Способ ультразвуковой обработки материалов и устройство для его осуществления

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (и176679О (61) Дополнительное к авт. сеид-ву— (22) Заявлено 25.10.78 (21) 2632966/25-27 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 300980. бюллетень ¹

Дата опубликования описания 03. 10 ° 80 (51)М. Кл

В 23 К 19/04

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 621. 791. .16(088.8) (72) Авторы изобретения

В. Л. Венгринович и В. N. Колешко

Институт электроники AH Белорусской ССР и Отдел физики нераэрушающего контроля

АН Бало усской ССР (71) Заявители (54) СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к технологии ультразвуковой обработки и может найти широкое применение при разработке технологических процессов микросварки и пайки, очистки и резания, плакирования и гальванического осаждения металлов и сплавов.

Известен способ ультразвуковой обработки, основанный на том, что на обрабатываемый материал воздействуют упругими ультразвуковыми колебаниями.

Причем магнитострикционный преобразователь возбуждают на резонансной частоте, т.е. механический резонанс преобразователя должен строго соответ- !5 ствовать электрическому резонансу генератора (1$ .

Однако такое строгое соответствие трудно достижимо, что снижает качество ультразвуковой обработки. 2О

Известен также способ присоединения металлических выводов к напыленным металлическим пленкам на полупроводниковых кристаллах с использованием ультразвуковых колебаний f 2 7. 25

Для этого изготавливались акустические системы на основе пьезокерамики.

Однако при использовании. таких систем для качественного соединения необходимо строгое согласование эле- 30 ментов акустической системя между собой и с электрической частью.

Из известных способов наиболее близким к описываемому является способ ультразвуковой обработки материалов путем возбуждения упругих колебаний в магнитострикционном преобразователе посредством его перемегничивания на резонансной частоте с автоматической подстройкой сигналом, снимаемым со вспОмогательной обмотки преобразователя t3j .

Известно также устройство, содержащее генератор ультразвуковой частоты,усилитель, фазовращатель и магнитострикционный преобразователь по меньшей мере с одной обмоткой возбуждения 3) .

Недостатком известного способа и устройства является то, что системы согласования не стабильны во времени, так как эксплуатационные режимы, импеданс зоны сварки резко сказываются на величине рассогласования механического и электрического резонансов.

Для увеличения амплитуды механических колебаний при наименьшей затрате электрической мощности обычно используют различного рода концентраторы.

Однако и они не беспредельны. Поэтому

766790 современные требования диктуют разработку способов ультразвуковой обработки с высоким КПД и повышенной производительностью процесса.

ЦеЛью изобретения является поньиаекие качества обработки материалов, КПД и производительность процессов.

Поставленная цель достигается тем, что ферромагнитный сердечник.магнитострикционного преобразователя дополнительно перемагничивают на инфразвуковой частоте в диапазоне 0,01200 Гц, а резонансную частоту выбирают в диапазоне частот между инфразвуковой частотой перемагничивания и максимальной частотой спектра скачков Баркгаузена соответствующей частоте резонанса доменных границ для данного ферромагнитного материала, а также так, что устройство снабжено генератором инфразвуковой частоты, соединенным со входом обмотки возбуждения, а также дополнительной обмоткой регистрации соединенной со входом усилителя и фаэовращателем, вход ко.торого подключен к выходу указанного усилителя, а выход — ко входу обмотки возбуждения магнитнострикционного преобразователя.

На фиг. 1 изображена схема устройства для ультразвуковой обработки, например, сварки; на фиг. 2 -осциллограмма сигнала на выходе магнитострикционного преобразователя (кривая 1) и сигнала, задаваемого генератором ультразвуковой частоты (кривая 2); на фиг. 3 — характер изменения амплитуды на свободном торце концентратора преобразователя.

Сущность способа и принцип работы устройства основаны на явлении коллективного смещения доменных границ при перемагничивании ферромагнетика высокочастотным магнитным полем в совокупности с полем, изменяющимся на ининфранизкой частоте. Это явление наблюдается на осциллографе в виде скачкообразного увеличения ЭДС сигнала на выходе обмотки регистрации, намотанной на ферромагнетик, перемагничиваемый указанными полями. Это явление, носит резонансный характер, причем частота резонанса зависит от скорости изменения низкочастотной компоненты магнитного поля и спектральных характеристик магнитного шума Баркгаузена для данного ферромагнетика., Устройство для реализации способа содержит два генератора: ультразвуковой частоты 1 и инфранизкой частоты 2.

