На момент написания этой статьи пандемия CoVID-19 привела к дефициту защитных масок во всем мире. В рамках борьбы с коронавирусом SARS-CoV-2 некоторые компании меняют привычное производство и начинают изготавливать средства индивидуальной защиты (СИЗ). Так, в марте текущего года в Китае на первом месте по производству защитных масок лидировала компания Foxconn. Так как коронавирус теперь бушует в Европе, России, США и многих других странах мира, крупнейшие мировые компании идут по стопам Foxconn, но далеко не все выдерживают. Так, итальянская фирма Miroglio, специализирующаяся на производстве готовой одежды и тканей, недавно объявила о прекращении производства масок. А вот немецкая компания Weber Ultrasonics, которая занимается разработкой компонентов для ультразвуковой сварки, не производит маски, однако их технология имеет решающее значение для производителей СИЗ по всему миру. Именно по этой причине на технологию ультразвуковой сварки сегодня обращено пристальное внимание. Из этой статьи вы узнаете, что это за технология и как она работает.
Сегодня найти отрасли производства, в которых не применяется ультразвуковая сварка довольно трудно
Способ пайки деталей ультразвуковым паяльником
Способ может быть использован при восстановлении деталей пайкой с использованием ультразвука. Припой подают в виде прутка по отверстию внутри медного паяльного стержня. Расплавляют припой за счет нагрева паяльного стержня электронагревательной спиралью. Верхнюю часть торца паяльного стержня выполняют сферической формы для выглаживания полученного слоя припоя. Способ позволяет расширить технологические возможности при улучшении качества обработки поверхностей деталей. 1 ил.
Изобретение относится к восстановлению деталей пайкой, а именно в нашем случае пайки с использованием ультразвукового паяльника.
Известны многие способы восстановления, изготовления деталей пайкой, при которых применяют ультразвуковые паяльники. По литературному источнику известен способ паяния ультразвуковым паяльником УП-21, который работает на частоте 20-26 кГц от ультразвукового генератора. Недостатки способа заключаются в следующем: припой подается на обрабатываемый шов (поверхность), индивидуально накладываясь на обрабатываемый шов (поверхность) в виде прутка, что значительно затрудняет проведение паяльных работ при увеличении времени на проведение работы и ухудшение качества выполненной работы (пайки).
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ пайки деталей ультразвуковым паяльником (SU 831447, МПК 7 B 23 K 1/06, 30.05.1961), согласно которому припой подают через отверстие внутри паяльного стержня, а расплавляют его с помощью электронагревательной спирали.
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей пайки швов (поверхностей) при сокращении времени на проведение работы и улучшения качества обработки, а также обеспечение более удобной работы исполнителю.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в корпус паяльника (в ультразвуковой вибратор) вставляется припой в виде прутка, который при нагреве электронагревательной спирали расплавляется и попадает в обрабатываемый шов (поверхность), уплотняя и вкрапляя элементы припоя в шов (поверхность) с помощью ультразвуковых колебаний, которые разрушают окисную пленку на обрабатываемой поверхности, а верхняя часть торца стержня, выполненного в сферической форме, производит выглаживание и вкрапление (под его давлением) наложенного слоя припоя, что обеспечивает выполнение заданной задачи.
На чертеже представлена схема устройства (ультразвукового паяльника), обеспечивающего выполнение предлагаемого способа.
Способ осуществляется следующим образом. На станке на специальной установке или на автоматической линии по проведению пайки деталей или в ручную устанавливаются детали для проведения пайки, предварительно подготовленные для проведения паяния согласно технологии. Пайка ультразвуковым паяльником производиться низкотемпературным припоем, имея некоторые особенности при паянии деталей из алюминия, которые объясняются образованием на поверхности деталей прочной и тугоплавкой окисной пленки, препятствующей соединению деталей. При пайке этим паяльником в расплавленном припое возникают ультразвуковые колебания, которые разрушают окисную пленку на деталях. Очищенные от окислов поверхности деталей хорошо соединяются с припоем и обеспечивают прочное паяние.
