Verificare Disertatie Draghici Nicolae Dragos 2018 Isma [613696]

Pg. 1

Capitolul 1. Introducere despre masele
plastice și necesitatea lor în industrie

1.1.Definiția maselor plastic e
Masele plastice sunt materialele care se obțin pe bază de
polimeri, în general sintetici, a căror prelucrare sub formă de
produse finite se face la temperaturi la care aceste material e
devin plastice. Materialele plastice care sunt la o presiune și
o temperatură normală sunt relativ dure, puțin elastice și
lipsite de proprietăți plastice .[1] Convențional, materialele
care nu sunt considerate plastice sunt: cauciucul, elastomerii
sintetici, fibrele, vopselele, adezivii. [2]
Materialele plastice se pot realiza pe baza unor multitudini
de materiale p olimerice și se pot procesa prin numeroase
procedee , cu condiția îndeplinirii următoarelor trei cerințe:
 Component a principală, existența unui material polimeric ;
 Trebuie sa fie fluid într -un anumit moment în timpul
procesării ;
 Trebuie să fie solid în formă finală .[3]
O masa plastica este constituita din:
 materialul de implutura ( faina de lemn, teseturi,azbest,
fibre de sticla s.a.), aceste material reduc costul si
ajută la îmbunătățirea proprietăților mecanice.
 Plastifianți (esteri cu punctul de fierbere înalt),ajută la
sporirea elasticității și reduc considerabil fragilitatea
 stabilizatori (antioxidanti, fotostabilizatori), care
contribuie la pastrarea proprietăților maselor plastice in
timpul proceselor de prelucrare și în timpul utilizării,
coloranți, care le dau culoarea necesara,
 alte substante.

1.2. Scurt istoric

Universitatea Transilvania din Brașov
Proiect de disertatie
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2018
Specializarea – Ingineria sudarii materialelor
avansate DRĂGHICI N. Nicolae Dragoș

Pg. 2
Încă din antichitate oamenii au utilizat proprietatea de
plasticitate a uno r corpuri (argila umedă, sticla topită).
Începând cu secolul al -XIX-lea s-au realizat primele descoperiri
în ceea ce privește modificarea caracteri sticilor substanțelor
naturale .
”Primul polimer sintetic a fost obținut în anul 1833 de Gay
Lussac și J. Pelouze prin încălzirea acidului lactic”. [4]
Vulcanizarea cauciucului natural (în 1839) realizată prin
încălzirea acestuia cu o cantitate mică de sulf, a permis
eliminarea dezavantajelor cauciucului natural (star ea
lipicioasă, curgerea) și obți nerea unui material elastic și
rezistent (cauciucul vulcanizat);
În 1872 , plastifierea nitrocelulozei cu camfor a dus l a
obținerea celuloidului .
În deceniile următoare s-au obținut o serie de substanțe
macromoleculare sintetice, transpunerea la scară industrială a
acestora începând abia în deceniul al treilea al secolului XX.
Astăzi, putem spune cu certitudine că nu există nicio ramură a
tehnicii care să nu beneficieze de aceste descoperiri ale
secolului al-XIX-lea.
Inițial, masele plastice au pătruns în tehnică ca înlocuitori
ai materialelor clasice (lemn, ceramică, metale etc.). Cu
trecerea timpului, polimerii au ieșit din stadiul de materiale
de înlocuire și s -au impus datorită proprietăților lor deosebite
(rezistență mecanica și termică, rezistență la coroziune, ,
densitate mică, prelucrabilitate ușoară, conductivitate termică
și electrică scăzute etc.). În ultimii 50 de ani producția de
materiale plastice s -a dublat practic la fiecare 5 ani.

1.3. Domenii de utilizare a maselor plastice

Universitatea Transilvania din Brașov
Proiect de disertatie
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2018
Specializarea – Ingineria sudarii materialelor
avansate DRĂGHICI N. Nicolae Dragoș

Pg. 3

Câteva domenii in care materialele plastice sunt din ce în ce
mai mult utilizate:

o Domeniul automotive (automobile, pompe, borduri,
interioare, conducte, suruburi , roți dințate,
închizătoare auto )

o Domeniul aeronautic ( interioare, tubulatură
ventilație ) , component ale elicopterelor,
avioanelor, lucru care a permis reducerea
greutății cu 19% .

o Agricultură (țevi, folii pentru rea lizarea
serelor, diferite unelte)

o Electrotehnică ( prize, ștechere, material
izolante)

Universitatea Transilvania din Brașov
Proiect de disertatie
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2018
Specializarea – Ingineria sudarii materialelor
avansate DRĂGHICI N. Nicolae Dragoș

Pg. 4
o Medicină ( inimi artificiale, articulații și
member artificiale, instrumente chirurgicacle,
sonde, siringi, proteze)

o Ambalaje ( cutii, sticle, borcane)

o Confecții și obiecte de uz casnic.

o Industria nucleară – politetrafluoretilena care
rezistă la compușii fluorurați agresivi, se
utilizează la instalațiile industriale care sunt
destinate separării izotopice a uraniului, ca
element de legătură pentru pompe și compresoare,
conducte,etc

1.4. Structura maselor plastice
O masa plastică este constituită din:
– polimeri (denumiț i adesea rășini ) cu rol de liant

Universitatea Transilvania din Brașov
Proiect de disertatie
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2018
Specializarea – Ingineria sudarii materialelor
avansate DRĂGHICI N. Nicolae Dragoș

