Marcin B¹ka³a*, Dominik Sankowski*, Andrzej Albrecht*, Rafa³ Wojciechowski*

Transkrypt

1 AUTOMATYKA 2009 Tom 13 Zeszyt 3 Marcin B¹ka³a*, Dominik Sankowski*, Andrzej Albrecht*, Rafa³ Wojciechowski* Wyznaczanie napiêcia powierzchniowego z wykorzystaniem metody maksymalnego ciœnienia w pêcherzyku zaimplementowanej w wysokotemperaturowym analizatorze lutownoœci 1. Wprowadzenie Zasadniczym warunkiem powstania z³¹cza lutowanego jest wype³nienie przez lut szczeliny lutowniczej w okreœlonych warunkach czasu, œrodowiska i temperatury w trakcie procesu lutowania. Dodatkowo z³¹cza lutowane charakteryzuj¹ siê stosunkowo niewielk¹ szczelin¹ lutownicz¹, rzêdu dziesi¹tych czêœci milimetra, a ich wype³nienie jest wynikiem dzia³ania si³ kapilarnych. W celu dok³adnej analizy zjawisk powierzchniowych, a w szczególnoœci oddzia³ywañ miêdzyfazowych, konieczne jest okreœlenie wielkoœci napiêcia powierzchniowego i k¹ta zwil ania w odrêbnych eksperymentach. Zagadnienia te stanowi¹ istotny element w ró nych ga³êziach przemys³u, w których proces technologiczny polega m.in. na spajaniu materia³ów z wykorzystaniem lutowania. Od 2004 roku, na mocy dyrektywy Unii Europejskiej ograniczone jest stosowanie lutów o³owiowo-cynowych, powszechnie stosowanych w przemyœle elektronicznym i elektrotechnicznym. Wynika st¹d potrzeba opracowywania nowych lutów oraz systemów pomiarowych lutownoœci zapewniaj¹cych uzyskiwanie wyników iloœciowych. W artykule zaprezentowano metodê wyznaczania napiêcia powierzchniowego opart¹ na badaniu maksymalnego ciœnienia w pêcherzyku uwalnianym w stopionym materiale lutowia. Urz¹dzenie jest w pe³ni skomputeryzowane, ka dy proces jest sterowany i kontrolowany przy u yciu algorytmów zaimplementowanych poprzez dedykowane, opracowane przez autorów artyku³u oprogramowanie, co zapewnia precyzyjn¹ regulacjê wszystkich parametrów eksperymentu. Zaproponowane rozwi¹zanie stanowi oryginaln¹ koncepcjê umo liwiaj¹c¹ przeprowadzenie w pe³ni zautomatyzowanych, powtarzalnych eksperymentów oraz ich precyzyjn¹ * Katedra Informatyki Stosowanej, Politechnika ódzka 1051

2 1052 Marcin B¹ka³a, Dominik Sankowski, Andrzej Albrecht, Rafa³ Wojciechowski analizê. Gromadzenie wyników eksperymentów w systemie bazodanowym pozwala na porównanie uzyskanych rezultatów dla ró nych wariantów parametrów eksperymentu i przyjêtych materia³ów. 2. Metoda pomiarowa Prezentowana metoda pomiarowa polega na zanurzeniu kapilary w ciek³ym metalu na okreœlone g³êbokoœci h. W dalszej kolejnoœci rejestrowane jest ciœnienie wewn¹trz formuj¹cego siê pêcherzyka gazowego pod wp³ywem doprowadzonego z zewn¹trz regulowanego ciœnienia Δp. Kszta³t powierzchni pêcherzyka gazowego i wartoœæ rejestrowanego ciœnienia zale y od zwil alnoœci materia³u kapilary przez ciek³y metal. Na rysunku 1 przedstawiono kolejne przypadki formowania siê pêcherzyków gazowych w zale noœci od zwil alnoœci materia³u kapilary [1, 2, 9]. a) b) Rys. 1. Schemat formowania siê pêcherzyka gazowego u ujœcia kapilary w ciek³ym metalu w przypadku zwil ania (a) i nie zwil ania kapilary (b) [1] Rys. 2. Teoretyczny przebieg ciœnienia dla niezwil alnej kapilary Gdy materia³ kapilary jest zwil any przez ciek³y metal, na wykresie (rys. 2) rejestrowane jest tylko jedno maksimum. W tym przypadku pêcherzyk bêdzie styczny do wewnêtrznej œcianki kapilary (pozycja II). Przy dalszym narastaniu ciœnienia, nastêpuje wzrost objêtoœci i zmniejszenie krzywizny pêcherzyka, a do momentu jego oderwania siê od kapilary (pozycja III) [4]. Przy u yciu kapilar ceramicznych, które nie s¹ zwil alne przez

