PN 09-160102 –Microimbinarea materialelor neferoase prin ... 14.pdf · 11 8 7 9,10. PN 09-160102 –Microimbinarea materialelor neferoase prin procedee termosonice 3 Figura 2. Schema

PN 09-160102 –Microimbinarea materialelor neferoase prin procedee termosonice

1

Rezumatul fazei 14

Lucrarea este „Echipament si tehnologii de microimbinare hibrida cu ultrasunete si electric prin presiune rezistiv”,in faza XV-a a Proiectului Nucleu PN 09 – 160 102, si se constituie ca faza suplimentara pentru anul 2015, cu denumirea: „Echipament si tehnologii de microimbinare hibrida cu ultrasunete si electric prin presiune rezistiv”,

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.

Lucrarea este structurata pe 4 capitole si anume: Capitolul 1 ECHIPAMENT SPECIALIZAT DE SUDARE HIBRIDA ELECTRIC PRIN PRESIUNE SI CU ULTRASUNETE ESEPUS - 03

Echipamentul este destinat dezvoltarii inovative de noi tehnologii de imbinare,- imbinare prin procedeu hibrid electric prin presiune si cu ultrasunete a materialelor metalice cu aplicaţii multiple in diverse domenii ale industriei,- in industria electronica, electrotehnica, automobile, scopul urmarit fiind alinierea la preocuparile din laboratoare similare precum si la standardele şi normele europene în domeniu tehnicilor neconventionale de imbinare a materialelor. Dezvoltarea unor noi echipamente şi tehnologii de sudare are în vedere atit performanta procedeelor, privind reproductibilitatea calitaţii imbinarilor sudate cit şi posibilitatile de automatizare a fabricatiei, controlul şi monitorizarea proceselor tehnologice, asigurarea calitatii totale a fabricatiei, precum şi protecţia mediului inconjurator . Sistemele de comanda si programare ale echipamentului,- modulate specific, pentru sudare electrica prin presiune, sudare cu ultrasunete, comanda si control actuator electromecanic al echipamentului ESUPUS - 01 , sunt destinate interfatarii cu echipamente de sudare complexe in realizarea imbinarii de materiale metalice prin procedee hibride, asigurând parametrii tehnologici ai procesului de sudare, secvenţierea ciclogramei de sudare, procesare parametrii cu afişaj LCD.

Echipamentul de specializat de sudare functioneaza in tandem prin procedeele de sudare electric prin presiune si cu ultrasunete materiale metalice. Structura echipamentului hibrid aduce in configuratie elemente constitutive ale unui echipament de sudare electrica prin presiune SEP, precum si ale unui echipament de sudare cu ultrasunete. Structura echipamentului de sudare ESUPUS – 01, prezent in imagine din figura 1are in configurare urmatoarele elemente constitutive ale unui echipament SEP electric prin presiune: transformator de sudare 32 KVA / 380 V/ 50Hz, in componenta instalatiei electrice de forta, poz. 1. Acesta actioneaza in sistem impreuna cu contactorul static cu tiristoare si modulul de comanda si programare MCP-05ISP.


2

Figura 1 Echipament specializat de sudare hibrida electric prin presiune si cu ultrasunete ESEPUS 03

Secventierea operatiei de sudare electrica prin presiune este data de componenta software a modulului de comanda şi programare a echipamentului MCP-05ISP, (poz.2)care realizează următoarele funcţii :

asigurarea dialogului cu utilizatorul prin intermediul tastaturii şi afişajului; generarea semnalelor de PWM ; afişarea elementelor de sistem ; generarea ciclogramei de sudare conform diagramei caracteristice a maşinilor de

sudat electric prin presiune [SEP]. Schema bloc a modulului energetic si de comanda a echipamentului de sudare MEC – US, specifica echipamentelor de sudare cu ultrasunete este prezentat in figura 2. Placa cu unitatea de comanda si control ce cuprinde partea de reglare si control digital ce este realizata cu un microsistem cu PIC16F877 pe un cablaj imprimat pe care este amplasata si tastatura si afisajul si partea cu generatorul de PWM. Placa de comandă a driverelor optoizolate. Din punct de vedere mecanic, subansamblele sunt amplasate intr-o cutie. Toate aceste elemente component

Pornirea echipamentului de sudare cu ultrasunete se realizează de la butonul corespunzător, marcat vizibil pe panoul frontal, indicată şi de iluminarea afişajului LCD a modulului de comandă şi programare ( poz.9).

4

2

1

3

5

6

11

8

7

9,10


3

Figura 2. Schema bloc modul energetic si de comanda MEC-US Sistemele de comanda si programare ale echipamentului,- modulate specific, pentru

sudare electrica prin presiune, sudare cu ultrasunete, comanda si control actuator electromecanic al echipamentului ESUPUS - 03 , sunt destinate interfatarii cu echipamente de sudare complexe in realizarea imbinarii de materiale metalice prin procedee hibride, asigurând parametrii tehnologici ai procesului de sudare, secvenţierea ciclogramei de sudare, procesare parametrii cu afişaj LCD. In figura 3 se prezinta ciclograma de sudare prin procedeul hibrid electric prin presiune si cu ultrasunete.

Figura 3. Diagrama de sudare electric prin presiune si cu ultrasunete

I1[SEP]

I2[SEP]

A1[US] A2[US]

A1,2[US] – AMPLITUDINE OSCILATII US I1,2 [SEP] – CURENT DE SUDARE


4

Capitolul 2 EVALUARE PERFORMANTE TEHNICE SI TEHNOLOGICE. VERIFICARI FUNCTIONALE Echipamentul specializat de sudare hibrida electric prin presiune si cu ultrasunete s-a verificat functional si s-a evaluat din punct de vedere al performantelor tehnice si tehnologice. In imaginea din figura 4 este prezentat ansamblul standului de verificari functionale, si tehnologice format din analizor de curent pentru sistemul SEP,poz.1, generator de semnal HM 1830, poz.2, osciloscop TDS 2012, poz.3 si analizor LEM 3000, poz.4 toate pentru sistemul ultraacustic.

Figura 4. Ansamblul stand de verificari functionale si tehnologice 2.1 Evaluarea performantelor energetice ale sistemlui de sudare electrica prin presiune SEP

Utilizind analizorul TECNA TE 1600, s-a realizat calibrarea echipamentului pe linia SEP, prin corelarea marimilor procentuale ale curentului de sudare programabil de la tastatura modulului de comanda si programare CS 05 si marimile reale ale curntului de sudare indicate de analizor.

In tabelul 1 sunt prezentate valorile de corelere intre curentul de sudare programabil procentual de la tastatura modulului CS05ISP si cele indicate de analizorul TECNA. Timpul de sudare setat a fost de 20 perioade pentru toate masuratorile. Masuratorile de calibrare s-au realizat cu circuitul secundar in scurtcircuit.

123

4


5

Tabelul 1

Curent de sudare % CS05ISP

Curent de sudare

kA analizor TECNA

Timp de sudare perioade

2,5% 0,152 20 10% 0,657 20 30% 1,377 20 40% 1,922 20 50% 2,543 20 80% 5,564 20 90% 6,768 20

2.2 Evaluarea si verificarea secventierii operatiei de sudare SEP

Diagrama de sudare ne arata procesele dezvoltate in timp ale secventei de operare de baza de operare.

Modulul de comanda si programare proces tehnologic CS05 ISP poate asigura mai multe diagrame de sudare acest lucru fiind conditionat de procesul ce va fi controlat. Diagrama specifica este aratata in figura 5 pentru sudura in relief s-au puncte.

Figura 5 Diagrama de sudare pentru Punct cu Punct


6

Parametru Semnificatie, explicatii Valoare

T1 Timp de stabilizare forta: In desfasurarea acestui timp se apropie electrozii 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.

0 .. 99 per.

Tu Timp de urcare rampa. Acest timp permite cresterea curentului de la valoarea zero la valoarea prescrisa, Is.

0 .. 99 per.

Ts Timpul primului curent de sudare. Pe durata sa are loc sudarea cu primul curent de sudare. Fiind un timp important se afiseaza si in starea de lucru.

0 .. 99 per.

Ti Timp de pauza intre impulsuri. Este necesar daca se folosesc mai multe impulsuri de sudare, adica N diferit de 1. La N=01 chiar daca este prescris se va ignora valoarea sa.

0 .. 99 per.

Td Timp de pauza intre ultimul impuls si Tp. Se foloseste la sudarea cu al doilea curent de sudare.

0 .. 99 per.

Tf Timpul dupa care se actioneaza electrovalva doi.

0 .. 99 per.

Tp Timpul celu de al doilea curent de sudare. Pe durata sa se sudeaza cu al doilea curent de sudare.

0 .. 99 per.

T4 Timp de racire (forjare). Se foloseste la mentinerea presata a sudurii pentru racirea acesteia.

0 .. 99 per.

Is Primul curent de sudare. Valoarea curentului este reglata prin modificarea unghiului de deschidere a tiristoarelor.

0 .. 99 %

Ip Al doilea curent de sudare. Valoarea curentului este reglata prin modificarea unghiului de deschidere tiristoarelor.

0 .. 99 %

N NUMAR Impulsuri: Fiecare impuls de de curent va suda cu Ts si Is (It1) stabilite.

0 .. 25

In figura 6 este data diagrama de sudare pentru sudarea Puncte Serie. Ea este

identica cu sudarea Punct cu Punct pana la timpul T4 si continua cu inca doi parametri, T5 si T6.


7

Parametru Semnificatie, explicatii Valoare T5 Timp de pauza intre doua puncte. El permite o

intarziere intre doua puncte alaturate. Valoarea lui trebuie corelata cu a lui T6

0 .. 99 per.

T6 Timp de stabilizare forta scurt: In desfasurarea acestui timp se apropie electrozii datorita unor forte generate de circuitul. Ignorarea valorii lui duce la declansarea curentului fara electrozi in contact si deci la contact vor avea loc expulzari de material din acestia. Ele poate fi mai mic decat T1.

0 .. 99 per.

Elaborararea de tehnologii exploratorii de compactare ultrasoniaca conductori multifilari. Simulare configuratie sonotrode specializate 20kHz 2.3 Evaluarea performante sistemului elctroultraacustic 2.3.1 Verificarea si calibrarea ultraacustica a convertorului piezoceramic Pentru verificara si calibrarea ultraacustica a convertorului piezoceramic, s-a utilizat un

montaj format din generator de semnal HAMEG si osciloscop numeric TEKTRONIX TDS

2012. In imaginile din figura 7 sunt prezentate graficele formelor de unda la bornele

convertorului piezoceramic in trei puncte de masurare obligatorii, figura 7 a,- la

frecventa de rezonanta 20,200kHz, figura 7 b,- la frecventa mai mica decit frcventa de

rezonanata 19.783kHz, figura 7 c,- la frecventa mai mare decit frecventa de rezonanata

20,434kHz Valoarea tensiunii aplicate la bornele convertorului piezoceramic este

Figura 6 Diagrama de sudare pentru Puncte Serie


8

minima la frecventa de rezonanata. Au fost determinate si alte marimi caracteristice

convertorului piezoceramic,- rezistenta ohmica 10 Mω, inductanta de compensare 4,01

mH si capacitatea traductorului 4,493nF.

Figura 7 Formelor de unda la bornele convertorului piezoceramic

A- la rezonanta 20,200kHz; B – 19.783kHz; C – 20,434kHz B-

2.3.2 Verificarea si calibrarea ultraacustica a convertorului piezoceramic cuplat cu transformator booster

In imaginile din figura 8 sunt prezentate graficele formelor de unda la bornele convertorului piezoceramic cuplat cu transformatorul de amplitudine (booster) in trei puncte de masurare obligatorii, figura 8 a,- la frecventa de rezonanta 19,390kHz, figura 8 b,- la frecventa mai mica decit frcventa de rezonanata 18,424kHz, figura 8 c,- la frecventa mai mare decit frecventa de rezonanata 20,44kHz. Valoarea tensiunii aplicate la bornele convertorului piezoceramic este minima la frecventa de rezonanata.

Figura 8 Formelor de unda la bornele convertorului piezoceramic cuplat cu boosterul

C- la rezonanta 19,390kHz; B – 18,424kHz; C – 20,44kHz 2.3.3 Verificarea si calibrarea ultraacustica rezonator booster asamblat cu sonotroda specializata electrod de sudare

A B C

A B C


9

In imaginile din figura 9 sunt prezentate graficele formelor de unda la bornele convertorului piezoceramic in trei puncte de masurare obligatorii, figura 9 a,- la frecventa de rezonanta 19,500kHz, figura 9 b,- la frecventa mai mica decit frcventa de rezonanata 20,040kHz, figura 9 c,- la frecventa mai mare decit frecventa de rezonanata 21,136kHz. Valoarea tensiunii aplicate la bornele convertorului piezoceramic este minima la frecventa de rezonanata.