Pg. 5
– materiale auxiliare (” plastifianți, stabilizatori,
materiale de umplutură, coloranți, agenți de expandare,
agenți antistatici, lubrifianți, agenți pentru ignifugare,
pentru odorizare”). [5]
Etimologia cuvântului polimer vine de la cuvintele grecești
”poli”=multe și ”mer”=parte. Deci un polimer este format din mai
multe părți, numite monomeri sau unită ți monomerice, legate
între ele prin legături chimice. [6]
Polimerii pot avea diferite forme :
-polimeri liniari sau filiformi – caracterizaț i prin
lanțuri macromoleculare care au crescut pe o singură
direcție [7]- aceștia sunt utilizați pentru fabricarea
recipientelor de alimente pentru cuptoarele cu microunde,
carpetelor Dracon etc.
-polimeri ramificați – lanțurile macromoleculare au
crescut pe două dir ecții asemenea ramurilor unui copac –
sunt utilizați la fabricarea rec ipientelor moi ș i
flexibile pentru șampoane, lapte etc.
-polimeri tridimensionali – (legați încrucișat)
macromoleculele au crescut pe toate cele trei direcții ale
spațiului – sunt folosiți la fabricarea bilelor de bowling
și anvelopelor.
Unii polimeri sunt materiale sintetice ( nylon -ul , poliesterul
, etc.) , alții pot fi găsiți în natură și se numesc biopolimeri
(mătasea, cauciucul natural, amidonul. etc.) [8]
După polimerul pe care îl conțin, masele plastice pot fi
clasificate în :
– Termoplaste, care datorită încălziri lor repetate trec în
stare plastică (polistiren, polimetacrilat, celuloid,
poliamidă, policlorura de vinil) și au în general catenă
liniară. Piese le din aceste materiale sunt obținute prin
presare și turnare, având o mare productivitate.

Universitatea Transilvania din Brașov
Proiect de disertatie
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2018
Specializarea – Ingineria sudarii materialelor
avansate DRĂGHICI N. Nicolae Dragoș

Pg. 6
– Termoreactive, care prin încălziri repetate nu mai trec
în stare plastică (polistireni
nesaturați , rășini fenolfolmaldehidi ce,etc.). Acești
polimeri au, în general, structuri tridimensionale. În
această situație piesele se prelucrează prin presare.
Unii polimeri, cu structură inițial liniară – termoplastici, în
urma prelucrării reticulează și devin termorigizi.

La obținerea maselor plastice sunt utilizate materiale
auxiliare .
Plastifianții sunt substanțe lichide sau solide care adăugate
produșilor macromoleculari modifică în mod permanent
proprietățile fizice ale acestora fără a le schimba natura
chimică. [9]
Aceștia se utilizează în vederea obținerii următoarelor
scopuri:
”Îmbunătățirea condițiilor proceselor de prelucrare ale
polimerilor cu catene lungi; plastifianții ca și căldura reduc
forțele intramoleculare ale polimerilor .
Schimbarea proprietăților produselor finite rezultate după
prelucrare , astfel încât permit utilizarea polimerilor în
domenii particulare care necesită anumite condiții pe care
polimerii neplastifiați nu le -ar putea îndeplini. Astfel,
plastifianții îmbunăt ățesc următoarele caracte ristici ale
materialelor plastice: flexibilitatea, alungirea, rezistența la
temperaturi joase, dar pot diminua proprietățile dielectrice
Extensibilitatea amestecurilor de mase plastice în sensul
ieftinirii lor, prin adăugarea unor plastifianți secundari (
parafinele clorurate)” [10]
Privit din punct de vedere al caracteristicilor cerute (
eficacitate, compatibilitate cu polimerul, cât mai puțin
volatil, stabili la lumină și căldură, toxicitate redusă,
culoare cât mai redusă etc.) nu există astăzi un plastif iant
ideal.

Universitatea Transilvania din Brașov
Proiect de disertatie
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2018
Specializarea – Ingineria sudarii materialelor
avansate DRĂGHICI N. Nicolae Dragoș

Pg. 7
Stabilizatori – acele substanțe chimice care adăugate
polimerilor fac posibilă atenuarea sau eliminarea reacțiilor
care cauzează degradarea . [10]
Prin degradare se înțelege transformarea pe care o suferă
masele plastice datorită acțiunii căldurii, luminii, oxidării,
iradiere cu raze β etc. Aceasta se manifestă de regulă prin
modificarea următoarelor caracteristici:
– Schimbarea colorației sau apariția de pete;
– Opacizare;
– Pierderea supleței materialului;
– Mărirea fragilității;
– Apariția de fisuri, rupturi, găuri;
– Diminuarea unor proprietăți fizico -mecanice și electrice.
De cele mai multe ori acțiunea stabiliz atorilor este de inhibare
a reacțiilor de oxidare.
La alegere a stabilizatorilor se ține cont de natura factorilor
care pot dete rmina degradarea polimerilor precum și de
compatibilitatea acestora cu polime rul, de toxicitate, de
culoare ș i de volatilitate. [11]
În operațiile de stabilizare a materialelor pl astice, practica
a demonstrat că se pot obține rezultate bune folosind un ame stec
de mai mulți stabilizatori din aceeași grupă sau din grupe
diferite ( stabilizatori termici, antioxidanți, stabilizatori de
lumină, etc.). Uneori, această operație de sinergism dă
rezultate foarte bune, deoarece funcțiile unui stabilizator
completează funcțiile altui stabilizator.
În cazul policlorurii de vinil ( datorită degradării sale prin
încălzire – degajare de acid clorhidric – substanță corozivă)
polimerul nu poate fi prelucrat dar nici utilizat în absența
stabilizatorilor. Sisteme le de stabilizare termică a
policlorurii de vinil trebuie să îndeplinea scă o diversitate de
funcții : fixarea acidului clorhidric, adiția la dublele
legături, modificarea reacțiilor de oxidare .

Universitatea Transilvania din Brașov
Proiect de disertatie
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2018
Specializarea – Ingineria sudarii materialelor
avansate DRĂGHICI N. Nicolae Dragoș

