового технологического процесса при ультразвуковой сварке металлов представляет собой комплекс последовательно выполняемых операций, основными из которых являются: подготовка свариваемых поверхностей, сборка узлов, прихватка, сварка и правка. Объем работ по каждой операции определяется особенностями изготовления конкретных изделий.

8.3.1. Подготовка поверхностей к сварке.

Влияние поверхностных пленок на прочность соединений, выполняемых ультразвуковой сваркой невелико, поэтому считается, что при ультразвуковой сварке металлов можно получать сварные соединения с высокими эксплуатационными характеристиками без предварительной обработки соединяемых поверхностей.

8.3.2. Выбор параметров режима сварки.

Основными технологическими параметрами режима ультразвуковой сварки металлов являются амплитуда колебаний сварочного наконечника ξ_св, сварочное усилие F_св и время сварки t_св.

Амплитуда колебаний сварочного наконечника является важнейшим параметром режима сварки, влияющим на создание необходимых условий для удаления поверхностных пленок, нагрев, расположение и размеры зоны пластической деформации свариваемого металла. ξ_св назначают в зависимости от наличия оксидной пленки и ее толщины, а также от свойств (предела текучести и твердости) и толщины свариваемого металла в пределах от 0,5 до 50 мкм.

Сварочное усилие обеспечивает передачу ультразвуковых колебаний и вызывает пластическую деформацию металла в зоне соединения. С увеличением предела текучести, твердости и толщины свариваемого металла величина F_св растет. При соединении элементов микросхем и полупроводников приборов F_св составляет десятые доли ньютона, а при сварке относительно толстых листов превышает 10⁴ Н.

Время сварки зависит от свойств и толщины свариваемого металла и устанавливается в пределах 0,1 – 4 с.
Контрольные вопросы:

1. В чем состоит сущность ультразвуковой сварки?

2. Какова температура в зоне нагрева при диффузионной сварке?

3. Назовите основные преимущества диффузионной сварки.

4. В каком диапазоне находится толщина соединяемых деталей при диффузионной сварке?

5. Назовите магнитострикционные материалы.

Лекция № 9.

Сварка трением

План:

9.1. Сущность сварки трением

9.2. Классификация способов сварки трением

9.3. Технология сварки трением

9.1. Сущность сварки трением

Сваркой трением называют технологический процесс получения неразъемного соединения, осуществляемый за счет использования теплоты, образующейся на поверхности контакта двух заготовок, прижатых одна к другой, и участвующих в относительном движении. После прерывания или полного прекращения относительного движения сварка трением завершается приложением усилия проковки.

Как и при других способах сварки давлением, сварное соединение при сварке образуется в результате пластического деформирования приконтактных объемов свариваемых заготовок. Отличительной особенностью сварки трением является получение теплоты за счет прямого преобразования работы, затрачиваемой на преодоление сил трения, возникающих при взаимном перемещении трущихся поверхностей.

9.1.1.Преимущества и недостатки сварки трением.

Преимущества:

• 
  высокое качество сварного соединения;
  
• 
  высокая производительность процесса;
  
• 
  возможность сварки металлов в однородных и разнородных сочетаниях.
  

Недостатки:

• 
  масса и длина подвижной заготовки ограничена возможностями конкретной машины;
  
• 
  существующие машины сварки трением не позволяют соединять заготовки с площадью поперечного сечения большей 150 мм².
  

9.1.2. Область применения сварки трения.

Сварка трением применяется в машиностроении, ядерной энергетике, в инструментальном производстве, в электротехнической промышленности, тракторо- и автомобилестроении, а также в самолетостроении, космической технике, химическом и нефтяном машиностроении.

9.2. Классификация способов сварки трением

1) Сварка трением с непрерывным приводом впервые осуществлена в 1956 г. А.И. Чулошниковым. Одной из заготовок сообщается вращательное движение. Заготовки соприкасаются и к ним прикладывается осевое усилие нагрева. Стадия нагрева в существующих машинах сварки трением регламентируется либо временем нагрева, либо степенью совместной деформации заготовок. Далее следует торможение подвижной заготовки и проковка.

Рис. 9.1. Схема сварки трением с непрерывным приводом:

1- тормоз; 2,3 – свариваемые заготовки.

2) Инерционная сварка трением основана на использовании энергии, накопленной маховиком. Шпиндель с насаженным на него маховиком заданной массы разгоняется. По достижении определенного момента инерции вращающихся масс привод отключают и заготовки сжимают с заданным усилием. Сварка их завершается в момент остановки шпинделя.

