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Esperimenti di riduzione delle sollecitazioni residue con la saldatrice a ultrasuoni servoassistita di Dukane

Esperimenti di riduzione delle sollecitazioni residue con la saldatrice a ultrasuoni servoassistita di Dukane

Anche su parti con una buona resistenza della saldatura, possono verificarsi cedimenti sul campo a causa delle tensioni residue [A]. Con la saldatura ultrasonica, le sollecitazioni residue sono tipicamente dell'ordine di 35 MPa a causa del rapido raffreddamento della piccola quantità di fusione [A, B]. Recenti esperimenti condotti presso l'Università di Scienze Applicate di Turku, in Finlandia, hanno dimostrato che i pezzi saldati con una servo-saldatrice presentano sollecitazioni residue significativamente inferiori rispetto a quelli saldati con una saldatrice pneumatica.  Questa ricerca ha anche dimostrato che i pezzi con giunti a taglio hanno mantenuto meno stress residuo rispetto ai pezzi con direttori di energia [C].

Sperimentazione

Mentre le tensioni residue dovute al raffreddamento sono una caratteristica del processo di saldatura a ultrasuoni, le tensioni residue indotte dall'orientamento sono influenzate dalla forza di mantenimento applicata dopo la fase di saldatura. Il controllo della forza di mantenimento potrebbe quindi ridurre le tensioni residue indotte dall'orientamento e quindi minimizzare le tensioni complessive del pezzo dovute alla saldatura. Per verificare la validità di questa teoria, sono stati saldati pezzi di policarbonato stampato a diverse velocità e distanze di mantenimento.

Per tutti i campioni, la velocità di saldatura era di 2 mm/s.  Un pezzo è stato saldato senza tempo di mantenimento.  Tre parti sono state saldate a una velocità di mantenimento corrispondente alla velocità di saldatura (2 mm/s) con distanze di arresto variabili.  Gli ultimi tre pezzi sono stati saldati a 0,5 mm di collasso alla metà, al doppio e al quadruplo della velocità di saldatura.

Table 2: Hold phase settings used

Dopo la saldatura, le parti in policarbonato sono state esposte a varie miscele di metanolo e acetato di etile per tre minuti. I pezzi sono stati esaminati al microscopio per verificare la presenza di screpolature e fessurazioni dovute all'esposizione al solvente [13]. Le tensioni residue sono state quantificate utilizzando la tabella sviluppata da GE plastics mostrata in figura 4. I pezzi sono stati quindi esaminati per verificare la formazione di cricche e determinare il livello di sollecitazione residua in corrispondenza della saldatura.

Figura 4: Grafico che mostra i livelli di stress critici nel policarbonato in funzione della concentrazione della soluzione [13].

Per questi test sono state utilizzate travi a I AWS con registi di energia.  Questo per due motivi.  In primo luogo, studi precedenti hanno indicato che nelle parti con direttore di energia si verificano sollecitazioni più elevate, consentendo così di osservare una gamma più ampia di sollecitazioni. In secondo luogo, è molto più facile osservare le cricche nelle parti con direttori di energia che in quelle a taglio, a causa della geometria dei pezzi.

Figura 5: Disegno della trave ad I AWS con Energy Director [12]

Risultati

Dopo i test sono state notate alcune differenze nei livelli di sollecitazione residua. La formazione di cricche è stata osservata in posizioni e quantità diverse nei pezzi.  Ai fini del presente lavoro, non sono stati considerati il numero e la posizione delle cricche, ma solo la loro presenza o assenza.

Figura 6: Cricche in un giunto di saldatura dopo l'esposizione a una miscela di metanolo e acetato di etile

I risultati mostrano che una maggiore distanza di mantenimento può ridurre le tensioni residue sulla saldatura.  Inoltre, sono state osservate sollecitazioni inferiori quando la velocità di mantenimento era circa il doppio della velocità di saldatura.  Sulla base di questi risultati, è opportuno indagare ulteriormente sull'effetto delle impostazioni di tenuta sulle sollecitazioni residue nel giunto di saldatura.

Tabella 3: Livello di sollecitazione determinato dalla formazione di fessure

Riferimenti

A.  S. Anantharaman e A. Benatar. "Misurazione delle sollecitazioni residue nel policarbonato saldato al laser mediante fotoelasticità" ANTEC 2003.

B. A. Benatar. "Saldatura a ultrasuoni servo-guidata di materiali termoplastici semicristallini" 39° Simposio annuale dell'Associazione dell'industria degli ultrasuoni. Cambridge, MA. 2010.

C. H. Turunen. "Saldatura a ultrasuoni per materie plastiche" Tesi di laurea, Università di Scienze Applicate di Turku, Finlandia. 2011.

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