Pg. 8
”Un bun stabilizator pentru policlorura de vinil trebuie să
îndeplin ească unele proprietăți suplimentare, dar foarte
importante:
Să fie compatibil cu polimerul și cu celelalte materiale care
formează amestecul: plastifianți, pigmenți, umpluturi. Un
stabilizator insolubil poate da naștere la fenomenul de
floculație , iar ce le parțial solubile la exsudări pe suprafața
produsului finit;
Să nu acționeze asupra culorii materialelor finite
Să nu se vol atilizeze la temperaturile de lucru ale
amestecurilor;
Să nu degaje miros neplăcut.” [12]
Materialele de umplutură sunt substanțe s au amestecuri de
substanțe de natură minerală, vegetală sau animală care se
amestecă cu polimerul pentru a -i modifica anumite proprietăți
fizico-chimice. Acestea fie reduc prețul de cost, fie că
modifică unele proprietăți ca: greutatea specifică, duritatea ,
lubrifierea sau schimbă anumite procese ca tixotropia,
exotermia, uscarea. Exemplu: caolin, azbest, mică , cuarț,
talc, ardezie, făină de lemn. Fulgi de celuloză, fibre de sticlă
etc.
Deoarece materialele de umplutură îndeplinesc numeroase
funcții se po t clasifica în două grupe mari:
– materiale de umplutură propriu -zise
– materiale de armare ( ranforsare). [12] Acestea conferă
sistemului primar al polimerului o îmbunătățire a rezistenței.
Materialele de umplutură se adaugă unui material plastic în
proporție de până la 60% și se folosesc atât la polimerii
termoplastici cât și la cei termorigizi.
Lubrifianții, au rolul de a ușura prelucrarea materialelor
plastice prin calandrare, extrud ere, injectare.
Lubrifianții îndeplinesc două funcții: de lubrifiere internă și
de lubrifiere externă.

Universitatea Transilvania din Brașov
Proiect de disertatie
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2018
Specializarea – Ingineria sudarii materialelor
avansate DRĂGHICI N. Nicolae Dragoș

Pg. 9
a) Lubrifianții interni, amestecați în materialul plastic,
îmbunătățesc curgerea și permit prelucrarea acestuia la
temperaturi joase. Ca lubrifianți interni se utilizează:
acidul searic, stearații ( de magneziu, de cupru, de zinc,
de calciu), grafitul, grăsimi, uleiuri, parafină etc.
b) Lubrifianții externi sau agenții de demulare se aplică pe
suprafețele metalice spre a ușura desprinderea materialelor
plastice ( la calandrare, vălțuire etc.)
Lubrifianții se aplică în s pecial la amestecurile
neplastif iate, în timp ce la cele cu conținut de plastifiant se
aplică mai rar. Proporția de lubrifiant într -un amestec de
material plastic variază de la 0.1 la 2%, dar cel mai frecvent
este de 0.25 -0.50%.
O importantă grupă de compuși fo losiți atât ca lubrifianți
interni și externi, cât și ca stabilizatori la căldură și lumină
( datorită eficacității) sunt stearații metalici. Aceștia fiind
ieftini contribuie în mare măsură la reducerea prețului de cost,
însă în cantitate mare dau exsudați i pe suprafața p roduselor
finite.
Cerurile, deși mai scumpe, prezintă calități superioare de
lubrifiere și în același timp conferă un aspect lucios, necesar
de exemplu la flacoane sau ambalaje, având și acțiune
antistatică.
Alți auxiliari pentru material ele plastice sunt absorbanții în
ultraviolet, agenții antistatici, agenții fungistatici, agenții
de ignifugare, agenții de odorizare, agenții de spumare,
antioxidanții, coloranții, dizolvanții, peroxizi organici.
Absorbanții în ultraviolet sunt materiale capabile de a
absorbi energia radiațiilor solare din domeniul preferențial al
ultravioletelor și de a o transforma într -un complex de alte
energii care nu acționează distructibil asupra polimerilor.
Totuși, în timp aceștia suferă o degradare lentă până la
epuizarea activității lor. O condiție esențială pe care trebuie

Universitatea Transilvania din Brașov
Proiect de disertatie
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2018
Specializarea – Ingineria sudarii materialelor
avansate DRĂGHICI N. Nicolae Dragoș

Pg. 10
să o îndeplinească este aceea că nu trebuie să împiedice
absorbția radiațiilor din domeniul lungimilor de undă vizibile.
Absorbanții în ultraviolet acționează după două mecanisme
principale, putând uneori interveni și simultan astfel : ca
transformatori fizici (conform fig. 1)

Fig 1. Structura transformatorilor fizici [12]

sau ca transformatori chimici (conform fig 2)

Fig. 2 Structura transformatorilor chimici [12]

Calitățile cerute unu i bun absorbant în ultraviolet sunt
următoarele : compatibilitate cu materialul plastic, o
intensitate cât mai mare a absorbției radiațiilor fără a trece
în domeniul razelor vizibile, stabilitate, volatilitate redusă,
să nu sufere schimbări stru cturale precum cristalizare sau
sublimare, rezistență la agenții chimici cu care vine în
contact materialul plastic, non – toxic sau cu toxicitate
redusă, preț adecvat.
Încorporarea absorbanților în ultraviolet în materiale plastice
nu ridică probleme sp eciale.
Agenții antistatici au rolul de a împiedica acumularea
sarcinilor electrostatice pe produsul finit din materialul

Universitatea Transilvania din Brașov
Proiect de disertatie
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2018
Specializarea – Ingineria sudarii materialelor
avansate DRĂGHICI N. Nicolae Dragoș

Pg. 11
plastic. Aceștia se folosesc de regulă la materialele plastice
sub formă de folii și foi.
Antistatizarea poate fi externă, caz în care se aplică soluții
antistatice la produsul finit prin stropire, ștergere sau
imersie, și internă, prin amestecarea intimă a agentului
antistatic cu materialul plastic.
Pentru antistatizare permanentă se utilizează: soluții de
acetobutirat de celuloză în a mestec cu alcool, metacrilat de
glicidil.
Un procedeu utilizat astăzi în mod curent la neutralizarea
sarcinilor electrostatice ale foliilor și foilor din material
plastic este preionizarea la tensiune înaltă.
Agenții de ignifugare au rolul de a mări rezistența la foc a
materialelor plastice. Ca agenți de ignifugare se pot utiliza
substanțe pe bază de compuși de stibiu, de fosfor, polimeri
clorurați. Există însă unii polimeri care reduc rezistența la
foc a materialului plastic.
Alegerea agenților de ignifugare se face în funcție de natura
materialului plastic.
În afara acestui criteriu, alți factori de care se ține cont
în alegerea agenților de ignifugare sunt:
– compatibilitatea cu materialul plastic;
– să nu influențeze defavorabi l proprietățile mecanice și fizice
– stabilitate față de agenți chimici, lumină, intemperii;
– nu trebuie să influ ențeze procesul de uscare în fabricarea
maselor plastice;
– eficacitate în timp ;
– preț de cost redus. [13]
Agenții fungistatici sunt acele substanțe care adăugate
materialului plastic îl fac rezistent la acțiunea
microorganismelor, în special în condițiile climatului tropical
( cald și umed).
Cu cât materialul plastic este mai subțire, cu atât este atacat
mai repede de microorganisme.

