A TERMELÉSI FOLYAMAT MINÕSÉGKÉRDÉSEI, VIZSGÁLATOK 2.3 2.5
A hegesztés minőségének roncsolásmentes meghatározása műanyagok ultrahangos hegesztése közben, a bemeneti villamos impedancia alapján Tárgyszavak: műanyag; ultrahang; hegesztés; szilárdság; minőségellenőrzés; kötés; roncsolásmentes; polikarbonát.
A hőre lágyuló műanyagok ultrahangos hegesztése széles körben elterjedt, általánosan alkalmazott technológia. Az ultrahangos hegesztőberendezésben (1. ábra) piezoelektromos kerámia anyagú elem a betáplált (20 kHz vagy annál nagyobb frekvenciájú) villamos jelet mechanikai rezgésekké alakítja. A nyomásfokozóból és tölcsérből álló mechanikai erősítő a tölcsér csúcsán 0,001–0,025 mm értékűre növeli a tengelyirányú rezgés amplitúdóját. A mechanikai rezgés következtében az összehegesztendő anyagok érintkezési felületén hő keletkezik, az anyagok megolvadnak, és lehűlésük után kialakul a hegesztési varrat.
vezérlés
tápegység
piezoelektromos elem teljes teljesítményvezérlője ultrahangos hegesztőgép
nyomásfokozó
tölcsér
munkadarab és rögzítőelemek
1. ábra Ultrahangos hegesztőberendezés
A hegesztett kötés erőssége a hegesztési folyamat paramétereitől, külső zavaró hatásoktól, az anyagok tulajdonságaitól, a geometriai viszonyaiktól és más tényezőktől is függ. A hegesztés minősége és a folyamat paraméterei (a rezgési amplitúdó, a hegesztési idő, az összenyomási idő) közötti összefüggések részletes vizsgálatai alapján ismeretes, hogy az ultrahangos hegesztés mechanizmusának bonyolultsága következtében a hegesztés minősége számos tényezőtől függ, és a működési paraméterek készletének rögzített értéke nem jelenti egyúttal a hegesztett kötés azonos erősségét. A hegesztett kötések minőségének vizsgálatára eddig alkalmazott eljárások (ultrahangos mérés, roncsolásos vizsgálat, szemrevételezés, akusztikus emissziós vizsgálat) költségeik, időszükségletük, nem túl nagy megbízhatóságuk miatt csak kevéssé terjedtek el. Kényelmesebb, megbízhatóbb, gazdaságosabb módszerek szükségesek az ultrahangos hegesztések minőségének ellenőrzésére, a hegesztési folyamat felügyeletére. A lineáris, dinamikus rendszer dinamikus tulajdonságait a villamos vagy mechanikus bemeneti impedancia a bemeneti jeltől és a környezettől függetlenül jellemzi. A bemeneti impedanciát ez a tulajdonsága kiválóan alkalmassá teszi az ellenőrzésre, az értékelésre és a diagnosztizálásra. Az eljárást széles körben alkalmazzák egészségügyi, szerkezetdinamikai és egyéb műszaki célokra, az impedancia, a frekvenciaátviteli függvény meghatározására. A mechanikai impedancia nehézkes meghatározását a piezoelektromos, inerciális működtető elem bemeneti villamos impedanciájának meghatározására visszavezetve, a vizsgálófeszültséget és áramot mérve a villamos impedancia meghatározása sokkal egyszerűbb a mechanikai impedancia több erő- és elmozdulásérzékelőt, egy vagy több működtető elemet igénylő meghatározásánál. A műanyagok ultrahangos hegesztése minőségének ellenőrzésére alkalmas rendszerben nincs szükség külön érzékelőelemre, hanem a meglevő piezoelektromos működtető elem bemeneti villamos impedanciájának jellegzetességeit használják az értékelésre. Az 1. ábra mindegyik tömbje a teljes hegesztőgép egy-egy alrendszerének felel meg. Mindegyik alrendszerre jutó bemeneti teljesítmény egyenlő a ható változó (villamos feszültség vagy erő) és az áramló változó (villamos áram vagy sebesség) szorzatával. Azonban a vevő alrendszer bemeneti kapujának impedanciájától függ az, hogy a gyakorlatban mekkora teljesítmény jut az egyik alrendszerről a következőre. A teljesítmény áramlási útja valamelyik pontjának impedanciája jelenti azt az ellenállást, amely meghatározza, hogy az e pont mögötti alrendszerekbe mekkora teljesítmény áramlik. Ez a bemeneti impedancia ezeknek az
