Figura 1.1 Reprezentarea grafică a amplitudinii … … …6 [619257]

Pag. 1/ 66

Listă figuri

Figura 1.1 Reprezentarea grafică a amplitudinii ………………………….. ………………………….. …….6
Figura 1.2 Reprezentarea frecvenței de 3 Hz ………………………….. ………………………….. ………… 6
Figura 1.3 Propagarea undelor ………………………….. ………………………….. ………………………….. .8
Figura 1.4 Tipuri de unde ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 9
Figura 1.5 Undele Rayleigh ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 10
Figura 1.6 Undele Lamb ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 10
Figura 1.7 Structura polimerilor ………………………….. ………………………….. ……………………….. 12
Figura 1.8 Schema unui echipament de sudare cu ultrasunete : ………………………….. …………… 16
Figura 1.9 Schema unui echipament de sudare cu ultrasunete a metalelor ………………………… 18
Figura 2.1 Timpul de sudare ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 22
Figura 2.2 Diagrame de forță ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 24
Figura 2.3 Ciclograma de sudare cu ultrasunete ………………………….. ………………………….. ….. 25
Figura 2.4 Ansamblu rezonator convertor -booster -sonotrodă ………………………….. …………….. 29
Figura 2.5 Echipamentul de sudare cu ultrasunete ………………………….. ………………………….. .. 30
Figura 2.6 Parametrii tehnologici de sudare utilizați ………………………….. …………………………. 33
Figura 2.7 Epruvetele sudate ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 34
Figura 2.8 Epruvetele sudate supuse la tracțiune ………………………….. ………………………….. …. 34
Figura 2.9 Curbele regimului 1 ………………………….. ………………………….. ………………………… 35
Figura 2.10 Curbele regimului 2 ………………………….. ………………………….. ………………………. 35
Figura 2.11 Ruptură epruvetă ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 37
Figura 3.1 Ansamblul ultra -acustic, Amza [2006]. ………………………….. ………………………….. . 38
Figura 3.2 Concentratorul de energie ultrasonoră cu forma cilindrică în trepte ………………….. 41
Figura 3.3 Dimensiunile sonotrodei analizate cu MEF ………………………….. ……………………… 48
Figura 3.4 Modelul geometric al sonotrodei ………………………….. ………………………….. ……….. 47
Figura 3.5 Discretizarea cu elemente finite SOLID92 a sonotrodei ………………………….. …….. 47
Figura 3.6 Deformația totală a sonotrodei la 1 9633 [Hz]. ………………………….. ………………….. 48
Figura 3.7 Deformația în direcție longitudinală la 19633 [Hz ………………………….. ……………. 48
Figura 3.8 Deformația totală a sonotrodei la 25509 [Hz]. ………………………….. ………………….. 49
Figura 3.9 Defor mația în direcție longitudinală la 25509 [Hz]. ………………………….. …………… 49

Pag. 2/ 66
Figura 3.10 Deformația totală la 28701 [Hz]. ………………………….. ………………………….. ……… 50
Figura 3.11 Deformația totală la 28703 [Hz]. ………………………….. ………………………….. ……… 50
Figura 3.12. Deformația totală la 36465 [Hz]. ………………………….. ………………………….. …….. 51
Figura 3.13 Deformația în direcție longitudinală la 36465 [Hz]. ………………………….. …………. 51
Figura 4.1 Dimensiunile sculei așchietoare. Faza 2 ………………………….. ………………………….. 55
Figura 4.2 Avansul și viteza de așchiere ………………………….. ………………………….. …………….. 56
Figura 4.3 Dimensiunile sculei așchietoare. Faza 3 ………………………….. ………………………….. 60
Figura 4.4 Dimensiunile sculei așchietoare. Faza 7 ………………………….. ………………………….. 62
Figura 4.5 Scule așchietoare pentru finisare ………………………….. ………………………….. ……….. 63
Figura 4.6 Dimensiuni scu la așchietoare. Faza 9 ………………………….. ………………………….. …. 63
Figura 4.7 Avansul și viteza de așchiere. Faza 9 ………………………….. ………………………….. …. 63
Figura 4.8 Dimensiuni sculă așchietoare. Faza 10 ………………………….. ………………………… 64

Pag. 3/ 66
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

Pag. 4/ 66
1. Introducere
1.1 Sudare a materialelor . Generalități
Sudarea: este un procedeu tehn ologic de îmbinare nedemontabilă a două sau mai multe
piese realizată printr -un procedeu oarecare de sudare, în așa fel încât să se obțină o legatură
metalică de egală rezistență, care să prezinte siguranță in execuție și exploatare (SR ISO 857/1994)
Asamb larea realizată prin sudare, numită sudură, asigură continuitatea materialului în zona
de îmbina re. Continuitatea este realizată, atâ t la nivel de compoziție chimică și structură, cât și la
nivel de proprietaț i intrinseci ș i extrin seci. Prin proces de suda re se înț elege ansambul de fenomene
prin care se stabilesc legaturile interatomice.
Sudura prin topire cu arc electric a fost dezoltată pentru prima dată î n anul 1882, în condiț ii
de laborator de inventatorul rus N. Bernados, care pentru a realiza asamblar ea metalelor a folosit
un electrod de carbune. La sfarș itul secolului al XIX -lea inginerul rus N. Slavia nov, a folosit pentru
prima dată procedeu l de sudare prin topire la scară industrială . Acesta a folosit un electrod metalic
fuzibil. In urmatorii ani, n umeroși oameni de știință au ajutat la d ezvoltarea procedeelor de sudură,
cum ar fi: sudarea cu înveliș , sudarea in mediu protector etc. La sfarș itul secolului XX apar
tehnologiile neconvetionale de sudare, cu plasmă , cu fasticul de fotoni sau cu fascicul de ioni ș i
sudura prin presiune.
Sudarea poate fi aplicată unei game largi de materiale: fonte, oteluri carbon, oteluri aliate,
metale, aliaje neferoase, materiale nem etalice (mase plastice, sticla)
Principalele avantaje ale construcț iilor sudate sunt:
 Automatizarea proceselor tehnologice
 Reducerea timpilor de lucru
 Se pot obține construcț ii mixte, formate din mai multe material e
 In comparaț ie cu procedeul de turnare, constul de manopera este cu 30…75% mai scazut
 Se realizează o importantă economie de mater ial
 Față de niturie sau alte procedee de asamblare, p rin sudare se realizeaza o etanșitate mai
bună a îmbinării și prin absența găurilor, crește rezistența asamblă rii