Universitatea Transilvania din Brașov
Proiect de disertatie
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2018
Specializarea – Ingineria sudarii materialelor
avansate DRĂGHICI N. Nicolae Dragoș

Pg. 12
Acest atac al microorganismelor are loc asupra materialelor
auxiliare și de umplutură care intr ă în componența materialului
plastic. Dacă nu se tratează corespunzător împotriva
microorganismelor, materialele plastice își modifică
caracteris ticile mecanice, suportă modificări în ceea ce
privește p ermeabilitatea la gaze, vapori ș i apă.
Agenții de expandare sunt folosiți în obținerea materialelor
plastice poroase și pot produce structură celulară materialelor
plastice în timpul prelucrării sub acțiunea căldurii și
presiunii. Poroplastele se obțin, în prezent, prin extruderea
materialului plastic în preze nța unui agent porofer cum ar fi
propanul.
Agenții de odorizare se utilizează deoarece unele materiale
plastice dezvoltă un miros necorespunzăto r fie datorită
constituției chimice a polimerului , fie auxiliarilor care
intervin în timpul prelucrării.
În funcție de cauza producerii mirosului neplăcut se aleg
agenții de odorizare care corectează mirosul. Aceștia se
introduc la prelucrare , caz în car e agenții trebuie să reziste
la temperaturile de prelucrare , sau prin aplicarea agentului de
odorizare la obie ctul finit 9 imersie, stropire .
Ca agenți de odorizare se folosesc : salicilat de amil, alcool
fenil-etilic, rezidu uri de la prelucrarea ionon elor, a sucului
de lămâie etc. [13]
Capitolul 2. Procedeu l de sudare a maselor
plastice. Sudarea cu ultrasunete.

Universitatea Transilvania din Brașov
Proiect de disertatie
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2018
Specializarea – Ingineria sudarii materialelor
avansate DRĂGHICI N. Nicolae Dragoș

Pg. 13

SUDURA CU ULTRASUNETE (USW – ultrasonic welding) este un proces
în stare cvasi -solidă, care produce o sudură prin introducerea
unor vibrații de înaltă frecvență în piesa sudată prin faptul că
aceasta este ținută sub forțe de fixare moderat de ridicate.
Sudura se produce fără topirea semnificativă a materiale lor de
bază.
În unele privințe sudarea cu ultrasunete este un proces
nedezvoltat care așteaptă încă o explorare amănunțită. Este
necesară o mai bună înțelegere a proceselor care au loc la
interfața îmbinării. mai exact, interacțiunea parametrilor de
proces precum și rolul lor în crearea îmbinării trebuie înțelese
mai bine.

Avantajele sudării cu ultrasunete sunt că ea:
• permite îmbinarea de materiale subțiri până la materiale
groase
• permite îmbinări de metale diferite
• oferă îmbinări cu conductibilitate termică și electrică bună
• îmbină metale fără căldura provenită din topire
• oferă utilizarea eficientă a energiei
• nu necesită de regulă material de umplere, flux sau o
atmosferă specială
• nu necesită de regulă procese spe ciale curățare
• sudează prin majoritatea oxizilor
Aplicațiile comerciale de succes au în general anumite
caracteristici. În primul rând, îmbinările trebuie să fie
îmbinări suprapuse, nu îmbinări la rosturi. În al doilea rând,
sunt necesare secțiuni subți ri în apropierea vârfului de sudare.
În al treilea rând, rezultate mai bune se obțin cu aliaje
neferoase.

Universitatea Transilvania din Brașov
Proiect de disertatie
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2018
Specializarea – Ingineria sudarii materialelor
avansate DRĂGHICI N. Nicolae Dragoș

Pg. 14
Aplicațiile de producție includ cablaje electrice pentru aparate
și industria automobilelor; bare metalice conductoare electric;
siguranțe; ruptoare d e circuit; contacte; module de aprindere;
motoare demaror; folii aluminiu și de cupru; folii de baterii;
condensatoare; încapsularea explozivilor; fire microelectronice;
tuburi pentru încălzire, ventilație și aer condiționat (HVAC);
și multe altele. Aplica țiile militare în industria aeronautică
sunt descrise în MIL -STD 1947, publicat în data de 15 mai 1985.

Un sistem de sudare cu ultrasunete necesită o sursă de
alimentare cu energie electrică care transformă curentul liniar
în tensiune de înaltă frecvență și tensiune înaltă necesare
pentru transformator (transducer). Transformatorul transformă
energia electrică de înaltă frecvență în energie vibratorie și
este încorporat în capul de sudare, care oferă și mijloacele
(adică fie pneumatice, hidraulice sau meca nice) pentru fixarea
pieselor de prelucrat.
Ansamblul transformatorului încorporează, de asemenea,
componente sau conductori optici pentru transmiterea energiei în
zona de sudură dorită.
Mecanismul procesului. Sudarea cu ultrasunete produce o sudură
prin forțe de forfecare oscilante la interfața dintre cele două
metale care urmează să fie unite în timp ce acestea sunt ținute
împreună printr -o forță de strângere statică moderată.
Tensiunile interne rezultate duc la deformarea elasto -plastică
la interfață.
Alunecarea interfacială foarte localizată la interfață tinde să
rupă oxizii și peliculele de pe suprafață, permițând contactul
metal pe metal în mai multe puncte. Pe măsură ce oscilația
continuă rupe punctele și zona de contact crește, difuziunea are
loc de-a lungul interfeței pentru a produce o structură similară
cu cea a unei suduri de difuziune.
Sudarea cu ultrasunete produce o creștere localizată a
temperaturii provenită din efectele combinate ale histereziei
elastice, alunecării interfaciale și deformăr ii plastice.
Procesul de sudare este finalizat fără a fi nevoie de metal
topit în întregime la interfață atunci când se utilizează
combinația corectă de forță, putere și parametrii de timp.

