СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ ОДНОЖИЛЬНЫХ И МНОГОЖИЛЬНЫХ ПРОВОДОВ ИЗ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
METHOD OF ULTRASONIC WELDING OF SOLID AND BUNDLE CONDUCTORS FROM NON-FERROUS METALS

Изобретение относится к ультразвуковой сварке одножильных и многожильных проводов, преимущественно автомобильных и авиационных, как покрытых, так и не покрытых изоляцией, между собой и с другими деталями. Изобретение предназначено для сварки проводов между собой и с другими элементами, в том числе при изготовлении авиационных, автомобильных и других жгутов проводов.
Известно устройство для ультразвуковой сварки, которое содержит приемный зазор для размещения в нем соединяемых пленочных слоев между рабочей плоскостью излучателя и рабочей плоскостью упора ультразвукового устройства. Излучатель или упор размещен с возможностью приложения сварочного усилия, имеющего составляющую, которая во время сварки направлена против силы тяжести, что предотвращает смещение сварочной линии и обеспечивает улучшение качества сварных швов (патент РФ №2447977, от 08.08.2007 г., опубл. 20.04.2012 г.).
Однако известное изобретение не предназначено для сварки одножильных и многожильных проводов из цветного металла.
Известен способ термокомпрессионной сварки, преимущественно металлического проводника с кремнием, при котором к деталям прикладывают начальное давление, нагревают их V-образным электродом, а затем прикладывают добавочное давление в период максимальной скорости пластического течения металлического проводника (АС СССР №719830).
Однако известное изобретение не предназначено для сварки одножильных и многожильных проводов из цветного металла.
Недостатком известного способа является его сложность, так как требуется предварительно уложить изолированный проводник в полиамидную термопластичную пленку, затем отрезать проводник специальным ножевым устройством под заданным углом, кроме того, требуется очистить проводник от изоляции.
Более близким к заявляемому изобретению является способ сварки давлением металлических выводов, при котором к деталям прикладывают начальное давление и в процессе начального давления на V-образный электрод дополнительно подают ультразвуковые колебания. Нагревают их V-образным электродом. Затем прикладывают добавочное давление и при этом амплитуду колебаний уменьшают до нуля. За счет снижения давления при сварке выводов на кристалле и увеличения площади физического контакта соединяемых поверхностей повышается надежность силовых полупроводниковых приборов (патент РФ №2271909, от 08.01.2004 г., опубл. 20.03.2006 г.).
Недостатком известного способа является высокая зависимость прочности сварного соединения от степени окисления поверхности жил проводов и низкая повторяемость процесса.
Известен также способ ультразвуковой сварки проводов, покрытых изоляцией, между собой и с другими деталями, в котором провода предварительно отгибают на угол не менее 45 градусов к направлению распространения ультразвуковых колебаний (АС СССР №302925, опубл. 15.09.81, бюл. №34).
Недостатком известного способа является возможность прилипания сварного соединения к сварочному инструменту, повышенная термическая деформация жил проводов, находящихся в контакте со сварочным инструментом, подрезка отдельных жил многожильных проводов, низкая повторяемость процесса.
Ультразвуковая сварка металлов благодаря новым достижениям в разработке сварочных систем приобретает с каждым годом все более широкое применение и позволяет решить уникальные задачи в электронной, электротехнической, автомобильной промышленности, а также при производстве аккумуляторов, конденсаторов, солнечных батарей и систем нагрева воды.
Оборудование для ультразвуковой сварки независимо от свариваемых материалов состоит из 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) и является важнейшим узлом технологии ультразвуковой сварки.
В процессе ультразвуковой сварки металлов колебательные движения волновода совместно с усилием прижатия передаются на верхние свариваемые детали, которые подвижны относительно нижней детали, закрепленной на наковальне, и друг друга, в результате чего 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, частичное разрушение оксидных пленок и возникновение узлов схватывания. При повышении температуры в зоне сварки, за счет трения и дальнейшей деформации свариваемых деталей, наблюдается повышение пластичности поверхностных слоев металла. Все это приводит к разрастанию зон схватывания, диффузии одного материала в другой, локальному плавлению верхних атомарных слоев и появлению межатомных связей. Прочность сварных соединений при существующих технологиях не превышает 70% от прочности основного материала.
В автомобилестроении ультразвуковая сварка используется при соединении медных, алюминиевых многожильных проводов жгутов электропроводки.
Фирмы производители оборудования: Telsonic AG, Schunk Sonosistems Gmbh и т.д. (см., например, сайт www.mashport.ru).
Недостатком известных способов ультразвуковой сварки является возможность прилипания сварного соединения к сварочному инструменту, повышенная термическая деформация жил проводов и затягивание их в зазоры между инструментами, подрезка отдельных жил многожильных проводов, высокая зависимость прочности сварного соединения от степени загрязнения и окисления поверхности жил проводов, содержания кислорода в составе металла, большая зависимость повторяемости процесса от нестабильности свойств проводов по их длине, повышенный износ дорогостоящих сварочных инструментов.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а также повышение стабильности процесса ультразвуковой сварки и гарантированное получение прочности сварных соединений до уровня, превышающего прочность свариваемых элементов.
Поставленная задача решается предлагаемым способом ультразвуковой сварки одножильных и многожильных проводов из цветных металлов между собой и с другими деталями, в котором провода и детали предварительно смачивают в свариваемой части жидкими испаряющимися флюсами, например на основе раствора нитрата аммония, и проводят ультразвуковую сварку влажных проводов и деталей.
Предлагаемый способ ультразвуковой сварки осуществляется следующим образом. Прежде чем сваривать провода и детали, их предварительно смачивают в жидком испаряющемся флюсе, в качестве которого может служить, например, 1%-ый раствор нитрата аммония. После этого влажные провода и детали помещают в зону сварки ультразвуковой машины и производят сварку по стандартной методике. В качестве флюса могут использоваться различные солевые растворы. Сущность изобретения состоит в том, что при испарении под влиянием высокой температуры жидкого флюса на свариваемых поверхностях усиливается диффузия за счет интенсификации притирания (очистки и притирки) свариваемых поверхностей жил проводов, происходит очистка (восстановление окислов на поверхности проводов) до чистой меди, увеличивается площадь пятен сварочного контакта, исключающая возможную межкристаллическую коррозию. Интенсивное выделение тепла в процессе сварки испаряет жидкую основу флюса, за счет чего значительно снижается температура поверхности инструмента в зоне контакта со свариваемыми элементами, выделяется в сухом виде, не вступившая в реакцию с окислами металла часть растворенной во флюсе субстанции, которая переходит в мелкодисперсную фазу, осаждается на поверхностях сварочных инструментов и служит, за счет образования микрослоя, дополнительной теплоизолирующей защитой - что является дополнительным фактором в повышении стабильности процесса и стойкости инструмента. При обслуживании инструмента этот микрослой легко удаляется влажной протиркой. В результате этого прочность сварного соединения увеличивается на разрыв и отрыв, стойкость сварочного инструмента возрастает на 60-80% за счет дополнительного отвода тепла при испарении жидкой составляющей флюса, исключается прилипание сварного соединения к сварочному инструменту, исключается повышенная деформация жил проводов в зоне контакта с инструментом, исключается подрезка отдельных жил многожильных проводов, повышается в разы стабильность процесса ультразвуковой сварки, повышается качество сварного шва, снижается величина электрического сопротивления в сварном соединении, увеличивается устойчивость сварного соединения к вибрациям и старению.
Изобретение позволяет существенно повысить стабильное качество сварных соединений одножильных и многожильных проводов из цветных металлов.