Пример. Проводится пайка деталей ультразвуковым паяльником, показанным на чертеже. Пайка низкотемпературными припоями производиться с предварительной подготовкой деталей к пайке, пайки и обработки деталей после пайки. Подготовка деталей к пайке включает в себя очистку кромок деталей от загрязнения и окислов, подогрев деталей до температуры пайки, флюсование (при необходимости) и лужение соединяемых поверхностей. Далее производится сборка изделия с обеспечением зазора между ними 0,05-0,20 мм. Затем наконечник 8 ультразвукового вибратора 3, паяльника (медного стержня 6) подводят на стык соединяемых деталей 1, где ультразвуковой вибратор 3, работая на частоте 20-26 кГц, с помощью спирали 4 ультразвукового генератора в расплавленный припой подает ультразвуковые колебания, которые, разрушая окисную пленку на деталях, соединяются с припоем 2, который подается в виде стержня 7 в отверстие вибратора (который сделан по его оси), расплавляется от нагрева медного стержня 6 с помощью электронагревательной спирали 5, производя выглаживание наложенного слоя припоя с помощью наконечника 8, заканчивая процесс пайки.
Низкотемпературная пайка получила широкое распространение при ремонте автомобилей, а именно при ремонте водяных и масляных радиаторов, деталей электрооборудования топливных баков и других деталей. Качество пайки обычно контролируют методом опрессовки деталей сжатым воздухом или водой.
Способ пайки деталей ультразвуковым паяльником, включающий подачу припоя по отверстию внутри паяльного стержня и расплавление его за счет нагрева паяльного стержня с помощью электронагревательной спирали, отличающийся тем, что подают припой в виде прутка, а верхнюю часть торца паяльного стержня выполняют сферической формы для выглаживания полученного слоя припоя, при этом используют паяльный стержень из меди.
Что такое ультразвук?
Ультразвук – это звуковые волны, которые перемещаются в пространстве подобно фотонам света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвуку для распространения требуется упругая среда, например газ, жидкость или твердое тело. Примечательно, что человеческое ухо воспринимает ограниченную частоту звуковых волн, а под ультразвуком ученые понимают частоты выше 20 000 герц. Несмотря на то, что о существовании ультразвуковых волн известно с 1883 года, его практическое использование началось не так давно. Так, в 2022 году технологии с использованием ультразвука применяются практически повсеместно. А в дикой природе ультразвуковые волны помогают обнаружить препятствия, ориентироваться в пространстве и общаться дельфинам, летучим мышам, китам, долгопятам и грызунам. Также ультразвуковые волны встречаются в качестве компонентов естественных шумов, например в шуме дождя, ветра, водопада и в звуках, которые сопровождают грозовые разряды и.т.д.
Ультразвуковая сварка – это технология с помощью которой соединяют ткани (без ниток и клея) и многие другие материалы, включая пластик и металл.
Импульсный паяльник: устройство прибора
Импульсный паяльник необходим для монтажа (демонтажа) элементов электротехнических и электронных изделий. Нагревательным элементом является жало, которое изготовлено из медной проволоки (диаметр 1−3 мм) с покрытием иными металлами. Разогрев жала происходит за счет пропускания через него тока низкого напряжения. Паяльник потребляет немного электроэнергии, т. к. ток через жало проходит исключительно во время пайки. Устройство имеет преобразователь сетевого напряжения с частотой 18−40 кГц. Вторичная (силовая) обмотка соединяется с токосъемниками жала.
Основное отличие импульсного от обычного паяльника — то, что его не нужно всегда держать включенным для поддержания температуры. Нагревание жала осуществляется в течение нескольких секунд. Вот именно из-за этого устройство большую часть времени не расходует электричество.
Разновидности паяльников:
- Индукционный;
- Керамический;
- Импульсный;
- Аккумуляторный.
Паяльник своими руками: простые схемы сборки
Перед изготовлением паяльника своими руками следует определить, для чего конкретно он будет применяться и какие материалы имеются дома.
«Момент» из лампы-экономки
Составные части устройства:
- Преобразователь от энергосберегающей лампы (мощность 40 Вт);
- Трансформатор;
- Медная проволока;
- Корпус.