Universitatea Transilvania din Brașov
Proiect de disertatie
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2018
Specializarea – Ingineria sudarii materialelor
avansate DRĂGHICI N. Nicolae Dragoș

Pg. 15
Creșterea temperaturii la interfață este mai mare pentru metale
cu conductivitate termică scăzută (de exemplu oțel) decât pentru
metale cu conductivitate ridicată (de exemplu aluminiu sau
cupru). Sudarea cu ultrasunete a unor astfel de materiale cu
conductivitate înaltă consumă în mod substanțial mai puțină
energie decât o face sudarea prin rezistență.
În cazul aliajelor care au un domeniu larg al temperaturii de
topire, este probabil că la atingerea limitei inferioare a
domeniului, este produsă o porozitate care facilitează
plasticitatea în interfața de sudură.
Variațiil e și limitările procesului. Variațiile procesului USW
produc diferite geometrii de sudură. Există aparate de sudură în
puncte, în linie, cu cusătură continuă și în inele. Alte două
versiuni de aparate de sudură în puncte sunt folosite pentru
îmbinarea comp onentelor microelectronice.
Sudurile în puncte pot fi circulare, eliptice sau
dreptunghiulare, și solide sau cu geometrie inelară. Ele se
formează atunci când materialul este fixat între un vârf
profilat (uneori numit sonotrodă) și o nicovală (fig. 1). Vâr ful
vibrează când energia ultrasunetelor este introdusă pentru
moment într -un plan paralel cu interfața și perpendicular cu
forța de fixare.
Deși timpul de sudare variază în funcție de grosimea și
compoziția materialului care urmează să fie îmbinat și de
puterea aparatului de sudare, cele mai multe suduri în puncte
pot fi produse în mai puțin de 1,5 s (fig. 2).

Sudurile pot fi făcute adiacente sau suprapuse pe sudurile
anterioare, pentru a forma o îmbinare sudată continuu. Poate fi
necesară o clemă pentru produs pentru a împiedica dispersarea
energiei ultrasunetelor în zonele adiacente ale piesei de
prelucrat. Clema pentru produs este de obicei concentrică cu
vârful de sudură și are un diametru puțin mai mare decât vârful.
Sudurile în linie sunt produse pri ntr-o variație a sudurii în
puncte în care geometria sudurii este alungită prin utilizarea
unui vârf sonotrodă liniar și a unei nicovale. Au fost folosite
mai multe capuri personalizate ale transformatoarelor pentru a
produce suduri în linie care au o lung ime de câțiva inci, însă

Universitatea Transilvania din Brașov
Proiect de disertatie
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2018
Specializarea – Ingineria sudarii materialelor
avansate DRĂGHICI N. Nicolae Dragoș

Pg. 16
majoritatea echipamentelor disponibile în comerț sunt limitate
la linii de 38 mm (1,5 in.) sau mai scurte. Sudurile adiacente
pot produce o linie mai lungă. De obicei, sudurile mai lungi
sunt realizabile doar pe materiale subțiri ( adică cu grosime mai
mică de 0,25 mm sau 0,010 in). Sudurile cu o singură linie cu o
lungime de până la 50 mm (2 in.) au fost dezvoltate pentru a
îmbina foliile de nichel expandate cu foliile solide pentru
aplicația baterie de litiu.
Sudura în linie este f olosită și pentru a etanșa tuburi de cupru
în aplicații HVAC (fig. 3). Această tehnică poate înlocui
etanșările produse în mod normal prin sertizare și brazare.

Sudurile cu cusătură continuă sunt produse atunci când o rolă
vibratoare cu ultrasunete în for mă de disc este rotită și
deplasată peste o piesă de prelucrat, care este ținută pe o
nicovală fixă. Utilizările tipice includ îmbinarea capetelor de
folie de aluminiu și folie de cupru.
Sunt disponibile echipamente comerciale pentru sudarea tablelor
cu grosimi de până la circa 0,15 mm (0,006 in.). Sistemele de
frecvență înaltă (în mod obișnuit 50 kHz) permit suduri
excelente chiar și pe cele mai subțiri folii, cum ar fi de 0,0043
mm (0,00017 in.), fără a le rupe sau încreți. Această tehnică
este folosită ș i pentru a îmbina interconectări din aluminiu de
0,038 mm (0,0015 in.) cu folie din panourile fotovoltaice.
Sudurile inelare. Poate fi folosit un vârf circular utilizat pe
un aparat de sudare în puncte pentru a forma o sudură inelară.
Sistemele concepute s pecial pentru sudarea inelară folosesc
adesea mișcarea de torsiune sau circulară a unui vârf în formă
inelară în loc de o mișcare înainte și înapoi.
Un astfel de sistem utilizează două transformatoare, unul pe
fiecare parte a unei tije tubulare. Fiecare transformator
produce o mișcare de 180 ° defazată față de mișcarea celuilalt,
provocând astfel o mișcare de torsiune la interfața îmbinării
sudate.
Sudurile inelare cu diametre de până la circa 50 mm (2 in.) și
un element de dirijare a sudurii circular de aproximativ 1,25 mm
(0,050 in.) au fost produse pe folii subțiri de aluminiu sau
cupru. Aplicațiile tipice includ încapsularea propulsoarelor de

Universitatea Transilvania din Brașov
Proiect de disertatie
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2018
Specializarea – Ingineria sudarii materialelor
avansate DRĂGHICI N. Nicolae Dragoș

Pg. 17
lichide și pulbere sau materialelor explozive prin sudarea unui
capac de folie subțire pe un recipient. Foliile au de obicei o
grosime de 0,2 mm (0,008 in.) sau mai mică. Procesul de sudură
nu generează multă căldură, ceea ce îl face potrivit pentru
utilizarea cu materiale sensibile la căldură. Sunt utilizate
multe sisteme mici, de înaltă frecvență (28 kHz) pentru a izola
ermetic declanșatoare mici de exploziv sau siguranțe pentru
armament.
Sudura în microelectronică. Îmbinarea fină a cablurilor
reprezintă cea mai veche aplicație a USW utilizată pe scară
largă și reprezintă în continuare un volum ridicat al
activității industriale. Milioane de îmbinări de cabluri sunt
efectuate zilnic. Figura 4 prezintă un aparat de sudură a
cablurilor cu ultrasunete.

