artigo - ultrasonic welding 2

8/12/2019 Artigo - Ultrasonic Welding 2

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U L T R S O N IC W E L D I N G

b y H . P . C . D A N I E L S

A f t e r a g e n e r a l i n t r o d u c t i o n a n d a d e s c r i p t i o n o f t h e a p p a r a t u s a s u r v e y i s g i v e n o f t h e

v a r i a b l e s i n v o l v e d i n u l t r a s o n i c w e l d i n g i n p a r t i c u l a r t h e p r e s s u r e t h e p o w e r a n d t h e w e l d -

i n g t i m e a n d a l s o t h e i r m u t u a l d e p e n d e n c e . I t i s s h o w n t h a t t h e p h y s i c a l p r o p e r t i e s a n d t h e

d i m e n s i o n s a n d t h e s t a t e o f t h e s u r f a c e o f t h e m a t e r i a l s u n d e r t e s t a l s o p l a y a n i m p o r t a n t

r o l e . M o s t m e a s u r e m e n t s h a v e b e e n c a r r i e d o u t o n a l u m i n i u m a n d c o p p e r .

T h e r e i s n o t e n o u g h d a t a a v a i l a b l e t o g i v e a d e t a i l e d e x p l a n a t i o n o f t h e m e c h a n i s m o f

u l t r a s o n i c w e l d i n g . W h e n t h e w e l d i n g c o n d i t i o n s a r e k n o w n h o w e v e r a r e p r o d u c i b l e w e l d

c a n b e o b t a i n e d . T h e s e i n v e s t i g a t i o n s h a v e b e e n c o n f i n e d t o m e t a l w e l d i n g

l J u r i n g t h e la s t t e n y e a r s u l t r a so n i c w e ld i n g h a s b e c o m e

i n c r e a s i n g l y v e r s at il e . A l t h o u g h t h e e ar l y w o r k w a s m a i n l y

c o n f i n e d t o s o f t a l u m i n i u m f o i l , i t w a s s o o n r e a l i s e d t h a t

t h e p r o c e s s c o u l d b e u s e d s u c c e s s f u l l y in j o i n i n g s u c h

m a t e r i a l s a s c o p p e r , n i c k e l , t i t a n i u m , z i r c o n i u m , a n d s o m e

o f th e i r a ll o y s. A t t e m p t s t o w e l d c o m b i n a t i o n s o f d i s-

s i m i l a r m e t a l s a l s o r e s u lt e d i n b o n d s o f s u r p r i s i n g l y g o o d

q u a l i t y a n d s t r e n g t h . I t i s a l s o p o s s i b l e to j o i n m e t a l s to

n o n - m e t a l s , e . g . m e t ' , d l e a d s t o g e r m a n i u m , s i l i c o n a n d

g la ss .

A P P A R A T U S

T h e r e a r e s e v e ra l d e s i g n s o f u l t r a s o n i c w e l d e r . O n e o l

t h e s e , n a m e l y a s p o t - w e l d e r d e s i g n f o r w e l d i n g m e t a l s , i s

sc he m a t i c a l ly g ive n in F ig . 1 . T h e e le c t r i c pow e r o f a n

e l e c t r o n i c g e n e r a t o r i s f e d t o a p i e z o m a g n e t i c ( m a g n e t o -

s t r i c t i ve ) t r a nsduc e r , w h ic h c onve r t s t he a .c . e l e c t r i c a l

p o w e r i n t o a m e c h a n i c a l v i b r a t i o n . S i n c e t h e e x c u r s i o n

a m p l i t u d e o f t h e l o n g i t u d i n a l l y v i b r a t i n g t r a n s d u c e r i s t o o

s m a l l , a m e c h a n i c a l a m p l i t u d e t r a n s f o r m e r i s u s e d t o

i n c r e a s e i ts a m p l i t u d e . T h e e x t r e m e e n d o f t h i s t r a n s f o r m e r

a c t s a s a w e l d i n g ti p . T h e r e a r e s e v e r a l s h a p e s f o r t h i s

t r a n s f o r m e r , t e . g . b i c y l in d r i c a l , e x p o n e n t i a l , c o n i c a l ,

c a t e n o i d a l ~ a n d G a u s s i a n J , 3 T h e y a l l g i v e d i f f e re n t

a m p l i t u d e t r a n s f o r m a t i o n r a t io s a n d h a v e d if f e re n t s tr e ss

d i s t r i b u t i o n s . I t m u s t b e n o t e d t h a t th e G a u s s i a n t r a n s -

f o r m e r , i n c o n t r a s t t o t h e o t h e r s ( e s p e c i a l l y t h e b i c y l i n -

d r i c a l ) , s h o w s a c o n s t a n t s t r e s s a m p l i t u d e a l o n g t h e a x i s .

T h e t r a n s f o r m a t i o n r a t i o is n o t t he o n l y c o n s i d e r a t io n in

t h e d e s i g n o f a t r a n s f o r m e r i f h i g h i n t e n si t ie s a r e r e q u i r e d .

O b v i o u s l y t h e m a x i m u m v e l o c it y a m p l i t u d e a t a w e ld i n g

t i p is li m i t e d b y t h e d y n a m i c s t r e n g t h o f th e t r a n s f o r m e r

m a t e r i a l a n d c o n s e q u e n t l y b y th e s t r e ss d i s t r i b u t i o n i n s id e

t h e t r a n s f o r m e r . T y p i c a l t r a n s f o r m a t i o n r a t io s a re g iv e n

i n T a b l e I .

I n t h e p r e s e n t e x p e r i m e n t s a b i c y l in d r i c a l t r a n s f o r m e r

w a s u s e d . A s i n al l m e t a l w e l d e r s a s t a t i c c l a m p i n g f o r c e

i s e x e r t e d i n a d i r e c t i o n n o r m a l t o t h e t r a n s f o r m e r a x i s , i . e .

n o r m a l t o th e d i r e c t i o n o f v i b r a t i o n . S i n c e t h e w e l d i n g t i p

c a n s l i p a l o n g t h e f ir s t m a t e r i a l a n d / o r s i n ce t h e s e c o n d

m a t e r i a l c a n s l i p a l o n g t h e a n v i l , e n e r g y c a n b e d i s s i p a t e d

a t i n t e r f a c e s o t h e r t h a n t h e o n e b e t w e e n t h e m e t a l s b e i n g

w e l d e d . B u t b y c h o o s i n g s u i t a b l e m e t a l s f o r t h e a n v i l a n d

the w e ld ing t i p t h i s e ne r gy lo ss c a n be l im i t e d , W e use d a

w e l d i n g t i p o f t i t a n i u m a l l o y I . C . I . 3 18 A a n d a n a n v i l o f

ha rde ne d s t e e l .