Своими выходами оба генератора соединены со входами обмоток 3 и 4 возбуждения ферромагнитного сердечника 5 магнитострикционного.преобразователя 6. На сердечнике 5 расположена обмотка 7 регистрации. Последовательно включенные обмотки 7, усилитель

8 и фазовращатель 9 образуют цепь.. обратной связи, инструмент 10.

При перемагничивании ферромагнитного сердечника 5 высокочастотным

Формула изобретения

1. Способ ультразвуковой обработки материалов, например, сварки, очистки, Резки и др., путем возбуждения

65 (резонансной частоты) и инфра низкочастотных магнитными полями на выходе обмотки регистрации будет индуктироваться ЭДС, осциллограмма которой приведена на фиг. 2 кривая 1. Характерный пик ЭДС, обусловленный низкочастотным резонансом доменных границ, является результатом коллективного смещения доменных границ в ферромагнетике, в отличие от стохастического смещения доменных границ при,обычно наблюдаемом эффекте Баркгаузена. На фиг. 2 (кривая 2) показано изменение тока в обмотке возбуждения 3 задаваемого генератором 1. Как видно из фиг.2 оба указанных сигнала имеют различие по амплитуде и смещены по фазе. Для

20 согласования обоих сигналов по амплитуде и по фазе в цепи обратной связи применены усилитель 8 и фазовращатель

9. На вход обмотки возбуждения 3 бу; дет подаваться сигнал с характерным

25 пиком, аналогичным фиг. 2 кр.1. При этом рабочий конец обрабатывающего инструмента 10 будет осуществлять колебания, амплитуда которых будет изменяться по закону, представленноЗО му на фиг. 3. В интервале времени ле инструмент будет осуществлять ударное воздействие на обрабатываемые детали, что, как известно, резко увеличивает производительность процесса и качество обработки. Величина и фаза пика ЭДС на выходе обмотки регистрации

7 могут регулироваться за счет: изменения инфраниэкой частоты перемагничивания сердечника 5 магнитостриктора б; изменения материала и структу40 ры материала сердечника 5 магнито- стриктора б; изменения задающей частоты генератора 1. Таким образом, благодаря генерированию дополнительного мощного ударного импульса на ос45 новной ультразвуковой частоте пеРемагничивания сердечника преобразователя увеличивается КПД, производитель" ность и стабильность процесса ультразвуковой обработки.

Предварительные сравнительные испытания устройства в сопоставлении с устройством согласно прототипа производились применительно к процессу ультразвуковой микросварки выводов микросхем. Результатом испытаний являлось повышение КПД процесса, снижение времени сварки на 30% и значительное увеличение стабильности качества сварных соединений.

766790 иг.

Ipue. Я

ВНИИПИ Заказ 7096/9 Тираж 1160 Подписное

Филиал ППП"Патент",г.ужгород,ул.Проектная,4 упругих колебаний в ферромагнитном сердечнике магнитострикционного преобразователя посредством его перемагничивания на резонансной частоте с автоматической подстройкой сигналов, снимаемым со вспомогательной обмотки преобразователя, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повыаения качества обработки, КПД и производительности процесса, ферромагнитный сердечник магнитострикционного преобразователя дополнительно перемагничивают на инфразвуковой частоте в диапазоне

0,01-200 -Гц, а резонансную частоту выбирают в-диапазоне частот между инфраэвуковой частотой перемагничивання и максимальной частотой спектра скачков Баркгауэена, соответствуницей частоте резонанса доменных границ для данного ферромагнетика.

2. Устройство для осуществления способа ультразвуковой обработки ма-. териалов по п. 1, содержащее генератор ультразвуковой частоты, усилитель, фазовращатель и магнитострикционный преобразователь, по меньшей мере с одной обмоткой возбуждения, о т л ич а ю щ е е с я тем, что оно снабжено генератором инфразвуковой частоты, соединенным со входом обмотки возбуж5 дения, и обмоткой регистрации, соединенной со входом усилителя и фазовращателем, вход которого подключен к выходу усилителя, а выход — ко входу обмотки возбуждения магнитострикционного преобразователя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Колешко В. И. Ультразвуковая микросварка. Минск "Наука и техника"

1977, с. 239-241.

2. Северденко В. П., Гурский Л. И.

Колешко В. М. Соединение металлов в твердом состоянии в зависимости от частоты ультразвуковых колебаний.

20 ДАН БССР, 1974, т. 18, М 10, с. 886 .

3. Колешко В. M. Ультразвуковая микросварка. Минск, "Наука и техника".

1977, с. 156.