OTOMOTİV SANAYİNDE KULLANILAN ÖRNEK BİR ULTRASONİK KAYNAK UYGULAMASINDA, KAYNAK KALİTESİNİ ETKİLEYEN TEMEL PARAMETRELERİN KOPMA DAYANIMINA ETKİSİ.

Transkript

1 OTEKON Otomotiv Teknolojileri Kongresi Mayıs 2016, BURSA OTOMOTİV SANAYİNDE KULLANILAN ÖRNEK BİR ULTRASONİK KAYNAK UYGULAMASINDA, KAYNAK KALİTESİNİ ETKİLEYEN TEMEL PARAMETRELERİN KOPMA DAYANIMINA ETKİSİ. Mehtap Hıdıroğlu *, Gönenç İzgi * * Orhan Otomotiv Kontrol Sistemleri Ar-Ge Merkezi, BURSA ÖZET Bu çalışmada, Otomotiv sanayinde örnek bir ultrasonik kaynak uygulaması incelenmiştir. Ultrasonik kaynak yönteminin verimliliğini etkileyen en temel parametreler teoride kalınmayarak gerçek bir endüstri uygulaması baz alınarak değerlendirilmiştir. Polipropilen (PP) malzemeli otomotiv kumanda kablosu ile kablonun araca montajını sağlayan parçanın ultrasonik kaynak yöntemi ile kaynaklanabilmesi için gereken ideal parametre değerleri belirlenirken, parçaların birleştirilmesi ile elde edilen prototip numunelerde değişen parametre değerlerinin çekme dayanımına etkileri incelenmiştir. Anahtar kelimeler: Ultrasonik kaynak, Kaynak kalitesini etkileyen parametreler, Polipropilen (PP). THE FUNDAMENTAL PARAMETERS IS AFFECTED THE WELDING QUALITY WAS EXAMINED ON AN EXAMPLE ULTRASONIC WELDING APPLICATION IN AUTOMOTIVE INDUSTRY. ABSTRACT In this study, an example ultrasonic welding was examined in automotive industry. The basic parameters affecting the efficiency of the ultrasonic welding method were evaluated by basing on a reel industry application, by not basing on theory. While the values of ideal parameters which were necessary in order to be able to have the part maintaining the mounting of cable to the car with the automotive remote control made of polypropylene material (PP) welded via ultrasonic weld method were being determined, the effects of parameters values changing in prototype samples obtained by combination of the parts on tensile strength were examined. Key Words: Ultrasonic Welding, The effecting parameters of welding quality, Polypropylene (PP). 1. GİRİŞ Ultrason kullanımı olgun bir teknoloji olduğunu idea edecek kadar eskidir. İlk ultrasonik kaynak uygulaması 1960 lı yılların ortalarında yapılmıştır. Benethar ve arkadaşlarında olduğu gibi [1] çeşitli yol gösterici makalelerde yakın ve uzak alan ultrasonik kaynağın değişik türde termoplastiklere etkileri araştırılmıştır. Benatar [1], Michaeli ve Korte [2], Van Wijk ve arkadaşları, [3], Liu ve arkadaşları. [4], ve Volkov [5] kaynak mukavemetini artırma adına çalışmalar yürütmüştür. Çeşitli endüstrilerde polimerlerin artan kullanımı ile beraber uygun birleştirme yöntemlerine ihtiyaç duyulmuştur. Günümüzde, farklı proseslerin kullanılmasına rağmen ultrasonik kaynak, termoplastiklerin birleştirilmesinde en çok tercih edilen metottur. Son yıllarda çeşitli endüstriyel termoplastik kompozitlerin ultrasonik kaynak yöntemi ile ergitmeli birleştirilmesi hızlı, ekonomik, verimli ve bir saniyeden az olan kaynak zamanı avantajına sahip olması ile popülarite kazanmıştır. [6] Termoplastiklerin birleştirilmesinde kullanılan Ultrasonik kaynağın öne çıkan avantajları ise yüksek sıcaklık ve deformasyon olmaksızın kaynak yapılması, otomasyona kolaylıkla adapte edilebilmesi ve kaynak işleminin çok ekonomik olarak gerçekleşebilmesidir. Ayrıca, seri üretimde karmaşık şekilli olduğundan kalıplanamayan parçaların veya termoplastik parçaların birleştirilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ultrasonik kaynağın en önemli dezavantajları kaynak parametrelerinin tiziz bir çalışma ile çok iyi ayarlanması gerekliliği ve yöntemin genellikle

