Top 5 Halbleiterschweißverfahren

Dieser Artikel beleuchtet die fünf wichtigsten Festkörper-Schweißprozesse. Dies sind: 1. Schmiedeschweißen 2. Reibungsschweißen 3. Explosionsschweißen 4. Thermokompressionsverklebung 5. Diffusionsverklebung.

Festkörper-Schweißprozess Nr. 1: Schmiedeschweißen:

Schmiedeschweißen oder Schmieden ist das älteste bekannte Schweißverfahren, und seine Verwendung wurde aus dem Jahr 1400 v. Chr. Berichtet. Bei diesem Verfahren werden die zu schweißenden Teile auf über 1000 ° C erhitzt und dann zusammengelegt und durch Hämmern einem Schlag ausgesetzt. Bei der neueren Form des großen Schweißens wird der Druck durch Walzen, Ziehen und Quetschen aufgebracht, um die Schmiedewirkung zu erreichen.

Die Oxide werden aufgrund der Gestaltung der Werkstücke und / oder der Verwendung einer geeigneten Temperatur sowie von Flussmitteln ausgeschlossen. Für das Schmieden von kohlenstoffarmen Stählen üblicherweise verwendete Flussmittel sind Sand, Flussspat und Borax. Sie helfen beim Schmelzen der Oxide, wenn sie gebildet werden.

Die richtige Schweißung der Werkstücke ist die wichtigste Schweißgröße, die die Verbindungsqualität steuert. Eine unzureichende Erwärmung kann eine Verbindung nicht beeinträchtigen, während eine Überhitzung zu einer spröden Verbindung mit geringer Festigkeit führt. Außerdem neigen die überhitzten Stücke dazu, oxidiert zu werden, was sich durch das schwammige Aussehen zeigt.

Die am häufigsten verwendeten Verbindungen sind Schal-, Stumpf-, Spalt- und Wickeltypen, wie in Abb. 2.32 gezeigt.

Ein hervorragendes lebendes Beispiel für geschmiedete Bauteile aus alten Zeiten ist die Eisensäule von Delhi, die 7-6 m lang ist und einen durchschnittlichen Durchmesser von 350 mm hat und 5, 4 Tonnen wiegt. Heutzutage wird das Verfahren hauptsächlich zum Schweißen von kohlenstoffarmen Stahlteilen verwendet, die üblicherweise für landwirtschaftliche Geräte in ländlichen Gebieten von Ländern der Dritten Welt verwendet werden.

Halbleiterschweißprozess # 2: Reibschweißen:

Beim Reibschweißen wird ein Stück stationär gehalten und das andere wird im Spannfutter einer Reibschweißmaschine gedreht. Wenn sie unter Druck gegeneinander gerieben werden, werden sie durch Reibung erhitzt. Wenn die gewünschte Schmiedetemperatur im gesamten Reibquerschnitt der Werkstücke erreicht wird, wird die Rotation plötzlich angehalten und der axiale Druck erhöht, um eine Schmiedewirkung und somit ein Verschweißen zu bewirken. Diese Methode wird seit 1945 für das Schweißen von Thermoplasten eingesetzt, wurde jedoch erstmals im Jahr 1956 erfolgreich mit Metallen verschweißt.

Die zum Reibschweißen verwendete Maschine ähnelt einer Drehmaschine, ist jedoch robuster. Die wesentlichen Merkmale der Maschine sind, dass sie einem hohen axialen Druck in der Größenordnung von 50.000 N / cm² standhalten und eine hohe Spindeldrehzahl von bis zu 12.000 U / min bereitstellen können, obwohl der übliche Bereich selten 5000 U / min überschreitet.

Eine weniger verbreitete Variante des Verfahrens heißt INERTIA WELDING, bei der das Schweißen durch Drehen eines Schwungrads erreicht wird, das sich im gewünschten Moment löst und innerhalb der festgelegten Zeit zum Stillstand kommt, wodurch die Bremseinheit entfällt. Abb. 2.33 zeigt die Prinzipien von Reibschweißverfahren mit kontinuierlichem Antrieb und Trägheitstyp.