Pag. 5/ 66

Dezavantajele procedeului de sudare:
 In general sudarea este urmată de alte procedee te hnologice
 Calitatea sudurii depinde in ma joritatea cazurilor de proprietățile materialelor sudate și
experienț a personalului
 Pentr u piesele de dimensiuni reduse ș i de serie mare, din motive economice, se preferă
procedeul de turnare
1.2 Ultrasunete . Generalități
Acustic a este știința sunetului. Ca domeniu științific ea tratează totalitatea aspectelor legate
de sunet, ca producerea, propagarea, influențarea și analiza sunetului. De asemenea, acustica
studiază interacțiunea sunetului cu materialele, propagarea în spațiu, p recum și percepția sunetului
și efectele asupra oamenilor și animalelor. Acustica este un domeniu de cercetare și aplicație
interdisciplinar, bazat pe diferite discipline, ca fizica, psihologia, fiziologia, tehnica transmisiei de
informații, știința materi alelor etc. Sunetul se propagă diferit în diverse medii, acestea influențând
viteza de propagare și spectrul frecvențelor.
“Ulrasunet = Vibraț ie a unui mediu elastic, de aceeași natură cu sunetul, având frecvenț e
superioare acestuia, fapt p entru care nu po ate fi percepută cu urechea.” Aceasta este defini ția
ultrasunetului conform dicț ionarului explicativ al limbii româ ne.
Amplitudinea reprezintă distanța de la punctul de echilibru sau 0 pâ nă la maximumul
pozitiv sau negativ al oscilației. Amplitudinea se ma nifestă în cazul undelor sonore prin ceea ce
numim intensitate sonoră.

Pag. 6/ 66
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 fre cvență 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 val uri și se generalizează natural la alte sisteme fizice în care apar unde. Astfel ca putem

Pag. 7/ 66
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.
𝑑2𝑢
𝑑𝑡2=𝑐2𝑑2𝑢
𝑑𝑥2 ; [1.1]
Unde u(x,t) este poziția verticală în locu l 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, vi brațiilor elastice etc.
Vibrația mediului elastic, în cazul ultrasunetelor, depășeș te 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 fo losite în domeniul i ndustrial, al electroicii, navigaț iei, al sistemelor
de securitate și î n domeniul medicinei. Exemple de operații tehnologice efectuate sub acț iunea
ultrasunetelor:
 dispersarea, procesul fizic de răspâ ndire a particulelor unei substanț e printre cele ale altei
substanț e;
 curațirea, bazată pe fenomenul de cavițatie. Curaț irea cu ultrasunete este mult utilizată
datorită calității operaț iei efectuate, a timpului scurt de lucru, a diversităț ii materialelor ce
pot fi supuse acestei operaț ii;
 sedimentarea, bazată pe aglomerarea particul elor fine, solide sau lichide, în zona nodurilor
unui camp staț ionar produs de propagarea ultrasunetelor;
 filtrarea, operaț ia de separare a unei substanț e solide dintr -un lichid;
 extracția, operaț ia de separare a uneia sau a mai multo r substanț e dintr -un amestec;
 stimularea unor reacț ii chimice (ex. cele de polimerizare);
 uscarea, procesul de eliminare a apei dintr -un material;
 cristalizarea, bazată pe diferenț a de solubilitate a componentelor unui amestec;

Pag. 8/ 66
 sterilizarea, bazată pe acțiunea distructivă a ultrasun etelor asupra microorganismelor (ex.
în industria alimentară ).
În figura de mai jos se vor pre zenta grafic tipurile de sunet și modul de propagare a vibraț iei
unui mediu elastic.
Figura 1.3 Propagarea undelor

Se pot deosebi urmatoarele tipuri de unde acu stice:
 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 undel or 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 ( 1010Hz-1014Hz). 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:

Pag. 9/ 66

 Unde longitudinale : traiectoria unde i 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 propagări i 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 perpendi cular
pe direcția de propagare a frontului de undă, iar mediul are dimensiuni finite. Acestea apar
în mediile solide, de tipul barelor solicitate la torsiune

Pag. 10/ 66
 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 longit udinală
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 schim bă 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

Pag. 11/ 66
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 plasti ce 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 fundame ntale 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.
o Acest proces este reversibil , adică materialele pot fi încălzite și remodelate de
nenumărate ori , fără a se degrada. Aceste materiale sunt reciclabile.
o Exemple de materiale termoplastice: polietilena, polistirenul, policlorura de vinil
(PVC)
 materiale termorigide , care se înmoaie prin încălzire, se deformează, dar nu se topesc.
o 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.
o Exemple de materiale termorigide: bachelita, poliamida, teflonul
o Din astfel de materiale se confecționeaz ă carcasele unor mașini și aparate, materiale
sportive, industria auto etc.

Pag. 12/ 66
Cele mai utilizate tipuri de materiale plastice sunt:
 Polietilena de înaltă de nsitate folosită la fabricarea ț evilor, rezervoarelor c are conț in
combustibil pentru alimentarea m otoarelor cu ardere internă, folosită la fabricarea
recipienț ilor, folosită la fabricarea jucăriilor;
 Polietilena de mică densitate folosi tă la fabricarea pungilor, sacoș elor, be nzilor adezive,
recipienț ilor flexibili;
 Polietilena treflată folosită la împa chetarea produselor alimentare;
 Polipropilena folosită la fabricarea carcaselor de pompe, elicelor de ventilatoare, diferitelor
ustensile de uz casnic;
 Polistirenul folosit la fabricarea pieselor turnate prin injec ție, suporț ilor pentru bobine;
 Policlorura de vinil folosită la ramele ferestrelo r, pardoseli, la diferite izolaț ii, 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 po t 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 ște chere, comutatoare, materiale pentru industria
electrică;
 Rășini epoxidice;
 Rășini poliesterice;

1.3.3 Comportarea materialelor plastice la sud area cu ultrasunete. Generalităț i
Capacitatea de sudare cu ultrasunete a diferitelor mat eriale plastice este de terminată de
proprietatea lor ca la o anumită grosime dată să degaje spre suprafața de separaț ie a reperelor o
cantitate de energie mecanică care transformată în caldură să permită obtinere a îmbinari lor sudate
corespunzatoare din punct de vedere calitativ. Transfor mrea energiei mecanice a oscilațiilor în
caldură se datorează frecă rii care apar e in zonele de contact , sub acțiunea mișcarii vibratorii și

