System wizyjny do wyznaczania rozp³ywnoœci lutów

Transkrypt

1 AUTOMATYKA 2007 Tom 11 Zeszyt 3 Marcin B¹ka³a*, Tomasz Koszmider* System wizyjny do wyznaczania rozp³ywnoœci lutów 1. Wprowadzenie Lutownoœæ okreœla przydatnoœæ danego materia³u do lutowania i jest zwi¹zana nie tylko z samym materia³em, ale zale y od wielu czynników. Wynikaj¹ one z zastosowania danej techniki lutowania, materia³ów dodatkowych (lutów, topników), parametrów lutowania, wreszcie od wymagañ stawianych z³¹czu. Lutownoœæ zatem wp³ywa w sposób bezpoœredni na jakoœæ gotowych do produkcji wyrobów, w których wykorzystywana jest technologia lutowania. Znajomoœæ wielkoœci wybranych parametrów lutownoœci np. wspó³czynnika rozp³ywnoœci k determinuje proces produkcji, wp³ywa na jego szybkoœæ i sprawnoœæ, a tym samym obni enie kosztów [1]. Warunkiem rozp³ywania siê ciek³ego metalu po powierzchni cia³a sta³ego jest, by si³y kohezyjnego oddzia³ywania miêdzy cz¹steczkami metalicznej cieczy by³y mniejsze ni si³y wzajemnego oddzia³ywania miêdzy cz¹steczkami cieczy a atomami na powierzchni cia³a sta³ego lub by energia kohezji miêdzy cz¹steczkami samej cieczy by³a mniejsza od energii adhezji miêdzy cz¹steczkami cieczy, a powierzchni¹ cia³a sta³ego W k < W a, gdzie: W k energia kohezji, energia adhezji. W a Ró nica miêdzy energi¹ adhezji i kohezji jest okreœlana jako wspó³czynnik rozp³ywnoœci k, którego wartoœæ wyra a siê nastêpuj¹co [1] ( ) k = Wk Wa =σlv cosθ 1, gdzie: θ k¹t zwil ania, σ LV napiêcie powierzchniowe. Rozp³ywnoœæ ciek³ego metalu na powierzchni cia³a sta³ego zale y przede wszystkim od w³aœciwoœci fizykochemicznych fazy sta³ej i ciek³ej (tj. od ich sk³adów chemicznych, * Katedra Informatyki Stosowanej, Politechnika ódzka w odzi 173

2 174 Marcin B¹ka³a, Tomasz Koszmider rodzajów wi¹zañ miêdzyatomowych, stopnia utlenienia powierzchni cia³a sta³ego, wzajemnej reaktywnoœci miêdzy atomami obydwu faz), a tak e od struktury (krystalicznej b¹dÿ amorficznej) cia³a sta³ego oraz parametrów geometrycznych jego powierzchni (takich jak krzywizna powierzchni, falistoœæ, itp.) [2, 4]. Zagadnienia dotycz¹ce rozp³ywnoœci stanowi¹ istotny element w ró nych ga³êziach przemys³u, w których proces technologiczny polega m.in. na spajaniu materia³ów z wykorzystaniem lutowania. Dlatego te istnieje potrzeba opracowania systemu wizyjnego do zautomatyzowanego pomiaru rozp³ywnoœci zapewniaj¹cego uzyskanie wyników iloœciowych. Dotychczas klasyczne wyznaczanie parametrów rozp³ywnoœci charakteryzuje siê wysok¹ czasoch³onnoœci¹, ma³¹ dok³adnoœci¹ i wymaga du ych nak³adów finansowych. Tak wiêc dla powierzchniowej charakterystyki uk³adu cia³o sta³e ciecz gaz nale y wyznaczyæ dwie wielkoœci: 1) k¹t zwil ania θ, 2) napiêcie powierzchniowe cieczy σ LV. System ten przedstawiono na rysunku 1. kamera CCD zestaw filtrów podczerwonych obiektyw o zmiennej ogniskowej Rys. 1. System wizyjny 2. Przebieg pomiaru Doœwiadczenie polega na wyznaczeniu napiêcia powierzchniowego badanego lutu na podk³adce wykonanej z materia³u Al 2 O 3 w temperaturze eksperymentu, tj. 750 o C, z wykorzystniem atmosfery obojêtno-redukuj¹cej (Ar, H 2 ). Eksperymenty przeprowadzono na lucie miedziano-fosforowym z dodatkiem srebra, wed³ug ISO 3677 BCu89PAg (L-Ag5P) [2]. Urz¹dzenie wyposa one jest w oprogramowanie umo liwiaj¹ce zapisywanie uzyskanych obrazów w bazie danych z czêstotliwoœci¹ oko³o 15 razy na sekundê (rys. 2).

3 System wizyjny do wyznaczania rozp³ywnoœci lutów 175 Rys. 2. Widok próbki L-Ag5P na niezwil alnym pod³o u Al 2 O 3 W wyniku przeprowadzonego doœwiadczenia na stanowisku badawczym Thermo-Wet ustalono, i wartoœæ œrednia k¹ta zwil ania pomiêdzy pod³o em Al 2 O 3 a lutem wynosi θ =155 o, zaœ wartoœæ napiêcia powierzchniowego na σ LV = 0,94588 N/m. Przyk³adowy obraz uformowanej kropli zosta³ przedstawiony na rysunku C L-Ag5P Pod³o e Al 2 O 3 Rys. 3. Widok próbki L-Ag5P na niezwil alnym pod³o u Al 2 O 3 Na rysunku 4 przedstawiono widok rozp³ywaj¹cego lutu na pod³o u miedzianym z zaznaczonymi liniami aproksymuj¹cymi kszta³t próbki i wyznaczonymi k¹tami zwil ania θ kolejno: 1) θ = 31,5 o, 2) θ = 30 o, 3) θ = 23 o, 4) θ = 12,5 o.

4 176 Marcin B¹ka³a, Tomasz Koszmider W wyniku przeprowadzonego eksperymentu ustalono wartoœæ graniczn¹ k¹ta zwil ania równ¹ θ 0 =12,5 o. Lutowanie jest procesem technologicznym o szerokim zastosowaniu. Jego znaczenie dla przemys³u jest bardzo du e, a poszukiwanie nowych metod wyznaczania wybranych parametrów lutownoœci jest celowe. Szybki i pewny sposób wyznaczania tych parametrów stanowi oryginalne rozwi¹zanie o szerokich mo liwoœciach zastosowania. Mo e byæ wykorzystane przez in ynierów zajmuj¹cych siê projektowaniem i wdra aniem po³¹czeñ materia³ów z wykorzystaniem technologii lutowania. Stanowiæ mo e tak e przydatne narzêdzie dla osób zajmuj¹cych siê nowymi rozwi¹zaniami w wytwarzaniu nowoczesnych lutów. Uzyskane wyniki pozwalaj¹ na szybk¹ weryfikacjê doboru ³¹czonych materia³ów, lutów, ewentualnie zastosowanych topników, zastosowanej atmosfery ochronnej. Umo liwia to aktualizacjê technologii ju wdro onych, jak i opracowanie nowoczesnych rozwi¹zañ. Znajomoœæ wielkoœci wybranych parametrów lutownoœci (np. wspó³czynnika roza) b) c) d) Rys. 4. Widok rozp³ywaj¹cego siê lutu na pod³o u miedzianym Objaœnienia w tekœcie 3. Wnioski

5 System wizyjny do wyznaczania rozp³ywnoœci lutów 177 p³ywnoœci) determinuje proces produkcji, wp³ywa na jego szybkoœæ i sprawnoœæ, a tym samym obni enie kosztów. Zagadnienia dotycz¹ce lutownoœci stanowi¹ istotny element w ró nych ga³êziach przemys³u, w których proces technologiczny polega m.in. na spajaniu materia³ów z wykorzystaniem lutowania. Celowe jest zatem poszukiwanie nowych form automatyzacji pomiaru lutownoœci zapewniaj¹cego uzyskanie wyników iloœciowych. Literatura [1] Ferenc K, Nita Z., Sobiœ T.: Spawalnictwo. Warszawa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 1999 [2] Mirski Z.: Wp³yw szczeliny na w³asnoœci mechaniczne po³¹czeñ lutowanych. Przegl¹d Spawalnictwa, nr 1 2, 1999 [3] W³osiñski W.: The joinnig of advaced materials. Wroc³aw, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wroc³awskiej 2000