Diametrele ca blurilor variază de la mai puțin de 0,025 până la
0,5mm (0,001 in. până la 0,020 in.), iar cel mai mare volum are
loc pentru domeniul de diametre 0,025 până la 0,050 mm (0,001
in. până la 0,002 in.). Acțiune vibratorie la înaltă frecvență
(de obicei de 60 kHz) îndepărtează impuritățile de pe suprafață,
induce fluxul de material și permite o sudură în stare solidă
între cablu și, fie padul de îmbinare metalizat sau conductorii
de pe pachetul de semiconductoare.
O combinație a tehnicilor de îmbinare cu ultras unete și de
compresie termică, cunoscută sub denumirea de îmbinare
termosonică, este acum o nouă metodă populara de îmbinare a
cablurilor. Tehnica presupune sudarea cu ultrasunete cu
substraturi încălzite, de obicei, la temperaturi ale interfeței
care sunt cuprinse între 100 și 200 ° C (210 -390 ° F).

Operatorii procesului de USW (ultrasonic welding) nu au nevoie
de o instruire elaborată sau extinsă. Odată ce parametrii
procesului au fost determinați de către un inginer de proces,
operatorul trebuie doar să pună piesele într -un suport de
susținere / de poziționare pe asamblul nicovalei, să apese
butoanele sau un alt dispozitiv de pornire și apoi să scoată
piesa finită. Monitorizarea procesului poate fi efectuată fie
electronic, cu ajutorul unui microprocesor , fie vizual de către
operator, fiind necesar de obicei ca operatorul să se uite la un

Universitatea Transilvania din Brașov
Proiect de disertatie
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2018
Specializarea – Ingineria sudarii materialelor
avansate DRĂGHICI N. Nicolae Dragoș

Pg. 18
indicator de putere. Inginerul de proces trebuie să colaboreze
îndeaproape cu producătorul de echipamente
pentru îndrumare în ceea ce privește proiectarea uneltelor și
selectarea parametrilor de proces.
Niciun arc, scânteie sau material de umplere topit nu este
asociat cu sudarea cu ultrasunete, și nu trece niciun curent
electric prin piesa sudată. Deoarece aparatul de sudare este
configurat de obicei într -o formă de pres ă cu forțe moderat de
ridicate, trebuie respectate precauțiile normale pentru a
asigura siguranța operatorului, adică, utilizarea butoanelor de
fixare-eliberare sau o prevedere similară pentru a proteja
mâinile operatorului. Un alt considerent uzual implic ă nivelul
de zgomot de înaltă frecvență produs prin vibrația
ultrasunetelor. În unele cazuri, în special la echipamentele cu
putere mai mare, zgomotul depășește nivelele aprobate de
Administrația de securitate și sănătate ocupațională (OSHA) și
trebuie pus e la dispoziție bariere sau incinte amortizoare
fonic.
Chiar și în cazul în care nivelul de zgomot îndeplinește
cerințele aprobate, operatorul poate considera necesară purtarea
unei protecții pentru urechi.

Procesul USW presupune suprapunerea materialelor de sudat. În
general materialele trebuie să fie puse în aparatul de sudare
doar în orientarea corectă. Orientarea corectă se realizează de
obicei prin utilizarea unui cuib sau unui dispozitiv de fixare a
nicovalei, care susține piesele în timp ce acestea sunt sudate.
În cazul în care sunt îmbinate cabluri torsadate cu alte cabluri
solide sau torsadate sau la un terminal, trebuie folosit un
dispozitiv de fixare "de adunare" pentru a trage cablurile
împreună și pentru a exercita o presiune ușoară în timpul
sudării, pentru a împiedica scăparea cablurilor din zona de
sudare prevăzută. Acest tip de dispozitiv de fixare este de
obicei furnizat de către producător cu aparatele de sudare și
este prevăzut pentru utilizarea cu cabluri, putând fi ajustat
pentru a se p otrivi unei game largi de dimensiuni și combinații.
Considerentele speciale descrise mai jos includ starea
suprafeței, utilizarea unui strat intermediar și controlul
rezonanței.

Universitatea Transilvania din Brașov
Proiect de disertatie
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2018
Specializarea – Ingineria sudarii materialelor
avansate DRĂGHICI N. Nicolae Dragoș

Pg. 19
Starea suprafeței. Cele mai multe materiale ușor sudabile, cum
ar fi aluminiul , cuprul sau alama, pot fi sudate așa cum au fost
recepționate de la frezare sau trebuie să fie degresate cu un
solvent sau un detergent obișnuit pentru îndepărtarea
lubrifianților de pe suprafață. Stratificările cu oxizi se vor
dispersa în timpul procesul ui, cu excepția cazului în care sunt
foarte groase. Cojirea accentuată a suprafeței trebuie
îndepărtată prin abraziune mecanică sau gravare chimică înainte
de sudare. Perioada de timp dintre curățare și sudare în general
nu este critică, cu excepția cazulu i în care are loc în
atmosferă corozivă. Anumite tipuri de acoperiri și izolații (de
exemplu acoperire cu magnet a cablurilor la temperatură scăzută)
pot fi penetrate în timpul procesului de sudare, în timp ce alte
tipuri trebuie îndepărtate mecanic.
Trebuie menținută o curățare destul de temeinică și de calitate
a suprafeței pentru a asigura o calitate uniformă a sudurii.
Utilizarea unui strat intermediar. O tehnică utilă pentru
îmbunătățirea calității sudurii al unor îmbinări sudate implică
plasarea unei folii subțiri, de obicei de aluminiu sau cupru,
între metalele care urmează să fie îmbinate. Acest lucru este
deosebit de util atunci când trebuie îmbinate materiale de
duritate diferită. Acest strat intermediar este uneori mai
convenabil și mai rentabil d ecât placarea materialelor cu un
material mai ușor sudabil (de exemplu cupru sau aur).
Într-o tehnică cunoscută sub numele de lipire prin sudare, este
introdus un strat de adeziv între panourile care urmează să fie
sudate cu ultrasunete. Această tehnică of eră nu numai o
impermeabilitate la apă, dar, de asemenea, crește puterea de
sudare dincolo de cea obținută fie prin lipire sau prin sudare
doar cu ultrasunete. Poate fi utilizată fie o pastă adezivă sau
un adeziv pe suport de material textil în procesul de lipire cu
ultrasunete.
Controlul rezonanței. Piesele de prelucrat complexe, în special
acelea cu mai multe părți sau secțiuni cu pereți subțiri, pot fi
induse să vibreze prin sistemul de sudare cu ultrasunete, care
poate genera fisuri în piesa de prelucra t și în sudurile
realizate anterior sau poate duce la o calitate slabă a sudurii.
Această rezonanță poate să fie eliminată sau redusă la minim
prin aplicarea presiunii pe secțiunea vibratoare. De exemplu, la
sudarea cu ultrasunete a straturilor de folie de aluminiu de
știfturile capacelor de condensatoare, stiftul trebuie fixat

