PN 09-160102 –Microimbinarea materialelor neferoase prin procedee termosonice

1

Rezumatul fazei 11

Lucrarea „„Microîmbinare termosonică a materialelor disimilare neferoase a conductorilor multifilari” este in faza Xi-a a Proiectului Nucleu PN 09 – 160 102, si se constituie ca faza suplimentara pentru anul 2014, cu denumirea „Microîmbinarea termosonică cu dispozitivare flexibila la sudare a materialelor disimilare neferoase a conductorilor multifilari, din cupru si aluminiu pentru aplicatii industriale:.

Se urmareste elaborarea, dezvoltarea si examinarea de tehnologii de imbinare a materialelor ingineresti din familia cuprului si aluminiului, connductori multifilari, in vederea optimizarii si crearii unei baze interne de date, elaborare de tehnologii si obtinerea de rezultate noi prin experimente factoriale complete. Capitolul 1 Imbinarea termosonica a materialelor neferoase conductori multifilari cu dispozitivari flexibile. In acest capitol se prezinta stadiul actual al microimbinarilor materialelor noi la ISIM Timisoara, din categoria conectorilor multifilari pentru industria auto, electronica si electrotehnica, utilizind energie ultrasonica, la fecventa de 20 kHz si 40 kHz. In privinta mecanismelor si tehnologiilor de sudare asistate ultrasonic, si a analizarii fenomeneor ce insotesc sau determina chiar prelucrarea cu ultrasunete exista in prezent un numar mare de cercetari si realizari tehnologice , fiind formulate ipoteze bazate fie pe observatia procesului tehnologic al fenomenului prelucrarii cu mijloace perfectionate de investigatie si pe baza unor experimente laborioase , rezultind modele functionale de masini specializate de imbinare cu asistare ultrasonica precum si masini unelte specializate furnizate de producatori consacrati.

Se prezinta sistemul flexibil de imbinre cu ultrasunete la frecveta de 20 khz si 40 kHz, intrfatat cu automatul programabil parametrizare proces tehnologic de sudare.

Sudarea cu ultrasunete a conductorilor multifilari utilizind tehnologii hibride electric prin presiune si cu ultrasunete, sau multifilari pe placi din materiale conductoare incluzand materiale avansate este un procedeu fezabil si care confera avantaje legate de calitatea imbinarilor sudate, lipsa materialelor de adaos, eliminarea automata a oxizilor prin contactul mecanic la frecvente de vibratie ridicate, dar si unele dezavantaje survenite din nevoia unui contact mecanic pe ambele parti ale sudurii, implicit o forta aplicata pieselor ce urmeaza a fi sudate. Astfel geometria suduri este limitata la sudarea prin suprapunere, iar procedeul nu este la fel de rapid ca altele cum ar fi sudarea laser.

In fazele precedente ale proiectului s-a prezentat configuraţia constructiva a echipamentului de îmbinare termosonica la frecventa de 40-70 kHz, pregătit in vederea evaluării sistemului de deplasare in coordonate. Echipamentul de îmbinare termosonica fiind un echipament multifuncţional, destinat in principal microimbinarii termosonice a conductorilor monofilari si multifilari din materiale neferoase Cu, AI dar si asimilării tehnologiilor de sudare performante de îmbinări pentru materiale inginereşti, materiale biocompatibile, compozite, cu memorie formei, cu aplicaţii in industria electrotehnica, a aparatelor de măsura si control, electronica si microelectronica, automobile, aparatura medicala si se compune in principal din: generatorul de ultrasunete, partea de sudare cu sistemul transductor ultrasonic,

PN 09-160102 –Microimbinarea materialelor neferoase prin procedee termosonice

2

platou micrometric x-y cu programare digitala, sistem optic de vizualizare si control al zonei de îmbinare. S-au realizat experimentari tehnologice de sudare ale conductorilor multifilari din cupru, pe table de Cu si Al, ca un experiment aleator, având ca scop identificarea zonelor de îmbinare.

O alta activitate realizata in faza precedenta o reprezintă evaluarea performanţelor tehnice şi tehnologice, ale echipamentelor prin elaborarea de tehnologii optimizate de microîmbinare a materialelor si utilizarea metodei experimentelor factoriale, in vederea cuantificării rezultatelor programelor experimentale are drept scop o mai buna legătura cauza efect sau legătura dintre factorii de influenta si funcţia obiectiv.