L o a d i n g t h e s y s t e m c h a n g e s t h e i m a g i n a r y p a r t o f t h e

a c o u s t i c a l i m p e d a n c e a n d , c o n s e q u e n t l y , t h e m e c h a n i c a l

* P h i l i p s R e s e a rc h L a b o r a t o r i e s N . V . P h i l i p s ' G l o e i l a m p e n f a b r i e k e n

E i n d h o v e n - N e t h e r l a n d s

r e s o n a n c e f r e q u e n c y o f t h e w h o l e v i b r a t i n g s y s te m . S i n c e

m o s t g e n e r a t o r s r e q u i r e a r e a l, o r a t l e a s t a n a p p r o x i m a t e l y

r e a l, l o a d t h e y s h o u l d b e t u n e d m o r e o r l e s s c o n t i n u o u s l y t o

t h e v a r y i n g r e s o n a n c e f r e q u e n c y o f t he a c o u s t i c a l s y s t e m

u n d e r o p e r a t i n g c o n d i t i o n s . I n o u r e x p e r i m e n t s a f e e d b a c k

s y s t e m w a s u s e d i n t w o o f th e s p o t - w e l d e r s t o a u t o m a t i c a l l y

a d j u s t t h e g e n e r a t o r t o t h e m o m e n t a r y r e s o n a n c e f r e q u e n c y

e l t h e v i b r a t i n g s y s t e m .

A de s ign o f a n u l t r a son ic se a m- w e lde r i s g ive n in F ig . 2.

In t h i s w e lde r t he w ho le v ib ra t ing sys t e m ro t a t e s , i . e . t he

p i e z o m a g n e t i c t r a n s d u c e r a s w e l l a s t h e a m p l i t u d e t r a n s -

f o r m e r . T h e a n v i l a l s o r o t a t e s , b u t i n t h e o p p o s i t e d i re c t i o n ,

a n d a t t h e s a m e p e r i p h e r a l s p e e d a s th e w e l d i n g ti p . T h e

v i b r a t i o n i s t h e r e f o r e p e r p e n d i c u l a r t o t h e d i r e c t i o n i n

w h i c h t h e w o r k p i e c e s a r e m o v i n g .

Fou r d i f f e re n t se t -ups w e re u se d , a s show n in T a b le 2 .

VARIABLES IN ULTRA SONIC WEL DING

T h e a c t i o n o f u l t r a s o n i c w e l d i n g is a s f ol l o w s . T w o w o r k -

p i e c e s , w h i c h a r e c l a m p e d b e t w e e n t h e w e l d i n g t i p a n d t h e

a n v i l , a r e r u b b e d a g a i n s t o r a l o n g e a c h o t h e r b y t h e

v i b r a t i n g t i p . T h i s v i b r a t i o n c a u s e s f r ic t i o n a t th e i n t e r f a c e

b e t w e e n t h e t w o w o r k p i e c e s . T h e f r i c t i o n c le a n s th e

c o n t a c t s u r f ac e b y p u l v e r i zi n g a n d p a r t l y r e m o v i n g c o n -

t a m i n a n t s a n d o x i d e l a y e r s , a n d c o n t r i b u t e s t o t h e f o r m a -

t i o n o f s m a l l s p o t - w e l d s w h i c h g r o w i n t o a w e l d .

A p a r t f r o m f r e q u e n c y a n d a m b i e n t t e m p e r a t u r e w h i c h

a r e u s u a l l y m o r e o r l es s f i xe d , t h e r e a r e t h r e e i m p o r t a n t

va r i a b l e s w h ic h c a n in f lue nc e the qua l i t y o f t he w e ld ,

V e l o c i t y

Piezomagnetic ransducer

[ o P o w e r

I I t~ ~ amplifier

I I

D I I I ~ g e n e r a t o r )

I I ~ I ~2o~c /s

i b , , |

~ P i e z o e l e c t r i c p i c k u p

d

[ 1 4 Veloc,ty ransformer

L ~ bicylindricol)

/ ~1 8 5//

n a x i a l d i r e c t i o n

Weld ing t ip

Workp~eces

F i g . I. U l t r a s o n i c s p o t w e l d i n g a p p a r a t u s

190 ULTRASONIcs/October December 965


2/7

Ta bl e 1 TRANSFORMATION RATIO FOR VARIOUS TRANSFORMER SHAPES 12 00

Transformer shape

B i c y l i n d r i c a l

C o n i c a l

E x p o n e n t i a l

Catenoidal ( d-2-dl

= c a s h

71 j

G a u s s i a n 4 A / 4 c y l i n d e r

Velocity transformer ratio

N 2

N ( c o s N - I

k l - -Nk l S i nk l )

N

N. --

c o s

k,l

(1 + 2

In N2) 1 -

= dl 2r r k / = 2r r

l i n p u t d i a m e t e r N = ~{ ~ , k = X ' ~ '

d ., = o u t p u t d i a m e t e r

/ = l en g th k s = ( k ) 2 4 - 7 2

Ta bl e 2 ULTRASONIC WELDERS USED IN THE AUTHOR'S EXPERIMENTS

Type of

weld

Maximum

electrical

power (W)

i 35

S p o t w e l d 1 0 0

2 0 0 0

S e a m w e l d 6 0 0

Frequency

[kc/s]

2 0

4 0

2 0

2 0

Manufacturer

P h i l i p s ,

N e t h e r l a n d s

S o n o w e l d , U . S . A

M u l l a r d , U . K .

L e h f e l d t ,

G e r m a n y

Motional

feed

back

Y e s

N o

Y e s

N o

n a m e l y th e c l a m p i n g f o r c e , t h e u l t r a s o n i c p o w e r , a n d t h e

w e l d i n g t i m e .

T h e s e v a r i a b l e s m u s t b e a d j u s t e d t o t h e r i g h t v a l u e s f o r

t h e v a r i o u s c o m b i n a t i o n s o f m a t e ri a l s , d i m e n s i o n s a n d

s h a p e s o f th e p a r t s b e i n g w e l d e d .

T h e c l a m p i n g f o r c e F i s n e c e s s a r y f o r a n i n t i m a t e c o n t a c t

b e t w e e n t h e w o r k p i e c e s , s o t h a t t h e v i b r a t i o n e n e r g y c a n

b e d e l i v e r e d t o t h e s u r f a c e t o b e w e l d e d .