2 bindirme pozizyonunda uygulanabilir olmasıdır. Bu durum kullanıldığı alanları sınırlandırmaktadır. Ultrasonik kaynak yönteminde parçalar, hava hidrolik basınç altında ve saniyede yaklaşık titreşim yapabilen çeneler arasında ısı enerjisi verilmeksizin soğuk basınç yöntemi ile kaynatılır. Titreşim yüksek frekanslı elektrik enerjisi ile elde edilir. Parçaların kaynatılmasını sağlayan bu titreşimler alt ve üst çeneler aracılığı ile kaynak alanına iletilir. [7] Ultrasonik kaynak yönteminde basınç altında birbirine kaynaklanan parçalar genellikle 20KHz ultrasonik vibrasyona maruz kalmasına rağmen endüstride kullanılan uygulamalarda sıklıkla 15-60KHz arasındaki değerler kullanılmaktadır. Bir komponenti ultrasonik kaynakla kaynaklayabilme yeteneği kaynak ekipmanlarının dizaynına, birleştirilmek istenen malzemelerin mekanik özelliklerine komponent tasarımına ve kaynak parametrelerine bağlıdır. [6] Bu çalışmada, Ultrasonik Kaynak Metodunun verimliliğini etkileyen en temel parametreler gerçek bir endüstriyel uygulama üzerinde irdelenmiştir. Uygulamada, otomotiv kumanda kablosu ve bu kablonun araca montajını sağlayan plastik sabitleyici parça ultrasonik kaynak yöntemi ile birleştirilmiştir. birleşme kalitesini etkileyen parametre değerleri değiştirilerek prototip numuneler üretilmiş ve değiştirilen parametre değerlerinin kopma yüküne etkileri incelenmiştir. 2. OPTİMUM KAYNAK PARAMETRELERİNİN BELİRLENMESİ 2.1. Parça Tasarımı ve Kaynak Parametreleri Termoplastikler, kendi içinde de üçe ayrılır ;Amorf yapıdaki plastikler ( ABS, PS, PC, SAN, PMMA, PVC, PPO... ),Yarı kristal yapıdaki plastikler ( PP, POM, PA, PE... ) ve Sıvı Kristalik plastikler. Bu çalışmada Termoplastik malzeme olarak yarı kristal yapıdaki Polipropilen (PP) kullanılmıştır. Termoplastiklerin kaynak edilebilirliği açısından incelediğimizde amorf malzemelerin, malzemeyi kademeli bir şekilde yumuşatmaya, zamansız katılaşma olmaksızın erimeye ve akmaya izin veren çok geniş camlaşma sıcaklık aralışı vardır. Bu polymerler genellikle ultrasonik titresimleri iletme açısından çok verimlidirler, ve geniş bir kuvvet/genlik aralığında ki birleşmelerde de çok verimlidirler. Yarı kristal yapıdaki termoplastiklerin çok keskin erime sıcaklıkları ve katılaşma sıcaklıkları vardır. Katı halde bulundakları zaman bu yapıdaki polimerlerin molekülleri tıpkı bir yay gibi yüksek frekanstaki mekanik titreşimlerin bir kısmını emmektedirler, ve bu özellikleri de ultrasonik enerjiyi birleşme yüzeyine iletme durumunu güçleştirmektedir. Bu sebeple kaynak esnasında yarı kristal yapıdaki malzemelerin kaynağı için genellikle yüksek genlik gerekmetedir. Keskin erime noktası, malzeme akısına izin vermek için için gerekli olan yüksek enerji gerekliliğinden kaynaklanmaktadır. Erimiş malzeme ısıtılmış bölgeyi bir defa terkettiği anda sıcaklık değisimi çok da fazla olmadan, çok hızlı katılaşmaktadır. İşte bu tarz özellikler, yarı kristal yapıdaki çoğu malzemenin ultrasonik kaynak aşamasında başarılı bir sonuca ulaşmak için diğer malzemelere göre farklı parametrelerde ( yüksek genlik, dikkatli birleşim yeri dizaynı, boynuz teması, kaynak bölgesine uzaklık, ve bağlama düzeni ) çalışılması gerektiğini açıkça göstermektedirler. [8] Her kaynak uygulaması için titreşim genliği kaynak basıncı ve kaynak süresi en uygun şekilde seçilmelidir. Her bir değişkeni tespit ederken diğer değişkenler sabit tutularak farklı sayıdaki kaynak parçalarıyla birbirinden ayrı olarak çalışılmalıdır. Her bir kaynağın sonucu ölçülüp kaydedilmeli ve optimum değer bulunmalıdır. Kaynak şartlarını en iyi şekilde belirlemek amacıyla kullanılan çeşitli kaynak etkinliği veya kaynak kalitesi ölçümleri vardır. Seçilen ölçüm yöntemi kaynaklı mamulün kullanım sahasına bağlı olarak, kaynak nüfuziyeti, kopma mukavemeti veya sızdırmazlık testi olabilir.