S-a realizat procesul de simulare si calibrare cu programe specializate a sonotrodelor si transformatoarelor de amplitudine pentru îmbinarea termosonica 40-70 kHz, necesara in realizare programului experimental. S-a realizat simularea constructiva si dimensionala a unor sonotrode la frecventa de 20 respectiv 40 kHz care a fost realizata si testata in vederea interfaţării acestei in construcţia ansablului rezontor mecanic, si a sistemului flexibil de imbinare interfatat cu automatul programabil la cele doua echipamente specializate modele funcţionale care au fost construite si testate in cadrul programului nucleu de sudare cu ultrasunete 20 si 40 kHz.

S-au utilizat echipametele de sudare realizate in cadrul proiectului nucleu si a programelor de cercetare anterioare la frecventa de 20 kHz si 40 kHz.

Sistemul flexibil de imbinare conductori multifilari cu ultrasunete ,este prezentat in figura 1.1 si are urmatoarele caracteristici:

Tensiunea de alimentare: 240 V / 50 Hz Frecventa de lucru: 40 kHz Generator de ultrasunete: in tehnica PWM Puterea maxima: 500 W Transductor cu generator piezoceramic

Figura 1.1 Sistem flexibil de imbinre conductori multifilari : 1. Platforma programabila cu motoare pas cu pas x,y, 40 kHz; 2. Generator de ultrasunete 40

kHz ; 3. Modul de comanda si programare LS XBM – 16 S ; 4. Echipament de sudare cu ultrasunte 20 kHz; 5. Generator ultrasonic 20 kHz; 6. Dispozitivare flxibila la sudare

12

3

45 6

PN 09-160102 –Microimbinarea materialelor neferoase prin procedee termosonice

3

Reglaj parametri tehnologici in tehnica digitala cu automat programbil XGB

DR16S; Monitorizare automata a procesului tehnologic; Actionare echipament electropneumatic; Generator de ultrasunte 20 KhZ, 2500W; Generator ultrasunete 40 kHz, 900W; Modul de comanda si programare in tehnica digitala LS XBM – 16 S Echipament de sudare cu ultrasunete 20 kHz, 2500W Echipament speciaizat de sudare cu ultrasunete 40 kHz, 900 W.

S-au realizat dispozitivarea flexibila de fixare la sudare, nicovala de sudare si sonotroda specializata 20 kHz respectiv 40 kHz, prezentate in figura 1.2a respectiv 1.2 b, adaptate la reperele sudate (conductori multifilarii, suport terminale configuratie conector tip papuc electric, cupru si aluminiu) in aceasta faza a proiectului. Figura 1.2 Dispozitivare la sudare nicovala de sudare si sonotroda specializata 20 kHz, 40

kHz. 1. Sonotroda specializate cu doi lobi 2. Nicovala de sudare ; 3,4. Suport cupru,

conductor multifilar cupru ; 5. Dispozitivare pneumatica;

Pentru experimentari s-au folosit materiale dupa cum urmeaza :

• Materiale suport: a) Suport terminale configuratie conector tip papuc electric, cupru 99,95 (gros 1mm) ;

b) Suport terminale configuratie conector tip papuc electric, aluminiu 99,95 (gros1,5mm) ; c) Suport terminale configuratie conector tip papuc electric, AlMgSi3 (gros1,5mm) ;

• Materiale de microimbinare:

a) Conductori multifilari Cu 99.95 1,75 mm2, diametrul de 0,17 mm, 35 fire; b) Conductori multifilari Al99,5 1,25 mm2 diametrul de 0,17 mm, 20 fire

2

4

A

1 2

3,4

1 2

B

PN 09-160102 –Microimbinarea materialelor neferoase prin procedee termosonice

4

Echipamentul dispune de un sistem centralizat de achizitie si urmarire a datelor de proces, care include, posibilitatea urmaririi si controlului temperaturii procesului cu camera termografica, urmarirea parametrilor de proces timp de sudare, amplitudine, forta de apasare si timp de mentinere, iar ca mod de lucru se poate opta pentru secventiere la sudare in timp sau energie.

Capitolul 2 Elaborararea de tehnologii exploratorii de microimbinare termosonica conductori multifilari. Simulare configuratie sonotrode specializate 20kHz 2.1 Sonotrode specializate pentru sudare, 20 kHz Simularea cu program specializat, a permis cunoasterea parametrilor de stare de solicitare ai sonotrodelor dezvoltate si utilizate in programul experimental, coeficient de amplificare, amplsarea nodurilor si ventrelor, marimea amplitudinii, curbele de variatie ale pierderilor si a starilor de solicitare interna a sonotrodei. Starea de solicitare interna a sonotrodei, cu un maxim de 43,4 N/ mm2, este prezentata in curba de variatie din figura 1. Sunt definite forma si dimensiunile sistemului de interfatare cu elementele de cuplare – booster sau convertor piezoceramic. Elementele caracteristice ale sonotrodelor , utilizate in programul experimental sunt prezentate in tabelul 2.1

Figura 2.1. Starea de solicitare interna a sonotrodei - maxim de 86,8 N/ mm2

43,4 N/mm2

PN 09-160102 –Microimbinarea materialelor neferoase prin procedee termosonice

5

Tabelul 2.1 Caracteristici ale sonotrodelor , utilizate in programul experimental

Utilizind aparatura specifica de laborator, s-a masurat amplitudinea de oscilatie la virful sonotrodei, in regim fara sarcina. Acesata corespunde cu amplitudinea teoretica rezultat din linia ansamblului rezonator mecanic format din convertor piezocermaic, transformator de amplitudine 1:1, sonotroda, 26.1 μm la frecventa de rezonanta de 20 kHz. Geometria specifica in zonele active pentru cele doua sonotrode specializate in programuul experimental sunt prezentate in imaginile din figura 2.1 Sonotroda de tip I, este caracterizata de o suprafata activa de 48 mm2 , continind sase striatiuni longitudinale cu pasul de 0,84 mm si adincimea striatiunilor de 0,42mm. Similar pentru sonotroda cu doi lobi activi, 40 kHz s-a realizat simularea cu programm specuilaizat software, prezentata in figura 3.1. Sonotroda de tip II, este caracterizata de o suprafata activa de 64mm2 , continind 12 striatiuni in plan longitudinal si 12 straiatiuni in plan transversal cu pasul de 1,0 mm si adincimea striatiunilor de 0,5 mm . Elementele caracteristice ale sonotrodelor , utilizate in programul experimental sunt prezentate in tabelul 3.1

Figura 3.1. Starea de solicitare interna a sonotrodei - maxim de 86,8 N/ mm2

Material Vsunet [m/s]

Lungime sonotroda

[Mm]

Frecventa rezonanta

kHz

Factor amplificare

Solicitare maxima Mpa/x=

Coordonata nod

oscilatie [mm]

Putere disipata [Watt]

OL45 5334 146,9 2,0 2,61 86,8/102,5 65,00 2,0 10-3

PN 09-160102 –Microimbinarea materialelor neferoase prin procedee termosonice

6

Elementele caracteristice ale sonotrodelor , utilizate in programul experimental sunt prezentate in tabelul 2.1

Tabelul 3.1 Caracteristici ale sonotrodelor , utilizate in programul experimental

2.2 Elaborararea de tehnologii exploratorii de microimbinare termosonica conductori multifilari Experimentul 1. Sudare conductor multifilar cupru pe suport cupru suport terminale configuratie conector tip papuc electric, cupru 99,95 (gros 1mm) 20 kHz ;

Parametrii tehnologici de sudare, au fost timpul de sudare 325 perioade, respectiv presiune de 5,1 bar. Forma si configuaratia zonei imbinate, sunt prezentate in figura 4.1

Figura 4.1 Imbinare sudata cu ultrasunete conductori multifilari cupru pe suport cupru

suport terminale configuratie conector tip papuc electric, cupru 99,95 (gros 1mm) 20 kHz ; A- avers, B - revers

Regimul de sudare a fost identificta in baza de experimente preliminare de

sudare, si se considera a fi optim din punct de vedere al aspectului vizual, si amprentari sonotrodei la nivelul conductorilor multifilarti, respectiv amprenta la nivelul sonotrodei pe suprafata terminalului de cupru.

Experimentul 2. Sudare conductor multifilar cupru si aluminium pe suport cupru suport terminale configuratie conector tip papuc electric, cupru 99,95 (gros 1mm) 20 kHz ;

Parametrii tehnologici de sudare, au fost timpul de sudare 310 perioade, respectiv presiune de 4,9 bar. Forma si configuaratia zonei imbinate, sunt prezentate in figura 5.1

Material Vsunet [m/s]

Lungime sonotroda

[Mm]

Frecventa rezonanta

kHz

Factor amplificare

Solicitare maxima Mpa/x=

Coordonata nod

oscilatie [mm]

Putere disipata [Watt]

OLC45 5334 69,7 4,0 1,45 6,33/61,5 34,5 4,8 10-3

A B

PN 09-160102 –Microimbinarea materialelor neferoase prin procedee termosonice

7

Figura 5.1 Imbinare sudata cu ultrasunete conductori multifilari cupru si aluminium pe suport

cupru suport terminale configuratie conector tip papuc electric, cupru 99,95 (gros 1mm) 20 kHz ; A- avers, B - revers

Regimul de sudare a fost identificta in baza de experimente preliminare de

sudare, si se considera a fi optim din punct de vedere al aspectului vizual, si amprentari sonotrodei la nivelul conductorilor multifilarti, respectiv amprenta la nivelul sonotrodei pe suprafata terminalului de cupru.

Experimentul 3. Sudare conductor multifilar aluminium pe suport cupru suport AlMgSi3 terminale configuratie conector tip papuc electric, (gros 1,5mm) 20 kHz ;

Parametrii tehnologici de sudare, au fost timpul de sudare 120 perioade, respectiv presiune de 2,9 bar. Forma si configuaratia zonei imbinate, sunt prezentate in figura 6.1

Figura 6.1 Imbinare sudata cu ultrasunete conductori multifilari aluminium pe suport AlMgSi3 suport terminale configuratie conector tip papuc electric, cupru 99,95

(gros 1mm) 20 kHz ; A- avers, B - revers

Regimul de sudare a fost identificta in baza de experimente preliminare de sudare, si se considera a fi optim din punct de vedere al aspectului vizual, si amprentari sonotrodei la nivelul conductorilor multifilarti, respectiv amprenta la nivelul sonotrodei pe suprafata terminalului de aliaj de aluminiu.

Experimentul 4. Sudare conductor multifilar cupru si aluminium pe suport cupru suport AlMgSi3 terminale configuratie conector tip papuc electric, (gros 1,5mm) 20 kHz ;

BA B

BBA B

PN 09-160102 –Microimbinarea materialelor neferoase prin procedee termosonice

8

Parametrii tehnologici de sudare, au fost timpul de sudare 140 perioade, respectiv presiune de 3,2 bar. Forma si configuaratia zonei imbinate, sunt prezentate in figura 7.1

Figura 7.1 Imbinare sudata cu ultrasunete conductori multifilari cupru si aluminium pe suport AlMgSi3 suport terminale configuratie conector tip papuc electric, (gros

1,5mm) 20 kHz ; A- avers, B - revers

Regimul de sudare a fost identificta in baza de experimente preliminare de sudare, si se considera a fi optim din punct de vedere al aspectului vizual, si amprentari sonotrodei la nivelul conductorilor multifilarti, respectiv amprenta la nivelul sonotrodei pe suprafata terminalului de aliaj de aluminiu.

Capitolul 3

Caracterizare structurala si functionala a microimbinarilor ( materiale neferoase cupru si aluminiu conductori electrici multifilari, materiale disimilare)

Experimentul 1. Sudare conductor multifilar cupru pe suport cupru suport terminale configuratie conector tip papuc electric, cupru 99,95 (gros 1mm) 20 kHz ;

Forma si configuaratia zonei imbinate, precum si rezultatele corespunzatoare ale

probei imbinate prin analiza termografica si microscopie digitala cu aparatul HIROX 1300 sunt prezentate in figura 3.1

B

A

BA B

A

PN 09-160102 –Microimbinarea materialelor neferoase prin procedee termosonice

9

Figura 3.1 Analiza termografica si microscopie digitala cu aparatul HIROX 1300 A- analiza termografica; B – Imagine macro; C- Imbinare sudata ultrasonic

Temperatura maxima, in zona de colimare a analizorului FLIR SYSTEMS THERMOVISION A40, figura 3.1a, indica o temperatura de 400 C, dezvoltata de echipament in intervalul de 2,5 secunde de la startul ciclului de sudare hibrida, preincalzire rezistiva continuata cu activare ultrasonica. Microscopia digitala asupra reperului imbinat, figura 3.1b, evidentiaza in figura 3.1c zone distincte de suprafete imbinate Experimentul 2. Sudare conductor multifilar cupru si aluminium pe suport cupru suport terminale configuratie conector tip papuc electric, cupru 99,95 (gros 1mm) 20 kHz ; Forma si configuaratia zonei imbinate, precum si rezultatele corespunzatoare ale probei imbinate prin analiza termografica si microscopie digitala cu aparatul HIROX 1300 sunt prezentate in figura 3.2

BC C

C

A

BC

A

PN 09-160102 –Microimbinarea materialelor neferoase prin procedee termosonice

10

Figura 3.2 Analiza termografica si microscopie digitala cu aparatul HIROX 1300 A- analiza termografica; B – Imagine macro; C- Imbinare sudata ultrasonic

Temperatura maxima, in zona de colimare a analizorului FLIR SYSTEMS THERMOVISION A40, figura 3.2a, indica o temperatura de 150 C, dezvoltata de echipament in intervalul a 1,5 secunde de la startul ciclului de sudare hibrida, preincalzire rezistiva continuata cu activare ultrasonica. Cresterea rapida a temperaturii se datoreaza dimensiunilor reduse ale reperelor, grosime cupru 1,0mm. Microscopia digitala asupra reperului imbinat, figura 3.2b, evidentiaza in figura 3.2c zone distincte de suprafete imbinate ultrasonic

Experimentul 3. Sudare conductor multifilar aluminium si cupru suport AlMgSi3 terminale configuratie conector tip papuc electric, (gros 1,5mm) 20 kHz ; Forma si configuaratia zonei imbinate, precum si rezultatele corespunzatoare ale probei imbinate prin analiza termografica si microscopie digitala cu aparatul HIROX 1300 sunt prezentate in figura 3.3

Figura 3.3 Analiza termografica si microscopie digitala cu aparatul HIROX 1300 A- analiza termografica; B – Imagine macro; C- Imbinare sudata ultrasonic

C

C

A

CC C

A

B

PN 09-160102 –Microimbinarea materialelor neferoase prin procedee termosonice

11

Temperatura maxima, in zona de colimare a analizorului FLIR SYSTEMS THERMOVISION A40, figura 3.2a, indica o temperatura de 195 C, dezvoltata de echipament in intervalul a 1,0 secunde de la startul ciclului de sudare hibrida, preincalzire rezistiva continuata cu activare ultrasonica. Cresterea rapida a temperaturii se datoreaza dimensiunilor reduse ale reperelor, grosime cupru 1,5 mm. Microscopia digitala asupra reperului imbinat, figura 3.3 b, evidentiaza in figura 3.3c zone distincte de suprafete imbinate ultrasonic Experimentul 4. Sudare conductor multifilar cupru si aluminium pe suport cupru suport AlMgSi3 terminale configuratie conector tip papuc electric, (gros 1,5mm) 20 kHz ; Forma si configuaratia zonei imbinate, precum si rezultatele corespunzatoare ale probei imbinate prin analiza termografica si microscopie digitala cu aparatul HIROX 1300 sunt prezentate in figura 3.4

Figura 3.4 Analiza termografica si microscopie digitala cu aparatul HIROX 1300

A- analiza termografica; B – Imagine macro; C- Imbinare sudata ultrasonic

Temperatura maxima, in zona de colimare a analizorului FLIR SYSTEMS THERMOVISION A40, figura 3.2a, indica o temperatura de 190 C, dezvoltata de echipament in intervalul a 1,2 secunde de la startul ciclului de sudare hibrida,

