RU2631438C2

RU2631438C2 - Method of ultrasonic welding of solid and bundle conductors from non-ferrous metals

Info

Publication number: RU2631438C2
Application number: RU2015153613A
Authority: RU
Inventors: Евгений Гермесович Зайцев
Original assignee: Евгений Гермесович Зайцев
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2017-09-22
Also published as: RU2015153613A; WO2017105276A1

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: weldable conductor parts are pre-wetted with a liquid evaporating flux in the form of brine, for example, based on ammonium nitrate. Welding is carried out in a wet state. In the process of welding, the liquid flux base is evaporated, which reduces the temperature of the tool surface in the contact zone, and a part of the dissolved flux material passes into the finely dispersed phase and deposits on the surface of the welding tool, forming a heat-insulating microlayer.

EFFECT: invention allows to improve the quality of welded joints of solid and bundle conductors from non-ferrous metals.

3 cl

Description

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.The invention relates to ultrasonic welding of single-core and multi-core wires, mainly automobile and aviation, both coated and not coated with insulation, between themselves and with other details. The invention is intended for welding wires between each other and with other elements, including in the manufacture of aircraft, automobile and other wire harnesses.

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.).A device for ultrasonic welding is known, which contains a receiving gap for placing in it the connected film layers between the working plane of the emitter and the working plane of the stop of the ultrasonic device. The emitter or emphasis is placed with the possibility of applying a welding force having a component that is directed against gravity during welding, which prevents the welding line from shifting and improves the quality of welds (RF patent No. 2447977, 08.08.2007, publ. 20.04. 2012).

Однако известное изобретение не предназначено для сварки одножильных и многожильных проводов из цветного металла.However, the known invention is not intended for welding single-core and multicore wires of non-ferrous metal.

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).A known method of thermocompression welding, mainly a metal conductor with silicon, in which an initial pressure is applied to the parts, heated with a V-shaped electrode, and then additional pressure is applied during the period of maximum speed of the plastic conductor of the metal conductor (USSR AS No. 719830).

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.The disadvantage of this method is its complexity, since it is necessary to first lay the insulated conductor in a polyamide thermoplastic film, then cut off the conductor with a special knife device at a given angle, in addition, it is necessary to clean the conductor from insulation.

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.).Closer to the claimed invention is a method of pressure welding of metal leads, in which an initial pressure is applied to the parts and ultrasonic vibrations are additionally applied to the V-shaped electrode during the initial pressure. Heat them with a V-shaped electrode. Then apply additional pressure and the amplitude of the oscillations is reduced to zero. By reducing the pressure when welding the leads on the chip and increasing the physical contact area of the surfaces to be connected, the reliability of power semiconductor devices increases (RF patent No. 2271909, 01/08/2004, publ. 03/20/2006).

Недостатком известного способа является высокая зависимость прочности сварного соединения от степени окисления поверхности жил проводов и низкая повторяемость процесса.The disadvantage of this method is the high dependence of the strength of the welded joint on the degree of oxidation of the surface of the wire strands and low repeatability of the process.

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).There is also known a method of ultrasonic welding of wires coated with insulation, with each other and with other parts, in which the wires are pre-bent at an angle of at least 45 degrees to the direction of propagation of ultrasonic vibrations (USSR AS No. 302925, publ. 15.09.81, bull. No. 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.The disadvantage of this method is the possibility of adhesion of the welded joint to the welding tool, increased thermal deformation of the cores of wires in contact with the welding tool, trimming of individual cores of multicore wires, low repeatability of the process.

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.Ultrasonic welding of metals, thanks to new advances in the development of welding systems, is becoming more widely used every year and allows us to solve unique problems in the electronic, electrical, automotive industries, as well as in the production of batteries, capacitors, solar panels and water heating systems.

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.The equipment for ultrasonic welding, regardless of the materials being welded, consists of a high-frequency generator, a control unit, a mechanical oscillating system and a pressure actuator. An ultrasonic generator converts the current of the electric network into a high-frequency current, which, when a signal is received from the control unit, is supplied to the piezoelectric elements of the oscillatory system. The conversion of high-frequency electric current oscillations into mechanical ones and their introduction into the welding zone is provided by a mechanical oscillatory system, which consists of a converter (converter), a booster (amplifier) and a waveguide (sonotrode) and is the most important unit of ultrasonic welding technology.