3 Wyznaczanie napiêcia powierzchniowego z wykorzystaniem metody wiêkszoœæ metali i ich stopów, nale y uwzglêdniæ fakt, i na wykresie pojawi¹ siê dwa maksima ciœnienia 1 i 3 z rysunku 2. Stan 1 odpowiada granicznemu k¹towi zwil ania materia³u kapilary przez ciek³y lut przy wartoœci ciœnienia Δp, stan 2 przemieszczenie pêcherzyka na zewnêtrzn¹ krawêdÿ kapilary, co równoznaczne jest ze spadkiem ciœnienia panuj¹cego wewn¹trz pêcherzyka i zmniejszeniem jego krzywizny. Stan 3 odpowiada ciœnieniu, przy którym nastêpuje oderwanie pêcherzyka od kapilary [3, 5, 6]. 3. Urz¹dzenie pomiarowe Opracowany przez interdyscyplinarny zespó³ Wysokotemperaturowy analizator lutownoœci jest urz¹dzeniem do automatycznego pomiaru w³asnoœci fizykochemicznych metali i ich stopów [7]. Opracowane rozwi¹zanie bazuje na okreœlaniu wartoœci napiêcia powierzchniowego ciek³ego lutu, za pomoc¹ metody maksymalnego ciœnienia w pêcherzyku. Analizator umo liwia przeprowadzanie badañ w zakresie temperatur do 1000 o C, w obecnoœci gazowej atmosfery ochronnej b¹dÿ redukcyjnej. Projektowanie eksperymentów odbywa siê w oparciu o predefiniowane szablony, co znacz¹co skraca okres przygotowania eksperymentów. Mo liwoœæ wizualizacji wyników na wykresach i w tabelach w czasie rzeczywistym u³atwia pracê z systemem i interpretacjê uzyskanych wyników. Pozyskane w przeprowadzonych doœwiadczeniach wyniki podlegaj¹ analizie i zapisywane s¹ w systemie bazodanowym. Zaimplementowane rozwi¹zanie umo liwia porównanie uzyskanych wyników przy ró nych parametrach eksperymentu oraz dokonanie zestawieñ wyników dla ró nych materia³ów lutowia. Oprogramowanie testera wyposa one jest w wydajny system raportowania prezentuj¹cy wyniki przeprowadzonych eksperymentów [7]. Metodologia eksperymentu pomiaru napiêcia powierzchniowego z wykorzystaniem metody maksymalnego ciœnienia w pêcherzyku bazuje na obserwacji zmian ciœnienia w kapilarze zanurzonej w ciek³ym lutowiu w czasie rzeczywistym. Uk³ad pomiarowy stanowi ceramiczna kapilara podwieszona na uchwycie wagi (rys. 3). Próba rozpoczyna siê zanurzeniem kapilary na odpowiedni¹ g³êbokoœæ. Po osi¹gniêciu okreœlonej wielkoœci zanurzenia, za pomoc¹ zaworu zwiêkszane jest ciœnienie gazu wewn¹trz kapilary. a) b) Rys. 3. Instalacja pomiarowa: a) mocowanie kapilary; b) zawory

4 1054 Marcin B¹ka³a, Dominik Sankowski, Andrzej Albrecht, Rafa³ Wojciechowski Rys. 4. Diagramy stanów eksperymentu b¹belkowego