In imaginile din figuura 1.14, sunt prezentate modul de verificare al frecventei de rezonata utilizind un sistem portabil in regim activ al echipamentului cu generator ultraacustic figura 14a,, respectiv un echipament specializat de tip sonometru cu evaluare a frecventei de rezonanta ansamblu sistem electroultraacustic in regim static, figura 14b

Figura 9 Formelor de unda la bornele convertorului piezoceramic

D- la rezonanta 20,50kHz; B – 20,040 kHz; C – 21,136kHz

Figura 9 Verificarea frecventei de rezonanta

a- cu sistem portabil; b-cu sonometru

2.4.4 Evaluare parametru amplitudine de oscilatie ultraacustica sonotroda conica

Simularea cu program specializat KREEL ENGINEERING, rulat pe sistemul de operare PENTIUM IV, permite cunoasterea parametrilor de stare de solicitare ai sonotrodei, coeficient de amplificare, ampalsarea nodurilor si ventrelor, marimea

A B C

A B


10

amplitudinii, curbele de variatie ale pierderilor si a starilor de solicitare interna a sonotrodei. Sunt definite forma si dimensiunile sistemului de interfatare cu elementele de cuplare –booster sau convertor piezoceramic. In imaginea din figura 10, este prezentata forma si configuratia sonotrodei electrod de sudare, rezultat din programul de simulare, precum si forma reala a sontrodei utilizata in experiment. Imaginea prezinta de aemenea curba de variatie a starii de solicitare interna sonotrodei echivalenta la o amplitudine de 1μm,- acesta evidentiind un maxim in zona de trecere de la sectiunea circulara cu diametrul de 26mm si referinta x=47,5mm.

Figura 10 Curba de variatie a starii de solicitare sonotroda - a,

Sonotroda utilizata in experiment - b

Elementele de caracterizare ale sonotrodei, rezultat din programul de simulare sunt prezentate in tabelul 3

Tabelul 3 Material Vsunet

[m/s] Lungime

sonotroda [Mm]

Frecventa rezonanta

kHz

Factor amplificare

Solicitare maxima Mpa/x=

Coordonata nod

oscilatie [mm]

Putere disipata [Watt]

CuZn37 4063 97 2,51 2,75 0,94 /47,5

30,5 1,9 10-4

Utilizind aparatura specifica de laborator, prezentata in imaginea din figura 11, s-a

masurat amplitudinea de oscilatie la virful sonotrodei. Acesata corespunde cu ampltudinea teoretica rezultat din linia ansamblului rezonator mecanic format din convertor piezocermaic, transformator de amplitudine si sonotroda.

0,94MPa la x=47,5mm

A

B


11

Figura 11 Masurarea amplitudinii de oscilatie a sonotrode

3. EXPERIMENTARI TEHNOLOGICE DE REALIZARE DE MICROIMBINARI

Programul experimetal preliminar a avut drept scop realizarea de imbinari prin procedeul de sudare pur rezistiv si prin procedeul hibrid cu activare ultrasonica si compararea acestora din punct de vedere al aspectului imbinrilor si forma configuratiei reperelor dupa proba de incercare la tractiune prin debutonare. Programul a urmarit in esenta comportarea echipamentului la procedeul cuplat electric prin presiune rezistiv si cu utrasuente. Mentionam ca activarea cu ultrasunete s-a realizat ca timp al ciclogrmei de sudare hibrida in timpul imediat urmator incetarii trecerii curentului de sudare prin imbinare, motivat de izolarea galvanica a celor doua sisteme SEP si US. Materialele utilizate in programele experimentale au caracteristicile precizate in tabelul 4.

Tabelul 4 Material Grosimea

mm Rugozitate Starea

suprafetei Pozitie la sudare

Otel inoxidabil W1.4145

0,4 0,4 Curatire prin abraziune

In contact cu sonotroda



In contact cu electrodul

inferior Sistemul a fost testat in regim de sudare moale, timp de sudare lung 20 perioade

si curent de sudare mic Is 25%. Nu s-au realizat imbinari sudate. Rezultate corespunzatoare s-au obtinut de la o valoare a curentului de sudare de

40% si timp de sudare 14perioade.

Experimentul 1. Sudare fara activare cu ultrasunete Parametrii tehnologici de sudare, forma si configuaratia punctului sudat, precum

si rezultatele corespunzatoare ale probei de tractiune prin debutonare sunt prezentate in tabelul 5.