Reibschweißen ist ein Hochgeschwindigkeitsverfahren, das für das Produktionsschweißen geeignet ist. Erste Versuche sind jedoch erforderlich, um die Prozessparameter für einen bestimmten Auftrag zu standardisieren. Das Reibschweißen von zwei Teilen dauert selten mehr als 100 Sekunden, bei kleinen Bauteilen jedoch nur etwa 20 Sekunden.

Eines der zu reibverschweißenden Teile muss rund sein, was die Verwendung dieses Verfahrens stark einschränkt. Es erfreut sich jedoch zunehmender Beliebtheit und kann die meisten Metalle und ihre unterschiedlichen Kombinationen wie Kupfer und Stahl, Aluminium und Stahl, Aluminium und Titan usw. verschweißen. Typische Anwendungen des Verfahrens umfassen das Schweißen von Bohrmeißeln an Schäften, dh Motorventilen Köpfe an den Vorbauten, Nabenende der Hinterachse an den Achsgehäusen.

Festkörperschweißprozess Nr. 3. Explosionsschweißen:

Beim Spreng- oder Explosionsschweißen wird die Schweißnaht erreicht, indem ein Teil mit einer sehr hohen, aber Unterschallgeschwindigkeit gegen das andere schlägt. Dies wird durch die Verwendung von Sprengstoffen erreicht, die üblicherweise auf Ammoniumnitratbasis basieren. Der Vorgang ist in Mikrosekunden abgeschlossen.

Der prinzipielle Aufbau für das Explosionsschweißen ist in Abb. 2.34 dargestellt. Es zeigt die zwei zu verschweißenden Platten, die zueinander geneigt angeordnet sind. Der eingeschlossene Winkel variiert zwischen 1 ° und 10 °. Die dickere Platte, die als Zielplatte bezeichnet wird, wird auf einem Amboss platziert, und die dünnere Platte, die als Flyerplatte bezeichnet wird, hat eine Pufferplatte aus PVC oder Gummi zwischen sich und der Sprengladung, um sie vor Oberflächenschäden zu schützen.

Die Ladung wird durch einen Detonator explodiert, der an einem Ende der Flyerplatte angeordnet ist. Wenn die Ladung explodiert, bewegt sich die Flyerplatte mit einer Geschwindigkeit von 150 bis 550 m / s in Richtung der Zielplatte, und der Druck, der an der Grenzfläche der aufprallenden Platten durch eine derart hohe Geschwindigkeit erzeugt wird, liegt in der Größenordnung von 70.000 bis 700.000 N / cm ²

Bei einer so hohen Geschwindigkeit und einem so hohen Druck strömt das Metall vor der Verbindungsfront und wirkt wie ein Fluidstrahl, was zu einer Verbindung des Verriegelungstyps führt, wie in Abb. 2.35 gezeigt. Dieses Ineinandergreifen ist ein wesentlicher Aspekt einer Explosionsschweißung und ist der Grund für seine Festigkeit. Es kann eine Schweißnahtfestigkeit erreicht werden, die der Stärke der schwächeren der beiden Komponenten (Metalle) entspricht.

Explosionsschweißen ist normalerweise ein Verfahren im Freien und benötigt eine große Fläche, um Personen abzuwehren, die sich in der Nähe des Explosionsortes aufhalten, insbesondere wenn eine explosive Ladung hoher Festigkeit explodiert werden muss.

Das Explosionsschweißen kann zum Schweißen unterschiedlicher Metallkombinationen wie Kupfer und Stahl, Aluminium und Weichstahl, Aluminium und Inconel (76% Ni + 15% Cr + Fe), Aluminium und Edelstahl usw. verwendet werden. Es kann auch zum Schweißen von Tantal verwendet werden, Titan und Nickelkomponenten.