Pag. 13/ 66
puternice totodată a sonotro dei pe reperul de sudat. Această frecare duce la o egalizare rapidă
microasperi tăților suprafeței materialului plastic urmată de o fuziune superficială și de pătrunderea
materialului topit în interstiț iile existente. Criteriul principal care caracterizează comportarea la
sudare a materialelor plastice îl constituie factorul de amorti zare 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 s udat 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 m oi 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 polimeri lor termoplastici deosebim două clase de materi ale :
materiale termolpaste parțial crista line ș i materiale termop laste amorfe. În imaginea din figura
1.7 este prezentată dependenț a stării fizice a polimerilor parțial cristalini și amorfi în raport cu
temperatura.
Figura 1.7 Structura polimerilor

AMORF
PARTIAL
CRISTALIN
PP – Polipropilenă
PET – Polietilentereftalat
PE – Polietilenă

PC – Policarbonat
PS – Polystyrene
ABS – Acrylonitrile
Butadiene Styrene

Pag. 14/ 66
1.3.4 Pregătirea reperelor pentru sudare
Cu ajutoru l 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 ca re 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 c u
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 c el 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 bavu rii 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 p entru a se evita

Pag. 15/ 66
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 d e 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 un ei
suprafețe față de cealaltă suprafață. Te mperatura de sudare se obține limitată la zona îmbină rii.
Procesul de sudare cu ultr asunete are loc la o temperatură mult mai joasă decâ t temperatura de
topire, neputând fi vorba în acest caz de o zonă influențată termic ca l a celelalte procedee de sudare
și implicit nu există o modificare substantial ă a proprietăților materialului în zona îmbină rii.
Procedeul de suda re cu ultrasunete are aplicare î n micr osuduri sau la executarea unor
îmbinări î n locuri greu accesib ile în cel e mai diverse ramuri ale producț iei industriale ca
electronic a, electrotehnica, mecanica fină, domeniul nuclear, tehnica aerospatială , etc. Acest
procedeu se poate aplica la s udarea unor materiale metalice ș i plastice de dimensiuni cuprinse î n
domeniul 0,01… 10mm.
1.4.1 Conceptul de sudare prin ultrasunete al maselor plastice
Procedeul de sud are cu ultrasunete reprezintă unul dint re cele mai rapide procedee de
îmbinare a maselor plastice și a aliajelor de metal, menținând de asemena și un cost scazut. Acest
procedeu elimimină necesit atea folosirii elementelor de prindere sau strangere, a adezivilor și/sau
a solvenț ilor. Sudarea cu ul trasunete poate fi folosită la î mbinarea 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 d e materialul de sudat ș i de parametri i dimensionali ai sudurii.

Pag. 16/ 66
Sudarea cu ultrasunet e al maselor plastice reprezintă î mbinarea sau modelarea a
materialului plastic prin folosirea calduri i generata de o miscare mecanică de înaltă frecvență .
Figura 1.8 Sc hema unui echipament de sudare cu ultrasunete

Sursa principală de caldur ă la sudarea cu ultrasun ete o constituie energia oscilaț iilor
mecanice care sunt absorbite la suprafața de contact între sonotrodă și reperul de sudat. Trebuie
menționat faptul că mate rialele plastice se sudează numai în cazul în care oscilaț iile ultrasonic e
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 energi ei electrice î n energie
mecanică . Partea activă a sonotrodei este cea care preia energia mecanică de vibraț ie. Prin acțiunea
simultană a vibratiițor și forței de apăsare se produc tensiuni oscilan te în zonele vecine celei de
contact. Acest ea 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 do uă componente. Acest tip de î mbinare al mas elor plastic e este
lipsită de impurităț i, viteza de asamblare este ridicată, procedeul este eficient ș i cu un grad ridicat
de mecanizare, iar consumul de energie este scăzut, la fel ca și costul manoperei. Î n plus nu sunt
necesari solvenț i, adezivi, elemen te mecanice de prindere sau alte consumabile, iar îmbinarea
rezultata în urma procedeului de sudare cu ultrasunete este rezistent ă și fară deformații importante
ale plasticului sudat.

Pag. 17/ 66
Absorbția energiei oscilațiilor mecanice se datorează impedanț elor acust ice ale
materialu lui de sudat precum și contactului existent î ntre repe rele de sudat. Caldura se dagajă ca
urmare a existenței î n timpul procesului de sudare a trei tipuri de frecări și anume :
 frecarea internă care are ca efect încalzirea î ntregului volum de material
 frecarea externă î n zona de contact material plastic -material plastic
 frecarea dintre materialul plastic și sonotrodă
Sudarea materialelor plasti ce cu ultrasunete are ca etape încălzirea materialelor de îmbinat
urmată de realizarea legă turilor care perm it realizarea îmbină rii sudate.
Sudura se rea lizează prin energia termică ș i energia mecanică, introduse la locul îmbină rii.
Energia termică este dezvoltată î n piesele de sudat prin efectul de microfrecare externă și
frecare î n structura interna a componentelor determin ate de caracteristicile fizice ș i mecanice ale
component elor, duritate, stare cristalină sau amorfă , coeficient ul de absorbț ie, etc.. Cu această
energie, la locul îmbină rii se poate atinge temperatura de topire a materialelor pieselo r, ele astfel
putându-se suda.
Energia mecanică este introdusă î n piesele de sudat prin aplicarea asupra lor a unei forț e
perpendiculare pe pl anul îmbinării. Forța aplicată la un mome nt 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 ultra sunete 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.

Pag. 18/ 66
Prin acțiunea simultană a vibra tiițor 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 Diferenț e principale î ntre procedeul de sudură cu ultrasunete al maselor plastice ș i al
metalelor
Diferenț a princip ală o reprezintă planul de vibrație al sonotrodei. Î n timp ce la masele
plastice vibraț iile sunt p erpendiculare cu linia de sudură , la metale vibraț ia este paralelă cu planul
suprafeț ei metalelor de sudat.
O altă diferență se regasește și în legă turile moleculare dintre cele 2 tipuri de material.
Legă tura dintre materialele metalice se face in mediul solid, ceea ce inseamna ca in acest proces
nu este necesara topirea sau fusiunea materialelor. In cazul mase lor plastice, procesul depinde î n
mod direct de topirea superficială a suprafeț elor sau punctelor de sudat.