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.In the process of ultrasonic welding of metals, the vibrational movements of the waveguide, together with the pressing force, are transmitted to the upper welded parts, which are movable relative to the lower part mounted on the anvil, and to each other, as a result of which friction occurs between the welded parts with a certain frequency and amplitude, therefore, ultrasonic welding can classified as mechanical friction welding with high frequency without introducing welding current into the welding zone. In the process of welding, micro-displacements of parts relative to each other cause abrasion of roughnesses, partial destruction of oxide films and the occurrence of setting nodes. With increasing temperature in the welding zone, due to friction and further deformation of the welded parts, an increase in the ductility of the surface layers of the metal is observed. All this leads to the growth of setting zones, diffusion of one material into another, local melting of the upper atomic layers and the appearance of interatomic bonds. The strength of welded joints with existing technologies does not exceed 70% of the strength of the base material.

В автомобилестроении ультразвуковая сварка используется при соединении медных, алюминиевых многожильных проводов жгутов электропроводки.In the automotive industry, ultrasonic welding is used when connecting copper, aluminum stranded wires of wiring harnesses.

Фирмы производители оборудования: Telsonic AG, Schunk Sonosistems Gmbh и т.д. (см., например, сайт www.mashport.ru).Equipment manufacturers: Telsonic AG, Schunk Sonosistems Gmbh, etc. (see, for example, the site 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.A disadvantage of the known methods of ultrasonic welding is the possibility of adhesion of the welded joint to the welding tool, increased thermal deformation of the conductors of the wires and their tightening in the gaps between the tools, trimming of individual conductors of stranded wires, a high dependence of the strength of the welded joint on the degree of contamination and oxidation of the surface of the conductors of wires, oxygen content in the composition of the metal, a large dependence of the repeatability of the process on the instability of the properties of the wires along their length, increased wear and tear gostoyaschih welding tools.

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.The objective of the invention is to remedy these disadvantages, as well as increasing the stability of the ultrasonic welding process and guaranteed obtaining the strength of welded joints to a level exceeding the strength of the welded elements.

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.The problem is solved by the proposed method for ultrasonic welding of single and multicore wires of non-ferrous metals between each other and with other parts, in which the wires and parts are pre-wetted in the welded part with liquid evaporating fluxes, for example, based on a solution of ammonium nitrate, and ultrasonic welding of wet wires and parts .

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.The proposed method of ultrasonic welding is as follows. Before welding wires and parts, they are pre-wetted in a liquid evaporating flux, which can be, for example, a 1% solution of ammonium nitrate. After that, wet wires and parts are placed in the welding zone of the ultrasonic machine and welding is carried out according to the standard method. Various saline solutions can be used as flux. The essence of the invention lies in the fact that upon evaporation under the influence of a high temperature of the liquid flux on the surfaces to be welded, diffusion intensifies due to the intensification of grinding (cleaning and lapping) of the surfaces of the wires to be welded, cleaning (restoration of oxides on the surface of the wires) to pure copper, the stain area increases welding contact, eliminating possible intergranular corrosion. Intensive heat generation during the welding process evaporates the liquid flux base, due to which the surface temperature of the tool in the zone of contact with the welded elements is significantly reduced, it is released in dry form, which does not react with metal oxides, a part of the substance dissolved in the flux, which goes into a finely dispersed phase, deposited on the surfaces of welding tools and serves, due to the formation of a microlayer, an additional heat-insulating protection - which is an additional factor in increasing the stability of otsessa and tool life. When servicing the tool, this microlayer is easily removed with a wet wipe. As a result of this, the strength of the welded joint increases by breaking and tearing, the resistance of the welding tool increases by 60-80% due to additional heat removal during the evaporation of the liquid component of the flux, adhesion of the welded joint to the welding tool is excluded, and increased deformation of the wire conductors in the tool contact zone is excluded , trimming of individual conductors of stranded wires is excluded, the stability of the process of ultrasonic welding is increased significantly, the quality of the weld is increased, the value of electric electrical resistance in the welded joint, the resistance of the welded joint to vibration and aging increases.

Изобретение позволяет существенно повысить стабильное качество сварных соединений одножильных и многожильных проводов из цветных металлов.The invention allows to significantly increase the stable quality of welded joints of single-core and multicore wires of non-ferrous metals.

Claims

1. The method of ultrasonic welding of wires of non-ferrous metals with each other, characterized in that the welded parts of the wires are pre-wetted with liquid evaporating flux in the form of a saline solution, and then they are welded in a wet state.

2. The method according to p. 1, characterized in that they use a flux based on ammonium nitrate.

3. The method according to p. 1, characterized in that they carry out the welding of single-core and multicore wires.