Typische Anwendungen für das Explosionsschweißen umfassen das Plattieren von dicken Platten mit dünnen Platten, sogar Folien. Rohr-Wannen-Blechverbindungen in Wärmetauschern, Ventil-Rohr-Verbindungen sowie das Blockieren von undichten Rohren in Kesseln können durch dieses Verfahren erfolgreich erreicht werden.

Halbleiterschweißverfahren Nr. 4. Thermokompressionsverklebung :

Es ist ein Druckschweißverfahren, das bei einer Temperatur von über 200 ° C angewendet wird. Das Verfahren befasst sich hauptsächlich mit kleinen Komponenten in der Elektro- und Elektronikindustrie zum Schweißen von feinen Drähten mit einem Durchmesser von etwa 0, 025 mm an Metallfolien auf Glas oder Keramik.

Es gibt viele Versionen des Verfahrens, von denen drei in Abb. 2.41 dargestellt sind und als Meißel- oder Keilbindung, Kugelbindung und Parallelbindung bezeichnet werden. In der Meißel- oder Keilverbindung wird ein Draht unter Druck verformt und mit Hilfe eines keilförmigen Eindringkörpers mit der Folie verschweißt. In der Kugelverbindung wird ein Draht durch eine Mikro-Wasserstoff-Flamme erhitzt, um eine Kugel an der Drahtspitze zu bilden, wie in Fig. (B) gezeigt, die anschließend durch den durch den durchbohrten Eindringkörper ausgeübten Druck mit dem erhitzten Film auf dem Substrat verschweißt wird.

Bei der Parallelspaltverbindung wird der Draht oder Streifen mit Hilfe einer Doppelelektrode aus hochohmigem Material wie Wolfram an die Folie gedrückt. Der Stromfluss durch den Draht oder das Band erwärmt sich lokal, wodurch die Wärme auf die kleine Zone begrenzt wird.

Bei all diesen Varianten des Prozesses wird eine lokale Inertatmosphäre um die zu verklebende Verbindung geschaffen. Ultraschallvibrationen ersetzen die Erwärmung in einigen Anwendungen aller dieser Prozessarten.

Kommerzielle Anwendungen des Verfahrens umfassen das Schweißen von Edelmetallen, Aluminium und Kupfer auf Substraten aus Glas oder Keramik.

Halbleiterschweißprozess Nr. 5. Diffusionsverklebung:

Beim Diffusionsschweißen oder Diffusionsschweißen wird eine Schweißnaht durch Anwendung von Druck in der Größenordnung von 5 bis 75 N / mm ^{2 erreicht}, während die Stücke auf einer hohen Temperatur gehalten werden, normalerweise etwa 70% des Schmelzpunkts in absoluten Graden, dh etwa 1000 ° C für Stahl. Das Verfahren basiert auf einer Festphasendiffusion, die offensichtlich mit dem Temperaturanstieg beschleunigt wird.

Die Diffusion in Metallen erfolgt aufgrund freier Gitterplätze oder entlang der Korngrenzen und wird durch die folgende mathematische Beziehung ausgedrückt:

D = D ₀ e ^-ERT

woher,

D = Diffusionsgeschwindigkeit

D ₀ = Konstante mit der gleichen Dimension wie D,

E = Aktivierungsenergie,

R = Gaskonstante

T = Absolute Temperatur, bei der die Werkstücke gehalten werden.

Je nach dem erforderlichen Ausmaß der Diffusion kann der Prozess in 2 bis 3 Minuten abgeschlossen sein oder viele Minuten oder sogar Stunden dauern. Die Qualität der zu schweißenden Oberflächen spielt eine wichtige Rolle. Eine Oberfläche von guter Qualität, die auf einen Standard von 0-4 bis 0-2 µm * CLA (Mittellinien-Durchschnitt) gedreht, gefräst oder geschliffen wurde, ist normalerweise ausreichend. Die Oberfläche muss vor dem Schweißen mit einem Aceton- oder Petrolether-Tupfer entfettet werden.