W h e n t h e u l t r a s o n i c p o w e r P i s c h a n g e d d u r i n g w e l d i n g ,

t h e v i b r a t o r y a m p l i t u d e i s c h a n g e d , a n d h e n c e a l s o t h e

d y n a m i c s t re s s i n t h e w e l d s u r f a c e . T h e p o w e r s h o u l d n o t

b e t o o h i g h n o r t o o l o w . I f p o w e r i s t o o h i g h , th e l a r g e

Velocity t

in axial

direction

Clamping orce

i~___~ t rans fo__rmer

We t i p =

W ---

/ Anvil --==

Bail bearings

I000

. ~ r

n B O O

C

,2

u 6 0 0

o

+2

_E 4 0 0

.A

200

1

Copper-nickel

(45-55)

Thickness 0-3ram

W elding im e O.Ssec

~ J C o p p ? ~

~ ~ . AI m in i m

0 50 I00 150

Clamping orce, F [kg]

F ig . 3 . Re la t io n b e tw een th e lo w er l imi t o f t h e e lec t r ica l p o w er an d th e

c l amp in g f o r ce f o r a lu min iu m, co p p e r an d co p p e r - n i ck e l

d y n a m i c i n t e r r a c i a l s t r e s s e s w i l l d a m a g e t h e w e l d ; i t i t i s

t o o l o w ,, n o w e l d w il l b e m a d e . I t i s g e n e r a l l y f o u n d t h a t

t h i c k o r h a r d m a t e r i a l s r e q u i r e m o r e p o w e r t h a n t h i n a n d

s o f t m a t e r i a l s . S i n c e e n e r g y is t h e p r o d u c t o f p o w e r a n d

t h e t h i r d m a i n v a r i a b l e , w e l d i n g t i m e , a n d s i n c e t h e t h i c k -

n e s s a n d h a r d n e s s p r i m a r i l y d e t e r m i n e th e a m o u n t o f

Exponen tial velocity 1

Piezomagnetic

transducer

l . . . .

e n e r a t o r

--~20kc/s

F ig . 2 . U l t r a s o n ic co n t in u o u s s eam-

w e ld in g mach in e

c ULTRASONics~October -December 1965

1 9 1


3/7

e n e r g y t h a t i s r e q u i r e d , t h e w e l d i n g t i m e h a s a l s o t o b e

t a k e n i n t o a c c o u n t .

T h e f r e q u e n c y c a n b e c h o s e n o v e r a w i d e r a ng e , f r o m

b e l o w 1 0 0 c / s t o m o r e t h a n 1 0 0 , 0 0 0 c / s. F o r p r a c t ic a l

r e a s o n s i t is c h o s e n b e t w e e n 1 5 k c / s a n d 4 5 k c / s .

I n th e f o l l o w i n g d i s c u s s i o n a w e l d w i l l b e d e f i n e d a s g o o d

i f i t d o e s n o t f a i l w h e n a n u g g e t i s t o r n o u t i n th e p e e l i n g

t e st . S u c h a g o o d w e l d c a n o n l y b e r e a l iz e d w h e n t h e

a b o v e m e n t i o n e d v a r i a b l e s h a v e t h e ri g h t v a lu e s . W h a t

t h o s e v a l u e s a r e d e p e n d s o n t h e p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h e

m a t e r i a l s u n d e r t e s t a n d o n th e i r s u r f a c e st a te . T h e v a r i a b l e s

a r e d e p e n d e n t o n e a c h o t h e r . A fe w o f t h e s e i n t e r - r e la t i o n s

w i l l n o w b e d i s c u s s e d .

T h e l o w e r l i m i t o f t h e e l e c t r i c a l p o w e r P n e c e s s a r y t o

m a k e a g o o d w e l d d e p e n d s o n t h e c l a m p i n g f o r c e F , w h e n

t h e o t h e r v a r i a b l e s a r e k e p t c o n s t a n t . T h i s r e l a t i o n i s

s h o w n i n F i g . 3 f o r d i f fe r e n t m e t a l s w i t h t h e s a m e t h i c k n e s s

a n d i n F ig . 4 f o r v a r i o u s t h i c k n e s s e s o f c o p p e r . T h e s o l i d

l in e s in F i g . 4 g i v e t h e l i m i t i n g p o w e r b e l o w w h i c h n o g o o d

w e l d c o u l d b e o b t a i n e d . F r o m t h e s e g r a p h s i t is s e e n t h a t

e a c h

F P

c u r v e s h o w s a m i n i m u m . M o r e o v e r t h e d a s h e d -

d o t t e d l in e p a s s in g t h r o u g h t h e s e m i n i m a i n F i g . 4 p o i n t s t o

a l i n e a r r e l a t i o n b e t w e e n t h i c k n e s s a n d t h e o p t i m u m

c l a m p i n g f o r c e F ,, ~ ,. T h e r e l at i o n f o r c o p p e r - t o - c o p p e r

w e l d s w i t h a s h e e t t h i c k n e s s t o f u p t o 0 . 3 m m is f o u n d t o b e

F ..... 62 180 t (k g)

M o r e o v e r i t i s i n t e r e s t i n g t o n o t e t h a t F i g . 4 e n a b l e s t h e

r e l a ti o n s h i p t o b e e s t a b li s h e d b e t w e e n t h e m i n i m u m p o w e r

f o r a g o o d w e l d P , , , a n d t h e t h i c k n e s s t . I t is f o u n d t o b e a

p r o p o r t i o n a l i t y a s s h o w n i n F i g . 5 .

T h e m i n i m u m e l ec t ri c al p o w e r n e c e s s a r y f o r a w e ld

d e p e n d s o n t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e a p p a r a t u s , t h e e ff i ci e n c y

o f t h e t r a n s d u c e r a n d a l s o o n t h e m a t c h i n g b e t w e e n t h e

t r a n s d u c e r , t h e t r a n s f o r m e r a n d t h e l o a d o n t he o n e s id e

a n d t h e e l e c t r i c a l g e n e r a t o r o n t h e o t h e r s i d e .

I t s h o u l d b e n o t e d t h a t i n t h e w e l d i n g o f m a t e r i a l s w i t h

d i f f e r e n t t h i c k n e s s e s , t h e t h i n n e r m a t e r i a l m u s t b e p l a c e d

n e a r e r t h e w e l d i n g t i p , i n o r d e r t o l i m i t t h e e n e r g y d i s -

s i p a t i o n i n t h e t h i c k e r m e m b e r a n d t o p r e v e n t s t r o n g

d e f o r m a t i o n o f t h e t h i n n e r p l a t e , w h i c h is u s u a l l y o b s e r v e d

wh e n i t i s p l a c e d n e a r e r t h e a n v i l .

I n F i g . 6 t h e b r e a k i n g f o r c e is g i v e n f o r a l u m i n i u m w e l d s

a s a f u n c t i o n o f t h e w e l d i n g t i m e f o r a g i v e n e l e c t ri c a l

p o w e r a n d c l a m p i n g f o rc e . F r o m t h is o n e c o n c l u d e s t h a t :

1 . Th e b r e a k i n g s t r e n g t h i s l i t t l e l o we r t h a n t h e t e n s i l e

s t r e n g th . T h e b r e a k i n g s t r e n g t h f o r t h e a l u m i n i u m

w e l d h a v i n g a w el d ar e a o f a p p r o x i m a t e l y 9 . 5 m m is

f o u n d t o b e a b o u t 8 . 5 k g / m m 2 , w h i l s t t h e t e n s i le

s t r e n g t h o f t h e a l u m i n i u m u s e d i n t h e p r e s e n t e x p e r i -

m e n t s i s 10 k g / m m .

2 . T h e b r e a k i n g f o r c e d o e s n o t d e c r e a s e a t l o n g e r w e l d i n g

t i m e s ( g r e a t e r t h a n 5 s e c) . C o n s e q u e n t l y , m e t a l

f a ti g u e m u s t b e r u l e d o u t f o r a l u m i n i u m .