12

Tabelul 5

PARAMETRII TEHNOLOGICI DE SUDARE Is %

Ts

Tu

Ti

F daN

N Is kA

50 14

3 - 100 1 2,543

50 14 3 - 100 1 2,581

Experimentul 2. Sudare cu activare ultrasunete.

Parametrii tehnologici de sudare, forma si configuaratia punctului sudat, precum si rezultatele corespunzatoare ale probei de tractiune prin debutonare sunt prezentate in tabelul 6.

Tabelul 6


Ts

Tu

Ti

F daN

N Is kA

50 14

3 - 100 1 2,360

50 14 3 - 100 1 2, 255

4,45 T[perioade]

4,75

T[perioade]

Timp de activare ultrasonica 0,2s


13

Analiza celor doua experimente evidentiaza la o apreciere preliminara dezvoltarea unui nucleu sudat cu cca. 7% mai mare la procedeul cu activare ultrasonica in comparatie cu procedeul rezistiv singular. De asemenea aspectul probelor de tractiune prin debutonare, figura11 pune in evidenta un aspect particular , nucleul sudat este desprins din din ambele repere care s-au sudat.

Figura 11 . Aspectul probelor de tractiune prin debutonare la sudare cu activatre ultrasonica Experimentul 3. Sudare a doua puncte la distanta mai mare decit cea de suntare

Parametrii tehnologici de sudare, forma si configuaratia punctului sudat, precum si rezultatele corespunzatoare ale probei de tractiune prin debutonare sunt prezentate in tabelul 7.

Tabelul 7

Au fost realizate doua regimuri de sudare, proba N=3, in regim pulsat de doua impulsuri de cite ss5 perioade fara activare ultrasonica si al doilea regim de sudare, proba N=4, cu activare ultrasonica timp de 0,2 s si timp de sudare rezistiv, 10 perioade.


Ts

Tu

Ti

F daN

N Is kA

50

5

3 1 100 2 2,380

50 14 3 - 100 1 2,570

T[perioade]

Timp de activare ultrasonica 0,2s

13


14

Analiza experimentului evidentiaza la o apreciere preliminara dezvoltarea unui nucleu sudat cu cca. 7,8 % mai mare la procedeul cu activare ultrasonica in comparatie cu procedeul rezistiv singular, figura 12.

Figura 12. Puncte sudate electrictric prin puncte rezistiv – a, si cu activare ultrasonica – b Capitolul 4 4.2 CONCLUZII

Analizind rezultatelor obtinute la aceasta etapa a proiectului se pot enunta urmatoarele concuzii:

In plan national preocuparile de la ISIM Timisoara in domeniul tehnologiilor de imbinare cu ultrasunete a materialelor metalice, si a materialelor noi, a tehnicilor imbinare cu fascicul laser, sunt de o deosebita actualitate, in consonanta deplina cu activitati de cercetare precompetitiva dezvoltate in institute consacrate.

Prezentul proiect nucleu valorizeaza un potential tehnic, tehnologic si de resurse

umane in acumulare la ISIM Timisoara in domeniul tehnologiilor de imbinare a materialelor prin procedeele cu energie electroultraacustica, electric prin presiune prin efect rezistiv, fascicul laser microplasma si energie inmagazinata.

Rezultatele obtinute la aceasata etapa vor fi utile in in vederea continuarii programului

de activitati de cercetare precompetitive in domeniul dezvoltarii inovative de noi tehnologii de imbinare a materialelor prin procedeele de sudare electric prin presiune prin efect rezistiv (SEP + US), imbinarea hibrida a sistemelor de laborator pentru aplicatii industriale.

Valorificarea etapelor parcurse necesita continuarea activitatilor de cercetare

precompetitiva cu noi etape care preconizeaza realizarea urmatoarelor obiective de viitor:

In cadrul prezentei faze a lucrarii s-au efectuat experimentari tehnologice de compactare ultrasonica 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.

A B D=5,09mm

D=4,69mm


15

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, otel inoxidabil,



In contact cu sonotroda



In contact cu electrodul

inferior

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 otel inoxidabil.

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

Responsabil proiect, Dr. Ing.Octavian OANCA

Documents

PN 09-160102 –Microimbinarea materialelor neferoase prin ... 14.pdf · 11 8 7 9,10. PN 09-160102 –Microimbinarea materialelor neferoase prin procedee termosonice 3 Figura 2. Schema