Характеристики преобразователя подходят для паяльника средней мощности. Безопасность устройства усиливается за счет штатного предохранителя и контроля перегрева на терморезисторе. Схема выходит очень компактной, и ее можно размещать в любом корпусе.
Трансформатор делается самостоятельно. Можно использовать ферритовое кольцо от сломанного электро-трансформатора. Первичную обмотку необходимо мотать из провода 0,5 мм, количество витков равно 100−120. А силовую делать из проволоки сечением от 3 до 3,5 кв. мм. Сделать нужно один виток. К ней крепим жало из нихромовой или медной проволки (1,5 — 2 мм). Толщина последней обмотки должна быть больше толщины жала. Далее, нужно придумать корпус устройству, сделать выключатель, и прибор готов.
Из китайского трансформатора
Для изготовления нужен либо исправный блок питания на двенадцать вольт, либо с перегоревшей вторичной обмоткой. Вполне подойдет любое китайское устройство.
Необходимо извлечь из корпуса схему, проверить исправность деталей. Преобразователь не трогаем, т. к. потребуется лишь изменить внешний вид трансформатора. Далее, удаляем вторичную обмотку, изготавливаем новую из медной проволоки (сечение должно быть 1,5−3 кв. мм). При маленьком сечении проволоку складываем вдвое. Важно общее сечение, которое будет не меньше трех квадратов. Обмотка равна одному неполному витку. Затем, осторожно продеваем ее в корпус трансформатора, первым делом согнув, как шпильку для волос. Трансформатор припаивается к плате управления, а силовую обмотку необходимо зафиксировать диэлектрическим клеем (к примеру, холодной сваркой). Далее, схему вставляем в корпус.
В качестве ручки может подойти деревянная, от обычного паяльника. Возможны другие варианты, учитывая компактность устройства в целом. В ручку вставляем не фиксируемый выключатель. Работа импульсного прибора основана на коротком замыкании вторичной обмотки, вследствие чего длительный нагрев способен привести к разрушению трансформатора и пожару. В связи с этим недопустим фиксированный пускатель. Далее, нужно собрать устройство полностью и установить зажимы для жала (например, вставки из контактной коробки для проводки). Такой прибор выходит очень компактным и удобным в использовании мелких работ при пайке. Благодаря сменному жалу можно изменять его внешний вид.
Эти варианты являются лишь небольшой долей среди разнообразия схем изготовления импульсных устройств.
Ультразвуковая пайка
Ультразвуковая пайка – это технология бесфлюсовой пайки, не требующая никаких химических веществ и использующая энергию ультразвука для спаивания таких материалов, как стекло, керамика, композиционные материалы, а также металлы, с трудом поддающиеся или совсем не поддающиеся пайке с помощью традиционных средств.
Данная технология находит всё большее применение при спаивании между собой металлических и керамических деталей, входящих в конструкцию фотоэлементов солнечных батарей, а также деталей из медицинских сплавов с памятью формы, используемых в специализированных электронных модулях и блоках датчиков.
Ультразвуковая пайка упоминается с 1955 года как метод пайки алюминия и других металлов без использования флюса.
Эта технология существенно отличается от ультразвуковой сварки. В последней энергия ультразвука используется для соединения деталей без добавления каких бы то ни было наполнителей, в то время как в традиционной (и ультразвуковой) пайке для формирования соединения применяется внешний нагрев с целью расплавления металлических наполнителей, то есть припоев. При этом ультразвуковая пайка может выполняться с помощью либо специального паяльника, либо специальной паяльной ванны.
Этот процесс может осуществляться либо автоматически при серийном производстве либо вручную при изготовлении прототипов или проведении ремонтных работ.
Изначально ультразвуковая пайка была предназначена для соединения алюминия и других металлов, однако в наши дни с появлением активных припоев можно спаивать более широкий спектр металлов, керамики и стекла.