3 . T h e r e i s a p e a k i n t h e c u r v e a t a w e l d i n g t i m e o f a b o u t

0 . 8 s e c. T h i s w a s a l so f o u n d b y W e a r e a b u t u p t o n o w

t h e r e h a s b e e n n o e x p l a n a t i o n o f i t.

4 . T h e b u i l d - u p o f a w e l d is a c o n t i n u o u s p r o c e s s .

CONDITIONS FOR OBTAINING A GOO D WELD

i n t h e p r e c e d i n g s e c t i o n i t w a s s h o w n t h a t o b t a i n i n g a g o o d

w e l d d e p e n d s o n t h e p o w e r , t h e c l a m p i n g F o r c e , a n d t h e

w e l d i n g t i m e , b u t t h e s e in t u r n d e p e n d o n t h e p h y s i c a l

d i m e n s i o n s a n d p r o p e r t i e s o f t h e m a t e r ia l t o b e w e l d e d.

T h i s w i l l n o w b e d i s c u s s e d i n s o m e d e t a i l .

8

o._ 6 0 0

,2

o

G

B

E 4O0

u~J

; 2 0 0 - -

o p p e r (a n n e a l e d ) ]

We l di ng t i m e I 0 se c

P= f (F) ( l im i t i ng va lues)

- - - - F o p = 6 2 + 1 8 0 t I

~ f .=O'0 6 r r~m

% ~ 4 , / i

_ J

0(~ 50 Fop I O0 Fopt 150 2~0

C l a m p i n g f o r ce , F [kg ]

Fig. 4 . Relat i on between the lower l imit of the electr ical

p o ~ c r

and the

clam ping force for copper of dif ferent thicknesses , namcl) 0 .06, 0"1, 0 .2

and 0"3 mm

4 o 0 [

o

E 200--

E

Z

0 ~

0

~ o p p e r a n n e a l e d

I We l d i n g t i m e I -Ose c

I C l a m p i n g f o r c e

Fo p = 6 2 + 1 8 0 t

T

J

i [

J

0 I 0 2 0 . 3

T h i c k n e s s , t [ m m ]

Fig. 5 . (Above) Mini mum electr ical power related lo thickness of coppm

r

i

6 O

~ o

2 o ~ - - -

A l u m i n i u m ( T I 3 6 )

T h i c k n e s s 0 ' S m m

i

C l a m p i n g

f o r c e 8 0 k 9 7

E l e c t r i c a l p o w e r 2 8 0 W

I

i [ t

1

_ i J

s ~ o ~5 2 2 5 3 o

We l d i n g t i m e [ se c ]

Fig. 6 . Breaking force as a function of welding t ime

192

ULTR ASON iCs~October December 1965


4/7

dimensions

e e n t h e t h i c k n e s s o f t h e m e t a l s h e e t a n d

l l u s t r a t e d in F i g . 4 a n d 5 . I n a d d i t i o n

i n f l u en c e o f t h e l e n g t h o f t h e m e t a l s t r i p s .

i n a p a i r o f t o n g s a n d

p a n d t h e a n v i l . T h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e

I t is f o u n d t h a t t h e q u a l i t y o f t h e w e l d o s c i ll a t es a s a

f t h e s t r i p le n g t h b e t w e e n t h e b l o c k e d a n d t h e

e d e n d s . T h i s is p r o b a b l y c o n n e c t e d w i t h o s c i l la t i o n s

h e e n e r g y d i s s i p a t i o n i n t h e s t r ip s b e c a u s e o f m e c h a n i c a l

a t s o m e l e n g t h s o f s tr i p .

n c e o f t h e k i n d o f m a t e r i a l h a s a l r e a d y b e e n

o n s t r a t e d i n F ig . 3. T h e h a r d n e s s o f t h e m e t a l i s a ls o

v e r y i m p o r t a n t f a c t o r . T h e h a r d e r t h e m e t a l t h e h i g h e r

u m p o w e r t o m a k e a w e ld .

A w e l d b e t w e e n m e t a l s w i t h a d i f f e r e n t h a r d n e s s n e e d s a

a w e ld o f t h e h a r d e r m e t a l ( F ig . 8 ). M o r e o v e r ,

t m e n t o f th e c l a m p i n g f o r c e i s o f t e n m o r e c r i t ic a l .

n d i t i o n o f th e s u r f a c e o f th e w o r k p i e c e s a n d o f t h e

s o f g r e a t i m p o r t a n c e . C u r v e s b a n d c o f F i g . 9 s h o w

y r o u g h e n e d , r e s p e c -

l y , b e f o r e t h e w e l d i n g e x p e r i m e n t . T h e b r e a k i n g f o r c e

w o r k p i e c e s , s o t h a t l e s s f r i c t io n a l e n e r g y h a s

v e r e d t o t h e c o n t a c t s u r f a c e . C o n s e q u e n t l y t h e

c t s u r f a c e s a n d r o u g h s u r f a c e s o n th e o p p o s i t e ( ti p

a n v i l ) s i d es . T h e s c a t t e r i n g o f t h e e x p e r i m e n t a l v a l u e s

o f t h e s u rf a c e r o u g h n e s s . R o u g h e n i n g t h e a n v i l

i n g i m p r o v e s t h e r e s u lt s , a s d e m o n s t r a t e d b y

e s i s n o t v e r y i m p o r t a n t a n d m a y b e

is n o t t o o s e ve re . F o r

t h e c o a t i n g o f t h e w i r e h a v in g b e e n

l y r e m o v e d . H o w e v e r , c le a n s u r f ac e s g i v e a b e t t e r

i l i t y , s o t h a t p r i o r c l e a n i n g i s r e c o m m e n d e d ? ,'5

I O

8 0

o

~ 0 3 u p o n l 6o w O . D m r n [

~ 6 0

' ~ 4 O

~ 20

C l a m p i n g f o r c e 2 0 k g |

_ _ W e l d in g t i m e I s e c

W i d t h 1 0 7 m m

T h i c k n e S s 0 . 3 a n d 0 5 m m

I

2 0 3 0 4 0

D i s t a n c e b e t w e e n t h e b l o c k e d e n d

a n d t h e w e ld i n g t i p [ m m ]

5 0

F i g . 7. R e l a t i o n b e t w e e n t h e w e l d si z e a n d t h e l e n g t h o f t h e w o r k p i e c e s

F i g . 8 . W e l d i n g o f s i m i l a r a n d d i s s i m i l a r m e t a l s h e e t s . F i r s t m e n t i o n e d

s h e e t o f e a c h p a i r i s p l a c e d a t t h e t i p s i d e , s e c o n d s h e e t a t t h e a n v i l s i d e

8 O O

n

o ~ 6 0 0

Q.

1_

~ 4 0 0

4~

+z_

A i u m [ n i u m

|

# p p e r 1

V C o p p e r -

a l u m i n i u m

I S h e e t t h i c k n e s s 0 . 3 t u r n

W e l d i n g t i m e I s e c

Copper copper

~ 2 O 0 - - ~ . , , ~ ~

o~Pmin m-

._1 ] a [ u r n i n i u m

o I

0 F o p 5 0 1 O 0

C l a m p i n g f o r c e , F [ kg ]

1 5 0 2 0 0

U L T R A S O N I C W E L D I N G

s t a r t o f t h e w e l d i n g p r o c e s s t h e r e i s a r e c ip r o c a t i n g

d i n g f r i c ti o n o f th e c o n t a c t s u r f a c e s o f t h e w o r k p i e c e s .

i n g t h i s i n i t ia l s t a g e th e s u r f a c e l a y e r s o f c o n t a m i n a n t s

a r e p u l v e r i z e d a n d p a r t l y r e m o v e d . O w i n g t o t h e

n t h e c o n t a c t a r e a , t h e t e m p e r a t u r e w i l l r is e . I n

o f th e c o n t a c t a r e a w a s

b y m e a s u r i n g t h e t h e r m o e l e c t r i c e .m . f , b e t w e e n

w o r k p i e c e s d u r i n g w e ld i ng . T h e e x p e r i m e n t a l m a x i m u m

e r e n o t h i g h er t h a n a b o u t 4 0 % o f th e m e l t i n g

p o i n t o f t h e m e t a l e x p r e s s e d i n d e g re e s c e n t ig r a d e . S i m i l a r

v a l u e s h a v e b e e n f o u n d b y W e a r e , 4 J o n e s , ~ B a l a d i n 6 a n d

O k a d a . 7 I t s h o u l d b e n o t e d t h a t i t i s e x t r e m e l y d i f f ic u l t t o

o b t a i n m e a n i n g f u l d a t a , s i n c e t h e t h e r m o e l e c t r i c e . m . f .

r e p r e se n t s t h e a v e r a g e t e m p e r a t u r e f o r t h e w h o l e c o n t a c t

a r e a a n d n o t t h e m a x i m u m t e m p e r a t u r e o c c u r r i n g a t sm a l l

s p o t s d u r i n g w e ld i n g . I n f ri c t i o n e x p e r i m e n t s , B o w d e n a n d

T a b o r s h av e f o u n d h i g h t e m p e r a t u r e p e a k s a t s m a l l s p o ts .

I t i s i n t e r e s t i n g t o n o t e t h a t i n t h e p r e s e n t e x p e r i m e n t s

c r o s s - s e c t i o n s o f u l t r a s o n i c w e l d s d i d n o t s h o w m e l t i n g

ULTRASONics~October December 1965

193


5/7

p h e n o m e n a . M o r e o v e r , u n d e r a m i c r o - s c a n a n a l y s e r, w i t h

a r e s o l u t i o n o f a b o u t I a m , n o d i f f u s io n c o u l d b e o b s e r v e d

o n a c o p p e r - t o - n i c k e l w e l d. O k a d a 7 w h o a l s o u s e d a

m i c r o - s c a n a n a l y s e r , w a s n o t a b l e t o d e t e c t d i f f u s i o n i n t h e

i n t e r f a c e e i t h e r. T h e r e f o r e t h e m e c h a n i s m is u n l i k e l y t o b e

e x p l a i n e d a s a m e l t i n g p r o c e s s . W e b e l i e ve t h a t t h e

e x p l a n a t i o n s h o u l d b e s o u g h t in a p r o c e s s o f p la s t i c

d e f o r m a t i o n . W e s h a l l d e s c r i b e t h is i d e a b r ie f ly .

O w i n g t o t h e s l i d i n g f r i c t i o n t h e c o n t a c t s u r f a c e i s

c l e a n e d . I n t h i s c l e a n e d s u r f a c e s m a l l s p o t w e l d s a re

m a d e . T h e n u m b e r o f sm a l l s p o t w e l d s o n t h e c l e a n e d

s u r f a ce i n c re a s e s b y t h e j o i n t a c t i o n o f t he s t e a d y c l a m p i n g

f o r c e a n d t h e a l t e r n a t i n g t a n g e n t i a l v i b r a t i o n . A t s o m e

p o i n t d u r i n g a w e l d c y c le t h is f r i c t io n p r o c e s s m n s t s t o p ,

o t h e r w i s e t h e i n it ia l s p o t w e l d s w i ll b e d e s t r o y e d b y t h e

r e l a ti v e m o v e m e n t o f t h e w o r k p i e c e s . A s t e a d y s t a t e is

r e a c h e d i n f o r m i n g a n d d e s t r o y i n g s m a l l s p o t w e ld s . T h i s

a l o n e w o u l d i m p l y t h a t t h e b r e a k i n g f o r c e o f a w e l d is m u c h

l o w e r t h a n t h e te n s i le s t r e n g t h , w h i c h is c o n t r a r y t o w h a t

is s e e n i n F i g . 6 . T h e r e f o r e a n o t h e r m e c h a n i s m , q u i t e

d i s t i n c t f r o m s l i d i n g f r i c ti o n , m u s t c o m p l e t e t h e w e l d .

T h e g r o w t h o f t h e i n it ia l j u n c t i o n s m u s t b e a s c r i b e d t o t h e

c o m b i n e d n o r m a l a n d s h e a r s tr e ss e s (s ee a l s o B o w d e n a n d

T a b o r P S i n c e t h e d e f o r m a t i o n d e c r e a s e s w i t h in c r e a si n g

h a r d n e s s , u n d e r t h e s a m e s h e a r s t r e s se s , i t i s e a s y t o s e e

t h a t h a r d e r m e t a ls n e e d m o r e e n e r g y .

APPL ICAT IONS

Weld ing o f meta l to meta l

Welding of sheets. U l t r a s o n i c w e l d i n g a p p a r a t u s m a k e s

p o s s i b l e t h e w e l d i n g o f s i m i l a r a n d d i s s i m i l a r m e t a l s h e e ts .

I n F i g . 1 0 a r e v ie w i s g i v e n o f w e l d a b l e a n d u n w e l d a b l e

m a t e r ia l s a n d c o m b i n a t i o n s o f m a t er i al s .

B o t h m e t a l t o m e t a l a n d m e t a l t o n o n - m e t a l j o i n t s c a n b e

m a d e . T h e l a tt e r a re d i s c u s s e d in t h e n e x t s e c t i o n . I n t h e

w e l d i n g o f d i s s i m i l a r m e t a l s h e e ts , e .g . c o p p e r t o a l u m i n i u m ,

i t m a k e s a d i f f e re n c e w h e t h e r t h e a l u m i n i u m o r t h e c o p p e r

s h e e t is p l a c e d n e a r e r t h e w e l d i n g t i p . T h i s i s s h o w n i n

F i g . 8 . M o r e o v e r , t h e s a m e g r a p h c l e a rl y i n d i c a t e s t h a t t h e

c o p p e r - t o - a l u m i n i u m a n d a l u m i n i u m - t o - c o p p e r w e l d s r e -

q u i r e m i n i m u m e l e c t r i c a l p o w e r , w h e r e a s t h e o p t i m u m

c l a m p i n g f o r c e F . . . . . i s l o w e r t h a n t h e F,.,,, f o r a l u m i n i u m - t o -

a l u m i n i u m a n d c o p p e r - t o - c o p p e r w e l ds . I n a d d i t i o n i t is

d e m o n s t r a t e d t h a t t h e w e l d i n g o f d i s s i m i l a r m e t a l s is m o r e

cr i t i ca l .