Universitatea Transilvania din Brașov
Proiect de disertatie
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2018
Specializarea – Ingineria sudarii materialelor
avansate DRĂGHICI N. Nicolae Dragoș

Pg. 20
strâns, deoarece în caz contrar vibrația nu va împiedica doar
formarea unei îmbinări bune, dar poate chiar și topi capacul de
plastic care înconjoară știftul.
O altă opțiune este de a fixa partea vibratoare de un dispozitiv
de fixare relativ mare sau de o nicovală. Este necesară o
presiune semnificativă, iar unele mașini sunt echipate cu o
clemă produsă în acest scop. Pentru că rezonanța poate avea loc
și în unelte, dispozitivele de f ixare ar trebui să fie rigide și
robuste și nu trebuie să conțină mai multe dispozitive mici, cum
ar fi arcuri sau știfturi. Cel mai bine este să se evite
folosirea de materiale ușoare (de exemplu, aluminiul) pentru
dispozitivele de fixare a pieselor, nico vale sau suporturi.
Oțelul este materialul preferat pentru aceste componente.
Unelte, vârfuri și nicovale. Vârful de sudare (sau sonotroda)
care intră în contact cu piesa ce urmează să fie sudată este de
obicei fabricat din oțel de înaltă calitate tratat t ermic. Este
necesară o potrivire precisă între vârf și conductorul optic
pentru a asigura transmiterea eficientă a energiei vibratorii.
Este folosită în mod frecvent o blocare (Morse) conică și
potrivirea ar trebui să acopere 75% din suprafața de contact
dintre vârf și piesa de prelucrat. În cazul sistemelor cu putere
mai mică, vârful și conductorul optic (corn) pot fi integrate
într-o componentă și pot avea uneori mai multe suprafețe pentru
sudare. Rotația cornului oferă o nouă suprafață de sudare. Un
vârf de sudare, cu o blocare conică este mai puțin costisitoare
la înlocuire și mai ușor de reparat, atunci când este necesar,
decât o combinație integrată corn -vârf.
Anumite aliaje, în special aliajele de aluminiu foarte moi, se
pot lipi de vârf când sunt sud ate. Poate fi necesar un
dispozitiv mecanic de decojire pentru a elibera piesa. Uneori
poate fi suficient un impuls cu ultrasunete cu consum redus de
energie pentru a îndepărta partea blocată de pe vârf. În cazul
în care o bucată rămâne pe vârf, un impuls de sudură, cu vârful
fixat de o piesă groasă de alamă poate scoate bucata blocată mai
ușor decât metodele de abraziune mecanică.
Au fost folosite vârfuri fabricate din aliaje exotice pentru a
preveni blocările deosebit de puternice, dar cu succes limitat.
O pană de fixare din oțel, cu o suprafață oxidată s -a dovedit a
fi deosebit de eficientă pentru prevenirea atât a blocării cât
și a deformării la îmbinarea aluminiului de înaltă rezistență și

Universitatea Transilvania din Brașov
Proiect de disertatie
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2018
Specializarea – Ingineria sudarii materialelor
avansate DRĂGHICI N. Nicolae Dragoș

Pg. 21
aliajelor de titan, care sunt utilizate pe scară largă de către
industria aeronautică.
Vârful nicovalei este supus acelorași probleme de uzură și de
blocare a vârfului la care este supus vârful sonotrodei. Se
recomandă același oțel de înaltă rezistență tratat termic (de
obicei, M2 tratat termic cu duritate 58 -60 HRC).
Vârfurile de sudare și suprafețele vârfului nicovalei cu modele
zimțate sau hașurate în cruce sunt utile pentru împiedicarea
alunecării între vârf și piesa sudată. Alunecarea poate apărea
într-o locație de sudare între metal și unelte, în loc de
interfața necesară. Un model tipic hașurat în cruce trebuie să
fie de 0,5 mm (0,02 in.) vârf la vârf și de aproximativ 0,2 mm
(0,008 in.) în adâncime.
Atmosfere speciale. Cu toate că sudarea cu ultrasunete nu
necesită o atmosferă specială, ea poate fi aplicată în an umite
condiții. De exemplu, utilizarea unui gaz inert poate reduce sau
preveni oxidarea la îmbinarea unui metal, cum ar fi litiul.
Sudarea cu ultrasunete nu este afectată în mod negativ de
prezența unei atmosfere inerte.
Calitatea sudurii este descrisă mai jos în ceea ce privește
factorii care o influențează, aspectul suprafeței și deformare
și examinarea metalografică.
Factori de influență. Calitatea sudurilor cu ultrasunete este
influențată de acești parametri:
• compoziția și geometria îmbinării sudate
• duritatea piesei de prelucrat
• curǎțarea îmbinării sudate
• selecția condițiilor de sudare, cum ar fi puterea, forța de
strângere și timpul de sudare
• capacitatea uneltelor de a susține si fixa corect piesele
pentru prevenirea vibrațiilor nedorite
Suprafețele care urmează să fie sudate trebuie să fie în mod
rezonabil plate în direcție paralelă. Acest lucru este deosebit
de important pentru sudarea inelară în cazul în care este
necesar un grad ridicat de ermeticitate. Anumite materiale pot

Universitatea Transilvania din Brașov
Proiect de disertatie
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2018
Specializarea – Ingineria sudarii materialelor
avansate DRĂGHICI N. Nicolae Dragoș