[9] Ultrasonik kaynakta ana değişkenler, genlik, hava basıncı, kaynak süresi ve bekleme süresidir. Bu değişkenler değiştirilerek istenilen bağlantı kuvveti elde edilebilir. [10] Kaynak süresi, malzemenin yapısına, kaynak basıncına ve genlik değerlerine göre farklılık gösterebilir. Uygulanan kaynak süresi polyester esaslı kumaşlar, termoplastikler ve metalik malzemeler için farklı seçilir. Kaynak süresinin olması gerekenden az olması durumunda istenen kaynak nitelikleri sağlanamaz iken, uzun kaynak sürelerinde ise malzemede tam olarak ergime gerçekleşir ve kaynak bölgesinin deformasyonuna sebep olunur. [7] Belirli genlik ve optimum basınç değerini kullanarak, başlangıç süresinden az veya çok kaynak süresini deneyerek çok sayıda parça kaynak edilir. İstenilen estetik görünüm, kaynak mukavemeti ve kaynak nüfuziyeti elde edilene kadar kaynağa devam edilir. Parçanın kenarlarında çapak olmaması görünüş açısından çok önemlidir. Bazı uygulamalarda kaynak çapaklarının temizlenmesi gerekir. Çoğu durumlarda kenarlarda kaynak çapak olmadan yüksek mukavemetli kaynaklar yapmak imkansız olduğundan tasarımın içine kaynak çapakları da dahil edilir. En uygun kaynak şartlarını bulmanın kuralı, önceki kaynak uygulamalarıyla elde edilen deneyime dayanarak kolayca çıkartılabilir. [9]

3 Kaynak işlemi esnasında birim alana uygulanan basınç, kaynak basıncı olarak adlandırılan ve kaynak malzemesi cinsine göre seçilen değişken bir parametredir. Enerjinin kaynak bölgesine olan nüfuziyeti artan veya azalan kaynak basıncı değerlerine göre doğru orantılı olarak değişir. Enerji ve güç formülleri; G = K.A ve E = G.Z G = Güç (Watt) K = Kuvvet (Bir inç Kare Ölçü Birimine Düsen Libre) A = Genlik (Mikron) Z = Zaman (Saniye) E = Enerji (Watt/Saniye) Ultrasonik kaynak yönteminde yukarıdaki parametrelere dolaylı yoldan etken başka değişkenlerde vardır, bunlardan bazıları parça tasarımı, boynuz tasarımı, kaynak ağzı tasarımı, boyut seçimi, malzeme seçimi ve genlik ayarlayıcı seçimidir. En temel şekilde ultrasonik kaynak metodunda enerjiyi değişken parametrelerle formulize edersek denklem aşağıdaki gibi oluşur; Enerji nin formülünü örnek bir ultrasonik kaynak uygulamasında deneysel olarak kanıtlamak istersek, Genlik parametre değerleri değiştirilmeden basınç belli oranda arttırılıp kaynak süresi de aynı oranda azaltılırsa numunenin birleştirilebilmesi için gereken enerjinin değişmediği görülecektir. [11] Kablonun ve sabitleyici parçanın et kalınlıkları da yine şekil 1 de gösterilmiştir. Plastik ekstrüzyon kaplamalı çelik tel üzeri spiral sarım tellerle zırhlanmıştır. Zırhın üzeri de ekstrüzyon yöntemi ile 0.5mm kalınlığında polipropilen malzeme ile kaplanmıştır. Kaynaklı bölge, 1 numaralı parçanın 0.5mm kalınlığındaki zırh kaplaması ve1.9mm kalınlığındaki 2 numaralı plastik sabitleyici arasında meydana gelmektedir. Enerji = Basınç x Genlik x Kaynak 1 2 Kaynaklı Bölge Şekil 1. Kumanda kablosu, sabitleyici parça ve kaynaklı bölge tasarımı şekilde görülmektedir. Şekil 2. Fiksür üzerinde birleştirilecek parçalar ve birleşme bölgesine uygun horn yüzeyi.

