SKOMPUTERYZOWANY SYSTEM POMIARU LUTOWNOŚCI W WYSOKICH TEMPERATURACH

Transkrypt

1 Materiały Konferencji Grantowej Dominik SANKOWSKI, Krzysztof STRZECHA, Hubert KOŁODZIEJSKI, Andrzej ALBRECHT, 4 T10C Rafał WOJCIECHOWSKI, Marcin BĄKAŁA Politechnika Łódzka Katedra Informatyki Stosowanej Projekt badawczy KBN nr: SKOMPUTERYZOWANY SYSTEM POMIARU LUTOWNOŚCI W WYSOKICH TEMPERATURACH W artykule zaprezentowany został skomputeryzowany system pomiaru lutowności metodą opartą na dynamicznym pomiarze zmian masy próbki badanego materiału, pogrążanej w ciekłej kąpieli. Przedstawiono metodę pomiarową oraz budowę systemu ze szczególnym uwzględnieniem oprogramowania sterującego przebiegiem procesu pomiarowego oraz przetwarzającego i archiwizującego dane. AUTOMATIC COMPUTERIZED HIGH-TEMPERATURE BRAZEABILITY ANAZLYZING SYSTEM In this paper the automatic computerized high-temperature brazeability analyzing system based on dynamic measurement of specimen weight changes during the sinking process in fluid braze, is shown. The measurement and analysis method is widely discussed. The system architecture, especially the structure of software used to control the experiment processes and further post-process analysis, is presented. 1. WSTĘP Lutowanie jest procesem polegającym na łączeniu tworzyw metalowych jedno- lub różnoimiennych, a także tworzyw metalowych z niektórymi materiałami niemetalowymi (np. ceramiką), za pomocą dodatkowego metalu, zwanego lutem, którego temperatura topnienia jest znacznie niższa od temperatury topnienia metali łączonych [1]. W zależności od temperatury topnienia luty dzielą się na: miękkie (do ok. 450 C), twarde (do 1000 C) oraz wysokotemperaturowe (powyżej 1000 C). Lutownością można nazwać właściwość lub raczej zespół właściwości, określający przydatność danego materiału do lutowania [1]. Jest ona związana nie tylko z samym materiałem, ale zależy od pewnej liczby różnych czynników, wynikających z zastosowania danej techniki lutowania, materiałów dodatkowych (lutów, topników), parametrów lutowania, wreszcie od wymagań stawianych złączu. W związku z tym pojęcie lutowności - analogicznie do innych tego typu pojęć technologicznych, jak np. skrawalność podatność do skrawania, hartowność - podatność do jednej z obróbek cieplnych, czy zgrzewalność - podatność do zgrzewania jest pojęciem niejednoznacznym i dobrze dotąd nie zdefiniowanym. W konsekwencji, dyskusyjne są również metody pomiaru lutowności i kryteria jej oceny.

2 86 Dominik SANKOWSKI, Krzysztof STRZECHA, Hubert KOŁODZIEJSKI... Tester lutowności winien charakteryzować w sposób ilościowy lutowność według zaproponowanego kryterium w danym układzie technologicznym [2]. W konfiguracji materiał lutowany lut atmosfera ochronna (topnik) powinien umożliwiać dobór: lutu dla danego materiału lutowanego; topnika lub atmosfery ochronnej dla danej pary materiał lutowany lut; parametrów procesu lutowania dla danego materiału rodzimego i materiałów dodatkowych. W dalszej części artykułu przedstawiono wybrane zagadnienia związane z konstrukcją testera lutowności wykonanego w ramach grantu KBN nr 4 T10C w Katedrze Informatyki Stosowanej Politechniki Łódzkie przy współpracy Zakładu Inżynierii Spajania Instytutu Technologii Materiałowych Politechniki Warszawskiej oraz Przemysłowego Instytutu Elektroniki w Warszawie. 2. METODY WYZNACZANIA LUTOWNOŚCI Zasadniczym warunkiem powstania złącza lutowanego jest wypełnienie szczeliny lutowniczej w materiale lutowanym przez lut. Jest to właściwość technologiczna, na którą składają się: oddziaływanie międzyfazowe ciekły lut ciało stałe (materiał lutowany); właściwości fizyczne samego lutu w stanie ciekłym (lepkość, gęstość, napięcie powierzchniowe); właściwości technologiczne lutowanego materiału w warunkach procesu (skład chemiczny i fazowy, chropowatość powierzchni, wielkość i usytuowanie szczeliny, kontaminacja powierzchni, itd.); warunki technologiczne procesu (temperatura, atmosfera, usytuowanie początkowe faz, itp.). Złącza lutowane charakteryzują się stosunkowo niewielką szczeliną lutowniczą, rzędu dziesiątych części mm. Jej wypełnienie odbywa się zatem w trakcie lutowania w wyniku działania sił kapilarnych. Wysokość podniesienia cieczy h w pionowo usytuowanej rurce kapilarnej o promieniu r określa znany z chemii fizycznej powierzchni wzór: 2σ LV cosθ h =, (1) rρg gdzie: θ skrajny kąt zwilżania kapilary, σ LV napięcie powierzchniowe cieczy, ρ gęstość cieczy. Jest rzeczą oczywistą, iż warunkiem wpłynięcia cieczy do kapilary (h>0) jest θ<90 o. Jeśli kapilara jest odchylona od pionu o kąt α, to długość jej wypełnienia l jest dana wzorem: h l =, (2) cosα

