Устройство для ультразвуковой микросварки

 

(72) Авторы изобретения (РИН

В.M. Колешко, В.Я. Сунка, С.С.

% ь"

ll !! !

"У, 1 " "

Институт электроники АН. Белору =ской ССР,t (7I ) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МИКРОСВАРКИ

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано в различном технологическом оборудовании при обработке материалов с наложением ультразвуковых колебаний, в частности для ультразвуковой сварки интегральных схем.

Известны устройства для. ультразвуковой микросварки, в которых с целью повышения стабильности излучаемой акустической мощности расширяют полосу пропускания водноводно-излу- чаемой системы за счет последовательно соединенных колебательных звеньев

$1) и (2).Каждое звено состоит из двух

13 резонатооов, соединенных связками.

Такое построение волноводно-излучающей системы позволяет расширить поло" су пропускания до 6-103 от резонансной частоты.

Недостатком известных устройств является низкий КПД, особенно на высших гармониках, обусловленный большими потерями механической энергии в звеньях резонаторов, существенно отличающихся друг от друга по диаметру.

Кроме того, в устройстве невозможно простыми методами регулировать неравномерность амплитуды механических колебаний в полосе пропускания.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство, содержащее блок управления, задающий генератор, ультразвуковую колебательную систему с элементами ее возбуждения, включающую последовательно соединенные формирователь ширины спектра, управляющий аттенюатор, усилитель мощности и по крайней мере два резонансно-колебательных звена, соединенных между собой последовательно (3).

Недостатком известного устройства является невозможность раздельного регулирования соотношения механических колебаний на каждой гармонике, т.е. оптимизировать ввод ультразвуковой энергии необходимого частотно3 92558

ro диапазона в технологическую среду, что снижает качесФяр сварки, Целью изобретения является повышение качества ультра;звуковой сварки.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее блок управления, задающий генератор,ультразвуковую колебательную систему с элементами ее возбуждения, включающую последовательно соединенные формиро- to ватель ширины спектра, управляемый аттенюатор, усилитель мощности и по крайней мере два резонансно-колебательных звена, соединенных между собой последовательно, введены цепи 15 обратной связи, каждая из которых состоит. йз, датчика механических колебаний, полосового резонанснбго усилителя и схемы сравнения, а также допол-. нительные ультразвуковые колебатель20 ные системы, число которых равно числу резонансно-колебательных звеньев.

Выход каждого усилителя мощности ультразвуковой колебательной системы соединен с соответствующим резонансно-колебательным звеном, на каждом из которых установлен датчик механических колебаний, соединенный через соответствующие полосовой резонансный усилитель и схему сравнения со зо входом соответствующего управляемого аттенюатора. Другие входы схем сравнения подключены к блоку управления.

Каждое последующее резонансно-колебательное звено со стороны инструмента имеет длину, в два раза меньшую, и волновой импеданс, в 1.,8-2,2 раза больший, чем предыдущее звено.

На фиг. 1 представлено многореэонансное ультразвуковое устройство, на фиг. 2 - амплитудно-частотные харак40 теристики механических колебаний.

Устройство содержит задающий гене" ратор 1, на выходе которого включены параллельно несколько последователь- ных цепочек, каждая иэ которых состо- 45 ит из формирователя ширины спектра частот 2, управляемого аттенюатора 3 и усилителя мощности ч, блок управления 5, цепи обратной связи, каждая из Которых состоит, из последовательно включенных датчика механических колебаний 6, резонансного полосового усилителя 7 и схемы сравнения 8, выход которой соединен с управляющим входом соответствующего аттенюато- Ы ра 3.

Многорезонансная ультразвуковая колебательная система состоит из не9 4 скольких резонансно-колебательных звеньев, каждое из которых включает ультразвуковой элементарный преобразователь 9, частотно-понижающие накладки 10 и технологический инструмент 11.

Устройство может возбуждаться электрическим напряжением; как синусоидальным, импульсным моночастотным напряжением, так и электрическим напряжением широкого спектра частот (например, шумовым), охватывающим полосу пропускания ультразвуковой колебательной системы в пределах всех гармоник, возбуждаемых каждым звеном.