4 2. KAYNAK MAKİNESİ VE KAYNAK PARAMETRELERİNİN TANIMLANMASI Bu çalışmada kullanılan ultrasonik kaynak makinesi frekans dönüştürücü olarak bir jenaratör, yüksek frekanslı elektrik enerjisini yüksek frekanslı mekanik enerjiye çeviren bir transdüser, transdüserden alınan titreşim genliğini modifiye ederek horna ileten bir booster ve horndan oluşmaktadır. Bu çalışmada ultrasonik kaynak prosesini etkileyen en temel beş parametreye odaklanılmıştır. Tablo 1. Test Parametreleri ,6 khz 20,7 khz 20,8 khz Basınç 2bar 4bar 7bar Genlik %50 %75 %100 Kaynak 1 sn 1,2 sn 1,5 sn Bekleme 1 sn 1,5sn 3sn Tablo 2. Test Matris. Numune No Basınç Genlik Kaynak *(+) Değişken parametre * (-) Sabit parametre 2. SONUÇLAR Bekleme Numunelere ait bağlantı noktalarındaki Kopma dayanımı sonuçları Tablo 3 te görülmektedir. Tablo 3 te görülen kopma dayanımı sonuçları değerlendirildiğinde; Parçalar arasındaki kopma dayanımı frekans, genlik, basınç değerinin tablo3 te belirtilen değerlere kadar artmasıyla artmıştır. Kaynak süresi değişkenini belirlerken, belirli genlik ve optimum basınç değerini kullanarak, başlangıç süresinden az veya çok kaynak süresini deneyerek çok sayıda parça kaynak edilir. İstenilen estetik görünüm, kaynak mukavemeti ve kaynak nüfuziyeti elde edilene kadar kaynağa devam edilir. [9] Optimum basınç ve genlik şartlarını belirlemek için kaynak süresi sabit tutulmalıdır. Kaynak basıncını belirlemek için seçilen bir titreşim genlik değerinde çeşitli kaynak basınçlarında çok sayıda parça kaynak edilir. 12 numaralı numune için belirlenen 1,5 sn kaynak süresi bağlantının kopma mukavemetinin 37.55daN olmasını neden olmuştur. Ancak çelik tel üzeri spiral sarım tellerle zırhlıdır. Zırhın üzeri de ekstrüzyon yöntemi ile 0.5mm kalınlığında polipropilen malzeme ile kaplıdır. Diğer bir bağlantı parçası olan sabitleyici parçanın kalınlığı ise 1,9mm dir.12 nolu numunede 1,5 sn kaynak süresinin tel üzerindeki polipropilen ekstrüzyon malzemesini tel üzerindeki zırh malzemesine kadar tamamen eriterek sabitleyici parça ile bağlantıyı sağladığı görülmüştür. Bu durum kaynaklı bölge çevresinde çapaklar oluşmasına, kaynaklı bölgede estetik görünümün bozulmasına neden olmuştur. Parçanın kenarlarında çapak olmaması görünüş açısından çok önemlidir. Bazı uygulamalarda kaynak çapaklarının temizlenmesi gerekir. Çoğu durumlarda kenarlarda kaynak çapak olmadan yüksek mukavemetli kaynaklar yapmak imkansız olduğundan tasarımın içine kaynak çapakları da dahil edilir. En uygun kaynak şartlarını bulmanın kuralı, önceki kaynak uygulamalarıyla elde edilen deneyime dayanarak kolayca çıkartılabilir.[9] Bekleme süresi parçalar kaynak edildikten sonra basınç altında parçaların katılaşması için birlikte tutuldukları süredir. Basınç süresi çoğu uygulamalarda kritik bir değişken değildir. Söz konusu bağlantı tasarımında 3 adet bekleme süresi belirlenmiş ve diğer parametreler sabit tutularak bu 3 farlı bekleme süresi değerinin bağlantının kopma dayanımına etkisi gözlemlenmiştir. 1,5 sn bekleme süresi 1sn ye göre kopma dayanımı arttırırken 3sn bekleme süresinin kopma dayanımına etkisinin olmadığı tablo3 te görülmektedir. 1,5 sn den sonra bekleme süresinin arttırılmasının bağlantının kopma dayanımına etkisinin olmayacağı açıktır. Ultrasonik kaynağın diğer bir avantajı da ana plastik malzemenin mukavemetinin %90-98'ine ulaşan mukavemette bağlantılar yapılabilmesidir.[9] Çalışmada plastik sabitleyicinin ve kablonun kaplama malzemesinin (Polipropilen, PP) Kopma dayanımı 40daN dır. Tablo3 te 12 numaralı numunenin kopma dayanımının 37,55daN olduğu görülmektedir. Sonuç olarak Polipropilen malzemenin %93ine ulaşan mukavemette bağlantı 12numaralı numune ile elde edilmiştir.