alrendszereknek együttes rendszerjellemzője, és szigorúan véve az e ponton érvényes ható változót az áramló változóval elosztva számítható. Ahogyan a neve alapján gondolható, nagyobb impedancia kisebb teljesítmény áramlását jelenti. Célszerű feltételezni azt, hogy a piezoelektromos működtetőegység, a nyomásfokozó és a tölcsér dinamikus tulajdonságai a hegesztési folyamat alatt nem változnak. Ennek alapján az 1. ábrából felismerhető az, hogy a piezoelektromos működtetőegység villamos bemeneti impedanciája csak a munkadarabok közötti, egymással érintkező határréteg termomechanikai tulajdonságainak változásától függ. A műanyagok hegesztés közbeni, bonyolult termomechanikai viselkedése következtében a gép bemeneti impedanciájának valós és képzetes része nyilvánvalóan szemlélteti ezeket a (hegesztési folyamat időtartama alatt bekövetkező) változásokat. Az impedancia e két összetevője hullámalakjai változásainak vizsgálatával nyilvánvalóan bőséges információk szerezhetők a hegesztési folyamat részleteiről, valamint a kialakult hegesztett kötés minőségéről. A munkadarabok anyaga, a felületi érintkezés, a hőmérséklet vagy a felső rétegre ható, azt az alsó rétegre szorító nyomás hatásai együttesen megjelennek az impedancia-hullámalakokban. A hegesztőgép villamos bemeneti impedanciája önmaga nagyon jó, integrált jellemzője az ultrahangos hegesztési folyamat során létrejött kötés minőségének. Az 1. ábrán látható hegesztőgép piezoelektromos működtetőegységének bemeneti impedanciája a definíció szerint a feszültség és az áram hányadosa. Mivel mindkét jel váltakozó, ezért a közvetlen osztás nyilvánvalóan nem jöhet szóba. Ehelyett az osztás előtt inkább mindkettőt először megfelelő analitikus megfelelőjükké kell átalakítani. Az s(t) jel analitikus megfelelője j s( t′) sˆ( t ) = s( t ) + ∫ (1) dt ′ , π t − t′
ahol a képzetes rész az érzékelt jel Hilbert-transzformáltja. Így tehát az villamos impedancia a következőképpen adódik: ˆ Eˆ( t ) E( t ) j[φ1( t ) − φ2 ( t )] = e = Z( t ) e jφ( t ) , Z(t) = ˆi ( t ) ˆi ( t )
(2)
ahol Eˆ( t ) és ˆi ( t ) a feszültség és az áram analitikus jelei, Z( t ) az impedancia amplitúdója és φ( t ) a feszültség és az áram közötti fáziseltérés.
A kísérletekhez amorf termoplasztikus anyag, polikarbonát anyagú (az AWS = American Welding Society = Amerikai Hegesztési Társaság által kidolgozott), szabványos mintákat (síndarab, ld. 2. ábra) használtak. A minták alsó és felső része egyaránt T keresztmetszetű, az ultrahangos hegesztésben szokásos módon a felső rész alsó felületén háromszögkeresztmetszetű energiairányító rész van. Ez az energiairányító rész csökkenti a kezdeti érintkezési felületet, és így a kifejtett rezgés hatására az anyag egy keskenyebb, koncentrált tartományban rövidebb idő alatt melegszik fel és olvad meg. A hegesztés után I keresztmetszetű nyaláb keletkezik, amely a szokásos szakítóvizsgáló gépeken a hegesztés minőségének elemzésére általában alkalmazott kötési szilárdság egyszerű meghatározására alkalmas.
felső rész
6,35 mm
51 mm
2,54 mm
alsó rész 12,7 mm
2. ábra Az AWS által ultrahangos hegesztéshez kidolgozott szabványos minta A 3. ábra a javasolt ötlet és eljárás vizsgálatának módját szemlélteti. Egyszerű mesterséges neuronhálózatot tanítottak „gyakorló” adatokkal arra, hogy felismerje az impedancia hullámalak-mintázatát, és ezeket a mintázatokat összekapcsolja a húzásvizsgálat során meghatározott kötési szilárdság értékekkel. Az így tanított mesterséges neuronhálózat az újabb hegesztési folyamattal elért kötési szilárdságot kiszámítja, ha betáplálják a megfelelő impedancia-adatokat. Ezeket az előrejelzéseket a kísérleti adatokkal összevetve minősíthető a javasolt ellenőrzési eljárás.
hegesztési folyamat
hegesztett minták
feszültség- és áramérték meghatározása feszültség és áram
húzásvizsgálat
kötési szilárdság
villamos impedancia
előrejelzés
tanítás mintázat felismerése neuronhálózattal
3. ábra A kísérleti vizsgálat menete A kísérletekhez Branson 900 sorozatú hegesztőgépet használtak, amelyhez gépváz, működtetőegység (921 AES), tápegység (900 MA típus), hegesztésprofil-szabályozó (WPC, weld profile controller) és külső adatátviteli illesztőegység (ECI, external communication interface) tartozott. A 20 kHz frekvencián működő berendezés rezgésamplitúdó, sztatikus nyomás, lefelé mozgási sebesség, hegesztési idő, tartási idő és a kiváltó („trigger”-) nyomás értékei szabályozhatók. A piezoelektromos elem tápfeszültségét Tektronix P5025, tápáramát Tektronix A6302 műszerekkel mérték, a hegesztett kötés húzószilárdságát Merlin programrendszerrel ellátott, Instron 5500 típusú készülékkel határozták meg. A javasolt eljárás tulajdonságainak igazolására 130 hegesztési kísérletet végeztek a 2. ábra szerinti mintákkal, a hegesztőgépen kétféle sztatikus nyomást és kétféle lefelé mozgási sebességet állítottak be, a többi paramétert állandó értéken (rezgésamplitúdó a maximális amplitúdó 30%-a, hegesztési idő 400 ms, tartási idő 500 ms és trigger-nyomás 68,95 × 103 Pa) tartották. A 130 hegesztett minta húzószilárdsága 1373 és 7012 N közötti értékű volt, az átlag 3000 és 4000 N közé esett. Az átlagos húzószilárdságú tartományba eső minták impedanciadiagramjaiban megfigyelhető, hogy a hullámalakok csúcsai, a csúcsok száma és megjelenési ideje meglehetősen hasonló, annak dacára, hogy négy, különböző beállításokkal készített hegesztett kötéshez tartoznak.
A leírtak alapján belátható, hogy a bemeneti villamos impedancia a hegesztés határfelületének termomechanikai viselkedését visszatükrözi, és így a hullámalakok mintázata a hegesztett kötés húzószilárdságával közvetlenül kapcsolatban levő információt tartalmaz. A valós és a képzetes impedanciadiagramok jellegzetességeinek automatikus felismerésére mesterséges neuronhálózatot használtak. A 0,4 s időtartamú impedanciadiagramok jellemzésére egyenként 50, egymástól azonos távolságban levő pontot választottak ki (4. ábra). A 100 bemeneti csomópontból álló neuronhálózatok nagyon hosszadalmas tanításának egyszerűsítésére a 130 rendelkezésre álló impedanciadiagram alapján 100 × 130 méretű jellegzetesség-mátrixot készítve a teljes négyzetes középeltéréshez 1%-nál kisebb értékkel hozzájáruló öszszetevők eltávolításával 22-re csökkentették a jellegzetességek számát. Ezt a 22 független jellegzetességet háromrétegű, 20-csomópontú rejtett réteget tartalmazó, mesterséges neuronhálózat 22 bemeneti csomópontjába táplálták. Így a hálózat egyetlen kimeneti csomópontja a hegesztés húzószilárdságát adja meg. A kísérletek során használt regisztrátumok száma: tanításhoz 65, a helyességbizonyításhoz 32, és az ellenőrzéshez 33. -600 a bemeneti impedancia képzetes része