Если задающий генератор вырабатывает моночастотное электрическое напряжение, то формирователи 2 представляют собой делители частоты с увеличивающимся в два раза коэффициентом деления. Если же задающий генератор выполнен в виде шумового генератора напряжения с равномерной спектральной плотностью энергии, то формирователи ширины 2 представляют собой полосовые фильтры.

Устройство при возбуждении колебательной системы шумовым напряжением работает следующим образом.

Напряжение генератора 1 поступает на входы формирователей 2, представляющих собой полосовые фильтры. Центральные частоты полос пропускания фильтров соответствуют резонансным частотам каждого резонансно-колебательного звена. Ширина полосы пропускания каждого фильтра лежит в пределах 10- 153 от центральной частоты и полностью перекрывает диапазон возможного изменения резонансной частоты звена при изменении условий эксплуатации. С выходов формирователей 2 электрическое напряжение Ферез аттенюатор 3 поступает на усилители мощности 4, а затем подается на соответствующие преобразователи 9 резонансно-колебательных звеньев многорезонансной ультразвуковой колебательной системы. Для обеспечения нулевого сдвига фаз между напряжениями, подаваемыми на отдельные звенья, все формирователи 2 синхронно запитываются от генератора 1. На рабочем конце колебательной системы образуются интенсивные стоячие волны кратных частот. Это обусловлено тем, что геометрические размеры каждого последующего звена в сторону излучения

5 925589 6 акустической энергии в два раза боль-. за счет конструктивного исполнения ше геометрических размеров предыду-. колебательной системы в целом (т.е. щих звеньев, т.е. резонансная часто- оптимальным фазовым соотношением мета каждого предыдущего элементарно- ханических колебаний кратных частот, ro звена равна второй гармонике пос- 3 а также увеличивающейся пропорциональледующего. Таким образом, для резо- но частоте амплитуде механических нансной частоты каждого элементарно- колебаний), а за счет раздельного го звена система в целом представляет автоматически поддерживающего задансобой. неоднородную механическую длин- ный уровень механических колебаний ную линию, в которой укладывается це- 10 электрического возбуждения каждого лое число полуволн. Для управления звена преобразователя. режимом работы схемы питания колеба- В области каждой гармоники протельной системы служит блок управле- исходит расширение полосы пропускания 5, в котором закладывается про- ния за счет того, что колебательная грамма изменения электрических напря- 13 система конструктивно представляет жений, возбуждающих преобразователи собой систему механически связанных

9 отдельных звеньев. Для сохранения контуров. В каждое широкополосное выбранного соотношения этих напряже- звено входят три резонансно-колеба нии в реальных условиях эксплуата- тельных элементарных звена, соединенции устройства служат цепи обратной 2О ных механически последовательно.При связи, каждая из которых включает в этом в широкополосном звене крайние себя датчик механических колебаний 6, элементы являются резонаторами, а паласовой резонансный усилитель 7 и средние - перемычками. Каждая послесхему сравнения 8. Для выделения меха- дующая перемычка в предыдущем звене нических колебаний с частотой, соот- 2s выполняет роль резонатора. Можно поветствующей резонансной частоте дан-. казать, что для рассматриваемых обного звена, служат паласовые резо- разцов при неизменной ширине полосы нансные усилители. Таким образом, пропускания произведение длины резоимеется возможность селективно регу- натора на отношение волновых импеданлировать амплитуду механических ко- 3В сов резонатора и перемычки — величи лебаний всех гармоник. Если заданное на постоянная. Поэтому уменьшение значение амплитуды механических коле- длины резонатора каждого последующебаний не выдерживается, то электри- го звена для сохранения заданной шическим напряжением с выхода схемы рины полосы пропускания требует сосравнения 8 изменяется коэффициент

3S ответствующего увеличения в 2 раза деления аттенюатора 3, что позволяет волнового импеданса резонансно-колевосстановить исходную величину ампли- бательного звена. туды механических колебаний соответ- Изготовлен макет многорезонансноI ствующим изменением электрического го ультразвукового устройства. Коленапряжения, возбуждающего преобразо- бательная система состояла из четыватели.