Рис. 9.2. Схема инерционной сварки трением:

1- маховик; 2,3 – свариваемые заготовки.

3) Комбинированная сварка трением может осуществляться по одному из двух вариантов:

а) вначале процесс ведут с постоянной ω, а затем привод отключают и завершают сварку по инерционному циклу;

б) начало сварки ведут с постоянной ω, затем по инерционному режиму. По достижении шпинделем n = 5-6 с^-1, осуществляют его мгновенное торможение.

4) Колебательная сварка трением может выполняться за счет угловых колебаний одной или обеих заготовок или в процессе возвратно- поступательного движения (сварка вибротрением). Практическое применение получила только сварка вибротрением для соединения термопластов и реактопластов.

5) Орбитальная сварка трением осуществляется движением прижатых одна к другой заготовок, по круговой орбите без вращения вокруг собственных осей. Оси заготовок смещены во время стадии нагрева на величину эксцентриситета е, что позволяет относительно собственного временного центра круговые движения с орбитальным радиусом, равным эксцентриситету е. По завершении стадии нагрева оси совмещают, прекращая тем самым относительное движение заготовок, и выполняют проковку, формируя сварное соединение.

Орбитальная сварка трением позволяет сваривать заготовки, имеющие свариваемое сечение произвольной формы, при равномерном тепловыделении на всей свариваемой поверхности. Это делает ее перспективной для сварки заготовок с большой площадью сечения.



Рис. 9.3. Схема орбитальной сварки трением: а – стадия нагрева, б – стадия проковки.

6) Радиальная сварка трением основана на использовании теплоты трения наружного или внутреннего кольца, вращающегося с заданной угловой скоростью, о скошенные концы труб, прижатых одна к другой с определенным усилием. По окончании стадии нагрева вращение кольца прекращают и его дополнительно сжимают в радиальном направлении.

Рис. 9.4. Схема радиальной сварки трением:

а – с наружным разжимным кольцом; б – с внутренним разжимным кольцом; 1,2 – свариваемые заготовки; 3 – вращающееся кольцо из присадочного материала; 4 – зажимные элементы; 5 – оправка.
9.3. Технология сварки трением.

9.3.1. Подготовка поверхностей к сварке.

Состояние контактных поверхностей свариваемых заготовок при сварке трением влияет на качество сварных соединений в значительной меньшей степени, чем при других способах сварки давлением. Поверхности могут быть получены резкой ножницами, дисковыми пилами и даже газопламенной резкой. Влияние неровностей можно уменьшить притиркой или дополнительным временем нагрева. Небольшие очаги коррозии, грязь, масло, краска и другие загрязнения на контактных поверхностях в процессе сварки трением удаляются на стадии нагрева.

9.3.2. Режим сварки трением.

Режим сварки трением включает следующие параметры:

1) Частота вращения n является одним из главных регулируемых параметров и подсчитывается по оптимальной v,м/с, которая для черных металлов 2,6 – 3, для алюминия и меди 2, для титана 4 –5.

2) Удельное давление притирки P_п назначается для улучшения условий работы машины сварки трением. Обычно P_п = (0,15 – 0,2) Р_н. Для углеродистых сталей P_п = 10 МПа. Время притирки t_п = 1 – 3 с.

3) Удельное давление нагрева Р_н при сварке трением углеродистых и низколегированных сталей выбирают в пределах 30 – 60 МПа, жаропрочных и инструментальных 60 –120 МПа, алюминиевых сплавов 7 – 23 МПа, алюминия с медью 40 –60 МПа, алюминия с коррозионно-стойкой сталью 6,4 – 12,2 МПа.

4) Удельное давление проковки назначают с учетом пластических свойств свариваемых материалов. Обычно Р_пр = (1 - 3) Р_н. При сварке алюминия с коррозионностойкой сталью Р_пр = (8 - 10) Р_н (МПа). Время проковки t_пр = 1,5 – 3 с.

5) Время нагрева t_н оказывает решающее влияние на циклическую прочность и ударную вязкость сварного соединения. Определяется экспериментально.

6) Время торможения t_т должно быть достаточно коротким, чтобы пластическое течение металла из зоны соединения не успело приобрести устойчивый характер.

9.3.3. Оборудование для сварки трением.

В состав оборудования для сварки трением могут входить: машина для сварки трением, станок для снятия грата, роботы или манипуляторы для загрузки – выгрузки и транспортирующие устройства.

Исходными данными при выборе оборудования являются: параметры режима сварки трением; потребная мощность привода шпинделя; размеры свариваемых заготовок; требуемая производительность процесса.