В данной технологии применяются либо ультразвуковые паяльники с наконечником диаметром 0,5-10 мм, либо ультразвуковые паяльные ванны. В этих устройствах используются пьезоэлектрические кристаллы для генерирования звуковых волн высокой частоты (20-60 кГц) в слоях расплавленного припоя или в ванне с расплавленным припоем с целью механического разрушения оксидных плёнок, образующихся на поверхностях расплава. При этом наконечники ультразвуковых паяльников одновременно соединены с нагревательным элементом, в то время как пьезоэлектрический кристалл термически изолирован во избежание его разрушения.
Наконечники ультразвуковых паяльников способны нагреваться до 450 °C при механических колебаниях с частотой 20-60 кГц. Такой наконечник способен расплавлять металлические наполнители припоя при возбуждении звуковых колебаний в расплаве припоя. При этом вибрация и кавитация (порообразование) в полученном расплаве позволяют припоям смачивать поверхности многих металлов и сцепляться с ними.
Энергия звуковых волн, вырабатываемая наконечником ультразвукового паяльника или ультразвуковой паяльной ванной, вызывает в расплавленном припое кавитацию, которая механически разрушает оксидные плёнки, расположенные поверх слоёв самого припоя и на соединяемых металлических поверхностях.
Кавитация в ванне расплавленного припоя способна очень эффективно разрушать оксидные плёнки на поверхностях многих металлов, однако она неэффективна при пайке к керамике и стеклу, поскольку последние сами являются оксидами, а также к другим неметаллическим композиционным материалам, которые не могут быть разрушены, так как представляют собой вещество основы. В случае припаивания непосредственно к стеклу и керамике, металлические наполнители для ультразвуковой пайки должны быть легированы активными элементами, такими как индий (In), титан (Ti), гафний (Hf), цирконий (Zr), и редкоземельными элементами (церий/Ce, лантан/La и лютеций/Lu). Припои, легированные этими химическими элементами, называются «активными припоями», поскольку они напрямую воздействуют на стеклянные или керамические поверхности для создания сцепления с ними.
Технология ультразвуковой пайки находит всё большее применение, благодаря её чистоте, отсутствию флюса и сочетаемости с активными припоями, и предназначена для соединения деталей, не допускающих использования агрессивного флюса или состоящих из разнородных материалов (металлов, керамики или стекла).
Для эффективной адгезии к поверхностям должна быть разрушена собственная оксидная плёнка на активном припое, образующаяся при его плавлении, и ультразвуковая вибрация хорошо подходит для этой цели.
Применение
Настольные ультразвуковые ванны применяют для горячего лужения деталей и выводов электронных компонентов, а ультразвуковые паяльники — для пайки и металлизации керамических и ферритовых материалов. Применение современных электронных источников ультразвуковых колебаний делает пайки надежным, экологически чистым процессом, исключает применение флюсов.
Для процессов ультразвукового пайки в электронике достаточно изучены без свинцовые сплавы на основе олова: двойные Sn-Zn, Sn-Bi, тройные: Sn-Bi-In, Sn-Bi-Zn, Sn-In-Ag, Sn-Sb-Zn, Sn-Sb-Ag и четвертной сплав: Sn-Zn-In-Sb. Все эти сплавы имеют температуру плавления в диапазоне температур 135 … 220 ° С.
Безфлюсове ультразвуковое пайки является экологически чистым процессом и экономнее, поскольку такие операции, как флюсования и очистки, требующих затрат времени и материалов, исключаются. Безфлюсове пайки в ряде случаев является необходимым условием внутреннего монтажа и герметизации микроэлектронной аппаратуры. С помощью ультразвуковых металлизации и пайки соединяют материалы, плохо поддаются пайке: никелевые, алюминиевые, магниевые и титановые сплавы, а также неметаллические материалы: керамику, стекло, ферриты. Это создает возможность экономии драгоценных металлов, нанесенных на диэлектрические поверхности электронных компонентов в качестве металлизации.
При выборе припоев для ультразвукового безфлюсового пайки и лужения различных материалов следует учитывать их способность к пайке, химическим сродством материалов паяемые и возможность создания качественного соединения согласно диаграмме состояния сплавов. Применение бессвинцовых припоев с добавлением Zn, In, Ag приводит к увеличению адгезионной активности расплава и снижает их окисления при ультразвуковом пайке.