Pag. 19/ 66
Avantajele sudurii cu ultrasunete
 Abilitatea de a suda suprafețe mari cu un consum scă zut de enrgie
 Timpul de îmbinare este foarte scă zut
 Posibilitate a de a suda de la materiale subț iri pana la piese groase
 Prin îmbinarea pieselor se asigură o conductivitate electrică, mecanică și termică ridicată
 Are loc o reducere a numarului de oxizi prezenț i la alte tipuri de suduri
 Prezintă un grad ridicat de productivitate
 Se asigură reproductibili tatea calități îmbinărilor sudate
 Aria punctului de sudură poate fi foarte mic (<1 𝑚𝑚2)
 Elimină consumul materialelor de adaos

Dezavantajele sudurii cu ultrasunete
 Prezintă o dificultate ridicată î n 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

Pag. 20/ 66
2. Sudarea materialelor plastice prin ultrasunete
2.1 Sudarea cu ultrasunete
2.1.1Parametri i importanți în procesul de s udare cu ultrasunete
Parametr ii tehnologici principali:
 Puterea electronic ă 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 ult rasonice
 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 preala bila 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 echipament ului de sudare. S -a constatat că odată cu creș terea grosimii
piesel or de sudat sau a c onturului 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

Pag. 21/ 66
Puterea
[W] Frecvenț a
[KHz] Contur maxim sudat D [mm]
PS PC PA
480 20 100 35 12
670 20 120 45 15
880 20 140 55 25
1160 20 220 80 35
1620 20 240 95 45
2100 20 280 110 60
2600 20 300 120 70
3100 20 300 140 85
4200 20 320 180 110
Tabel 2.1 Puterea electric ă și acustică
Forța de sudare Fs
Forța de suda re 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 fo rța de sudare este
prea mare, atunci se produce o amprentare a materialului reperului aflat în conta ct 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 pu terea 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

Pag. 22/ 66
de sudare pentru a nu se ajunge la o preî ncălzire, 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 sud are 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 presiu nea 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.
Amplitudine a oscilațiilor ultrasonice, la capătul activ al sonotrodei, determină încălzirea și
dimensiunea zonei deformate plastic, influențând în final calitatea îmbinării sudate. Sonotroda vine în
contact cu piesa Topirea concentratorului
pe piesa superioară
Sfârșitul
topirii Topirea
piesei
inferioare
Sfârșitul
sudurii
at

st
mt t
SCd d1

Pag. 23/ 66
În general amplituidinea oscilaț iilor se alege în funcț ie de ma terialul plastic care se
sudează, fiecare material avâ nd un domeniu al amplitudinii oscilațiilor în care se poate suda î n
condiții optime. Î n tabelul 2.2 sunt prezentate amplitudinile optime la sudarea cu ultrasunete p entru
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 î n contact cu sonotroda, fapt care poate duce la distrugerea
materialu lui, la apariția de cratere de descompunere î n 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 scad ere firească a rezistenței
îmbinarii.
2.1.2 Cicluri de sudare
Rezistența îmbină rilor sudate cu ultrasunete a m aterialelor plastice este determinată în mare
masură de ciclograma de suda re utilizata pentru realizarea î mbinarii .
Evoluția sistemelor de acț ionare a echipamentelor de sudare cu ultrasunete a maselor
plastice, dar nu numai s -a direcționat în ultimii ani în uti lizarea servomecanismelor cu acționare
electrică ca înlocuitori ai acționă rilor pneumatice. Material Amplitudinea
[µm] Material Amplitudinea
[µm]
PS 15-30 PA 35-55
ABS 20-30 PETP 45-55
SAN 15-30 CA 25-35
PMMA 20-35 PVC -D 20-40
PPO 25-40 PVC -M 25-40
PC 25-40 PE 25-40

Pag. 24/ 66

Realizarea unor echipamente de sudare “inteligente ”, impun asigurarea totală a calităț ii
operațiilor tehnologice de sudare, reproductibiliatea parametrilor te hnologici de su dare, sisteme cu
senzorialistică performantă , control activ etc..
Asigurarea parametru lui 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 ut ilizarea sevomecanismelor de acț ionare 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 esenț iale legate de :
I. timpul de s tabilizare a forț ei de sudare
II. valoarea prescrisă a forț ei de sudare.
Sunt evidente avantajele oferite de sistemele de realizare a forț ei de sudar e cu
servomecanism. Se poate observa stabilizare a forței de sudare î n 0,037 secunde, c ompa rativ cu
0,194 secunde, precum și stabilizarea forț ei de sudare la valoarea prescrisă 100%, comparativ c u
marja de 80 – 100 % conferită de sistemul pneumatic.
Procesele complexe care se exercită la interfața reperelor în timpul operaț iei de suda re
evidenîiază, aș a cum s-a mai precizat, variația impedanț ei acustice a reperelor care se modifică în
timpul operaț iei de sudare . Realizarea unei îmbinări de calitate necesită realizarea unei acționă ri
inteligente în legatură cu posibilitate a variației î n timp a forței de sudare în corelare cu variația SERVOMECANISM ACTIONARE PNEUMATICA

Pag. 25/ 66
impedanței acustice, și a energiei inroduse în sistem prin coerelarea forț ei de sudare cu
amplitudinea oscilatiil or ultraacustice .
Aceste calităti sunt conferite î n ultimii ani echipamentelor de su dare cu ultrasunete a
materialelor plastice de catre producătorii consacrați. Acțioanarea în prima parte a operaț iei de
sudare a materialelor plastice de tip sudare pe contur eta nșă, cu un regim “dur”, are drept efect
începerea topirii concent ratorului de pe piesa superioară .
Conducerea inteligenta a operaț iei de sudare prin corelarea variației forț ei de sudare și a
amplitudinii, cu impedanță acustică evidenț iază creșterea calității îmbinărilor sudate cu cca. 80 %
în raport cu tehnologii le de sudare în care forț a de sudare e ste constantă și amplitudinea oscilatorie
introdusă în sistem este consatantă, avâ nd ca factori de evaluare rezistența îmbinării, etanșei tatea
și nu în ultimul râ nd aspectu l estetic.
În figura 2.3 și tabelul 2.3 este prezentat un program complex al unei ciclogarame de sudare
cu program de amp ltudine 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 supraîncălzire a lor și formarea de amprente adânci.