5 Wyznaczanie napiêcia powierzchniowego z wykorzystaniem metody W momencie oderwania od powierzchni czo³owej kapilary pêcherzyka gazu rejestrowany jest znacz¹cy spadek ciœnienia. Natomiast maksymalne tzw. ciœnienie graniczne jest podstaw¹ do wyznaczenia wartoœci napiêcia powierzchniowego ciek³ego lutu. Program eksperymentu przewiduje powtarzanie próby ciœnieniowej na kilku g³êbokoœciach. Diagramy stanów eksperymentu pomiaru napiêcia powierzchniowego z wykorzystaniem metody maksymalnego ciœnienia w pêcherzyku dla jednej i kilku g³êbokoœci zanurzenia ilustruje rysunek Oprogramowanie analizatora lutownoœci Oprogramowanie analizatora lutownoœci posiada budowê modularn¹, zapewniaj¹c¹ ³atw¹ skalowalnoœæ systemu i mo liwoœæ dopasowania do potrzeb u ytkownika. Architektura systemu sk³ada siê z warstwy sprzêtowej zapewniaj¹cej komunikacjê z urz¹dzeniami sk³adowymi analizatora lutownoœci (waga, regulator temperatury, system napêdowy) przez interfejsy szeregowe, warstwy repozytorium umo liwiaj¹cej sk³adowanie danych w systemie bazodanowym oraz warstwy interfejsu u ytkownika zapewniaj¹cej komunikacjê z u ytkownikiem koñcowym. Pracê systemu koordynuje modu³ zarz¹dzaj¹cy. Abstrakcyjne klasy oprogramowania analizatora lutownoœci oraz podstawowe przypadki u ycia systemu zilustrowano na rysunkach 5 oraz 6. Rys. 5. Abstrakcyjne klasy oprogramowania analizatora lutownoœci

6 1056 Marcin B¹ka³a, Dominik Sankowski, Andrzej Albrecht, Rafa³ Wojciechowski Rys. 6. Przypadki u ycia systemu analizatora lutownoœci Rys. 7. Panel steruj¹cy oraz wizualizacja zmian ciœnienia w pêcherzyku

7 Wyznaczanie napiêcia powierzchniowego z wykorzystaniem metody Parametry procesu pomiarowego Wykonanie w³aœciwego eksperymentu poprzedzone jest zdefiniowaniem podstawowych parametrów procesu, to jest: prêdkoœci dojazdowej wózka z tyglem w kierunku do kapilary, prêdkoœci i g³êbokoœci zanurzenia kapilary, czasu postoju na zdefiniowanych g³êbokoœciach. Przyk³adowy wygl¹d panelu wprowadzania parametrów eksperymentu oraz przebieg rejestrowanego ciœnienia w pêcherzyku dla zwil alnej kapilary zamieszczono na rysunku 7. Do wyznaczenia napiêcia powierzchniowego przyjmuje siê uœrednion¹ graniczn¹ wartoœæ ciœnienia z jednego cyklu pomiarowego. 6. Podsumowanie W artykule zaprezentowano metodê wyznaczania napiêcia powierzchniowego opart¹ na badaniu maksymalnego ciœnienia w pêcherzyku uwalnianym w stopionym materiale lutowia. Metoda stanowi alternatywê do podejœcia bazuj¹cego na okreœlaniu napiêcia powierzchniowego metod¹ le ¹cej kropli [7, 8]. Przedstawiono koncepcjê i sposób realizacji eksperymentu pomiarowego w aspekcie budowy urz¹dzenia, jak i funkcjonowania aplikacji. Obecnie prowadzone s¹ prace weryfikuj¹ce poprawnoœæ dzia³ania aplikacji steruj¹cej, jak i przyjêtych za³o eñ merytorycznych. Literatura [1] Adamson A.W., Gas A.P., Physical Chemistry of Surfaces. John Wiley & Sons, [2] Aksay I.A., Hoge C.E., Pask J.A., Wetting dunder chemical equilibrium and non equilibrium conditions. J. Phys. Chem., 78, 1974, [3] Allen C.B., Liquid Metals Chemistry and Physics. INC, 1972, [4] Ambrose J.C., Nicholas M.G., Stoneham A.M., Brazing and Soldering, 14, 30, [5] Aniello M., Morrow N.R., Point by Point Method of Determinig Contact Angles form Dynamic Wilhelmy Plate Data for Oil/Brine/Solid Systems. Journal of Colloid and Interface Science, 1995, 172. [6] Radomski T., Ciszewski A., Lutowanie. WNT, Warszawa, [7] Sankowski D. i in., Projekt badawczy KBN nr 4 T10C 04022: Model automatycznego testera pomiaru lutownoœci lutów twardych dla zastosowañ przemys³owych. Sprawozdanie, ódÿ, [8] Sankowski D. i in., Projekt badawczy KBN nr 8 T10C 00514: Automatyczne pomiary napiêcia powierzchniowego i k¹ta zwil ania materia³ów w wysokich temperaturach. Sprawozdanie, ódÿ, [9] Tyrkiel E., Termodynamiczne podstawy materia³oznawstwa. PWN, Warszawa, 1987.