S o m e t i m e s , t h e p o s i t io n o f th e w o r k p i e c e s i s i m p o r t a n t

t o p r e v e n t w e a r b e t w e e n t h e w e l d i n g t i p a n d t h e s h e e t m e t a l

a d j a c e n t t o i t. F o r i n s t a n c e , i n t h e w e l d i n g o f t i t a n i u m t o

a l u m i n i u m w i t h a t i t a n i u m w e l d i n g t i p , i t i s n e c e s s a r y t o

p l a c e th e a l u m i n i u m n e x t t o t h e t ip .

Welding o[ wires. I t i s p o s s i b l e , w i t h v a r i o u s m e t a l s , t o

we l d w i r e s t o p l a t e s o r s h e e t s a s we l l a s to o t h e r wi r e s . T o

w e l d a w i r e t o a p l a t e , a g r o o v e c a n b e m a d e i n t h e w e l d i n g

t i p in o r d e r t o i m p r o v e i ts g r i p o n t h e w i r e. T h i s is s k e t c h e d

i n F i g . 1 1 . I t wa s f o u n d t h a t t h e i n i t i a l s t r e n g t h o f th e wi r e

w a s a l m o s t r e t a in e d w h e n b o t h e n d s o f t h e g r o o v e w e r e

c u r v e d u p w a r d s . S e e F i g , l i D .

WeM ing of wir ex upon evaporated m etal layers .

It is

p o s s i b l e t o w e l d w i r e s u p o n m e t a l l a y e r s e v a p o r a t e d o n a

g l a s s s u b s t r a t e , p r o v i d e d t h e a d h e s i o n o f t h e l a y e r t o t h e

g l a s s is s a t i s f a c t o r y . N o d i s t u r b a n c e o f t h e l a y e r w a s

o b s e r v e d w h e n a l u m i n i u m , c o p p e r o r g o l d w ir e s w e r e

w e l d e d to n i c k e l - c h r o m i u m - n i c k e l l a y e rs e v a p o r a t e d o n a

g l a s s s u b s t r a t e . T h e t h i c k n e s s o f t h e la y e r w a s a b o u t

80 l I

6 Z

o 4 o

m I

S a n d b l a s t e d

i ~ p o l ish e d a lu m i n i u m

GP;llsUhe%ConlVLinium

Gro u n d a n v i l

s m o o t h g r o u n d

a t u m l n i u m

A l u m i n i u m T I 3 6 ) 0 8 m m

C l a m p i n g f o r c e 8 0 k g

We l d i n g t i m e O-S se c

0

0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0

E l e c t r i c a l p o w e r [ W]

Fig. 9. The influence of the surface state of workpieces and anvil on the

.b~caking force of a weld

6 E

E E u~ E

. _ ~ m o 0 , J

@ L O O ~ @

+ O O q

o / o

o o l l l l o i - - F l ~ l l [ l l ~ t o l o l

b

I I I I l [ l l l l t

l li o ~ o

~ l l H o l I I I II ] 1 I II I l ~ l l l l l ~ l l ] l

i t o i i d I o l

o , , o , , o , i

o I II IU [ I ~ t l l l l I ~ t I

o I l i l l I I

I o I I I I I I I I II I o l

I I I I l ll l l j o j

1 o l i I I I I l I I I I

o I I I I i ; , 1 I

I~111111

Iol ] I01

C O O

O . . . . D . . . .

1 1 1 1 1 1 A l u m i n i u m

] I B e r y l l i u m

IIIIII ra s s

M S 5 8

IIII op p er

C o p p e r n i c k e l

F e r n i c o

G e r m a n i u m

G l a s s

G o l d

L e a d

M a g n e s i u m

N i l M o l y b d e n u m

I I N icke l

I Niobium

P a l l a d i u m

I I P l a t i n u m

S i Fco n

I II S i l v e r

I I S t a i n l s t e e l

I II I S t e e l

T a n t a l u m

Tin

T i t a n i u m

T u n g s t e n

V a n a d i u m

Z i n c

Z i r c o n i u m

Fig. IO. Joints ma de with ultrasonic welding appa ratu s up to Spring 1965

1 9 4

ULTRASONics/October-December 1965


6/7

. . . .

A

Wire before wel din g ~

Wire ofter welding

Cross section o b

0 . 5 àm . I n s p e c t i o n t h r o u g h t h e b a c k o f t h e g l a ss d i d n o t

r e v e a l a n y d a m a g e t o t h e l a y e r. T a b l e 3 g i v es t h e s h e a r

s t r e n g t h f o r t h e s e m e t a l s w e l d e d t o n i c k e l - c h r o m i u m - n i c k e l

l a y e r s .

T a b l e 3 WIRE THICKNESS, MINIMUM ELECTRICAL POWER, AND SHEAR

STRENGTH FOR SOME METALS WELDED UPON A

( N I - C R ) - N I

LAYER

EVAPORATED ON GLASS. WEL DI NG TIME 0" 45 SEC.

Wire th ic k ne s s

Me tal t zm)

A1 150

Au 100

Cu 100

M i n i m u m

e le c t r ic a l pow e r

W )

v i b r a t i o n

c

She ar s t r e ngth

k g / m m 2 )

1 5 > 2*

1 5 1 5 2

2 1 7-2

* On loading the aluminium wires after welding to the evaporated metal

layer, the wires broke at the deformed edg e of the we ld at a loa d on the

weld of 2 kg/mmL

W e l d i n g o f m e t a l t o n o n - m e t a l

A s m e n t i o n e d a l r e a d y , n o t o n l y m e t a l t o m e t a l w e l d s b u t

a l s o m e t a l t o n o n - m e t a l w e l d s c a n b e m a d e . T a b l e 4 g iv e s

a s u r v e y o f s o m e w e l d e d m a t e r i a l s a n d t h e t h i c k n e s se s i n

q u e s t i o n . I t m u s t b e n o t e d t h a t t h is is n e i t h e r t h e m i n i m u m

n o r th e m a x i m u m t h i c k n e s s . M o r e o v e r th e s e m e t a l s h a v e

b e e n c h o s e n q u i t e a r b i t r a r il y . T h e w e l d s w e r e m a d e w i t h

t h e 1 00 W a n d t h e 3 5 W s p o t w e l d e r s m e n t i o n e d i n T a b l e 2 .

S i n c e t h e s p o t w e l d e r s h a v e n o t t h e s a m e e l e c t r o a c o u s t i c

e f fi c ie n c y, t h e r e l a t i o n b e t w e e n t h e p o w e r p e r u n i t a r e a o f

t h e w e l d a n d t h e t h i c k n e s s is n o t l i n e a r f o r t h e a l u m i n i u m

w i r e s i l i c o n w e l d s . T h e 2 0 0 à m a l u m i n i u m w i r e w a s w e l d e d

w i t h t h e 3 5 W s p o t w e l d e r , w h i c h h a s a h i g h - e ff i c i e n c y

c e r a m i c f e r r o x c u b e t r a n s d u c e r , q u i t e o p p o s i t e t o th e l o w

Fig. 11. The shape o f a grooved welding tip

for w elding wires on plates

e f f ic i e n cy l a m i n a t e d m e t a l l i c t r a n s d u c e r o f t h e 1 00 W s p o t

w e l d e r .

T h e d a t a o f T a b l e 4 c l e a rl y d e m o n s t r a t e s t h a t i t is m o r e

d i ff i cu l t t o w e l d a n a l u m i n i u m w i r e t h a n a n a l u m i n i u m f o il

t o n o r m a l p l a t e g l a ss . I n a d d i t i o n a l u m i n i u m w i r e s a n d

g o l d w i r e s w e r e w e l d e d o n e v a p o r a t e d l a y e r s o f g o l d ,

a l u m i n i u m a n d n i c k e l h a v i n g gl a s s a s a s u b s t ra t e . T h e r e

w a s a g o o d e l e c t ri c a l c o n t a c t b e t w e e n t h e t w o m e t a l s ,

a l t h o u g h i n s p e c t i o n t h r o u g h t h e b a c k o f th e g l as s re v e a l e d

t h a t t h e w e l d s o n e v a p o r a t e d g o l d a n d a l u m i n i u m l a y e r s

w e r e m o r e l ik e w e l d s b e t w e e n t h e m e t a l w i r e a n d t h e g l as s .

T h i s d i d n o t p e r t a i n t o t h e e v a p o r a t e d n i c k e l l a y e r. C o n -

s e q u e n t l y , it is p o s s i b l e t o w e l d m e t a l w i r e s t o a n e v a p o r a t e d

a l u m i n i u m o r g o l d la y e r , b u t o w i n g t o th e s m a l l a d h e s i o n

b e t w e e n t h e e v a p o r a t e d m e t a l l a y e r a n d t h e g l as s , t h e m e t a l

l a y e r u n d e r n e a t h t h e w e l d is r e m o v e d w h e n t h e n e c e s s a r y

s h e a r i n g f o r c e i s a p p l i e d d u r i n g t h e w e l d c y c l e , s o t h a t t h e

m e t a l i s w e l d e d t o t h e g l a s s .

T h e c o n t a c t w i r e s o f s i li c o n a n d g e r m a n i u m t r a n s i s t o r s

c a n b e w e l d e d t o e l e c t ro d e s e v a p o r a t e d o n t o t h e s e m i -

c o n d u c t i n g m a t e r i a l . E x p e r i m e n t s w e r e a l s o c a r r i e d o u t o n

t r a n s i s t o r s w i t h o u t e v a p o r a t e d e l ec t r o d e s . F o r in s t a n c e ,

a l u m i n i u m a n d g o l d w i re s w e r e w e l d e d s u c c e s s f u ll y u p o n

t h e e m i t t e r a n d b a s e o f a p - n - p s i l i co n t r a n s i s t o r . D e c r e a s i n g

t h e t h i c k n e s s o f t h e p - t y p e l a y e r f r o m 5 a m t o 0 5 à m o n

t o p o f a t h i c k n - t y p e s i l i co n m a t r i x d o e s n o t d i s t u r b t h e

t r a n s i s t o r p r o p e r t i e s . C o n s e q u e n t l y u l t r a s o n i c w e l d i n g

d o e s n o t i n t r o d u c e s e v e r e s t r a i n s o r d i s lo c a t i o n s . W h e t h e r

t h e r e is a n e v a p o r a t e d m e t a l l a y e r b e tw e e n t h e w i r e a n d

t h e s i l ic o n m a t r i x o r n o t , t h e p - n j u n c t i o n i s n o t d i s t u r b e d .

I n t h e p r e s e n t e x p e r i m e n t s t h e t h i c k n e s s o f th e w i r e s w a s :

a l u m i n i u m , 8 0 ` am a n d 1 0 0 a m ; g o l d , 1 5 , 2 5 , 7 0 a n d 1 0 0 ` am .

E x a m p l e s o f m i s c e l l a n e o u s a p p l i c a t i o n s i n c l u d i n g b o t h

m e t a l t o m e t a l t o n o n - m e t a l w e l d i n g a r e i l l u s t r a t e d i n

Fig . 12 .

I t s h o u l d b e n o t e d t h a t b o t h s i m i l a r ( F i g . 1 2 n ) a n d

d i s s i m i l a r m a t e r i a l s c a n b e s e a m w e l d e d . H o w e v e r , t h e

e l e c t r o a c o u s t i c e f fi c i e nc y o f s e a m - w e l d e r s i s s m a l l e r t h a n

Ta bl e 4 KI ND OF MATERIAL, THICKNESS CHOSEN, MINIMUM ELECTRICAL POWER, AND OPTIMUM CLAMPING FORCE FOR SOME METAL TO NON-METAL

WELDS MADE WITH THE | 00 W (a ) AND 35 W (b) SPOT WELDERS DESCRIBED IN TABLE 2

M a t e r i a l

Tip s ide [ An vil s ide

A1 1 Ge

AI Si

AI W ire siSi

AI | Fused quar tz

AI ) Sod a g lass

AI fo i l Sod a g lass

Thic k ne ss m ic ron)

Tip s ide An vil s ide

200 1000

200 i 4000

80 4000

100 4000

200 2000

200 2000

100 2000

M i n i m u m

Spot e le c t r i c a l

we lde r pow e r pe r

unit area

W / m m 2 )

b

b

a

a

b

b

b

100

140

1

300

165

215

3 5 - 4 0

O p t i m u m

c lamping

f o r c e

k g)

570

470

325

4500

4OO

4OO

2900

U L T R A S O N i c s / O c t o b e r - D e c e m b e r 1 9 6 5

195


7/7

F i g . 12 . E xa m p l e s o f m i s -

c e l l a n e o u s a p p l i c a t i o n s

A T i n - p l a t e d c o p p e r w i r e

w e l d e d u p o n a l u m i n i u m

f o i l

o f 10tzm by f o u r s p o t w e l ds

B P l a s t i c - c o a t e d c o p p e r w i r e

w e l d e d u p o n

c o p p e r p r i n t e d

c i r c u i t

C, D

P l a s t i c - c o a t e d c o p p e r w i r e s

w e l d e d u p o n

c o p p e r w i r e s

a n d t i n - p l a t e d c o p p e r w i r e s

E G ol d w i r e s w e l de d u pon

e v a p o r a t e d n i c k e l l a y e r s (0-5

Fro1 on a g l a s s s u b s t r a t e

F G ol d w i r es ( 18 / ~m d i a m e t e r )