Das Vorhandensein von Oxidschichten auf den zu verbindenden Oberflächen behindert die Diffusion, wird jedoch im Laufe der Zeit abgebaut. Metalle, die ihre eigenen Oxide wie Eisen und Titan lösen, binden sich daher leicht. Im Gegensatz dazu sind Metalle, die harte feuerfeste Oxidschichten bilden, wie Aluminium, schwer diffusionsverschweißbar.

Die Diffusionsverbindung kann durch drei Methoden erreicht werden:

1. Gasdruckverklebung

2. Vakuumschmelzkleben und

3. Eutektisches Fusionsbonden.

Beim Gasdruckbinden werden die Teile in einer inerten Atmosphäre zusammengehalten und durch ein System, das einem Autoklaven ähnelt, auf eine Temperatur von 800 ° C erhitzt. Während des Aufheizens sorgt der hohe Druck für einen gleichmäßigen Druck auf allen Oberflächen. Dieses Verfahren wird nur zum Binden von NE-Metallen verwendet, da für Stähle hohe Temperaturen erforderlich sind.

Beim Vakuumschmelzkleben werden die Teile in einer Vakuumkammer in innigem Kontakt gehalten. Der Druck auf die Teile wird durch mechanische Mittel oder eine Hydraulikpumpe aufgebracht, und das Erwärmen erfolgt auf dieselbe Weise wie beim Gasdruckschweißen. Abb. 2.42 zeigt ein schematisches Diagramm für das Vakuumschmelzkleben.

Es muss ein Vakuumpumpsystem verwendet werden, das den Druck schnell auf etwa 10 ^-3 Torr (mm Quecksilber) reduzieren kann. Durch den Einsatz mechanischer oder hydraulischer Mittel erzeugter hoher Druck ermöglicht es, Stähle nach diesem Verfahren zu diffusionsverbinden. Ein erfolgreiches Fügen von Stahl kann bei einer Temperatur von etwa 1150 ° C unter einem angelegten Druck von nahezu 70 N / mm ^{2 erreicht werden} .

Beim eutektischen Schmelzverbinden wird ein dünnes Stück eines bestimmten Materials zwischen den zu schweißenden Oberflächen angeordnet. Dies führt zur Bildung einer eutektischen Verbindung durch Diffusion bei erhöhter Temperatur, und das Stück kann vollständig verschwinden und eutektische Legierung (en) an der Grenzfläche bilden. Das Material, das zum Platzieren zwischen den beiden Teilen verwendet wird, ist üblicherweise ein unähnliches Metall in Folienform mit einer Dicke von 0-005 bis 0-025 mm.

Diffusionsbonden kann verwendet werden, um unterschiedliche Metalle zu verbinden, z. B. Stahl kann mit Aluminium, Wolfram, Titan, Molybdän, Cermets (Verbindungen von Keramiken und Metallen), Kupfer mit Titan, Titan mit Platin usw. verschweißt werden. Elektronik-, Instrumentenbau-, Raketen-, Flugzeug-, Nuklear- und Luftfahrtindustrie.

Typische Anwendungen für das Diffusionsbonden umfassen das Kippen schwerer Schneidwerkzeuge mit Hartmetallspitzen oder harten Legierungen, das Verbinden von Vakuumröhrenkomponenten, die Herstellung von Hochtemperaturheizelementen aus Molybdändisilizid für Widerstandsöfen, die in einer oxidierenden Atmosphäre bis zu 1650 ° C betrieben werden können. In der Luft- und Raumfahrtindustrie wird es zur Herstellung komplex geformter Bauteile aus Titan aus einfachen Strukturformen verwendet. Es wird auch für Oberflächenbeläge verwendet, um Verschleiß, Hitze oder Korrosion zu widerstehen.