Pg. 22
fi sudate în s tarea în care au fost primite. Cu toate acestea, o
schimbare a lubrifianților sau alte stări ale suprafeței pot
necesita o ajustare a setărilor aparatului de sudare pentru a
menține calitatea. De aceea, uneori este recomandabil să se
degreseze sau să se șl efuiască suprafețe înainte de sudare
pentru a menține un anumit nivel de consistență.
Aspectul suprafeței și deformări. În funcție de materialul și
geometria vârfului, suprafața unei suduri cu ultrasunete poate
lăsa un semn de ușoară uzură sau o adâncitură semnificativă.
Aceasta deformare a grosimii este mai vizibilă la materiale moi,
ductile, cum ar fi aluminiul moale. Interfața de sudare reală
este de obicei mai mică decât impresia de suprafață. Materialele
dure au, în general, o depresiune de suprafață m ai puțin adâncă
și mai mică decât materialele moi, ductile.
O suprafață a vârfului care are striuri sau un model hașurat în
cruce va reproduce acest model pe suprafața îmbinării sudate. O
rază sferică la vârf va produce în general o depresiune mai
adâncă s ub formă de vas decât un vârf plat cu același diametru.
Cablurile răsucite sau împletite pot fi sudate pentru a forma o
secțiune transversală solidă, dacă este necesar. Reducerea puțin
a puterii, timpului sau forței poate da o secțiune transversală
comprimată, dar nu solidă.
Aplicarea rotunjită și în unghi a aparatului este recomandată
pentru evitarea tranzițiilor bruște în zonele care pot duce la
ruperea timpurie a unui ansamblu.
Examinarea metalografică a sudurilor cu ultrasunete la o
varietate largă de m etale relevă fenomenele care au loc în
microstructură, cum ar fi pelicula de suprafață și ruperea
oxizilor, fluxul de plastic și extrudarea, recristalizarea,
transformarea fazelor și difuziunea. Microfotografii de
materiale sudate cu ajutorul ultrasunetelo r selectate sunt
prezentate în secțiunea "Dezvoltarea procedurilor și
considerații practice pentru sudarea în stare solidă" din acest
volum.
O zonă afectată termic este semnificativă la anumite aliaje, cum
ar fi aluminiul și nichelul. Se poate produce tran sformarea
fazelor, recristalizarea și precipitarea.

Universitatea Transilvania din Brașov
Proiect de disertatie
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2018
Specializarea – Ingineria sudarii materialelor
avansate DRĂGHICI N. Nicolae Dragoș

Pg. 23
Difuziunea de -a lungul interfeței este de obicei superficială,
din cauză că sunt necesari timpi de sudură relativ scurți, cu
toate că poate avea loc penetrarea semnificativă de -a lungul
interfeței. Aliere a se poate produce prin sudarea unor metale
diferite, și ar trebui să fie luată în considerare posibilitatea
coroziunii galvanice.

Testele de forfecare la tracțiune efectuate pe îmbinări cu o
singură sudură prin suprapunere au indicat faptul că defecțiune a
a fost cauzat de o rupere în metalul de bază sau printr -o rupere
a bazei de sudură, mai degrabă decât de o forfecare a sudurii
actuale. Rezistențele tipice ale sudurii la o varietate de
metale sunt rezumate în tabelele 1 și 2. Aceste date au fost
publicate ca rezultat al unui program de cercetare sponsorizat
de guvern realizat în anii 1970. Cu echipamentele și practicile
mai moderne, pot fi obținute rezultate mai bune.

Consistența este în general bună, cu o abatere standard, σ, de
regulă mai mică de 5% d in valoarea medie a rezistenței.
Consecvența rezultatelor în mediul de producție va rezulta din
controlul parametrilor vitali (de exemplu, temperatura piesei,
temperatura uneltei, stabilitatea aparatului și uneltelor precum
și starea suprafeței pieselor).
Sudurile testate după cicluri termice, expunerea la băi de sare
și alte medii corozive mențin un nivel de rezistență la
tracțiune relativ ridicată.
Rezistența la oboseală a metalelor sudate cu ultrasunete o
depășește adesea pe cea a metalelor sudate prin f uziune,
deoarece îmbinarea cu ultrasunete nu lasă structura îmbinării
turnate care este tipică pentru metalul topit și resolidificat.
Pentru folii relativ subțiri, ductilitatea îmbinării cu
ultrasunete permite reformarea pieselor după sudură fără
fisurarea îmbinării sudate.

Universitatea Transilvania din Brașov
Proiect de disertatie
Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor 2018
Specializarea – Ingineria sudarii materialelor
avansate DRĂGHICI N. Nicolae Dragoș

Pg. 24
SUDAREACU ULTRASUNETE (USW -ultrasonic welding ) este utilizată în
mod eficient pentru îmbinarea atât a metalelor similare cât și a
metalelor diferite prin suduri de suprapunere.
Diferitele metale diferă din punct de vedere al sudabilităț ii în
funcție de compoziția și proprietățile lor. Metalele care sunt
considerate mai dificil de sudat sunt cele care necesită fie o
putere ridicată sau timpi de sudare lungi, sau ambele, precum și
cele care presupun probleme de operaționale, cum ar fi lipi rea
vârfului sau durată de viață scurtă a vârfului. Metalele cele
mai ductile pot fi sudate împreună. Figura 1 identifică unele
dintre combinațiile monometalice și bimetalice, care pot fi
sudate în prezent cu ajutorul ultrasunetelor la nivel comercial.

La sudarea cu ultrasunete, temperatura la sudare nu este
ridicată până la punctul de topire. Prin urmare, nu există nicio
proeminență similară cu cea formată la sudarea prin rezistență.
Rezistența sudurii este egală cu rezistența metalului de bază.
Cu toate acestea, sudarea cu ultrasunete este de obicei limitată
la materiale relativ subțiri (folii sau grosimi extrem de mici).
Procesul, care poate fi de asemenea utilizat pentru îmbinarea de
materiale plastice, este găsirea de aplicații mai largi în acest
domeniu decât la îmbinarea metalelor.
Sudarea cu ultrasunete este folosită pe scară largă în industria
electronică, industria aerospațială și industriile fabricării
instrumentelor. De asemenea, este utilizată pentru producerea de
ambalaje și recipiente și pen tru aplicații de etanșare.