w e l d e d u p o n a l u m i n i u m

l a y er s e v a p o r a t e d o n

a

s i l ic o n s u b s t r a te . A l s o n o t e

w e l d s u p o n l e a d s o f t h e

t r a n s i s t o r

G T h e r m o c o u p l e w el d ed u p o n

a g l a s s s u b s t r a t e . T h e t h r e e

p a r t s h a v e b e e n j o i n e d s i m u l -

t a n e o u s l y . S o f a r o n l y

a l u m i n i u m a n d n i c k e l w i re s

c a n b e w e l d e d u p o n g l a s s

H

A l u m i n i u m

(60 / , rn

t h i c k )

w e l d e d u p o n a l u m i n i u m 1 5 0

tLm

t h i c k . S e a m

weld

l c m 0 .5 cm

t

l c m l c m

I

, /

E F

1 I

l c m

G

I I I t

0 2 c m 1 c m l c m

t ha t o f s po t - w e l de r s ow i ng t o t he ge om e t r i c a l l i m i t a t i ons

i m p o s e d b y t h e r o t a t i n g v e l o c i t y t r a n s f o r m e r a n d w e l d i n g

t i p s y s t e m . The w e l d i ng - t i p has no w t he for m o f a f le xur a l

d i s c r e s o n a t o r w h i c h is l o a d e d a t o n e p o i n t o n l y a s s h o w n

i n F i g . 2 . I n t h i s c as e t he pow e r t r ans f e r f r om t he r e s onat i ng

w e l d i ng - t i p t o t he w or kpi e c e s de pe nds m or e c r i t i c a l l y on

t he k i nd o f ac ou s t i c l oad i ng v i z . t he k i nd and t he th i c kne s s

o f t h e s h e e ts a n d t h e m a g n i t u d e o f t h e c la m p i n g f o r c e.

C O N C L U S I O N S

A s t o t he pr ac t i c a l r e s u l ts o f t he u l t r as on i c w e l d i ng e xpe r i -

m e n t s de s c r i be d i n t h i s pape r t he f o l l ow i ng c onc l us i on s c an

b e d r a w n :

1 . S i m i l ar and d i s s i m i l ar m e t a l s c an be w e l de d .

2 . T h e m i n i m u m e le c tr i ca l p o w e r r e q u i re d a t t h e o p t i m u m

c l am p i ng f or c e i s pr op or t i on a l t o t he t h i c kne s s o f the

s h e e ts a n d d e p e n d s o n t h e k i n d o f m e t a l b e in g w e l d e d .

3 . The opt i m um c l am pi ng f or c e i s l i ne ar l y r e l a t e d t o t he

thic kn ess t of the shee t viz. F . .. . ~ i /~t .

4 . O w i n g t o v a r io u s m e c h a n i c a l r e s o n a n c e fr e q u e n c ie s o f

t he w or kpi e c e s i t i s o f t e n ne c e s s ar y t o b l oc k t he

w or k pi e c e s i n par t i c u l ar s he e t s a t s om e opt i m um

di s t anc e f r om t he us e f u l c l am pi ng po i n t .

5 . The s ur f ac e s t at e i n par t i c u l ar t he de gr e e o f r oughne s s

i s o f gr e a t i m por t anc e . Po l i s he d c ont ac t sur f ac e s and

r oughe ne d s ur f ac e s on t he t i p and t he anv i l s i de s o f

t h e w o r k p i e c e s a r e r e c o m m e n d e d .

6 . C l e an i ng t he c ont ac t s ur f ac e s i s no t ne c e s s ar y t hough

s o m e t i m e s r e c o m m e n d e d .

7 . W e l d i ng w i r e s t o s he e t s or w ir e s r e qu i r es t he us e o f a

gr oove i n t he w e l d i ng t i p .

8 . Wi r e s or f o i l s c an be w e l de d t o m e t a l l aye rs e vapor a t e d

on g l a s s s ubs t r a t c s pr ov i de d t he bond s t r e ngt h

between the layer and the g lass i s suf f i c ient ly s trong.

9 . We l ds c an be m ade be t w e e n m e t a l s and non- m e t a l s .

e . g . m e t a l s t o s il i c on or ge r m ani um .

A C K N O W L E D G M E N T S

T h e a u t h o r i s

i nde bt e d t o

D r . T h . P . J . B o t d e n a n d

C . M . van der Bur gt f or d i s c us s i ons and he l p f u l c om m e nt s

on t he m anu s c r i p t . Th ank s ar e a l s o d u e t o M . K l e r k f o r

c ar r y i ng out m i c r o - s c an ana l ys e s .

R E F E R E N C E S

I . NEPPIRAS, E. A. , 'V ery

h i g h e n e r g y

u l t r a s o n i c s , B r i t i s h J o u r , a l

o [ A p p l i e d P h y s i c s , I I ,

143 ( A p r i l 1960) .

2 . M E r K U L O V , L . G . ,

" D e s i g n o f u l t r a s o n i c c o n c e n t r a t o r s , S o v i e t

P h y s i c s - A c o u s t i c s , 3 ,

N o . 5 , 2 4 6 ( 1 9 5 7 ) .

3 . K L EE SA TT EL , C . V i b r a t o r a m p u l l a c e u s ,

A c us t i e a , 12 ,

N o . 5 ,

3 2 3 ( 1 9 6 2 ) .

4 . WE A r E , N . E . ,

e t a l . ,

' F u n d a m e n t a l

s t u d i e s o f u l t r a s o n i c

w e l d i n g ,

W e l d i n g J o u r n a l , 3 9 ,

N o . 8 , 3 31 ( A u g u s t 1 9 6 0 ) .

5. JONES, J. B.,

e t a l . ,

" ' P h e n o m e n o l o g i c a l c o n s i d e r a t i o n s in u h r a -

s o n i c w e l d i n g ,

i b i d . , 40 ,

N o . 7 , 7 ( J u l y 1 9 6 1 ) .

6. BALADIN, G. F . an d SILIN, L . L . , " M e t h o d s f o r o b t a i n i n g s t e a d y

c o n d i t i o n s i n t h e u l tr a s o n i c w e l d i n g o f

m e t a l s ,

S v a r o c z n o e

P r o i z v o d s t r o ,

No . 12 , I ( 1961 ) .

7 . O J< A D A , M .

e t a l . ,

" 'J o in t m e c h a n i s m o f u l t r a s o n i c w e l d i n g ,

T r a , s a c t i o n s c ~ [ '

he Japan ese

I n s t i t u t e 0 / ' M e t a l s , 4 ,

2 5 0 ( A u g u s t

1963) .

8 . BO WD E N, F . P . a n d T A BOR , D . , T he

f r i ct i o n a n d l u b r i c a t i o n o f

s o l i d s , P a r t 1 , O x f o r d ( 1 95 3 ) .

9 . B O W D EN , F . P . a n d T A B o r , D . , ' T h e f r ic t i o n a n d l u b r i c a t i o n o f

s o l i d s , P a r t 2 , O x f o r d ( 1 96 4 ) .

/

1 9 6

U L T R A S O N I C S ,

ctober December 1965

artigo - ultrasonic welding 2

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