Инструмент для ультразвуковой сварки

 

.

О Il И C А H É-1:

ИЗОБРЕТЕНИЯ (I I j 590 l l 0

Совэ Советских

Соииалистическии

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 19.04.76 (21) 2350186/25-27 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано 30.01.78. Бюллетень ¹ 4 (45) Дата опубликования описания 14.03.78 (51) М. Кл В 23К 19/04

Государстееииый комитет

Совета Министров СССР (53) УДК 621.791.16 (088.8) ао делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения

А. М. Григорьев и И. П. Янович

Физико-технический институт АН Белорусской ССР (71) Заявитель (54) ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ

Изобретение относится к области ультразвуковой сварки и может найти применение в инструментальном производстве, например, для изготовления инструментов ультразвуковой сварки.

Известен инструмент для ультразвуковой сварки, состоящий из стержня резонансной длины с рабочим торцом и выполненный из равномерно закаленного по всему объему материала.

Известный инструмент имеет вдоль направления распространения ультразвуковой волны однородную структуру. Однородность выделяемых на торце инструмента колебаний с равномерной интенсивностью по рабочей поверхности не позволяет получить одинаковую прочность при сварке в зоне соединения вследствие неоднородности напряженно-деформируемого состояния в объеме свариваемой детали под рабочим торцом инструмента.

Наиболее близким к изобретению является инструмент для ультразвуковой сварки, содержащий стержень с рабочим торцом и полостью с криволинейной поверхностью.

Однако инструмент не обеспечивает высокого качества воспроизведения сварных соединений. Отсутствие тангенциальной составляющей ультразвуковых колебаний в центральной зоне на торце инструмента и тангенциальных напряжений в центральной зоне свариваемых деталей не обеспечивает соединения по всей свариваемой поверхности вследствие неравномерности энерго-силовых параметров процесса, происходящего в свариваемой зоне.

Целью изобретения является повышение качества сварных соединений путем получения на рабочем торце тангенцнальной составляющей колебаний.

Для этого в предлагаемом инструменте поверхность полости выполнена винтовой с шаГом, раВным /I6 — /II длины ВОлны II Высотой профиля, равной 0,25 — 0,35 наружного диаметра стерхкня.

В полости стержня концентрично ему мотет быть размещена вставка, имеющая ответную поверхность полостп стержня конфигурацию с длиной I:èIIòoBoé лнннп по выступающей части профиля кратной полуволне коле20 бапий, распространяющихся в ней, а вставка выполнена из материала с более высокой добротностью по отношению к материалу стержня, На фиг. 1 схематически изображен предла25 гаемый инструмент, состоящий пз полого цилиндрического стержня 1 с полостью, выполненной винтовой с высотой профиля витка, равной 0,25 — 0,35 наружного диаметра стержня, и шагом равным /I6 — /g длины во IHbI, н

30 приведена эпюра распрсделенпя волны 7. в нн590110

30 г

60 струменте по наружной поверхности и развергка внутренней поверхности.

На фиг. 2 изображен инструмент, выполпенный из полого цилиндрического стержня 1 с полостью, заполненной материалом вставки

2 с добротностью не ниже добротности материала стержня.

Инструмент раоотает следующим образом.

Ультразвуковые колебания, приходящие от преобразователя, распространяются по наружной поверхности стержня 1 и по внутренней винтовой поверхности в объеме материала вставки 2. По наружной поверхности стержня 1 ультразвуковые колебания вводятся в зону сварки с присутствием нормальной составляющей напря>кений, а по винтовой поверхности — тапгепциальной составляющей напряжений.

Инсгрумент для ультразвуковой сварки можно изготовить следующим образом. Заготовку, например, в виде полого стержня нагревают до температуры пластической деформации и деформируют наружную поверхность валками по винтовой линии. При этом происходит формоизменение полости в соответствии с характером распределения деформации по наружной поверхности. Затем производят ооработку, например точение и шлифовку нару>кной поверхности. Для получения инструмента со вставкой внутреннюю полость заполняют расплавленным материалом, например сплавом типа «калмоной» с температурой плавления 1050 С. В качестве материала стержня можно использовать штамповые или инструментальные сплавы, например 5ХНВ, Х12М, ХВГ, 45ХЗВЗМФС. Добротность материала вставки должна оыть выше добротности материала стержня, т. е. амплитуда колебаний на торце инструмента под вставкой будет больше, чем под остальной поверхностью торца.

Как известно, сварное соединение образуется в местах наибольшего течения металла, т. е. в соответствии с эпюрой касательных напряжений, при плоской осадке, а в центральной зоне сварное соединение. на участках с радиусом, примерно 0,5 — 0,7 (т. е. 0,25 — 0,35 высоты профиля витка) радиуса всей сварной зоны, не образуется. Поэтому для получения соединения с равномерной прочностью по всей свариваемой поверхности необходимо увеличить тангенциальные напряжения в центральной зоне и уменьшить их величину по периферии зоны сварки. С этой целью внутреннюю полость изготавливают по винтовой линии и таким образом обеспечивают неравномерность ввода ультразвуковых колебаний.

Величиной шага винтовой линии регулируют угол ввода выделяемых локально на торце крутильных ультразвуковых колебаний B центральную зону сварки и тем самым определяют требуемую величину сдвигающих напряжений, компенсирующую их недостаток в этой зоне в объеме свариваемого материала. Ша витка должен быть пе более /8 длины волны, так как в случае превышения этого размера один виток заходит на другой, что вызывает полное затухание амплитуды колебаний, которые могут быть противополо>кны по фазе.

Нижний предел шага витка ограничен величиной рассеяния акустической энергии в объеме биметаллического стержня.

При шаге витка менее 5% от длины волны не происходит выделение колебаний в объеме материала по вин-овой линии, и распространение акустической энергии происходит вдоль оси инструмента.

При прохо>кдении ультразвуковых колебаний через материалы с различным волновым сопротивление, толщина одного из которых превышает 0,05 — 0,1 длины волны, наблюдается диффузионное отражение и отсутствует выделение сдвигающей составляющей в объеме материала тонкого слоя.

Для исключения диффузионного отражения шаг витка выбирают в пределах 0,05 — 0,1 длины волны, соответственно /16 — /8 длины волны.

Описываемый инструмент обеспечивает равпомерное распределение нормальных и касательных напряжений в свариваемой зоне и тем самым равномерность прочности в зоне сварных соединений и качество их воспроизведения. Равномерность прочности в зоне сварного соединения обеспечивает значительное снижение электрического сопротивления по поверхности контакта, исключает разогрев эгой зоны и повышает надежность соединения, например, в полупроводниковых приборах.

Формула изобретения

1. Инструмент для ультразвуковой сварки, содержащий стержень с рабочим торцом и полостью с криволинейной поверхностью, о тл ич а ю шийся тем, что, с целью повышения качества сварных соединений путем получения на рабочем торце тангенциальной составляющей колебаний, поверхность полости выполнена винтовой с шагом, равным /и — /8 длины волны, и высотой профиля, равной

0,25 — 0,35 наружного диаметра стержня.

2. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что в полости стержня концентрично ему размещена вставка, имеющая ответную поверхности полости стержня конфигурацию с длиной винтовой линии по выступающей части профиля кратной полуволне колебаний, распространяющихся в ней, при этом вставка выполнена из материала с более высокой добротностью по отношению к материалу стер>кпя.

590110

yP

Фиг г.

Составитель Н, Тютченкова

Техред Л. Гладкова Корректор Л. Тарасова

Редактор О. Юркова

Подписное

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ 36/1 Изд, Мв 251 Тираж 1207

НПО Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5