40 рех звеньев на частоты соответственНа фиг. 2 представлены графиками íî 40; 80; 160 и 320 кГц. Электронная

12 †12 частотные зависимости ампли- часть позволяла выравнивать амплитутуды механических колебаний сущест- ды механических колебаний на каждой вующих моночастотных колебательных гармонике до уровня амплитуды мехасистем. Очевидно, что с ростом номе- нических колебаний на первой гармони45 ра гармоники в значительной степени ке. При этом электрические напряжепадает амплитуда механических колеба ния, возбуждающие преобразователи,с нии. повыщением номера гармоник целесообДанное устройство позволяет не разно распределить следующим обратолькю выравнивать амплитуду механи- 3 зом 0,5 В; 2,1 В; 8,4 В и 23 В. Ам- ческих колебаний на каждой гармонике плитуда механических колебаний на (зависимость 131-131р фиг.2), но и каждой гармонике равна 1,15 мкм. изменять форму общей амплитудно-час- Изготовленный макет многорезонанстотной характеристики в зависимости ного ультразвукового устройства исот требуемых конкретных условий оп- 33 пользовался для микросварки интег" тимального протекания физико-мими- ральных схем. При этом для получения ческих процессов ультразвуковой абра- максимальной прочности соединений в ботки материалов. Это достигается начале процесса сварки амплитуды ме7 9255 ханических колебаний на гармониках были равны соответственно 1,95 мкм, 1,6 мкм, 1,0 мкм и 1 мкм.

Оо второй половине времени сварочного процесса амплитуды меха- 5 нических колебаний на гармониках были следующими: 0,3 мкм, 0,6 мкм, 1,0 мкм и 1 мкм. В этих условиях при сварке изделий из алюминия прочность соединений возросла на 35-424, а ко- 10 эффициент вариации составил 2-54.

Таким образом, предложенное устройство позволяет существенно повысить качество ультразвуковой обработки материалов и значительно расширить !5 возможности исследования физико-химическ 1х процессов, происходящих при ультразвуковой обработке.

Формула изобретения

1. Устройство для ультразвуковой микросварки, содержащее блок управления, задающий генератор, ультра- г5 звуковую колебательную систему с элементами ее возбуждения, включающую последовательно соединенные формирователь ширины спектра, управляемый аттенюатор, усилитель мощности и по крайней мере два резонансно-колебательных звена, соединенных между собой последовательно, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения качества ультразвуковой сварки, в устройство введены цепи обратной

89 связи, каждая из которых состоит из датчика механических колебаний, полосового резонансного усилителя и схемы сравнения, а также дополнительные ультразвуковые колебательные системы, число которых равно числу резонансно-колебательных звеньев,при этом выход каждого усилителя мощности ультразвуковой колебательной системы соединен с соответствующим резонансно-колебательным звеном, на каждом из которых установлен датчик механических колебаний, соединенный через соответствующие полосовой резонансный усилитель и схему сравнения с входом соответствующего управляемого аттенюатора, а другие входы схем сравнения подключены к блоку управления.

2. Устройство по и. 3 о т л и ч а ю щ е е с я тем, что каждое последующее резонансно-колебательное звено со стороны инструмента имеет длину, в два раза меньшую, и волновой импеданс в 1,8-2,2 раза больший, чем предыдущее звено.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

М 694326, кл. 8 23 К 19/04, 1977.

2, Авторское свидетельство СССР

1 721285, кл. 8 23 K 19/04, 1978.

3. Колешко В.М. Ультразвуковая микросварка. Минск, "Наука и техника", 1977, с. 143, 166, 308 (прототип).

925589

1,0

Составитель B.KàòèH

Редактор Л.Утехина Техред З. фанта Корректор М.Коста

Заказ 4710/2 Тираж 1151 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Эи.риал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4