3 Skomputeryzowany system pomiaru lutowności w wysokich temperaturach 87 a zatem: 2σ LV cosθ l =. (3) rρg cosα W praktyce technologicznej, ze względu na wspomniane wcześniej czynniki, obliczenia według podanego wzoru są dalece nie wystarczające. Należy zatem zastosować podejście empiryczne. Znanych jest szereg prób doświadczalnego wyznaczania lutowności, które mogą być używane również do lutów twardych. Jedną z nich najprostszą metodą warsztatową, jest pomiar wysokości wzniosu ciekłego lutu w pionowej szczelinie dwóch skręconych wzajemnie drutów. Metoda ta polega na pionowym zanurzeniu w roztopionym lucie znajdującym się w odpowiednim tygielku, dwóch skręconych wzajemnie odcinków drutu z metalu przeznaczonego do zlutowania. Czas zanurzenia wynosi kilkanaście sekund, po czym druty wyjmuję się i chłodzi, a następnie mierzy się odległość od poziomu zanurzenia do miejsca, do którego podniósł się lut. Próba ta jest bardzo łatwa do wykonania, jednak dla otrzymania porównywalnych wyników, należy dokładnie określić warunki jej przeprowadzania (średnice drutów i ich sprężystość, skok linii śrubowej, czas zanurzenia). Próba ta jest obarczona dużym błędem i może dawać pogląd jakościowy, a nie ilościowy. Aby otrzymać precyzyjne wyniki, należy zastosować metody wynikające z norm. Polskie normy określają dwa sposoby wyznaczania lutowności: metoda badania wpływania lutu w szczelinę pionową próbki płaskiej PN-89/M-69791; metoda badania wpływania lutu w szczelinę pionową próbki cylindrycznej PN-89/M Wszystkie wymienione próby są nieprecyzyjne i kłopotliwe w praktyce. W każdej z nich na ogół duża masa materiału wstawiana jest do ciekłej kąpieli, warunki termiczne są zmienne i trudno je porównywać dla różnych materiałów. Przygotowanie próbek jest z reguły dość pracochłonne i kłopotliwe, co limituje liczbę doświadczeń. Wszystkie testy wymagają znacznej ilości lutu, który nie jest odzyskiwany w przypadku często stosowanych lutów na bazie srebra jest to ekonomicznie wątpliwe. Kłopotliwe jest również określanie wysokości wpłynięcia lutu. Wymaga to wielokrotnego cięcia próbek i wykonywania makroskopowych zgładów metalograficznych (szlifowanie, polerowanie, trawienie) lub alternatywnie radiogramów (drogi osprzęt, radiacja). Niewątpliwie wygodniejszym testem lutowności jest pomiar pola rozpłynięcia się lutu w obecności topnika na płaskiej próbce, usytuowanej na płycie grzewczej. Stosowany jest on zarówno do spoiw miękkich jak i twardych, a także past lutowniczych. Istotnym ograniczeniem tej metody jest brak możliwości zastosowania atmosfery ochronnej. Istnieje szereg przyrządów umożliwiających automatyczne wyznaczenie lutowności lutów miękkich. Do szybkiego, technologicznego badania stopnia zwilżalności metali ciekłymi, "miękkimi" lutami (temperatura topnienia do 450ºC) w obecności topnika opracowany został tester Meniscograph firmy GEC, który jest stosowany w badaniach

4 88 Dominik SANKOWSKI, Krzysztof STRZECHA, Hubert KOŁODZIEJSKI... lutowności przy montażu elektronicznym. Koncepcja urządzenia jest oparta na torsyjnym pomiarze siły przy kilkakrotnym pogrążaniu i wyjmowaniu cienkiej blaszki podłoża z ciekłej kąpieli metalicznej. Jest to praktycznie jedyne, dość szeroko stosowane w praktyce urządzenie, nie nadające się jednak do pracy w atmosferze ochronnej lub próżni i w wysokiej temperaturze. Oferowane dotychczas na rynku rozwiązania tyczą się w większości testerów lutów miękkich w warunkach laboratoryjnych, bądź urządzeń do wyznaczania parametrów pośrednich (napięcie powierzchniowe, kąt zwilżania) na podstawie których można oszacować lutowność (FTA firmy First Ten Armstrongs, G10 firmy Kruss GmbH). Opracowana na potrzeby zbudowanego testera metoda pomiarowa jako miarę lutowności wykorzystuje iloczyn σ LV cosθ, wchodzący w skład wielu wzorów kapilarnych. Jest on nazywany napięciem adhezyjnym i jest ilościowo równy sile motorycznej zwilżania. Z równania Younga [1]: σ σ SV SL cos θ =, (4) σ LV gdzie: θ - kąt zwilżania, σ SV napięcie powierzchniowe na granicy ciało stałe gaz, σ SL - napięcie powierzchniowe na granicy ciało stałe ciecz, σ LV napięcie powierzchniowe na granicy ciecz gaz. wynika wprost, iż siła motoryczna zwilżania, dążąca do pokrycia powierzchni lutem wynosi: gdzie: σ - siła motoryczna zwilżania. σ = σ σ σ cosθ, (5) SV SL = Zaproponowany przez autorów test oparty na dynamicznym pomiarze masy lutu, który pokrył powierzchnię płytki (drutu), pogrążanej w ciekłej kąpieli, może być prostym, tanim i wygodnym narzędziem, pozwalającym na odpowiedź, czy zastosowane materiały (materiał rodzimy, lut, ewentualnie topnik), sposób przygotowania powierzchni i parametry lutowania (rodzaj atmosfery, temperatura, czas) prowadzą do uzyskania poprawnego połączenia nie tylko w zakresie temperatury do 450 C i w atmosferze powietrza (zakres zastosowania Meniscograph u), ale także w przypadku zastosowania lutów twardych. LV 3. TESTER LUTOWNOŚCI Tester lutowności przeznaczony jest zarówno do badania lutów miękkich (w zakresach temperatur do 450 C), jak również do analizy lutów twardych (w zakresach temperatur do 1000 C) [4]. Konstrukcja urządzenia przedstawionego na rys. 1 obejmuje: Komorę roboczą (retortę testera), umożliwiającą precyzyjną kontrolę składu atmosfery technologicznej, w której prowadzony jest pomiar.

5 Skomputeryzowany system pomiaru lutowności w wysokich temperaturach 89 Piec testera, pozwalający na precyzyjną regulację temperatury wewnątrz retorty testera w przedziale temperatur do 1000 C sterowany regulatorem temperatury działania ciągłego typu PID firmy EUROTHERM 2216e. Układ napędowy wraz z komorą ładowania, umożliwiający wygodne napełnianie tygla lutowiem, prostą operację mocowania próbki, precyzyjny przesuw próbki w czasie zanurzania i wynurzania z kąpieli. Silnik krokowy układu napędowego umożliwia automatyczny, precyzyjnie kontrolowany, pionowy przesuw pieca na długości do 20 mm z dokładnością do 5 µm. Rys. 1. Widok ogólny testera lutowności: 1 waga; 2 regulator temperatury; 3 retorta Fig. 1. Overall view of brazeability tester: 1 scale, 2 temperature controller, 3 retort Komputer Próbka Waga ADC Wyznaczenie parametrów fizycznych Element grzewczy Przetwrzanie danych pomiarowych Piec Termoelement Regulator Odczyt temperatury Programowanie temperatury Rys. 2. Schemat blokowy systemu pomiarowego Fig. 2. Block diagram of brazeability tester Układ ciągłego i precyzyjnego pomiaru siły przenoszonej przez cięgno, na którym zawieszona jest próbka w czasie pomiaru realizowany przez wagę elektroniczną firmy RADWAG typu WPS 110C, która została specjalnie adaptowana dla pracy w konstruowanym testerze (obciążenie maksymalne 110 g, minimalne 20 mg, działka elementarna 1 mg).

6 90 Dominik SANKOWSKI, Krzysztof STRZECHA, Hubert KOŁODZIEJSKI... Układ kontroli atmosfery ochronnej, pozwalający na dokładną regulację składu gazowej atmosfery ochronnej procesu lutowania. Tester wyposażono w 3 linie gazowe zawierające zawory ręczne i regulatory przepływu firmy Brookes. W skład atmosfery ochronnej wchodzą azot i argon o czystości 6N oraz wodór podawany z generatora wodoru o wydajności do 250 ml/min. Komputer, stanowiący centralny system zarządzania testerem. Schemat blokowy systemu pomiarowego zaprezentowany został na rys. 2. Komputer PC jest połączony z pozostałymi elementami systemu poprzez porty szeregowe udostępniane przez karty interfejsowe firmy Moxa oraz moduły przetworników firmy Advantech z serii ADAM 4000 (ADAM 4017, ADAM 4024). 4. PRZEBIEG POMIARU Pomiar przeprowadzany jest w wysokiej temperaturze w obecności gazów ochronnych. Niezbędnym staje się wówczas konieczność uruchomienia komory grzewczej i instalacji atmosfery ochronnej oraz stabilizacji ich parametrów przed rozpoczęciem właściwej próby. Oprogramowanie umożliwia przeprowadzanie czterech rodzajów eksperymentów, umożliwiając wyznaczenie gęstości, napięcia powierzchniowego i lutowności: położenie próbki ciężar próbki Rys. 3. Przebieg eksperymentu zanurzeniowego Fig. 3. Immerse experiment process Eksperyment zanurzeniowy przeznaczony do pomiaru lutowności. Próba rozpoczyna się zanurzeniem próbki w lutowiu. Informację o momencie zetknięcia próbki z powierzchnią płynnego lutowia daje zmiana jej ciężaru w wyniku działania siły wyporu i zjawisk powierzchniowych. Po zanurzeniu próbki na określoną głębokość rozpoczyna się

7 Skomputeryzowany system pomiaru lutowności w wysokich temperaturach 91 właściwy pomiar. W wyniku zjawisk powierzchniowych masa próbki rośnie, co jest rejestrowane przez system. Po stabilizacji masy przeprowadzana jest druga próba polegająca na wynurzaniu próbki z lutowia, w czasie której lutowie ciągnie się za próbką. Wyniki pomiarów ciężaru próbki badanego materiału oraz głębokości jej zanurzenia wykonanych podczas eksperymentu zanurzeniowego przedstawione zostały na rys. 3. Eksperyment bąbelkowy przeznaczony do pomiaru napięcia powierzchniowego. W tym eksperymencie zamiast próbki na uchwycie wagi umieszczana jest ceramiczna kapilara. Próba rozpoczyna się zanurzeniem na zadaną głębokość. W momencie osiągnięcia określonego zanurzenia, zwiększane jest ciśnienie gazu doprowadzonego do kapilary. W momencie uwolnienia bąbelka gazu w lutowiu można obserwować znaczący skok ciśnienia. Ciśnienie graniczne jest podstawą do obliczenia napięcia powierzchniowego. Program eksperymentu przewiduje powtarzanie próby na kilku głębokościach. Eksperyment schodkowy przeznaczony do pomiaru gęstości lutowia. Eksperyment przebiega podobnie jak eksperyment zanurzeniowy, z tą różnicą, że próbka zanurzana jest na kilka wybranych poziomów i pozostaje na nich do momentu stabilizacji siły. Eksperyment dynamicznego pomiaru gęstości metoda alternatywna polegająca na gwałtownym zanurzeniu całej próbki w ciekłym lutowiu. 5. FUNKCJE SYSTEMU POMIAROWEGO Oprogramowanie systemu pomiarowego umożliwia realizację podstawowych funkcji wynikających z zamysłów ideowych testera: przeprowadzenia eksperymentów badawczych on-line z możliwością płynnej kontroli procesu doświadczalnego; analizy off-line wszystkich zgromadzonych wcześniej danych z przeprowadzonych doświadczeń w celu uzyskania odpowiednich wyników eksperymentów; konfiguracji wszystkich bloków funkcjonalnych urządzeń sterujących. Oprogramowanie systemu pomiarowego steruje pracą czterech elementarnych urządzeń: wagi, systemu reaktorów, stolika oraz komory pieca, pełni funkcję systemu nadrzędnego, nie reguluje więc żadnych parametrów fizycznych. W przypadku komory grzewczej oraz systemu reaktorów sterowanie ogranicza się do wysłania żądanych parametrów (temperatury retorty, przepływu gazu ochronnego). W przypadku stolika i wagi wysyłane są polecenia sterujące. Zadaniem systemu jest rejestracja parametrów niezbędnych do obliczenia badanych własności materiałów. Użytkownicy obsługujący system pełnią jedną z trzech funkcji: technologa, operatora lub serwisanta. W zależności od funkcji system umożliwia im wykonanie zróżnicowanych operacji.