5 Bekleme Kaynak K a y n a k P a r a m e t r e l e r i Genlik Basınç 1 Tablo 3. Numunelerin kopma dayanımı sonuçları. N u m u n e l e r 20,6 khz 20,7 khz 20,8 khz Genlik Sabit 2 Genlik Sabit 3 Genlik Sabit Bekleme Sabit Bekmele Sabit Bekleme Sabit Kopma Dayanımı 28,97 dan Kopma Dayanımı 28,02 dan Kopma Dayanımı 27,64daN Sabit Sabit Sabit Basınç 2 bar Basınç 4bar Basınç 7 bar 4 Genlik Sabit 5 Genlik Sabit 6 Genlik Sabit Bekleme Sabit Bekleme Sabit Bekleme Sabit Kopma Dayanımı 26,04 dan Kopma Dayanımı 27,1 dan Kopma Dayanımı 28,2 dan 7 Genlik 50% 8 Genlik 75% 9 Genlik 100% Bekleme Sabit Bekleme Sabit Bekleme Sabit Kopma Dayanımı 27,4 dan Kopma Dayanımı 27,56 dan Kopma Dayanımı 28,8 dan 10 Genlik Sabit 11 Genlik Sabit 12 Genlik Sabit Kaynak 1 sn Kaynak 1,2 sn Kaynak 1,5 sn Bekleme Sabit Bekleme Sabit Bekleme Sabit Kopma Dayanımı 28,71 dan Kopma Dayanımı 30,87 dan Kopma Dayanımı 37,55 dan 13 Genlik Sabit 14 Genlik Sabit 15 Genlik Sabit Bekleme 1 sn Bekleme 1,5 sn Bekleme 3 sn Kopma Dayanımı 27,72 dan Kopma Dayanımı 28,24 dan Kopma Dayanımı 28,20 dan KAYNAKLAR 1. Benatar, A., Eswaran, R.V., Nayar, A.K., (1989). Ultrasonic Welding of Thermoplastics in the Near-Field, Polymer Engineering Science, December 1989, Vol. 29, No. 23,pp Michaeli, W., Korte, W., (1995). Quality Assurance in ultrasonic welding on the basis of statistical process models prediction of weld strength. Welding in the World, Vol. 35, Issue 5, September- October, pp Van Wijk, H., Luiten, G.A., Van Engen, P.G., Nonhof, C.F., (1996). Process Optimization of Ultrasonic Welding, Polymer Engineering and Science,Vol. 36, No. 9, pp Liu, S.J., Lin, W.F., Chang, B.C., Wu, G.M., (1999). Optimizing the Joint Strength of Ultrasonically Welded hermoplastics, Advances in Polymer Technology, Vol.18, No.2, pp , 5. Volkov, S.S., (2001). Technological

6 special features of ultrasound welding of polymer films, Welding International, Vol. 15, Part 3, pp Rani M. R., Rudramoorthy (2013), R., Computational modeling and experimental studies of the dynamic performance of ultrasonic horn profiles used in plastic welding, Elseiver, Ultrasonics Volume 53, Kahraman, N., Gülenç, B., (2013), Modern Kaynak Teknolojisi, 2. Baskı, Epa-Mat Basım Yayın Ltd. Şti, Ankara. 8. Benetar A., Bonten C., Grewell D., Tuechert C., (2001) P3, (Plastics Pocket Power / Welding) Hanser Publishers, Munich 9. Karahasanoğlu C., Erkul M., (1999) Termoplastiklerin ultrasonik kaynağı ve kaynak parametreleri Makine Mühendisleri Odası Plastik Malzemeler ve Teknolojileri Konferansı pp Harper C. A., (1999) Modern Plastics Handbook, 1. Baskı, McGraw-Hill Publications, New York 11. Taş, Y., (2008), Termoplastiklerin birleştirilmesinde kullanılan ultrasonik kaynak yönteminde kaynak kalitesini etkileyen parametrelerin incelenmesi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitisü