Tabel 2.1 Puterea electrică și acustică Hz. 21 [306617]

Listă figuri

Listă tabele

Tabel 2.1 Puterea electrică și acustică [Hz]. 21

Tabel 2.2 Amplitudinea optimă de sudare 23

Tabel 2.3 Semnificații ciclograma de sudare cu ultrasunete. 26

Tabel 2.4 Forțele maxime obținute pentru suduri. 36

Tabel 2.5 Forțe maxime obținute pentru epruvete 36

1. Introducere

1.1 Sudarea materialelor. Generalități

Sudarea: este un procedeu tehnologic de îmbinare nedemontabilă a [anonimizat], în așa fel încât să se obțină o [anonimizat] (SR ISO 857/1994)

[anonimizat], asigură continuitatea materialului în zona de îmbinare. [anonimizat], cât și la nivel de proprietați intrinseci și extrinseci. Prin proces de sudare se înțelege ansambul de fenomene prin care se stabilesc legaturile interatomice.

Sudura prin topire cu arc electric a fost dezoltată pentru prima dată în anul 1882, în condiții de laborator de inventatorul rus N. Bernados, care pentru a realiza asamblarea metalelor a folosit un electrod de carbune. [anonimizat] N. Slavianov, a folosit pentru prima dată procedeul de sudare prin topire la scară industrială. Acesta a folosit un electrod metalic fuzibil. [anonimizat], cum ar fi: [anonimizat]. [anonimizat], cu fasticul de fotoni sau cu fascicul de ioni și sudura prin presiune.

Sudarea poate fi aplicată unei game largi de materiale: fonte, [anonimizat], metale, [anonimizat] ([anonimizat])

Principalele avantaje ale construcțiilor sudate sunt:

[anonimizat], constul de manopera este cu 30…75% mai scazut

Se realizează o [anonimizat] o etanșitate mai bună a [anonimizat]:

[anonimizat], se preferă procedeul de turnare

1.2 Ultrasunete. Generalități

Acustica este știința sunetului. [anonimizat], propagarea, influențarea și analiza sunetului. [anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat], fiziologia, [anonimizat]. [anonimizat].

“Ulrasunet = Vibrație a [anonimizat], [anonimizat]echea.” Aceasta este definiția ultrasunetului conform dicționarului explicativ al limbii române.

Amplitudinea reprezintă distanța de la punctul de echilibru sau 0 până la maximumul pozitiv sau negativ al oscilației. Amplitudinea se manifestă în cazul undelor sonore prin ceea ce numim intensitate sonoră.

Figura 1.1 Reprezentarea grafică a amplitudinii

Frecvența este măsura numărului de repetări ale unui fenomen periodic în unitatea de timp. În Sistemul Internațional unitatea pentru frecvență este numită hertz și este simbolizată prin Hz, în cinstea fizicianului german Heinrich Hertz. O frecvență de 1 Hz corespunde unei perioade de repetare de o secundă. În figura ce urmează se va prezenta grafic frecvența de 3 Hz.

Figură 1

Figura 1.2 Reprezentarea frecvenței de 3 Hz

Ecuația undelor ne spune că accelerația unui segment mic al unei corzi este proporțională ci deplasarea medie a segmentelor învecinate. Această ecuație anticipează ca acea coardă se va mișca în valuri și se generalizează natural la alte sisteme fizice în care apar unde. Astfel ca putem scrie ecuația undelor dupa cum urmează: A doua derivată parțială a deplasării raportată la timp este egală cu viteza la pătrat înmulțită cu a doua derivată parțială a deplasării raportată la spațiu.

Unde u(x,t) este poziția verticală în locul x de pe coardă în momentul t, iar c este o constană legată de tensiunea din coardă și de elesticitatea ei.

Ecuația undelor a fost intrudusă de catre D’Alambert și a dus la mari progrese în înțelegerea undelor apei, a undelor sonore, undelor luminoase, vibrațiilor elastice etc.

Vibrația mediului elastic, în cazul ultrasunetelor, depășește 20 000 Hz. Auzul uman percepe sunete de la 20 Hz pană la 20000 Hz. Importanța practică a ultrasunetelor este legată de lungimea de undă mică a acestora. Din această cauză, de exemplu, ultrasunetele pot fi emise și se propagă ca și razele de lumină sub formă de fascicule, spre deosebire de sunetele obișnuite care se împrăștie în toate directiile.

Ultrasunetele sunt folosite în domeniul industrial, al electroicii, navigației, al sistemelor de securitate și în domeniul medicinei. Exemple de operații tehnologice efectuate sub acțiunea ultrasunetelor:

dispersarea, procesul fizic de răspândire a particulelor unei substanțe printre cele ale altei substanțe;

curațirea, bazată pe fenomenul de cavițatie. Curațirea cu ultrasunete este mult utilizată datorită calității operației efectuate, a timpului scurt de lucru, a diversității materialelor ce pot fi supuse acestei operații;

sedimentarea, bazată pe aglomerarea particulelor fine, solide sau lichide, în zona nodurilor unui camp staționar produs de propagarea ultrasunetelor;

filtrarea, operația de separare a unei substanțe solide dintr-un lichid;

extracția, operația de separare a uneia sau a mai multor substanțe dintr-un amestec;

stimularea unor reacții chimice (ex. cele de polimerizare);

uscarea, procesul de eliminare a apei dintr-un material;

cristalizarea, bazată pe diferența de solubilitate a componentelor unui amestec;

sterilizarea, bazată pe acțiunea distructivă a ultrasunetelor asupra microorganismelor (ex. în industria alimentară).

În figura de mai jos se vor prezenta grafic tipurile de sunet și modul de propagare a vibrației unui mediu elastic.

Figura 1.3 Propagarea undelor

Se pot deosebi urmatoarele tipuri de unde acustice:

undele infrasonore, unde care au frecvențe sonore inferioare auzului uman (sub 16Hz)

undele sonore, au frecvențe care produc, la organul audutiv al omului, senzația de auz (20Hz-20kHz)

undele ultrasonore, ale caror frecvențe depășesc frecvența undelor sonore, adică nu mai pot fi percepute de urechea umană (peste 20kHz)

undele hipersonore, au frecvențe foarte ridicate și nu se mai supun legilor clasice ale mecanicii, necesitând aplicarea legilor mecanicii cuantice (Hz-Hz). Aceste lungimi de undă corespund cu distanțele interatomice.

În raport cu traiectoria pe care o pot avea particulele mediului, cu natura și cu dimensiunile corpului prin care se propagă, mai putem deosebi urmatoarele tipuri de unde:

Unde longitudinale: traiectoria undei este liniară și deplasarea particulelor se produce în direcția propagării undei. Acest tip de unde iau naștere si se pot propaga prin orice mediu elastic, gazos, lichid, solid sau plasmă. În fluide și gaze, acest tip de unde produc compresii și rarefieri succesive de-a lungul direcției de propagare, iar în mediile solide produc eforturi alternative de întindere și compresiune. Viteza de propagare este condiționată de forțele de interacțiune dintre particulele mediului. Dacă dimensiunile mediului prin care se propagă undele elastice devin comparabile cu lungimea de undă acustică, apar așa numitele unde cvasilongitudinale

Unde transversale: traiectoria este una liniară, dar deplasarea particulelor se face după o direcție perpendiculară pe direcția propagării undelor. Aceste unde se mai numesc și unde de alunecare și se formează numai în mediile solide, deoarece au legăturile moleculare asigurate

Figura 1.4 Tipuri de unde

Unde de torsiune: traiectoria particulei mediului este circulară într-un plan perpendicular pe direcția de propagare a frontului de undă, iar mediul are dimensiuni finite. Acestea apar în mediile solide, de tipul barelor solicitate la torsiune

Unde Rayleigh: traiectoria particulei reprezintă un cerc având ca centru poziția de repaus și care este conținut într-un plan paralel cu direcția de propagare. Acest tip apare pe suprafața liberă a unui corp solid sau a unui mediu lichid și mai poartă denumirea de unde de suprafață. Sub acțiunea acestor unde, suprafața corpului va avea o mișcare longitudinală și una transversală, moleculele având o traiectorie eliptică la trecerea frontului. Prin cercetarea undelor Rayleigh s-a constatat faptul că particulele execută mai întâi o elipsă în raport cu direcția de propagare a undei și ale cărei axe se schimbă până ce particulele vibrează numai în direcția verticalei și apoi o elipsă care atenueaza până la 1% din amplitudinea de vibrație la o adâncime de o lungime de undă, de suprafață.

Figura 1.5 Undele Rayleigh

Unde Lamb: undele elastice sunt generate în plăci subțiri sau în bare subțiri, caracteristicile de transisie depinzând de lungimea de undă ultraacustică, de tipul solidului și de dimensiunile plăcii sau barei. Undele Lamb pot fi, dupa cum se vede in figura 1.6, simetrice sau asimetrice.

Figura 1.6 Undele Lamb

1.3 Masele plastice

1.3.1 Generalități

Masă plastică sau material plastic = produs sintetic de natură organică, anorganică sau mixtă care se poate prelucra ușor în diferite obiecte, la cald sau la rece, cu sau fară presiune.

Materialele plastice sunt materiale obținute pe bază de polimeri, a căror prelucrare sub formă de produse finite se face la temperaturi la care materialele devin plastice.

Moleculele polimerilor sunt formate în mod obișnuit din 1000 până la 10000 unități structurale fundamentale identice, denumite unități structurale sau meri. Un mer poare fi definit drept formațiunea minimă de atomi, care se repetă periodic de-a lungul lanțului.

1.3.2 Tipuri de mase plastice

După comportarea la temperatură, materialele plastice sunt de două feluri:

materiale termoplastice, care se înmoaie sub acțiunea căldurii și devin plastice (putându-se modela în forme diferite), iar prin răcire se întăresc.

Acest proces este reversibil, adică materialele pot fi încălzite și remodelate de nenumărate ori, fără a se degrada. Aceste materiale sunt reciclabile.

Exemple de materiale termoplastice: polietilena, polistirenul, policlorura de vinil (PVC)

materiale termorigide, care se înmoaie prin încălzire, se deformează, dar nu se topesc.

Acest proces este ireversibil, adică la o reîncălzire materialele nu se mai înmoaie, deci nu se mai deformează. Prin încălzire excesivă aceste materiale se degradează.

Exemple de materiale termorigide: bachelita, poliamida, teflonul

Din astfel de materiale se confecționează carcasele unor mașini și aparate, materiale sportive, industria auto etc.

Cele mai utilizate tipuri de materiale plastice sunt:

Polietilena de înaltă densitate folosită la fabricarea țevilor, rezervoarelor care conțin combustibil pentru alimentarea motoarelor cu ardere internă, folosită la fabricarea recipienților, folosită la fabricarea jucăriilor;

Polietilena de mică densitate folosită la fabricarea pungilor, sacoșelor, benzilor adezive, recipienților flexibili;

Polietilena treflată folosită la împachetarea produselor alimentare;

Polipropilena folosită la fabricarea carcaselor de pompe, elicelor de ventilatoare, diferitelor ustensile de uz casnic;

Polistirenul folosit la fabricarea pieselor turnate prin injecție, suporților pentru bobine;

Policlorura de vinil folosită la ramele ferestrelor, pardoseli, la diferite izolații, diferite tipuri de folii;

O grupă aparte de materiale plastice o formează DUROPLASTICELE (cca 20% din totalul maselor plastice). Aceste materiale sunt întărite prin tratare si nu pot fi retopite sau remodelate, motiv pentru care sunt dificil de reciclat.

Duroplasticele includ:

Fenoplastele: folosite la fabricarea prizelor, plăcilor izolatoare, diferite piese pentru pompe, plăci aglomerate;

Aminoplastele: folosite la producerea de ștechere, comutatoare, materiale pentru industria electrică;

Rășini epoxidice;

Rășini poliesterice;

1.3.3 Comportarea materialelor plastice la sudarea cu ultrasunete. Generalități

Capacitatea de sudare cu ultrasunete a diferitelor materiale plastice este determinată de proprietatea lor ca la o anumită grosime dată să degaje spre suprafața de separație a reperelor o cantitate de energie mecanică care transformată în caldură să permită obtinerea îmbinarilor sudate corespunzatoare din punct de vedere calitativ. Transformrea energiei mecanice a oscilațiilor în caldură se datorează frecării care apare in zonele de contact, sub acțiunea mișcarii vibratorii și puternice totodată a sonotrodei pe reperul de sudat. Această frecare duce la o egalizare rapidă microasperităților suprafeței materialului plastic urmată de o fuziune superficială și de pătrunderea materialului topit în interstițiile existente. Criteriul principal care caracterizează comportarea la sudare a materialelor plastice îl constituie factorul de amortizare ß a amplitudinii oscilațiilor în materialul plastic considerat. Acest factor caracterizează intensitatea absorbției energiei oscilațiilor mecanice, determină procentul de energie mecanică transformată în caldură în zona de contact dintre reperele de sudat și cu cât este mai mare ca valoare cu atât procesul de formare a îmbinarii prin sudură va fi mai dificil. În funcție de valoarea factorului de amortizare ß, materialele plastice se împart în trei grupe mari :

grupa A : materiale plastice dure care se sudează foarte bine cu ultrasunete. Din această grupă fac parte : PMMA, ABS, SAN, PS, CA, etc.

grupa B : materiale plastice care se sudează în condiții bune cu ultrasunete. Din această grupă fac parte : PP,PVC, PETP, PC,etc.

grupa C : materiale plastice moi care se sudează dificil, rezistența îmbinărilor obținute fiind în general mică. Din această grupă fac parte: PE,PA,etc.

Din punct de vedere al structurii polimerilor termoplastici deosebim două clase de materiale : materiale termolpaste parțial cristaline și materiale termoplaste amorfe. În imaginea din figura 1.7 este prezentată dependența stării fizice a polimerilor parțial cristalini și amorfi în raport cu temperatura.

Figura 1.7 Structura polimerilor

1.3.4 Pregătirea reperelor pentru sudare

Cu ajutorul ultrasunetelor se pot suda repere din același material și din materiale diferite, cu condiția ca materialele să aibă punctul de topire apropiat.

Sudarea cu ultrasunete nu impune îndepartarea impuritaților din zona îmbinarii ca la alte procedee de sudare a materialelor plastice, fapt care conferă un avantaj pentru diverse aplicații. În cazul în care este totuși necesară îndepartarea impuritaților rezultate din injectarea sau depozitarea reperelor, de urme de grasimi sau de praf, se vor utiliza solvenți care nu atacă materialul plastic ce urmează a fi sudat, cel mai indicat pentru curățire este alcoolul tehnic.

La sudarea cu ultrasunete a materialelor plastice rezistente imbinarii sudate este determinata de forma si geometria zonelor de contact a reperelor de sudat. La sudarea reperelor masive este necesar ca reperele să fie prevăzute în zona de contact cu concentratori de energie. Doar la sudarea foliilor nu se prevăd concentratori de tensiune, fapt care explică și dificultatea sudării acestora cu ultrasunete.

Deciziile constructive, privind configurația pieselor ce se vor suda, în zona de contact, se iau în general în prima fază de proiectare a reperelor, ținându-se cont de urmatoarele :

Suprafețele reperelor care se află în contact trebuie să fie cât mai mici posibil pentru a putea permite o concentrare de energie ultrasonică cât mai mare, pentru a se obține o topire a reperelor în zona sudurii.

Este indicat să se prevadă un joc suficient de mare astfel încât unul dintre repere, de preferință cel aflat în contact cu sonotroda să aibă posibilitatea să vibreze liber pe celălalt pentru a fi posibilă degajarea de caldură prin frecare.

Zona îmbinării trebuie prevazută cu o zonă liberă care să permită migrarea materialului plastic topit în procesul de sudare. Dacă se omite această zonă, materialul topit poate migra în înteriorul sau exteriorul piesei formând o bavură inestetică și în majoritatea cazurilor nefuncțională pentru destinația ansamblului sudat. Un aspect important este faptul că în zona bavurii pot exista tensiuni remanente care afectează în mod nedorit calitatea îmbinării sudate.

Zona de contact a sonotrodei cu piesa trebuie să fie cât mai mare posibil, pentru a introduce în piese o cantitate corespunzătoare de energie acustică și totodată pentru a se evita amprentarea de către sonotrodă a piesei în contact cu aceasta. O suprafață de contact prea mare impune o energie acustică ridicată care poate duce la degradarea piesei de sudat în centrul ei, în timpul procesului de sudare.

1.4 Procesul de sudare cu ultrasunete

Sudarea cu ultrasunete a materialelor metalice și plastice, se realizează în urma dezvoltării de caldură pe suprafața de contact dintre cele două repere prin mișcarea cu frecvență mare a unei suprafețe față de cealaltă suprafață. Temperatura de sudare se obține limitată la zona îmbinării. Procesul de sudare cu ultrasunete are loc la o temperatură mult mai joasă decât temperatura de topire, neputând fi vorba în acest caz de o zonă influențată termic ca la celelalte procedee de sudare și implicit nu există o modificare substantială a proprietăților materialului în zona îmbinării.

Procedeul de sudare cu ultrasunete are aplicare în microsuduri sau la executarea unor îmbinări în locuri greu accesibile în cele mai diverse ramuri ale producției industriale ca electronica, electrotehnica, mecanica fină, domeniul nuclear, tehnica aerospatială, etc. Acest procedeu se poate aplica la sudarea unor materiale metalice și plastice de dimensiuni cuprinse în domeniul 0,01… 10mm.

1.4.1 Conceptul de sudare prin ultrasunete al maselor plastice

Procedeul de sudare cu ultrasunete reprezintă unul dintre cele mai rapide procedee de îmbinare a maselor plastice și a aliajelor de metal, menținând de asemena și un cost scazut. Acest procedeu elimimină necesitatea folosirii elementelor de prindere sau strangere, a adezivilor și/sau a solvenților. Sudarea cu ultrasunete poate fi folosită la îmbinarea materialelor sintetice, polimerilor, metalelor, materialelor textile etc.

Principalele componente ale unui sistem de sudura prin ultrasunete sunt: generator electric, convertor, actuator, sontoroda si suportul de fixare al pieselor de sudat. Varful sonotrodei, suprafata de contact, frecventa de sudare, amplitudinea si materialul sonotrodei sunt stabilite in funcție de materialul de sudat și de parametrii dimensionali ai sudurii.

Sudarea cu ultrasunete al maselor plastice reprezintă îmbinarea sau modelarea a materialului plastic prin folosirea caldurii generata de o miscare mecanică de înaltă frecvență.

Figura 1.8 Schema unui echipament de sudare cu ultrasunete

Sursa principală de caldură la sudarea cu ultrasunete o constituie energia oscilațiilor mecanice care sunt absorbite la suprafața de contact între sonotrodă și reperul de sudat. Trebuie menționat faptul că materialele plastice se sudează numai în cazul în care oscilațiile ultrasonice sunt transmise de la sonotrodă la locul îmbinării perpendicular pe suprafața pieselor, adica in același sens cu forța de apasare statică.

Această mișcare mecanică este obținută prin conversia energiei electrice în energie mecanică. Partea activă a sonotrodei este cea care preia energia mecanică de vibrație. Prin acțiunea simultană a vibratiițor și forței de apăsare se produc tensiuni oscilante în zonele vecine celei de contact. Acestea conduc la alunecări și frecări între cele două componente de sudat, la expulzarea oxizilor și impurităților de pe suprafețele în contact, urmănd astfel, realizarea mai ușoara a legăturilor moleculare a celor două componente. Acest tip de îmbinare al maselor plastice este lipsită de impurități, viteza de asamblare este ridicată, procedeul este eficient și cu un grad ridicat de mecanizare, iar consumul de energie este scăzut, la fel ca și costul manoperei. În plus nu sunt necesari solvenți, adezivi, elemente mecanice de prindere sau alte consumabile, iar îmbinarea rezultata în urma procedeului de sudare cu ultrasunete este rezistentă și fară deformații importante ale plasticului sudat.

Absorbția energiei oscilațiilor mecanice se datorează impedanțelor acustice ale materialului de sudat precum și contactului existent între reperele de sudat. Caldura se dagajă ca urmare a existenței în timpul procesului de sudare a trei tipuri de frecări și anume:

frecarea internă care are ca efect încalzirea întregului volum de material

frecarea externă în zona de contact material plastic-material plastic

frecarea dintre materialul plastic și sonotrodă

Sudarea materialelor plastice cu ultrasunete are ca etape încălzirea materialelor de îmbinat urmată de realizarea legăturilor care permit realizarea îmbinării sudate.

Sudura se realizează prin energia termică și energia mecanică, introduse la locul îmbinării.

Energia termică este dezvoltată în piesele de sudat prin efectul de microfrecare externă și frecare în structura interna a componentelor determinate de caracteristicile fizice și mecanice ale componentelor, duritate, stare cristalină sau amorfă, coeficientul de absorbție, etc.. Cu această energie, la locul îmbinării se poate atinge temperatura de topire a materialelor pieselor, ele astfel putându-se suda.

Energia mecanică este introdusă în piesele de sudat prin aplicarea asupra lor a unei forțe perpendiculare pe planul îmbinării. Forța aplicată la un moment corelat cu temperatura atinsă de piese, determină deformarea plastică a lor în locul de îmbinare, și realizarea unei rețele întrepătrunse comune celor două piese, respectiv sudarea lor.

1.4.2 Conceptul de sudura cu ultrasunete al materialelor metalice

Pentru început, trebuie menționat faptul că materialele sudate prin ultrasunete sunt predominant masele plastice, iar metoda sudării metalelor nu este în toatlitate înțeleasă.

Procesele ce au loc la sudarea cu ultrasunete a materialelor metalice trebuie înțelese ca o serie de fenomene, care se influentează reciproc: dezvoltarea de caldură și presarea straturilor superficiale sub acțiunea forței de presare și a frecării; deformarea plastică, ecruisarea și recristalizarea; difuzia și formarea continuă de microsuduri între cele două metale de sudat.

Prin acțiunea simultană a vibratiițor și forței de apăsare se produc tensiuni oscilante in zonele vecine celei de contact. Acestea conduc la alunecări și frecări între cele două componente de sudat, la expulzarea oxizilor și impurităților de pe suprafețele în contact, urmănd astfel, realizarea mai ușoara a legăturilor metalice a celor două componente.

Figura 1.9 Schema unui echipament de sudare cu ultrasunete a metalelor

1.4.3 Diferențe principale între procedeul de sudură cu ultrasunete al maselor plastice și al metalelor

Diferența principală o reprezintă planul de vibrație al sonotrodei. În timp ce la masele plastice vibrațiile sunt perpendiculare cu linia de sudură, la metale vibrația este paralelă cu planul suprafeței metalelor de sudat.

O altă diferență se regasește și în legăturile moleculare dintre cele 2 tipuri de material. Legătura dintre materialele metalice se face in mediul solid, ceea ce inseamna ca in acest proces nu este necesara topirea sau fusiunea materialelor. In cazul maselor plastice, procesul depinde în mod direct de topirea superficială a suprafețelor sau punctelor de sudat.

Avantajele sudurii cu ultrasunete

Abilitatea de a suda suprafețe mari cu un consum scăzut de enrgie

Timpul de îmbinare este foarte scăzut

Posibilitatea de a suda de la materiale subțiri pana la piese groase

Prin îmbinarea pieselor se asigură o conductivitate electrică, mecanică și termică ridicată

Are loc o reducere a numarului de oxizi prezenți la alte tipuri de suduri

Prezintă un grad ridicat de productivitate

Se asigură reproductibilitatea calități îmbinărilor sudate

Aria punctului de sudură poate fi foarte mic (<1)

Elimină consumul materialelor de adaos

Dezavantajele sudurii cu ultrasunete

Prezintă o dificultate ridicată în realizarea sudurii pentru materialele cu un procent ridicat de carbon

Grosimea sudurii este limitata

Piesele de sudat pot intra în rezonanță, deci zgomotul poate fi ridicat

2. Sudarea materialelor plastice prin ultrasunete

2.1 Sudarea cu ultrasunete

2.1.1Parametrii importanți în procesul de sudare cu ultrasunete

Parametrii tehnologici principali:

Puterea electronică introdusă în blocul ultrasonic

Puterea acustică introdusă în spațiul de lucru

Forța de sudare

Timpul de sudare

Timpul de menținere

Presiunea de menținere

Frecvența oscilațiilor ultrasonice

Amplitudinea oscilațiilor in spațiul de lucru

Parametrii tehnologici auxiliari

Dimensiunile, forma și materialul dispozitivului de fixare/pozitionare

Materialul de amortizare al dispozitivului de fixare/pozitionare

Temperatura de încălzire prealabila a sonotrodei

Puterea electrica si acustică Pa.Pe

Odată cu creșterea dimensiunilor geometrice ale reperelor de sudat este necesară o putere electrică și acustică mai mare a echipamentului de sudare. S-a constatat că odată cu creșterea grosimii pieselor de sudat sau a conturului de sudat este necesară o putere mai mare a echipamentului de sudare. Aceasta situație este ilustrata in tabelul de mai jos, cu date furnizate de MECASONIC KLN Germania

Tabel 2.1 Puterea electrică și acustică

Forța de sudare Fs

Forța de sudare asigură transmiterea oscilațiilor ultrasonice în zona îmbinării prin realizarea contactului acustic necesar între suprafețele reperelor de sudat. Dacă forța de sudare este prea mică îmbinarea sudată este slabă din punct de vedere calitativ. Dacă însă forța de sudare este prea mare, atunci se produce o amprentare a materialului reperului aflat în contact cu sonotroda. Din experimentări rezultă existența unei forțe de sudare optime funcție de materialul reperului și de forma reperului.

Timpul de sudare Ts

Timpul de sudare reprezintă durata de transmitere e energiei ultrasonice în reperele de sudat până la atingerea unei rezistențe maxime a îmbinării sudate. Timpul de sudare depinde de natura materialului plastic și de dimensiunile reperelor precum și de puterea acustică. Timpul de sudare crește odată cu creșterea grosimii reperelor de sudare și cu scăderea puterii acustice. Acest timp trebuie corelat și cu variația impedanței acustice a reperelor care se modifică în timpul procesului de sudare pentru a nu se ajunge la o preîncălzire, urmată de o posibilă degradare termică a materialului plastic în zona îmbinării sudate. Aceasta situatie este ilustrata in imaginea din figura 2.1

Figura 2.1 Timpul de sudare

Mărirea timpului de sudare peste o anumită valoare critică duce la o pronunțată subțiere a zonei îmbinării ceea ce are drept urmare o scădere sensibilă a rezistenței îmbinării sudate, prin apariția de fisuri.

Timpul de mentinere Tm

Timpul de menținere reprezintă timpul în care reperele sudate, după oprirea introducerii de energie acustică în acestea, sunt menținute sub presiune în scopul răcirii zonei sudate. O alegere a timpului de menținere la o valoare prea scăzută are drept consecință o răcire necorespunzătoare a sudurii cu posibilitatea de apariție de microfisuri în zona îmbinării. Presiunea de menținere reprezintă presiunea cu care sunt menținute în contact reperele după realizarea sudării, prin intermediul sonotrodei. În general, presiunea de menținere este egală cu presiunea de sudare.

Pentru sudarea materialelor plastice valoarea optimă a frecvenței oscilațiilor se află în domeniul 18-40 kHz. Dacă se utilizează frecvențe mai ridicate s-a constatat o creștere substanțială a pierderilor de energie ultrasonică.

Amplitudinea oscilațiilor ultrasonice, la capătul activ al sonotrodei, determină încălzirea și dimensiunea zonei deformate plastic, influențând în final calitatea îmbinării sudate.

În general amplituidinea oscilațiilor se alege în funcție de materialul plastic care se sudează, fiecare material având un domeniu al amplitudinii oscilațiilor în care se poate suda în condiții optime. În tabelul 2.2 sunt prezentate amplitudinile optime la sudarea cu ultrasunete pentru materiale plastice uzuale.

Tabel 2.2 Amplitudinea optimă de sudare

Creșterea amplitudinii în raport cu valoarea optimă are drept consecință o încalzire apreciabilă a materialului plastic aflat în contact cu sonotroda, fapt care poate duce la distrugerea materialului, la apariția de cratere de descompunere în materialul topit si implicit o rezistență scazută a îmbinării. Reducerea amplitudinii sub valoarea optimă are drept consecință reducerea energiei mecanice (acustice) introduse în zona de sudare urmată de o scadere firească a rezistenței îmbinarii.

2.1.2 Cicluri de sudare

Rezistența îmbinărilor sudate cu ultrasunete a materialelor plastice este determinată în mare masură de ciclograma de sudare utilizata pentru realizarea îmbinarii.

Evoluția sistemelor de acționare a echipamentelor de sudare cu ultrasunete a maselor plastice, dar nu numai s-a direcționat în ultimii ani în utilizarea servomecanismelor cu acționare electrică ca înlocuitori ai acționărilor pneumatice.

Realizarea unor echipamente de sudare “inteligente”, impun asigurarea totală a calității operațiilor tehnologice de sudare, reproductibiliatea parametrilor tehnologici de sudare, sisteme cu senzorialistică performantă, control activ etc..

Asigurarea parametrului tehnologic de sudare i-a în considerare forța de sudare ca valoare reproductibila în valoare consatantă sau variație parametrică în cursul operației de sudare care este posibilă prin utilizarea sevomecanismelor de acționare electrică cu buclă de reacție.

O comparație între acționarea pneumatică si electrică este evidențiată în diagramele de configurare a forței de sudare în timp este prezentată în figura 2.2. Aceste diagrame sunt construite având în vedere cercetările efectuate din punct de vedere al sistemelor de asigurare a forței de sudare.

Figura. 2.2 Diagrame de forță

Digramele de forță din figura de mai sus, evidențiază două aspecte esențiale legate de:

timpul de stabilizare a forței de sudare

valoarea prescrisă a forței de sudare.

Sunt evidente avantajele oferite de sistemele de realizare a forței de sudare cu servomecanism. Se poate observa stabilizarea forței de sudare în 0,037 secunde, comparativ cu 0,194 secunde, precum și stabilizarea forței de sudare la valoarea prescrisă 100%, comparativ cu marja de 80 – 100 % conferită de sistemul pneumatic.

Procesele complexe care se exercită la interfața reperelor în timpul operației de sudare evidenîiază, așa cum s-a mai precizat, variația impedanței acustice a reperelor care se modifică în timpul operației de sudare. Realizarea unei îmbinări de calitate necesită realizarea unei acționări inteligente în legatură cu posibilitatea variației în timp a forței de sudare în corelare cu variația impedanței acustice, și a energiei inroduse în sistem prin coerelarea forței de sudare cu amplitudinea oscilatiilor ultraacustice .

Aceste calităti sunt conferite în ultimii ani echipamentelor de sudare cu ultrasunete a materialelor plastice de catre producătorii consacrați. Acțioanarea în prima parte a operației de sudare a materialelor plastice de tip sudare pe contur etanșă, cu un regim “dur”, are drept efect începerea topirii concentratorului de pe piesa superioară.

Conducerea inteligenta a operației de sudare prin corelarea variației forței de sudare și a amplitudinii, cu impedanță acustică evidențiază creșterea calității îmbinărilor sudate cu cca. 80 % în raport cu tehnologiile de sudare în care forța de sudare este constantă și amplitudinea oscilatorie introdusă în sistem este consatantă, având ca factori de evaluare rezistența îmbinării, etanșeitatea și nu în ultimul rând aspectul estetic.

În figura 2.3 și tabelul 2.3 este prezentat un program complex al unei ciclogarame de sudare cu program de ampltudine de sudare programabila, folosit mai ales la materiale dificil de sudat. Sudarea cu mai multe impulsuri succesive de ultrasunete se aplică la componentele mai groase, pentru a împiedica supraîncălzirea lor și formarea de amprente adânci.

Figura 2.3 Ciclograma de sudare cu ultrasunete

Tabel 2.3 Semnificații ciclograma de sudare cu ultrasunete

Echipament de sudat cu ultrasunete materiale plastice

2.2.1 Generalități

Orice mașină, echipament de sudat cu ultrasunete materiale plastice, indiferent de procedeul de sudare, este formată din urmatoarele parți principale:

sursa de energie pentru încalzirea pieselor de sudat, care în cazul general este un generator de ultrasunete;

instalatii și dispozitive de dezvoltare și reglare a forțelor necesare pentru sudare, respectiv, acolo unde este cazul, de fixarea pieselor de sudat in mașină;

scula specifică de lucru: sonotroda și accesoriile necesare, transformatoare de amplitudine (boostere), respectiv sistemele de fixare și pozitionare ale acestora;

sistemele de comandă a procesului de sudare și de reglare a parametrilor de sudare;

batiul mașinii.

Complexitatea mașinilor de sudat cu ultrasunete depinde de procedeul de sudare pe care îl servesc, de gradul de mecanizare și automatizare impus procesului de fabricație a pieselor sudate, de materialul pieselor care se sudeaza și de condițiile de calitate impuse sudurilor.

2.2.2 Clasificarea echipamentelor de sudat cu ultrasunete:

După procedeul de sudare:

Mașini de sudat în puncte;

mașini de sudat în relief;

mașini de sudat în linie;

După destinație:

mașini de sudat universale;

mașini de sudat specializate.

După mobilitate:

mașini de sudat staționare;

mașini de sudat mobile;

mașini de sudat suspendate;

mașini de sudat încorporate în roboti.

După tipul programatorului ciclului de sudare:

mașini de sudat fară program;

mașini de sudat cu programator numeric;

mașini de sudat cu programator analogic.

2.2.3 Elemente componente

Elementul activ al sistemului ultraacustic este transductorul electromecanic , care pe baza unui efect specific (electromagnetic, electrodinamic, magnetostrictiv, piezoelectric, etc.) convertește oscilațiile electrice aplicate de generatorul electronic în oscilații elastice. Aceste oscilații sunt transmise, concentrate și focalizate prin intermediul transformatorului acustic, și a sculei de lucru, în mediul de prelucrare sau de explorare. Sistemul ultraacustic poate lucra și invers: recepționează oscilațiile elastice ale mediului, le conduce și le transformă în oscilații electrice la ieșirea din traductor. Corespunzator cu gama largă de utilizare a sistemelor ultraacustice și cu necesitățile de concentrare sau de disipare a energiei electrice, transformatoarele acustice pot avea cele mai diferite forme și secțiuni.

Sistemele ultraacustice se calculeaza și se execută în așa fel încât în partea terminală să se excite oscilații de un singur tip, deoarece în caz contrar apar mari dificultăți în crearea regimului de lucru la rezonanță și în izolarea acustică față de mediu. Pentru aceasta este necesar să existe o relație bine definită între geometria diferitelor elemente ale sistemului și lungimea de undă a vibrațiilor excitate în sistem.

Prin intermediul mișcării oscilatorii și a forței de apăsare axială, sonotroda creeaza un câmp de caldură generat prin frecarea materialelor plastice de sudat astfel încât structura moleculară aflată la punctul de contact dintre cele 2 materiale va fi topită superficial, pentru ca după racire aceste structuri să fomeze o legatură moleculară unitară.

În cazul sudării în puncte vârful sonotrodei are o formă sferică, cu raza de îmbinare de 50…100 ori grosimea componentei ce se află în contact cu sonotroda. Sudarea în linie întreruptă se realizează cu sonodrode având vârf de formă paralelipipedică cu colțuri rotunjite. Vibrațiile sonotrodei se produc intr-un plan paralel cu cel al suprafeței de contact a componentelor, perpendicular pe direcția forței de apăsare și perpendicular pe direcția liniei de sudare. Se pot obține astfel in linie îngustă, cu lungimi de până la 150mm. Sudarea în linie continuă are loc dacă se folosesc sonotrode tip disc, în mișcare de rotație.

Pentru a realiza un acord acustic foarte bun între mărimile de ieșire ale transductorului și sonotrodă este necesară intercalarea unui booster între cele două elemente constructive ale echipamentului de sudare. Ca și la sonotrode, factorul de amplificare al boosterului este determinat de secțiunea sa transversală și de forma sa. Boosterul este proiectat să intre în rezonanță la aceeași frecvență cu transductorul cu care va fi utilizat, și de obicei este montat într-un punct nodal (de vibrație minimă) pentru a minimaliza pierderile de energie și pentru a preveni transmiterea ultrasunetelor în batiu.

Figura 2.4 Ansamblu rezonator convertor-booster-sonotrodă

2.2.3 Aparatura utilizată

Figura 2.5 Echipamentul de sudare cu ultrasunete

Denumirea completă: Echipament de sudare cu ultrasunete a materialelor plastice ESUP-TM-01. Acesta este destinat îmbinării cu ultrasunete a materialelor plastice în diverse domenii ale industriei: industria de automobile, industria electrotehnică precum și în scop didactic pentru dotarea laboratoarelor universităților tehnice. Scopul urmărit este de a realiza tehnologii de îmbinare performante și de a fi aliniat la standardele și normele europene în domeniu.