Cilograma de sudare cu ultrasunete
Figura 2.3 Ciclograma de sudare cu ultrasunete

Pag. 26/ 66
Parametru Semnificatie, explicatii
T1 Timp de stabilizare forta: In desfasurarea acestui timp se apropie
electrozi i datorita unor forte generate de circuitul pneumatic.
Ignorarea valorii lui duce la declansarea curentului fara electrozi
in contact si deci la contact vor avea loc expulzari de material
din acestia. Executia sa are loc imediat dupa apasarea pedalei.
Tu Timp de urcare rampa . Acest timp permite cresterea de la
valoarea zero la valoarea prescrisa.
Ts Timpul primului tren de impulsuri de sudare . Pe durata sa are
loc sudarea cu primul curent de sudare. Fiind un timp important
se afiseaza si in starea de lu cru.
Ti Timp de pauza intre impulsuri . Este necesar daca se folosesc mai
multe impulsuri de sudare, adica N diferit de 1.
Td Timp de pauza intre ultimul impuls si Tp . Se foloseste la sudarea
cu al doilea curent de sudare.
Tf Timpul dupa care se actione aza forta de sudare 2.
Tp Timpul celu de al doilea tren de impulsuri de sudare. Pe durata
sa se sudeaza cu al doilea curent de sudare.
T4 Timp de racire (forjare). Se foloseste la mentinerea presata a
sudurii pentru racirea acesteia.
Is Primul tren de impulsuri de amplitudine A1 . Valoarea
curentului este reglata prin modificarea unghiului de deschidere
a tiristoarelor.
Ip Al doilea tren de impulsuri de amplitudine A2 . Valoarea
curentului este reglata prin modificarea unghiului de deschidere
tiristoar elor.
Tabel 2.3 Semnificații ciclograma de sudare cu ultrasunete

Pag. 27/ 66
2.2 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 î n cazul general este un
generator de ultrasunete;
 instalatii și dispozitive de dezvoltare și reglare a forț elor necesare pentru sudare,
respectiv, acolo unde este cazul, de fixarea pieselor de sudat in mașină ;
 scula specifică de lucru: sonotrod a și accesoriile necesare, transformatoare de
amplitudine (boostere ), respectiv sistemele de fixare ș i pozitionare ale acestora;
 sistemele de comandă a procesului de sudare ș i de reglare a p arametrilor de sudare;
 batiul maș inii.
Complexitatea maș inilor de sudat cu ultrasunete depinde de procedeul de sudare pe care î l
servesc, de gradul de mecanizare ș i automatiz are impus procesului de fabricaț ie a pieselor sudate,
de mater ialul pieselor care se sudeaza și de condiț iile de calitate impuse sudurilor.
2.2.2 Clasificarea echipamentelor de sudat cu ultrasunete :
După procedeul de sudare:
• Mașini de sudat î n puncte;
• mașini de sudat î n relief;
• mașini de sudat î n linie;
După destinaț ie:
• 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.

Pag. 28/ 66
După tipul programatorului ciclului de sudare:
• mașini de sudat fară progra m;
• mașini de sudat cu programator numeric;
• mașini de sudat cu programator analogic.
2.2.3 Elemente componente
Elementul activ al sistemului ultraacustic est e transductorul electromecanic , care pe baza
unui efect specific ( electromagnetic, electrodinamic , magnetostrictiv, piezoelec tric, etc. )
converteș te oscilaț iile electrice apli cate de generatorul electronic î n oscilaț ii elastice. Aceste
oscilaț ii sunt transmise, concentrate ș i focalizate prin interme diul transformator ului acustic , și a
sculei de luc ru, în mediul de prelucrare sau de explorare. Sis temul ultraacustic poate lucra ș i invers:
recepționează oscilaț iile ela stice ale mediului, le conduce ș i le transformă în oscilaț ii electrice la
ieșirea din traduc tor. Corespunzator cu gama largă de utili zare a sistemelor ultraacustice ș i cu
necesită țile de concentrare sau de disipare a energiei electrice, transformatoarele acustice po t avea
cele mai diferite forme ș i secț iuni.
Sisteme le ultraacus tice se calculeaza ș i se execută în așa fel î ncât în partea terminală să se
excite oscilaț ii de un singur tip, deoarece î n caz contrar apar mari dificultă ți 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 difer itelor elemente a le sistemului ș i lungimea de undă a
vibrați ilor excitate î n sistem.
Prin intermediul miș cării oscilatorii ș i a forț ei de apă sare axială , sonotroda creeaza un
câmp de caldură generat prin frecarea materialelor plastice de sudat astfe l încât structur a
moleculară aflată la punctul de contact dint re 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 co lțuri 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

Pag. 29/ 66
obține astfel in linie îngustă, cu lung imi de până la 150mm. Sudarea în linie continuă are loc dacă
se folosesc sonotrode tip disc, în mișcare de rotație.
Pentru a reali za un acord acustic foarte bun î ntre mă rimile de ieș ire ale transductorului ș i
sonotrodă este necesară intercalarea unui boost er între cele două elemente constructive al e
echipamentului de sudare. Ca ș i la sonotrode , factorul de amplificare al boo sterului este determinat
de secț iunea sa transversală și de forma sa. Boosterul este proiectat să intre î n rezonanță la aceeaș i
frecvență cu transdu ctorul cu care va fi utilizat, ș i de obicei este montat î ntr-un punct nodal ( de
vibraț ie minimă ) pentru a mi nimaliza pierderile de energie ș i pentru a preve ni transmiterea
ultrasunetelor î n bati u.

Figura 2.4 Ansamblu rezonator convertor -boost er-sonotrod ă

Pag. 30/ 66
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

Pag. 31/ 66
 transductor : cu generator piezoceramic
 reglajul parametrilor tehnologici : în tehnica digitală
 amplitudine : 0-10 µm
 acționarea echipamentului : electropneumatică
Descriere a 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 alim entat 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/boos ter, 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 alterna nte 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 con structive 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 e ste 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 transduct or. Frecvența de rezonanță a boosterului trebuie să fie corelată cu
cea nominală (frecvența de lucru a generatorului).

