СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ ОДНОЖИЛЬНЫХ И МНОГОЖИЛЬНЫХ ПРОВОДОВ ИЗ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ Российский патент 2017 года по МПК B23K20/10 H01R4/02 B23K101/38 B23K103/08 

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.

Изобретение может быть использовано для ультразвуковой сварки одножильных и многожильных проводов, преимущественно автомобильных и авиационных, как покрытых, так и не покрытых изоляцией, между собой и с другими деталями. Свариваемые части проводов предварительно смачивают жидким испаряющимся флюсом в виде соляного раствора, например на основе нитрата аммония. Сварку осуществляют во влажном состоянии. В процессе сварки происходит испарение жидкой основы флюса, снижающее температуру поверхности инструмента в зоне контакта, а часть растворенной субстанции флюса переходит в мелкодисперсную фазу и осаждается на поверхности сварочного инструмента, образуя теплоизолирующий микрослой. Изобретение позволяет повысить качество сварных соединений одножильных и многожильных проводов из цветных металлов. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ ультразвуковой сварки проводов из цветных металлов между собой, отличающийся тем, что свариваемые части проводов предварительно смачивают жидким испаряющимся флюсом в виде солевого раствора, после чего осуществляют их сварку во влажном состоянии.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют флюс на основе нитрата аммония.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют сварку одножильных и многожильных проводов.