Caracteristici tehnice:

tensiunea de alimentare: 220 V / 50 Hz

frecvența de lucru: 20 kHz

generator de ultrasunete: în tehnica PWM

puterea maximă: 2500 W

transductor: cu generator piezoceramic

reglajul parametrilor tehnologici: în tehnica digitală

amplitudine: 0-10 µm

acționarea echipamentului: electropneumatică

Descrierea produsului

Echipamentul de sudare ESUP-TM-01 se compune în principal din: modulul energetic, generatorul de ultrasunete și partea de sudare cu sistemul transductor ultrasonic.

Modulul energetic (generatorul de ultrasunete, comandă și control) este alimentat la o linie de tensiune de 220/50 Hz, frecvența de lucru fiind de 20 kHz.

Echipamentul de sudare cu ultrasunete pentru sudarea materialelor plastice este dotat cu un generator cu o putere de 2500 W. Generatorul convertește tensiunea convențională de la 50-60 Hz în energie electrică la 20 kHz și este proiectat pentru funcționare la o durată de acționare de maxim 50%.

Energia electrică de fecvență ridicată este aplicată elementului ansamblu rezonator asamblat (convertor piezoceramic, transformator/booster, sonotrodă), care transformă oscilațiile electrice de frecvență înaltă în vibrații mecanice de frecvență ridicată.

Elementul transductor este realizat din zirocotianat de plumb cu caracteristici electrostrictive care, fiind supus unei tensiuni alternante se dilată si se contractă. Eficiența transudctorului este de aproximativ 90-95%. Pentru a realiza un acord acustic foarte bun între mărimile de ieșire ale transductorului si sonotrodă este necesară intercalarea unui booster între cele două elemente constructive ale echipamentului de sudare.

Ca și la sonotrode factorul de amplificare al boosterului este determinat de secțiunea sa transversală și de forma sa. Boosterul este proiectat să intre în rezonanță la aceeași frecvență cu transductorul cu care va fi utilizat și de obicei este montat intr-un punct nodal (de vibrație minimă) pentru a minimaliza pierderile de energie și pentru a preveni transmiterea ultrasunetelor în batiu. Cuplajul axial și mecanic se realizează prin șuruburi de strangere și astfel este asigurat transferul energiei ultrasonore catre booster și sonotrodă. Boosterul are rol de transformator de amplitudine pentru întreg domeniul de amplitudini necesare procesului, cât și rol de stabilizator general pentru oscilațiile sistemului transductor. Frecvența de rezonanță a boosterului trebuie să fie corelată cu cea nominală (frecvența de lucru a generatorului).

Suprafețele de cuplare ale sonotrodei și convertorului trebuie să fie complet aliniate, pentru a preveni pierderile de energie în trimpul transferului acesteia. Aliajul de aluminiu este materialul recomandat pentru construcția boosterului.

Sonotroda are rolul de a transmite vibrațiile cu frecvență ultrasonică de la elementul transductor la reperele de sudat și de a aplica forța necesară sudării, forma sonotrodei influențând factorul de amplificare. Suprafața de contact a componentelor cu sonotroda trebuie să fie pe cât posibil continuă deoarece întreruperea contactului poate duce la întreruperea procesului de sudare.

Coborârea și ridicarea ansamblului booster la sudare se realizează cu o axă de translație electropneumatică cu ghidare pe coloane și bucșe cu bile.

Batiul echipamentului este realizat din aliaj de aluminiu turnat sau construcție din oțel pentru a asigura o rigiditate mare, necesară pentru ca elementele pasive, fixate pe ele să nu consume, prin vibrații, o parte din energia ultrasonică produsă de generatorul ultrasonic.

Funcționarea echipamentului specializat de sudare cu ultrasunete pentru materiale plastice este dată de componența software a modulului de comandă și programare a echipamentului ESUP-01.

Pentru a aduce în contact intim reperele de sudat, sonotroda acționează asupra acestora prin intermediul unui sistem de acționare electropneumatic și sistem de autoreglare a parametrilor tehnologici de sudare. Când s-a atins forța prescrisă de strângere a pieselor producerea ultrasunetelor este declanșată, urmând ca după executarea operației de sudare, sistemul de acționare să se retragă. Pentru a obține o îmbinare de calitate este necesar ca enegria ultrasonică introdusă în reperele de sudat să fie cât mai bine direcționată la locul îmbinării astfel încât volumul de material adus la temperatura de plastifiere să fie cât mai mic.

Parametrii tehnologici de sudare pot varia în funcție de materialele de sudat, de dimensiunile componentelor de sudat și de starea suprafeței acestora în urmatoarele domenii:

forța de sudare: 200-1250 N

timpul T1 de stabilizare a forței de sudare: 0,1-10 s

timpul Ts de sudare: 0,1-10 s

timpul T2 de menținere după sudare: 0,5-6 s

presiunea aplicată la sudare: 0,1-10 bar

2.3 Încercarea la tracțiune a epruvetelor

Folosind echipamentul de sudare cu ultrasunete ESUP-TM-01 prezentat în paragraful 2.2.3, am efectuat sudura a două epruvete din plastic, având aceeași compoziție chimică, respectiv aceleași dimensiuni. Numărul total de probe obținute in vederea incercării la tracțiune a fost de 10. Au fost folosite 2 regimuri diferite de sudură.

b)

Figura 2.6 Parametrii tehnologici de sudare utilizați

Unde:

timp 1 reprezintă timpul de apropiere a sonotrodei de materialul de sudat, exprimat în secunde

timp 2 reprezintă timpul de sudură, exprimat în secunde

timp 3 reprezintă timpul de menținere, exprimat în secunde

Încercarea la tracțiune este încercarea la care sunt supuse epruvetele și constă în aplicarea pe direcția axei longitudinale a unei forțe progresive de întindere până la rupere. Dependența dintre tensiunile normale și deformațiile specifice ce sunt efectul solicitării axiale a epruvetei, reprezintă curba caracteristică a materialului încercat la tracțiune.

Figura 2.7 Epruvetele sudate

Figura 2.8 Epruvetele sudate supuse la tracțiune

Curbele la tracțiune obținute pentru epruvetele sudate. În figura 2.8 au fost încercate epruvetele din plastic sudate la regimul 1 de funcționare, iar în figura 2.9 se regăsesc curbele probelor sudate la regimul 2 de funcționare.

Figura 2.9 Curbele regimului 1

Figura 2.10 Curbele regimului 2

Tabel 2.4 Forțele maxime obținute pentru suduri

Media forței de tracțiune pentru regimul 1 = 60.355 N

Media forței de tracțiune pentru regimul 2 = 288.65 N

Tabel 2.5 Forțe maxime obținute pentru epruvete

Figura 2.11 Ruptură epruvetă

În figura 2.10 se poate observa o rupere a epruvetei într-o zonă învecinată punctului de sudură. Datorită timpului de sudare T2 ridicat s-a produs o slabire a secțiunii epruvetei prin topire. În cazul sudurilor efectuate pentru primul regim, datorită timpului insuficient de sudură T2, nu a fost posibilă realizarea unei legături perfecte, în zona de contact dintre cele 2 epruvete. Ca urmare se recomandă ca timpul de sudură sa fie de 1.7-1.8 secunde.

3. Calculul și analiza cu metoda elementului finit a sonotrodei

3.1. Sistemul ultra-acustic

Sistemul ultra-acustic reprezintă subansamblul cel mai important al echipamentului de sudat cu ultrasunete pentru că acesta realizează parametrii acustici: intensitatea acustică, densitatea de energie acustică și frecvența oscilațiilor. De asemenea, sistemul ultra-acustic asigură și atingerea parametrilo mecanici necesari procesului tehnologic de sudare: presiunea statică de apăsare și forța de presare, Amza [2006].

Sistemul ultra-acustic utilizat la sudarea cu ultrasunete are următoarele componente (figura 3.1):

ansamblul piezoceramic (1, 2, 3);

booster-ul sau elemental intermediar (4);

concentratorul de energie ultrasonora (5).

Ansamblul piezoceramic este acordat pe frecvența de 20 kHz și generează oscilațiile ultrasonore longitudinale.

Elementul activ al ansamblului ceramic este traductorul electromecanic (un pachet de pastile piezoceramice în număr par – 2) care pe baza unui efect piezoelectric convertește oscilațiile electrice aplicate de un generator electronic în oscilații elastice. Pastilele piezoceramice sunt cuplate cu sensurile de polarizare opuse. Ariile comune se constituie în planul nodal, adică planul de oscilație zero.

Pastilele piezoceramice sunt asamblate între un element reflector (1) și un element difuzor (3) sau radiant. Oscilațiile elastice de la ieșirea din elemental radiant (3) sunt cele de intrare pentru elementul intermediar (4).

Elementul intermediar sau booster-ul (4) se interpune între ansamblul piezoceramic și concentratorul de energie ultrasonoră. El are rolul de a multiplica mecanic cu un anumit factor amplitudinea vibrației transmisă concentratorului.

Concentratorul de energie ultrasonoră este dimensionat, ținând cont de proprietățile de material, astfel încât lungimea lui să corespundă unei semilungimi de undă (λ/2) și să lucreze în regim de rezonanță. Rolul concentratorului este de a amplifica oscilațiile elastice și de a conduce energia ultrasonoră în locul sudării.

Pentru a lucre cu un randament bun, concentratorul de energie ultrasonoră trebuie acordat cu frecvența la care este calculate ansamblul piezoceramic, deci întregul sistem ultra-acustic trebuie să lucreze în regim de rezonanță, pentru ca intensitatea acustică să fie cât mai mare. Dacă este necesar, la fabricarea concentratorului se efectuează operații de ajustare pentru acordarea în frecvență.

Sistemul ultra-acustic trebuie să îndeplinească o serie de cerințe acustice, Amza [2006]:

pierderi minime de energie;

concentrarea maximă a energiei ultrasonore;

stabilitatea regimului de rezonanță a sistemului oscilator;

uniformitatea radiației energiei acustice pe toată suprafața de sudare;

eficiență și directivitate maximă;

stabilitatea funcționării în timp a sistemului oscilator;

posibilitatea controlului principalilor parametri de funcționare;

simplitatea constructivă a elementelor componente și a întregului sistem ultra-acustic;

fiabilitate ridicată.

Pierderile minime de energie ultrasonoră sunt posibile atunci când sistemul oscilator lucrează în regim de rezonanță. Pentru a se respecta această cerință, frecvența proprie a componentelor și a întregului sistem trebuie să coincidă cu frecvența oscilațiilor de excitație.

Reducerea pierderilor de energie este condiționată și de calitatea îmbinărilor dintre elementele componente, fiind obligatorie asigurarea unui cuplaj acustic bun. Pierderile de energie ultrasonoră depind și de materialul din care sunt realizate elementele componente. Materialele destinate construcției sistemului oscilator trebuie să aibă o bună elasticitate, decrement de amortizare scăzut și o mare rezistență la oboseală (aliaje de titan, duraluminiu, oțelurile de scule etc.).

Micșorarea pierderilor de energie depinde și de modalitatea de rezemare a sistemului ultra-acustic. Locurile de prindere recomandate sunt nodurile deplasărilor (secțiunile de oscilație zero). Dacă sistemul de fixare trebuie să suporte sarcini statice mari, sunt recomandate soluțiile care utilizează fixarea pe reazeme multiple.

Stabilitatea regimului de rezonanță al sistemului oscilator în funcționare se asigură prin calculul și alegerea corectă a dimensiunilor de rezonanță ale elementelor componente, prin buna lor izolare acustică și prin utilizarea generatorului cu reacție acustică. Adaptarea sistemului ultra-acustic cu generatorul de oscilații electrice se face de obicei prin reglaj automat.

Stabilitatea în timp a funcționării sistemului ultra-acustic depinde de stabilitatea funcționării generatorului de ultrasunete, de gradul de conservare a parametrilor sistemului și de variația rezistenței sarcinii.

Simplitatea constructivă se obține prin utilizarea de elemente tipizate, cu forme constructive simple, a căror reglare și înlocuire se poate face ușor și rapid.

3.2. Calculul unui concentrator de energie ultrasonoră de formă cilindrică în trepte

Intensitatea acustică obținută cu un transductor ultrasonic are o valoare limitată, determinată de numeroși factori, printre care un loc important îl deține natura materialului din care este realizat elementul piezoceramic. Astfel, dacă se utilizează plăcuțe de cuarț, atunci când se iau măsuri pentru a preveni apariția cavitației, se obțin intensități acustice de până la 60 W/cm2. Limitarea intensității este determinată de rezistența mecanică a cuarțului și de imposibilitatea eliminării descărcării electrice de la marginea plăcii. Dacă se folosesc plăcuțe de titanat de bariu, intensitățile acustice maxime care se pot obține ajung doar până 15 W/cm2.

Deoarece în multe aplicații active este util să se realizeze într-un volum relativ redus concentrații mari de energie, intensitatea acustică trebuie să depășească valorile amintite.

Ținând cont de faptul că undele ultrasonore au o comportare similară cu undele luminoase, s-a recurs la crearea de dispozitive care să permită concentrarea energiei acustice. Astfel, se folosesc bare de secțiune variabilă numite transformatoare sau concentratoare acustice, care cuplate cu transductorul îndeplinesc o serie de funcții, Amza [2006]:

conduc energia ultrasonoră la locul unde are loc prelucrarea;

concetrează energia ultrasonoră în zona de prelucrat;

amplifică amplitudinea sculei de lucru și implicit intensitatea acustică;

prin forma lor permit obținerea diferitelor tipuri de unde acustice (longitudinale, transversale, de torsiune, de suprafața, radiale etc.) în funcție de natura procesului tehnologic la care se aplică;

permit fixarea întregului sistem acustic în ansamblul echipamentului, știut fiind faptul că ele au plane nodale de oscilație nulă;

conferă un randament maxim procedeului de prelucrare;

prin forma și dimensiunile lor permit o gamă variată de aplicații și utilizarea lor la diferite procedee de prelucrare.

La același raport al ariilor celor două secțiuni transversale de capăt, factorul de multiplicare N este cel mai mare pentru concentratorul cilindric în trepte, scade pentru concentratorul exponențial, fiind cel mai mic pentru cel conic. Din acest motiv, s-a impus prin tema de proiectare forma geometrică cilindrică în trepte.

Calculul dimensiunilor concentratorului de energie ultrasonoră se bazează pe următoarele date de intrare:

proprietățile oțelului OLC 45 ales pentru confecționarea sonotrodei – modulul de elasticitate longitudinală , coeficientul de contracție transversală și densitatea ;

frecvența de lucru ;

amplitudinea oscilației la ieșirea din booster ;

diametrul de ieșire al booster-ului ;

amplitudinea oscilației necesară sudării materialului plastic ;

diametrul suprafeței de prelucrat prin sudare cu ultrasunete .

Pentru un cuplaj acustic ideal între booster și concentrator amplitudinea u1 a oscilației la intrarea sonotrodei trebuie să fie egală cu:

Astfel, factorul de multiplicare N se calculează cu relația:

Considerând ariile secțiunilor transversale A1 și A2 ale celor două porțiuni cilindrice, iar factorul de multiplicare , se calculează diametrul D1 al primei porțiuni cilindrice:

După recomandările ZVEI [2011], punctul nodal K (figura 3.2) se află la joncțiunea dintre cele două porțiuni cilindrice. Lungimea totală a concentratorului de energie ultrasonoră L0 se calculează după relația:

unde viteza de propagare a oscilației elastice este:

Factorii de corecție k1 și k2 se pot adopta ca fiind egali cu unitatea, Shu [2013], rezultând lungimea finală a sonotrodei:

cu .

Dacă se adoptă recomandările lui Nanu [2011], lungimile celor două tronsoane cilindrice se pot calcula și pe baza relațiilor:

unde:

și

Introducând rezultatul (3.9) în relațiile de calcul (3.7) se obțin lungimile tronsoanelor:

și lungimea totală L0 a sonotrodei:

Rezultă așadar o diferență de 1,20 [mm] între lungimile furnizate de cele două abordări. Pentru acordarea cu ușurință a sonotrodei în ansamblul ultra-acustic, se acceptă cea de-a doua variantă de calcul, acceptând majorarea lungimilor cu 1-2 [mm] ceea ce conduce la o frecvență de rezonanță cu aproximativ 500-1000 [Hz] sub valoarea dorită de 20 [kHz]. Sonotroda va atinge frecvența de rezonanță dorită după câteva iterații de scurtare și remăsurare, Nanu [2011].

Joncțiunea de trecere de la diametrul D1 la diametrul D2 reprezintă un concentrator de tensiune important și o zonă de inițiere a fisurilor de oboseală. Din acest motiv, la trecerea dintre cele două porțiune se realizează o racordare de 3 [mm], Nanu [2011].

3.3. Analiza cu metoda elementului finit a concentratorului de energie ultrasonoră

3.3.1. Metoda elementului finit

Metoda elementelor finite a aparut ca o necesitate de a studia starea de tensiune și deformație pentru structuri de rezistență de mare complexitate geometrică pentru care calculul se face mai ușor în cazul în care intregul se împarte în domenii mai simple. Datorită caracterului de generalitate al acestei metode, ea s-a extins cu rapiditate aproape în toate domeniile calcului ingineresc care au la baza metodele fizico matematice de calcul. Deși numele metodei elementului finit a fost introdus recent, conceptul a fost utilizat începând cu cateva secole în urmă. Fundamentele metodei elementelor finite au fost puse de matematicianul Gauss în anul 1795 prin publicarea lucrării științifice legate de reziduurile ponderate. Perfecționări asupra acestei teorii au fost aduse de catre Galerkin în 1915, respectiv Bienzo-Koch în anul 1923. Pană la jumatatea secolului al XX-lea au fost introduse o serie de teorii cu aplicații deosebite in inginerie, cum ar fi: metode variaționale, diferențe finite, diferențe finite variaționale, testarea continuității funcțiilor pe subdomenii, rezoluția prin anologie structurală. Discretizarea in elemente finite a mediilor continue a fost pentru prima oară publicată de R.W.Clough, Martin și Topp in anul 1956, Noțiunea de element finit a fost introdusa în anul 1960 de Ray William Clough, profesor al universității din California.

Metoda diferențelor finite, denumită și metoda rețelelor, bazată pe ideea înlocuirii derivatelor prin diferențe finite (ceea ce înseamnă de fapt utilizarea unor serii Taylor trunchiate) este cea mai simplă și cea mai veche metodă de rezolvare numerică aproximativă a ecuațiilor și sistemelor de ecuații diferențiale. Precizia de aproximare a soluției, reprezentată prin valorile sale în nodurile unei rețele de discretizare a domeniului, depinde de forma și pasul rețelei, de expresia de discretizare a derivatelor parțiale prin diferențe finite, de modul de aproximare a condițiilor la limită și de procedeele de calcul utilizate. Detalii despre această metodă se găsesc în lucrările lui Gordunov [1977], Boleanțu [1978], Faur [1998].

Metoda elementelor finite este în esență un procedeu de rezolvare aproximativă a problemelor de câmp, adică de determinare într-un domeniu dat a uneia sau mai multor funcții necunoscute caracteristice naturii fizice a câmpului cercetat (de exemplu, câmpul tensiunilor, deformațiilor și deplasărilor în teoria elasticității) atunci când nu se pot rezolva analitic ecuațiile diferențiale și/sau integro-diferențiale care descriu fenomenul. Cele mai celebre monografii dedicate metodei elementelor finite sunt cele ale lui Zienkiewicz [1977], Bathe [1976] și Rao [2005], dar există și excelente monografii în literatura științifică românească, Pascariu [1985], Blumenfeld [1995], Faur [2002].

Formularea metodei elementelor finite pentru rezolvarea unei probleme plane presupune parcurgerea următoarelor etape, Faur [2002]:

Definirea elementului finit și a funcțiilor de formă, cu alegerea funcțiilor de interpolare (liniare, pătratice sau de grad superior) pentru deplasări;

Satisfacerea legilor de material (a ecuațiilor constitutive). Este necesară în această etapă exprimarea derivatelor funcțiilor de deplasare pentru a obține deformațiile specifice și apoi utilizarea relațiilor tensiuni-deformații specifice.

Exprimarea matricei de rigiditate a elementului finit. Ecuația elementală se obține utilizând fie metoda directă și o abordare energetică:

Asamblarea matricei de rigiditate globală. Matricea de rigiditate globală se obține prin asamblarea tuturor ecuațiilor elementale, rezultând ecuațiile finale:

Aplicarea condițiilor pe contur în deplasări și sarcini. Această etapă se constituie în aplicarea corectă a condițiilor prescrise în deplasări și sarcini pe conturul structurii.

Soluționarea sistemului de ecuații algebrice liniare și obținerea deplasărilor nodale (soluțiile primare);

Postprocesare. Necunoscutele secundare se exprimă din deplasările calculate pentru fiecare element finit (deformațiile specifice) și din ecuațiile constitutive (tensiunile).

Rezolvarea cu acuratețe a problemelor legate de prezența concentratorilor de tensiune în componentele structurale prin utilizarea MEF, impune respectarea unui set de reguli practice:

o discretizare progresivă care să respecte forma elementelor (apropiată de cea triunghiulară, pătratică sau cubică) și să evite modificările bruște de dimensiune a elementelor adiacente;

utilizarea unor elemente finite pătratice sau de ordin superior pentru simularea unui contur curbiliniu;

împiedicarea mișcărilor de solid rigid și utilizarea condițiilor de simetrie pentru a reduce dimensiunea problemei;

utilizarea unor elemente finite compatibile în zonele de interfață și conexiunea corectă între nodurile situate la extremități.

Aplicatii inginerești ale metodei elementului finit

Aplicarea metodei elementelor finite s-a impus ca urmare a faptului ca poate rezolva cu ușurință probleme a căror complexitate este dată de configurații geometrice complicate, neomogenități de material, anizotropiei materialelor, materiale compozite, etc.

Caracterul general al metodei elementelor finite o face aplicabilă unei varietăți largi de probleme cu soluții pe contur în inginerie. O problemă cu soluție pe contur este una în care soluția este verificată pe conturul corpului pentru variabilele dependente sau derivatelor lor ca urmare a impunerii condițiilor prescrise pe contur.

Sunt cunoscute trei categorii majore de problemele cu soluții pe contur, și anume:

a. Probleme de echilibru sau staționare, sau problemele independente de timp. În problemele de echilibru trebuie să gasim deplasarea în starea de echilibru sau distribuția tensiunii daca aceasta este o problemă de mecanica solidului, distribuția temperaturii sau fluxului de caldură daca aceasta este o problemă de transfer a caldurii și distribuția presiunii sau a vitezei daca aceasta este o problemă de mecanica fluidului.

b. Probleme de valori proprii. În problemele de valori proprii timpul nu apare în mod explicit. Acest tip de probleme pot fi considerate ca extensii ale problemelor de echilibru. In plus fata de configurațiile corespunzatoare ale stării de echilibru în problemele de valori proprii este necesar să se determine valorile critice ale anumitor parametri care intervin în formulările acestora. În aceste probleme trebuie sa găsim frecvențele naturale daca este vorba de o problemă de mecanica solidului, studiul regimurilor curgerii laminare, dacă este vorba de o problema de mecanica fluidului și caracteristicile de rezonanță dacă este o problema de circuit electric.

c. Probleme de propagare sau de tranziție. Problemele de propagare sau tranzitorii sunt probleme dependente de timp. Acest tip de probleme apar, de exemplu, ori de câte ori suntem interesati în găsirea raspunsului corpului care este supus sub sarcini variabile în timp în mecanica solidului deformabil, sau în cazul încălzirii sau răcirii bruște în cazul transferului de caldură.

3.3.2. Analiza modală a sonotrodei

Dimensiunile geometrice ale sonotrodei utilizate la sudarea cu ultrasunete sunt prezentate în figura 3.3.

Modelul geometric realizat cu pachetul software ANSYS 13.0 este ilustrat în figura 3.4.

Discretizarea s-a realizat cu elemente finite de tipul SOLID187 ales din biblioteca software-ului ANSYS, un element finit 3D tetrahedral cu 10 noduri și 3 grade de libertate pentru fiecare nod. Prin discretizarea volumului au fost generate 6746 elemente finite cu 12034 noduri, figura 3.5.

Proprietățile de material sunt cele corespunzătoare oțelului OLC 45. Pentru tipul de analiză modală nu sunt impuse anumite condiții la limită, sonotroda fiind considerată nerezemată la capete.

Ca rezultat al analizei se obțin frecvențele corespunzătoare modurilor de vibrație ale sonotrodei în apropierea frecvenței de rezonanță de 20 [kHz]. În figurile 3.6 și 3.7 este reprezentat modul de vibrație la frecvența 19633 [Hz]. La această frecvență sonotroda execută execută în mod preferential o translație în lungul axei longitudinale (axa z a sistemului global de coordinate).

Se observă că planul de oscilație zero, planul nodal, este plasat la joncțiunea dintre cele două tronsoane cilindrice, așa cum teoretic se anticipase.

Din figura 3.7 rezultă că la capetele sonotrodei deplasările longitudinale au amplitudini maxime, dar de sensuri opuse. Raportul acestora, egal cu 73,018/36,007 = 2.027. reprezintă chiar factorul de amplificare al sonotrodei. Așadar, această frecvență de rezonanță este o frecvență țintă pentru concentratorul de energie ultrasonoră.

În figurile 3.8 și 3.9 este reprezentat modul de vibrație la frecvența 25509 [Hz]. La această frecvență sonotroda se deformează prefențial în direcție radială.

În figurile 3.10 și 3.11 sunt reprezentate modurile de vibrație la frecvențele 28701 și 28703 [kHz]. La aceaste frecvențe sonotroda se deformează prin încovoiere, adică prin rotații ale secțiunilor transversal în planul xOy.

În figurile 3.12 și 3.13 este reprezentat modul de vibrație la frecvența 36465 [Hz]. De asemenea, la această frecvență sonotroda se deformează prefențial în direcție radială.

Din cele cinci moduri de vibrație identificate în vecinătatea frecvenței de lucru admise de 20 [kHz], doar frecvența de rezonanță de 19633 [Hz] este de interes scopului nostru, eroarea relative fiind de -1,8 [%]. Acordarea sonotrodei la frecvența de lucru propusă de 20 [kHz] se realizează prin reduceri iterative ale lungimii.

4.Tehnologia de fabricație a sonotrodei

Tehnologia de fabricație s-a făcut pentru sonotroda prezentată în capitolul 3, figura 3.3

Strung universal SN 400

Mașina unealtă a fost aleasă în funcție de dimensiunile și forma semifabricatului precum și precizia dimensională.

Strunjirea este operația tehnologică de prelucrare prin așchiere a unui material cu ajutorul unui strung. Mișcarea principală relativă dintre piesă și unealtă este mișcarea de rotație. Specific pentru strunjire, spre deosebire de alte prelucrări prin așchiere este rotirea piesei de prelucrat, nu a sculei (uneltei). Așchierea se obține prin acțiunea continuă a uneltei, care este un cuțit de strung. Piesa efectuează mișcarea de rotație iar cuțitul efectuează o mișcare de avans, care poate fi paralelă cu axa arborelui strungului, perpendiculară pe ea sau oblică, corespunzător celor trei sănii ale strungului, sania longitudinală, sania transversală și sania portcuțit. Remus Răduleț [1966]

Stabilirea regimurilor de aschiere

Semifabricatul de prelucrat este de formă cilindrică cu lungimea de 160mm si diametrul de 66mm

Faza 1 Debitare

Cu fierăstrau alternativ FA-300

Regimul de debitare:

Lungimea materialului: 150 mm

Diametru materialului: Φ60 mm

Numarul cursei duble pe minut: 80

` Dispozitiv de prindere, menghina cu bacuri sub forma de V

Timpul de baza:

Tb= Tb=15 min. (4.1)

Timpul auxiliar:

Ta1=0.4 min fixsare in menghina

Ta2 =0.3 min pornirea masini si cuplare debitare

Ta3 = 0.5 min decuplare, oprire si desprindere piesa.

Ta = 1.2 min

Faza 2 Strunjire frontala de degrosare 1

Masina SN 400

Scula aschietoare: Strujire exterioare, cilindrica si frontala SCAR 1414M09.

Figura 4.1 Dimensiunile sculei așchietoare. Faza 2

Stabilirea adâncimii de așchiere

Adaosul de prelucrare printr-o singură trecere este de t = 2.5 mm.

Stablirea avansului și a vitezei de așchiere.

t = 2.5 mm

Avansul s = 0.1 -0.3 mm/rot.

Viteza v = 50-150 m/min conform catalog SECO

Figura 4.2 Avansul și viteza de așchiere

Avansul s =0.20 mm/rot.

Viteza v = 58.1 m/min.

Forța principală Fz =112.2 da N.

Puterea P = 1,36 kW

Stablirea turației se calculează cu relatia:

n = (4.2)

n = 308 rot/min se pune de acord cu turațile masini-unelte, n = 305 rot/min

Timpul de bază

Tb= Tb=0.49 min

Timpul auxiliar

Ta1= 0.3 min fixatul piesei in universal.

Ta2= 0.3 min reglatul adâncimii de așchiere.

Ta3=0.1 min retragere cuțit.

Ta4=0.14 min timp alocat pentru manevrarea strungului.

Ta= 0.86 min

Faza 3 Strunjire cilindrică de degroșare

Masina SN 400

Scula așchietoare: Strujire exterioară, cilindrică și frontală SCAR 1414M09.

Figura 4.3 Dimensiunile sculei așchietoare. Faza 3

Stabilirea adâncimii de așchiere

Adaosul de prelucrare printr-o singură trecere este de t = 1.5 mm.

Stablirea avansului și a vitezei de așchiere.

t = 1.5 mm

Avansul s = 0.1 -0.3 mm/rot.

Viteza v = 50-150 m/min conform catalog SECO

Avansul s =0.20 mm/rot.

Viteza v = 66 m/min.

Forța principală Fz =67.3 da N.

Puterea P = 0.92 kW

Stablirea turației se calculează cu relația:

n =

n = 350 rot/min se pune de acord cu turația masinii-unelte, n = 380 rot/min

Timpul de bază

Tb= Tb=2.63 min

Timpul auxiliar

Ta= 1.2 min cuplare avans, decuplare avans.

Faza 4 Centruirea

Scula așchietoare:Burghiu de centruire STAS 1114-80

Stabilirea adincimi de aschiere

t = 10 mm

Avansul se realizează manual

n = 380 rot/min

Timpul de bază

Tb= 0.3 min prelucrare prin gaurirea de centrare

Timpul auxiliar

Ta1= 1.3 min montat mandrină cu burghiu de centruire ,apropiat papușa mobila ,blocat.

Ta2=1.1 min deblocat și retras papușă mobilă.

Ta3=0.3 min oprit mașină, desprins piesă din universal

Ta=2.7 min

Faza 5 Strunjire frontală de degroșare 2

Este identică cu faza 2 de strunjire frontala de degrosare 1.

Faza 6 Strunjire cilindrică de degroșare

Masina SN 400

Scula aschietoare: Strujire exterioară, cilindrică și frontală SCAR 1414M09

Stabilirea adâncimii de așchiere

Adaosul de prelucrare printr-o singură trecere este de t = 1.5 mm.

Stablirea avansului și a vitezei de așchiere

t = 1.5 mm

Avansul s = 0.1 -0.3 mm/rot.

Viteza v = 50-150 m/min conform catalog SECO

Avansul s =0.20 mm/rot.

Viteza v = 66 m/min.

Forța principală Fz =67.3 da N.

Puterea P = 0.92 kW

Stablirea turației:

n =

n = 350 rot/min se pune de acord cu turația masinii-unelte, n = 380 rot/min

Timpul de bază

Tb= Tb=1.25 min,

Timpul auxiliar

Ta= 1.2 min cuplare avans, decuplare avans.

Faza 7 Strunjire cilindrica de degrosare

Scula așchietoare este folosită pentru strujirea exterioară, cilindrică și frontală SCAR 1414M09.

Figura 4.4 Dimensiunile sculei așchietoare. Faza 7

Stabilirea adâncimii de așchiere

Adaosul de prelucrare printr-o singură trecere este de t = 4 mm. Se vor folosi 7 treceri.

Stablirea avansului și a vitezei de așchiere.

t = 4 mm

Avansul s = 0.1 -0.3 mm/rot.

Viteza v = 50-150 m/min conform catalog SECO

Avansul s =0.10 mm/rot.

Viteza v = 64.9 m/min.

Forța principală Fz =106.7 da N.

Puterea P = 1.44 kW

Stablirea turației:

n =

n = 310 rot/min se pune de acord cu turația masinii-unelte, n = 305 rot/min

Timpul de bază

Tb=

Tb=1.57 min,la o trecere Tb= 1.57*7=11.01 min

Timpul auxiliar

Ta= 1.2 min cuplare avans, decuplare avans.

Faza 8 Centruirea.

Scula așchietoare:Burghiu de centruire STAS 1114-80

Stabilirea adâncimii de așchiere

t = 10 mm

Avansul se realizează manual

n = 380 rot/min

Timpul de bază

Tb= 0.3 min prelucrat prin gaurire gaura de centrare .

Timpul auxiliar

Ta1= 1.3 min montat mandrina cu burghiu de centruire ,apropiat papușa mobilă ,blocat.

Ta2=1.1 min deblocat și retras papușă mobilă.

Ta3=0.3 min oprit mașină, desprins piesă din universal.

Ta=2.7 min

Figura 4.5 Scule așchietoare pentru finisare

Faza 9 Strunjire cilindrică de finisare

Scula așchietoare este folosită pentru strujirea exterioară, cilindrică și frontală SWLCR 2020H06.

Figura 4.6 Dimensiuni scula așchietoare. Faza 9

Stabilirea adâncimii de așchiere

Adausul de prelucrare printr-o singura trecere este de t = 0.7 mm.

Stablirea avansului si a vitezei de aschiere.

Figura 4.7 Avansul și viteza de așchiere. Faza 9

t = 0.7 mm

Avansul s = 0.02 -0.2 mm/rot.

Viteza v = 60-200 m/min conform catalog SECO

Avansul s =0.10 mm/rot.

Viteza v = 109.1 m/min.

Forța principală Fz =13.3 da N.

Puterea P = 0.30 kW

Stablirea turației:

n =

n = 578 rot/min se pune de acord cu turația mașinii-unelte, n = 600 rot/min

Timpul de bază

Tb=

Tb= 4.08 min,

Timpul auxiliar

Ta= 1.2 min cuplare avans, decuplare avans.

Faza 10 Strunjire cilindrică de finisare

Scula aschietoare este folosită pentru strujirea exterioară, cilindrică și frontală SWLCR 2020H06.

Figura 4.8 Dimensiuni sculă așchietoare. Faza 10

Stabilirea adâncimii de așchiere

Adaosul de prelucrare printr-o singură trecere este de t = 0.7 mm.

Stablirea avansului și a vitezei de aschiere

t = 0.7 mm

Avansul s = 0.02 -0.2 mm/rot.

Viteza v = 60-200 m/min conform catalog SECO

Avansul s =0.10 mm/rot.

Viteza v = 109.1 m/min.

Forța principală Fz =13.3 da N.

Puterea P = 0.30 kW

Stablirea turației se calculează cu relația:

n =

n = 578 rot/min se pune de acord cu turația mașinii-unelte, n = 600 rot/min

Timpul de bază

Tb=

Tb= 1.3 min,

Timpul auxiliar

Ta= 1.2 min cuplare avans, decuplare avans.

5.BIBLIOGRAFIE

Nicolae Faur (2002) Elemente finite. Fundamente, Editura Politehnica

Mihaela Popescu (2004) Tehnici de îmbinare a materialelor plastice, Editura Politehnica

Richard Herman (2010) Tehnologia materialelor, volumul 2, Editura Politehnica

Octavian Oancă (2004) Bazele sudării cu ultrasunete a materialelor

Nicușor Alin Sîrbu (2009) Cercetări teoretice și experimentale privind activarea cu ultrasunete a proceselor de curgere a materialelor polimerice, Editura Politehnica

Amza Gh. (2006) Ultrasunetele. Aplicații active, Editura AGIR, București.

Nanu A.S., Marinescu N.I., Ghiculescu D. (2011) Study on ultrasonic stepped horn geometry design and FEM simulation, Nonconventional Technologies Review 4, 25-30.

Shu K.M., Hsieh W.H., Yen H.S. (2013) On the design and analysis of acoustic horns for ultrasonic welding, Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering 37, 905-916.

Ravi K. Patel (2014) Effect of horn (sonotrode) profile on weld strength of hdpe plastic weld by using ultrasonic welding,Ganpat University

Edgar de Vries (2004) Mechanics and mechanisms of ultrasonic metal welding, Ohio State University

D. Grewell, A Benatar (2012) Welding of plastics: Fundamentals and new developments

ZVEI – German Electrical Manufacturers Association – Recommendations on methods, construction and applications, online: www.powerultrasonics.com .

http://dexonline.ro/