Pag. 32/ 66
Suprafețele de cuplare ale sonotrodei și convertorului trebuie să fie complet aliniate,
pentru a preveni pierderile de energie în trim pul 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 ridica rea ansamblului booster la sudare se realizează cu o axă de translaț ie
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 co mponența 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 electropneumati c 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 me nținere după sudare: 0,5 -6 s
 presiunea aplicată la sudare: 0,1 -10 bar

Pag. 33/ 66
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 , avâ nd aceeași compoziție chimic ă, respectiv
acelea și dimensiuni . Numărul total de probe obținute in vederea incercării la tracțiune a fost de 10.
Au fost folosite 2 regimuri diferite de sudură .

a) 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 tracț iune este î ncercarea la care sunt supuse epruvetele și constă în
aplicarea pe direcț ia 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.

Pag. 34/ 66
Figura 2.7 Epruvetele sudate
Figura 2.8 Epruvetele sudate supuse la tracțiune
Curbele la trac țiune 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 .

Pag. 35/ 66
Figura 2.9 Curbele regimului 1

Figura 2.10 Curbele regimului 2

Pag. 36/ 66
Regim Nr. Proba Forț a max imă de tractiune [N]
Regimul 1 P1 120.71
P2 95.86
P3 330.61
P4 271.73
P5 130.99
Regimul 2 P6 577.31
P7 640.05
P8 631.03
P9 853
P10 857.36
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
Nr. Epruvetă Forța maximă de tracțiune [N]
1 910.42
2 965.87
3 949.77
Tabel 2.5 Forțe maxime obținute pentru epruvete

Pag. 37/ 66

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 timpu lui 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 .

Pag. 38/ 66
3. Calculul și analiza cu metoda elementului finit a s onotrodei

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 fr ecvența 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 ultr asunete are următoarele componente (figura
3.1):
 ansamblul piezoceramic (1, 2, 3);
 booster -ul sau elemental intermediar (4);
 concentratorul de energie ultrasonora (5).

Figura 3.1. Ansamblul ultra -acustic, Amza [2006].

Ansamblul piezoceramic este acor dat 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 os cilațiile
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.

Pag. 39/ 66
Pastilele piezoceramice sun t 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 înt re 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 propriet ățile 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 l ucre 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;
 concent rarea 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 oscil ator;
 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 sistemu l 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

Pag. 40/ 66
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 ul tra-
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. Adaptar ea 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 concentrat or 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 realiz at 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 cuar țului 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.

Pag. 41/ 66
Ținând cont de faptul că undele ultrasonore au o comportare similară cu undele luminoase,
s-a recurs la crearea de dispozit ive 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 est e 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.
Figura 3.2. Concentratorul de energie ultrasonoră cu forma cilindrică în trepte

Pag. 42/ 66

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
GPa210E , coeficientul de contracție transversală
31,0 și
densitatea
3mkg 7830 ;
 frecvența de lucru
kHz20f ;
 amplitudinea oscila ției la ieșirea din booster
m10 u3 ;
 diametrul de ieșire al booster -ului
mm30 D3 ;
 amplitudinea oscilației necesară sudării materialului plastic
m20 u2 ;
 diam etrul suprafeței de prelucrat prin sudare cu ultrasunete
mm25 D2 .
Pentru un cuplaj acustic ideal între booster și concentrator amplitudinea u 1 a oscilației la
intrarea sonotrodei trebuie să fie egală cu:
m 10 u u3 1 
. (3.1)
Astfel, factorul de multiplicare N se calculează cu relația:
.21020
uuN
12
(3.2)
Considerând ariile secțiunilor transversale A 1 și A 2 ale celor două porțiuni cilindrice, iar factorul
de multiplicare
2N , se calculează diametrul D 1 al primei porțiuni cilindrice:
. mm36 mm36,35 252 DN DDD
AAN2 2
2 12
21
21 



(3.3)
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 L 0 se
calculează după relația:

Pag. 43/ 66

f4ckf4ckll L2 1 2 1 0  (3.4)
unde viteza de propagare a oscilației elastice este:

sm5178Ec
. (3.5)
Factorii de corecț ie k 1 și k 2 se pot adopta ca fiind egali cu unitatea, Shu [2013], rezultând
lungimea finală a sonotrodei:
, mm50,1262025178
f2cL0 
(3.6)
cu
mm25,63ll2 1 .
Dacă se adoptă recomandările lui Nanu [2011], lungimile celor două tronsoane cilindrice
se pot calcula și pe baza relațiilor:
mk5,1l
u1
și
mk6,1l
u2 , (3.7)
unde:
m 2589,0fc
(3.8)
și
. m268,242k1
u
(3.9)
Introducând rezultatul (3.9) în relațiile de calcul (3.7) se obțin lungimile tronsoanelor:
m8,61 m 0618,0l1  
și
mm9,65 m 0659,0l2   , (3.10)
și lungimea totală L 0 a sonotrodei:
mm7,1279,658,61ll L2 1 0 
. (3.11)

Pag. 44/ 66
Rezultă așadar o diferență de 1,20 [mm] între lungimile furnizate d e 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 D 1 la diametrul D 2 reprezintă un concentrator de
tensiune important și o zon ă de inițier e 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
deformaț ie pentru structuri de rezistență de mare complexitate geometrică pentru care calculul se
face mai uș or 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 î n toate domeniile calcului
ingineresc care au la baza metodele fizico matematice de calcul. Deș i numele metodei elementului
finit a fost introdus recent , conceptul a fost utilizat începând cu cateva secole în urmă .
Fundamentele metodei elementelor finite au fos t puse de matematicianul Gauss î n anul 1795 prin
publicarea lucrării științ ifice legate de reziduurile ponderate. Perfecționă ri asupra acestei teor ii au
fost aduse de catre Galerkin în 1915, respectiv Bienzo -Koch în anul 1923. Pană la jumatatea
secolului al XX -lea au fost introd use o serie de teorii cu aplicaț ii deosebite in inginerie, cum ar fi :
metode var iaționale, diferențe finite, diferențe finit e 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 f init a fost introdusa î n anul 1960 de Ray Willia m Clough, profesor al universităț ii 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

Pag. 45/ 66
sistemelor de ecuații diferențiale. Precizia de aproximare a soluției, reprezentată prin valorile sale
în nodurile unei rețele de d iscretizare 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 găs esc 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 ca racteristice 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 m ai 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].