Мощность привода определяют по формуле N_дв=N_уд·S, Вт (здесь S – площадь свариваемого сечения в мм², N_уд = 20 Вт/мм²).

Контрольные вопросы:

1. В чем состоит сущность сварки трением?

2. Назовите основные преимущества и недостатки сварки трением.

3. Приведите классификацию процессов сварки трением.

4. Нужно ли осуществлять подготовку поверхностей к сварке трением?

5. Какие параметры входят в режим сварки трением?

Лекция № 10.

Термокомпрессионная сварка

План:

10.1. Сущность термокомпрессионной сварки

10.2. Классификация способов термокомпрессионной сварки

10.3. Технология термокомпрессионной сварки
10.1. Сущность термокомпрессионной сварки.

Термокомпрессия (микросварка давлением с подогревом соединяемых деталей) – это способ соединения металлов с металлами и неметаллами давлением с подогревом при относительно невысоких удельных давлениях.

Термокомпрессионная сварка является наиболее широко применяемым способом монтажа полупроводниковых микроприборов и интегральных схем в разнообразных корпусах с проволочными проводниками (выводами). Один из соединяемых элементов (обычно вывод) при термокомпрессионной сварке должен обладать достаточно высокой пластичностью. Температура при термокомпрессии не превышает температуры эвтектики соединяемых материалов и обычно равна температуре отпуска или отжига более пластичного металла.

Разновидностью способа сварки давлением с подогревом является сварка давлением с косвенным импульсным подогревом (СКИН). В способе СКИН в отличие от термокомпрессии инструмент импульсно нагревается проходящим по нему током. Из-за кратковременности процесса нагрева металлический проводник в месте контакта может нагреваться до более высоких температур, чем при термокомпрессионной сварке.

Это дает возможность приваривать проводники из относительно малопластичных металлов к тонким пленкам на керамических подложках, когда не допустим общий нагрев свариваемых деталей.



Рис. 10.1. Схема сварки давлением с косвенным нагревом:

1 – рабочий столик; 2 – подложка или полупроводниковый кристалл; 3 – проводник; 4 – пуансон; 5 – головка для крепления инструмента и создания усилия сжатия; 6 – источник питания; 7 – реле времени.

10.1.1. Область применения термокомпрессионной сварки.

В полупроводниковом производстве применяется для присоединения гибких проволочных проводников из золота, алюминия и меди к тонкопленочным площадкам, к металлизированной поверхности полупроводниковых кристаллов и выводам корпусов.
10.2. Классификация способов термокомпрессионной сварки.
Разновидности термокомпрессионной сварки могут быть классифицированы по трем основным признакам:

1) по способу нагрева;

Подвод тепла в зону сварки осуществляют тремя способами:

а) нагрев только рабочего столика;

б) нагрев рабочего инструмента;

в) одновременный нагрев рабочего столика и инструмента.



Рис. 10.2. Разновидности термокомпрессии в зависимости от способа нагрева:

а – нагрев только рабочего столика; б – нагрев рабочего инструмента; в – одновременный нагрев рабочего столика и инструмента; 1 – рабочий инструмент; 2 – присоединяемый проводник; 3 – подложка или кристалл полупроводникового прибора; 4 – рабочий столик; 5 – спираль для нагрева.

2) по способу выполнения соединения;

Применяют следующие способы выполнения соединения при термокомпрессионной сварке: внахлестку и встык.



Рис. 10.3. Виды термокомпрессионной сварки по способу выполнения соединения:

а – нахлесточное; б – стыковое.

При сварке внахлестку проволочный вывод накладывают на металлизированную контактную площадку. Ось вывода располагают параллельно плоскости контактной площадки, а вывод подают под инструмент через специальную дюзу или непосредственно через рабочий инструмент.

При сварке встык конец проволочного вывода предварительно оплавляют. Диаметр образовавшегося шарика равен удвоенному диаметру предварительного вывода. Прочность сварных соединений, выполненных встык, значительно выше прочности сварных соединений внахлестку и равна при оптимальных параметрах режима процесса сварки прочности привариваемого вывода;

3) по типу образовавшегося соединения, обусловленного формой применяемого инструмента.

Конфигурация нахлесточного соединения зависит от формы торца рабочего инструмента.



Рис. 10.4. Основные типы термокомпрессионных соединений в зависимости от формы применяемого инструмента:

а – соединение в виде плоской сварной точки (термокомпрессия клином); б – в виде шляпки гвоздя (термокомпрессия капилляром с образованием шарика); в – с ребром жесткости (термокомпрессия инструментом с канавкой); г - типа «рыбий глаз» (термокомпрессия инструментом с выступом)