C

A

B

A

CC

PN 09-160102 –Microimbinarea materialelor neferoase prin procedee termosonice

12

preincalzire rezistiva continuata cu activare ultrasonica. Cresterea rapida a temperaturii se datoreaza dimensiunilor reduse ale reperelor, grosime cupru 1,5 mm. Microscopia digitala asupra reperului imbinat, figura 3.4b, evidentiaza in figura 3.4c zone distincte de suprafete imbinate ultrasonic 5. Concluzii

In cadrul lucrarii s-au efectuat experimentari tehnologice de microimbinare in cadrul unui program sistematic pentru conductori multifilari din cupru pe suport dein cupru si aluminiu pe suport din aluminiu, precum si imbinari din materiale disimilare.

5.1 Materialele supuse experimentarilor au fost :

Experimentarile au avut in vedere microimbinarea hibrida electric prin presiune si cu ultrasunete, de materiale de tip conductori multifilari prin tehnologii ultrasonice si tehnologii hibride, sudare rezistiva si cu ultrasunete.

Pentru experimentari s-au folosit materiale dupa cum urmeaza :

Pentru experimentari s-au folosit materiale dupa cum urmeaza :

• Materiale suport: a) Suport terminale configuratie conector tip papuc electric, cupru 99,95 (gros 1mm) ;

b) Suport terminale configuratie conector tip papuc electric, aluminiu 99,95 (gros1,5mm) ; c) Suport terminale configuratie conector tip papuc electric, AlMgSi3 (gros1,5mm) ;

• Materiale de microimbinare:

c) Conductori multifilari Cu 99.95 1,75 mm2, diametrul de 0,17 mm, 35 fire; d) Conductori multifilari Al99,5 1,25 1,75 mm2 diametrul de 0,17 mm, 20 fire Sistemul flexibil utilizat dispune de un sistem centralizat de achizitie si

urmarire a datelor de proces, care include, posibilitatea urmaririi si controlului temperaturii procesului cu camera termografica, urmarirea parametrilor de proces timp de sudare, amplitudine, forta de apasare si timp de mentinere, iar ca mod de lucru se poate opta pentru secventiere la sudare in timp sau energie.

5.2 Programul experimental exploratoriu a fost realizat pe baza unor tehnologii de imbinare in care parametrii utilizati, respectiv timp de sudare, forta de apasare la sudare si amplitudinea de vibrare ultrasonica, au fost alesi dupa un model experimental programat, si care sa satisfaca cerintele rezultate din documentele normative, cerintele privind aceste categorii de materiale si aplicatii.

PN 09-160102 –Microimbinarea materialelor neferoase prin procedee termosonice

13

5.3. S-au obtinut imbinari ale unor perechi de materiale similare si disimilare si care au fost caracterizate de probele efectuate, prin analiza termografica si microscopie digitala cu aparatul HIROX 1300.

La stabilirea programului experimental s-a proiectat si utilizat un experiment factorial complet, realizat la fazele anterioare din analiza statistica a caruia au rezultat urmatoarele: Se evidentiaza factorul principal de influenta (timp de sudare, forta de apasare

la sudare si amplitudinea) S-au create premisele consolidarii unei banci de date pentru microimbinarea

termosonica pentru materiale similare si disimilare din conductori multifilari. In cazul unor aplicatii industriale din industria conectorilor se coreleaza banca

de date astfel obtinuta, functie de cerintele produsului, urmarindu-se maximizarea functiilor obiectiv dorite. In activitatea industriala, se pot, astfel realiza tehnologii de imbinare pentru diferite tipodimensiuni de materiale din clasa conectorilor din aliaje neferoase, precum si din materiale avanstae biocompatibile si cu memoria formei.

5.5 Pentru aceasta etapa s-au realizat tehnologii preliminare de microimbinare termosonica pentru materiale similare si disimilmilare, conductor multifilar cupru si aluminiu, pe suport cupru, conductori multifilari aluminiu pe suport aluminiu, conductori multifilari aluminiu pe suport AlMgSi, conductori multifilari din cupru si aluminiu pe suport aluminiu.

5.4 Lucrarile realizate corespund in totalitate cu activitatile planificate in cadrul proiectului pentru aceasta etapa.

Responsabil proiect, Ing.Octavian OANCA