Form ularea metodei elementelor finite pentru rezolvarea unei probleme plane presupune
parcurgerea următoarelor etape, Faur [2002]:
1. Definirea elementului finit și a funcțiilor de formă , cu alegerea funcțiilor de interpolare
(liniare, pătratice sau de grad superior) pentru deplasări;

Pag. 46/ 66
2. 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 tensi uni-deformații specifice.
3. Exprimarea matricei de rigiditate a elementului finit. Ecuația elementală se obține
utilizând fie metoda directă și o abordare energetică:
4. Asamblarea matricei de rigiditate globală. Matricea de rigiditate globală se obține prin
asamblarea tuturor ecuațiilor elementale, rezultând ecuațiile finale:
5. 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.
6. Soluționarea sistemului de ecuații algebrice liniare și obținerea deplasărilor nodale
(soluțiile primare);
7. Postprocesare. Necunoscutele secundare se exprimă din deplasările calculate pentru
fiecare element finit (deformațiile specifice) și din ecuațiile cons titutive (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 e lementelor (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 m ișcărilor 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 inginereș ti ale metodei elementului finit

Pag. 47/ 66
Aplicarea metodei elementelor finite s -a impus ca urmare a faptului ca poate rezolva cu ușurință
probleme a căror complexitate este dată de configuraț ii geometrice complicate, n eomogenităț i de
material, anizotropiei materialelor, materiale compozite, etc.
Caracterul general al metodei elem entelor 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 condiț iilor prescrise pe contur.
Sunt cunoscute trei categorii majore de prob lemele cu soluții pe contur, ș i anume:
a. Probleme de e chilibru sau staț ionare, sau pr oblemele independente de timp. Î n problemele
de echilibru trebuie să gasim deplasarea î n starea de echilibru sau distribuț ia tensiu nii daca aceasta
este o problemă de mecanica solidului, distribuț ia temperaturii sau fluxului de caldură daca aceasta
este o problemă de transfer a caldurii și distribuț ia presiuni i sau a vitezei daca aceasta este o
problemă de mecanica fluidului.
b. Probleme de valori proprii. Î n problemele de valori proprii timpul nu apare î n mod explicit.
Acest tip de probleme pot fi considerate ca extensii ale p roblemelor de echil ibru. In plus fata de
configurațiile corespunzatoare ale stării de echilibru î n problemele d e valori proprii este necesar
să se determine valorile critice ale anumitor parametri care int ervin în formulările acestora. În
aceste probleme t rebuie sa găsim frecvenț ele natura le daca este vorba de o problemă de mecanica
solidului, studiul reg imurilor curgerii laminare, dacă este vorba de o problema de mecanica
fluidului ș i caracteristicile de r ezonanță dacă este o problema de circuit electric.
c. Prob leme de propagare sau de tranziț ie. Problemele de propagare sau tranzitorii sunt
probleme dependente de timp. Acest tip de prob leme apar, de exemplu, ori de câte ori suntem
interesati în gă sirea raspunsului corpului care es te supus sub sarcini varia bile în timp î n meca nica
solidului deformabil, sau în cazul încălzirii sau ră cirii bruște în cazul transferului de caldură .

Pag. 48/ 66
3.3.2. Analiza modal ă a sonotrodei

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

Figura 3.3 . Dimensiunile sonotrodei analizate cu MEF
Modelul geometric realizat cu pachetul software ANSYS 13.0 este ilustrat în figura 3.4.

Figura 3.4 . Modelul geometric al sonotrodei
Discretizarea s -a realizat cu elemente finite de ti pul 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.

Pag. 49/ 66

Figura 3.5 . Discretizarea cu elemente finite SOLID92 a sonotrodei
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 rezul tat 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 e xecută 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.

Figura 3.6. Deformația totală a sonotrodei la 19633 [Hz].

Pag. 50/ 66

Figura 3.7. Deformația în direcție longitudinală la 19633 [Hz].
Din figura 3.7 rezultă că la capetele sonotrodei deplasările longitudinale au amplitudini
maxime, dar de sensu ri 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 repr ezentat modul de vibrație la frecvența 25509 [Hz]. La această
frecvență sonotroda se deformează prefențial în direcție radială.

Figura 3.8. Deformația totală a sonotrodei la 25509 [Hz].

Pag. 51/ 66

Figura 3.9. Deformația în direcție longitudinală la 25509 [Hz] .
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.

Figura 3.10. Deformația t otală la 28701 [Hz].

Pag. 52/ 66

Figura 3.11. Deformația totală la 28703 [Hz].
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.

Figur a 3.12. Deformația totală la 36465 [Hz].

Pag. 53/ 66

Figura 3.13. Deformația în direcție longitudinală la 36465 [Hz].
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.

Pag. 54/ 66
4.Tehnologia de fabricație a sonotrodei

Tehnologia de fabricație s -a făcut pentru sonotroda prezentată în capitolul 3, fig ura 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 contin uă a uneltei, care este un cuțit de strung .
Piesa efectuează mișcarea de rotație iar cuțitul efectuează o mișcar e 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 aschi ere
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 m inut: 80
` Dispozitiv de prindere, menghina cu bacuri sub forma de V
Timpul de baza:
Tb= 𝐿
𝑛∗𝑠 Tb=15 min. (4.1)

Pag. 55/ 66

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
Stabili rea adâ ncimi i de aș chiere
Adao sul de prelucrare printr -o singură trecere este de t = 2.5 mm.
Stablir ea avansului și a vitezei de aș chiere.
t = 2.5 mm

Pag. 56/ 66
Avansul s = 0.1 -0.3 mm/rot.
Viteza v = 50 -150 m/min conform catalog SECO
Figura 4.2 Avans ul și viteza de așchiere

Avansul s =0.20 mm/rot.
Viteza v = 58.1 m/min.
Forța prin cipală Fz =112.2 da N.
Puterea P = 1,36 kW
Stablirea turației se calculează cu relatia :
n = 1000*v/π*D n = 308 rot /min se pune de acord cu turaț ile masini -unelte, n = 305 rot/min
Timpul de baz ă
Tb= 𝐿
𝑛∗𝑠 Tb=0.49 min
Timpul auxiliar
Ta1= 0.3 min fixat ul piesei in universal.
Ta2= 0.3 min reglat ul adâncimii de aș chiere.
Ta3=0.1 min retragere cuț it.
Ta4=0.14 min timp alocat pentru manevrarea strungului.

Pag. 57/ 66
Ta= 0.86 min
Faza 3 Strunjire cilindric ă de degroș are
Masina SN 400
Scula așchietoare: Strujire exterioară, cilindrică ș i frontală SCAR 1414M09.

Figura 4.3 Dimensiunile sculei așchietoare. Faza 3
Stabilirea adâ ncimi i de aș chiere
Adao sul de prelucrare printr -o singură trecere este de t = 1.5 mm.
Stablirea avansului și a vitezei de aș chiere .
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

Pag. 58/ 66

Stablirea turației se calculează cu relaț ia:
n = 1000 ∗𝑣
π∗D (4.2)
n = 350 rot /min se pune de acord cu turația masini i-unelte, n = 380 rot/min
Timp ul de bază
Tb= 𝐿
𝑛∗𝑠 Tb=2.63 min
Timpul auxiliar
Ta= 1.2 min cuplare avan s, decuplare avans.
Faza 4 Centruirea
Scula aș chietoare: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 mi n prelucrare prin gaurirea de centrare
Timpul auxiliar
Ta1= 1.3 min montat mandrină cu burg hiu de centruire ,apropiat papuș a mobila ,blocat.
Ta2=1.1 min deblocat și retras papușă mobilă .
Ta3=0.3 min oprit mașină, desprins p iesă din universal
Ta=2.7 min
Faza 5 Strunjire frontală de degroș are 2

Pag. 59/ 66
Este identic ă cu faza 2 de strunjire frontala de degrosare 1 .

Faza 6 Strunjire cilindrică de deg roșare
Masina SN 400
Scula aschietoare: Strujire exterioară, cilindrică și frontală SCAR 1414M09
Stabilirea adâ ncimi i de aș chiere
Adao sul de prelucrare printr -o singură trecere este de t = 1.5 mm.
Stablirea avansului și a vitezei de aș chiere
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 = 1000 ∗𝑣
π∗D
n = 350 rot/m in se pune de acord cu turația masini i-unelte, n = 380 rot/min
Timpul de bază
Tb= 𝐿
𝑛∗𝑠 Tb=1.25 min,
Timpul auxiliar

Pag. 60/ 66
Ta= 1.2 min cuplare avans, decuplare avans.
Faza 7 Stru njire cilindrica de degrosare
Scula așchietoare este folosită pen tru strujire a exterioară, cilindrică și frontală SCAR 1414M09.
Figura 4.4 Dimensiunile sculei așchietoare. Faza 7
Stabilirea adâ ncimi i de aș chiere
Adao sul de prelucrare printr -o singură trecere este de t = 4 mm. Se vor folosi 7 treceri.
Stablirea avansul ui și a vitezei de aș chiere .
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

Pag. 61/ 66
Stablirea turației :
n = 1000 ∗𝑣
π∗D
n = 310 rot/mi n se pune de acord cu turația masini i-unelte, n = 305 rot/min
Timpul de bază
Tb= 𝐿
𝑛∗𝑠
Tb=1.57 min,la o trecere T b= 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 adâ ncimi i de aș chiere
t = 10 mm
Avansul se rea lizează 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 burg hiu 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

Pag. 62/ 66
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.

Pag. 63/ 66

Figura 4.6 Dimensiuni scula așchietoare. Faza 9
Stabilirea adâ ncimi i de aș chiere
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 aș chiere. 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.

Pag. 64/ 66
Forța princip ală Fz =13. 3 da N.
Puterea P = 0.30 kW
Stablirea turației :
n = 1000 ∗𝑣
π∗D
n = 578 rot/mi n se pune de acord cu turația maș inii-unelte, n = 600 rot/min
Timpul de bază
Tb= 𝐿
𝑛∗𝑠
Tb= 4.08 min,
Timpul auxiliar
Ta= 1.2 min cuplare avans, decuplare avans.
Faza 10 Strunjire cilindrică de finisa re
Scula aschietoare este folosită pentru s trujire a exterioară, cilindrică și frontală SWLCR 2020H06.

Figura 4.8 Dimensiuni sculă așchietoare. Faza 10
Stabilirea adâ ncimi i de aș chiere
Adaosul de prelucrare printr -o singură trecere este de t = 0.7 mm.

Pag. 65/ 66
Stablirea avansului ș i 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 relaț ia:
n = 1000 ∗𝑣
π∗D
n = 578 rot/min se pune de acor d cu turația maș inii-unelte, n = 600 rot/min
Timpul de bază
Tb= 𝐿
𝑛∗𝑠
Tb= 1.3 min,
Timpul auxiliar
Ta= 1.2 min cuplare avans, decuplare avans.

Pag. 66/ 66
5.BIBLIOGRAFIE
1. Nicolae Faur (2002) Elemente finite. Fundamente , Editura Politehnica
2. Mihaela Popescu (2004) Tehnici de îmbinare a materialelor plastice , Editura Politehnica
3. Richard Herman (2010) Tehnologia materialelor, volumul 2, Editura Politehnica
4. Octavian Oancă (2004) Bazele sudării cu ultrasunete a materialelor
5. Nicușor Alin Sîrbu (2009) Cercetări teoretice și experimentale privind activarea cu
ultrasunete a proceselor de curgere a materialelor polimerice, Editura Politehnica
6. Amza Gh. (2006) Ultrasunetele. Aplicații active , Editura AGIR, București.
7. Nanu A.S., Marinescu N.I., Ghiculescu D. (2011) Study on ultraso nic stepped horn
geometry design and FEM simulation, Nonconventional Technologies Review 4, 25 -30.
8. 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 Mechanica l Engineering
37, 905 -916.
9. Ravi K. Patel (2014) Effect of horn (sonotrode) profile on weld strength of hdpe plastic
weld by using ultrasonic welding, Ganpat University
10. Edgar de Vries (2004) Mechanics and mechanisms of ultrasonic metal welding, Ohio
State Un iversity
11. D. Grewell, A Benatar (2012) Welding of plastics: Fundamentals and new developments
12. ZVEI – German Electrical Manufacturers Association – Recommendations on methods,
construction and applications, online: www.powerultrasonics.com .
13. http://dexonline.ro/