8 92 Dominik SANKOWSKI, Krzysztof STRZECHA, Hubert KOŁODZIEJSKI BAZA DANYCH Ze względu na elastyczność i możliwość łatwej modyfikacji, została podjęta decyzja o wykorzystaniu relacyjnej bazy danych do archiwizacji danych pomiarowych. Przechowywane dane można podzielić na trzy grupy: eksperyment, dane pomiarowe oraz sytuacje wyjątkowe. Podstawowe wymagania dotyczące przechowywanych danych, takie jak postać normalna bazy, wymuszają odpowiednią strukturę tabel oraz logiczne powiązania między danymi. 7. OBSŁUGA URZĄDZEŃ Aplikacja ma za zadanie obsługiwać cztery typy urządzeń połączone z komputerem poprzez porty RS-232: napęd stolika, waga, regulator temperatury, przepływomierze i regulatory przepływu (podłączone przez moduły Adam 4000). Do obsługi powyższych urządzeń zostały napisane specjalne komponenty VCL (ang.visual Component Library biblioteka firmy Borland, będąca składnikiem środowisk Borland C++ Builder i Borland Delphi.). Komponenty te pozwalają na podłączenie do jednego portu kilku urządzeń tego samego typu i umożliwiają ich współpracę w aplikacji wielowątkowej. 8. INTERFEJS UŻYTKOWNIKA Z uwagi na logiczny rozdział problemu na kilka zagadnień zdecydowano się dokonać organizacji aplikacji w kilku sekcjach reprezentowanych przez odpowiednie zakładki [4] (Rys. 4). Rys. 4. Oprogramowanie testera ustalanie parametrów procesu, przebieg procesu on-line, analiza off-line Fig. 4. Tester software process parameters defining, on-line process, off-line analysis Wyróżnione zostały sekcje: procesu (przeprowadzenie doświadczenia), zarządzania (organizacja i zarządzanie przeprowadzonymi eksperymentami, bazą materiałową, etc.),

9 Skomputeryzowany system pomiaru lutowności w wysokich temperaturach 93 obliczeń (wykonanie obliczeń na podstawie wybranych doświadczeń), konfiguracji (modyfikowanie nastaw poszczególnych urządzeń pracujących w systemie, jak również ustawienia środowiska pracy aplikacji, właściwości połączenia z bazą danych) (Rys. 5) oraz pomocy. Rys. 5. Oprogramowanie testera - konfiguracja modułów Adam 4000 Fig. 5. Tester software configuration of Adam 4000 modules 9. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA Urządzenie zostało wykorzystane do wykonania szeregu pomiarów testowych celem weryfikacji poprawności jego działania. Przeprowadzone doświadczenia wykazały poprawność konstrukcyjną oraz ideową testera. Przykładowe wyniki (ciężar i położenie próbki w funkcji czasu oraz ciężar próbki w funkcji jej położenia) uzyskane podczas eksperymentu zanurzeniowego przedstawione zostały na rys. 6. Rys. 6. Eksperyment zanurzeniowy wykonany dla próbki miedzianej zanurzanej w stopie SnPb w temp. 300 C Fig. 6. Immerse experiment made with copper specimen and SnPb solder in 300 C

10 94 Dominik SANKOWSKI, Krzysztof STRZECHA, Hubert KOŁODZIEJSKI PODSUMOWANIE Powstający system pomiaru lutowności pozwoli na przeprowadzenie badań nad wykorzystaniem standardowych testów, a także do rozwoju zarówno metod pomiaru lutowności już istniejących, jak również nowopowstałych. 11. PODZIĘKOWANIE Powyższy projekt jest wykonywany w ramach grantu KBN nr 4 T10C LITERATURA 1. Radomski T., "Lutowanie", WNT, Warszawa, N. Eustathopoulos, M.G. Nicholas, B. Drevet: Wettability at High Temperatures. Pergamon, M. Miyazaki, M. Mizutani, T. Takemoto, A. Matsunawa: Conditions for the Measurement of Surface tension of Solders with a Wetting Balance Tester. Trans. JWRI, 26(1997), str Metals Handbook, Vol. 6, Welding, Brazing and Soldering. ISM International, Metals Park, OH, D. Sankowski, K. Strzecha, H. Kołodziejski, A. Albrecht, R. Wojciechowski: Software for high temperature solderability assessment system, TCSET, Lviv 2004 ABSTRACT In this paper the automatic computerized high-temperature brazeability analyzing system based on dynamic measurement of specimen weight changes during the sinking process in fluid braze, is shown. The measurement and analysis method is widely discussed. The system architecture, especially the structure of software used to control the experiment processes and further post-process analysis, is presented.