a bemeneti impedancia valós része
700 600 500 400 300 200 100
-500 -400 -300 -200 -100 0
0 0
0,1
0,2 0,3 hegesztési idő, ms
0,4
0
0,1
0,2 0,3 hegesztési idő, ms
0,4
4. ábra Az impedanciagörbék valós és képzetes részének jellegzetes pontjai Az 5. ábrán a hegesztett kötések minőségének a javasolt eljárással végzett értékelésének eredményei láthatók. A vízszintes tengelyen a he-
gesztett kötések szakítóvizsgálattal meghatározott, a függőleges tengelyen a hegesztett kötések mesterséges neuronhálózat által jelzett kötési szilárdsága szerepel. Ideális esetben – amennyiben a vizsgálatok pontosak és az értékelések hibátlanok – valamennyi adatpontnak egy 45 fokos, egyenes vonalon kellene elhelyezkednie, ha az x és az y tengelyek egységei és beosztásai azonosak. Az 5. ábra meggyőzően szemlélteti, hogy bár a 130 adatpont és az illesztett görbe között vannak eltérések, a hegesztett kötések minőségének ellenőrzésére javasolt eljárás alkalmassága világosan felismerhető. 33 tesztadat kísérleti és előre jelzett értékei közötti relatív hibákat tekintve, a legnagyobb hiba kb. 35%. A bőséges adatkészletekkel végzett tanítás után az előrejelzés pontossága jelentősen javulni fog. 8000
becsült érték, N
6000
4000
2000 tanításhoz használt adatkészlet helyességbizonyítási adatkészlet kísérleti adatkészlet
0 0
2000
4000
6000
8000
szakítószilárdság, N
5. ábra A hegesztések minősége becslésének eredményei A bemutatott eredmények igazolják azt, hogy az ultrahangos hegesztőberendezés piezoelektromos működtetőelemének villamos bemeneti impedanciája jó lehetőséget nyújt a berendezéssel készített hegesztett kötések minőségének roncsolásmentes becslésére. Ez azzal magyarázható, hogy a hegesztőberendezés bemeneti impedanciájának hullámalakja szorosan összefügg a hőre lágyuló műanyag munkadarabok érintkezési határfelületének termomechanikai viselkedésével, és ez a termomechanikai viselkedés teljes mértékben meghatározza az anyagok végső összekapcsolódásának minőségét. Ez az ellenőrzési és előrejel-
zési lehetőség az impedancia meghatározásához a bemeneti feszültség és áram értékének mérésével és feldolgozásával megvalósítható anélkül, hogy bármiféle érzékelőt kellene beszerelni a hegesztőberendezésbe. Mivel a berendezésben semmit nem kell módosítani, ezért az eljárás alkalmazása nem veszélyezteti a normális működést. Az eljárás mesterséges neuronhálózatok alkalmazásával automatizálható, amelyek az impedancia-hullámalakok mintázatait a hegesztett kötések erősségével korreláltatva elvégzett tanítás után kimenetükön mennyiségileg közlik a hegesztett kötés becsült kötéserősségét. A piezoelektromos elem villamos bemeneti impedanciája bőséges információt tartalmaz az ultrahangrezgésnek kitett hőre lágyuló anyagok termomechanikai viselkedéséről. Ezeket az információkat az általánosan használt statisztikai minőség-ellenőrzési fogalmakkal összekapcsolva jelentősen javítható az üzem minőségbiztosítási tevékenysége. Az újabban rendelkezésre álló kvantitatív információk alapján az ultrahangos hegesztés mechanizmusa a jelenleginél nagyobb részletességgel, alapossággal vizsgálható. Az ultrahangos hegesztés mechanizmusának alaposabb megismerésével a hegesztési folyamat javítható. Összeállította: Pálinkás János Ling, S. F.; Luan, J. stb.: Input electrical impedance as signature for nondestructive evaluation of weld quality during ultrasonic welding of plastics. = NDT and E International, 39. k. 1. sz. 2006. p. 13–18. Omar, M.; Massan, M. stb.: Infrared thermography for inspection the adhesion integrity of plastic welded joints. = NDT and E International, 39. k. 1. sz. 2006. p. 1–7.
