Application of a control banding tool for risk level assessment and control of nanoparticles exposure in welding operations

Scope of study: welding operations result in harmful emissions of nanoparticles; the aim of emissions monitorisation is to evaluate exposure levels and to derive protection measures in order to protect exposed workers; however, the traditional approach of comparing measured concentrations with exposure limits cannot be used; but risk levels can be quantified by using Control Banding Strategies.

Non-volatile analysis in fruits by laser resonant ionization spectrometry: application to resveratrol (3,5,4 -trihydroxystilbene) in grapes

Applied Physics B Lasers and Optics, vol.71

PINPIN a-Si: H based structures for X-ray image detection using the laser scanning technique

Conventional film based X-ray imaging systems are being replaced by their digital equivalents. Different approaches are being followed by considering direct or indirect conversion, with the later technique dominating. The typical, indirect conversion, X-ray panel detector uses a phosphor for X-ray conversion coupled to a large area array of amorphous silicon based optical sensors and a couple of switching thin film transistors (TFT). The pixel information can then be readout by switching the correspondent line and column transistors, routing the signal to an external amplifier. In this work we follow an alternative approach, where the electrical switching performed by the TFT is replaced by optical scanning using a low power laser beam and a sensing/switching PINPIN structure, thus resulting in a simpler device. The optically active device is a PINPIN array, sharing both front and back electrical contacts, deposited over a glass substrate. During X-ray exposure, each sensing side photodiode collects photons generated by the scintillator screen (560 nm), charging its internal capacitance. Subsequently a laser beam (445 nm) scans the switching diodes (back side) retrieving the stored charge in a sequential way, reconstructing the image. In this paper we present recent work on the optoelectronic characterization of the PINPIN structure to be incorporated in the X-ray image sensor. The results from the optoelectronic characterization of the device and the dependence on scanning beam parameters are presented and discussed. Preliminary results of line scans are also presented. (C) 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.

Assessment and control of nanoparticles exposure in welding operations by use of a control banding tool

This paper describes the use of a Control Banding Tool to assess and further control of exposure of nanoparticles emitted during welding operations. The tool was applied to Metal Active Gas (MAG) arc welding of mild and stainless steel, providing semi-quantitative data on the process, so that protection measures could be derived, e.g. exhaust gas ventilation by hoods, local ventilation devices and containment measures. This tool is quite useful to compare and evaluate the characteristics of arc welding procedures so that more eco-friendly processes could be preferred over the more potentially noxious ones.

Effect of temperature on the shear strength of aluminium single lap bonded joints for high temperature applications

An experimental and numerical investigation into the shear strength behaviour of adhesive single lap joints (SLJs) was carried out in order to understand the effect of temperature on the joint strength. The adherend material used for the experimental tests was an aluminium alloy in the form of thin sheets, and the adhesive used was a high-strength high temperature epoxy. Tensile tests as a function of temperature were performed and numerical predictions based on the use of a bilinear cohesive damage model were obtained. It is shown that at temperatures below Tg, the lap shear strength of SLJs increased, while at temperatures above Tg, a drastic drop in the lap shear strength was observed. Comparison between the experimental and numerical maximum loads representing the strength of the joints shows a reasonably good agreement.

The use of the boundary element method in the analysis of single lap joints

The most common techniques for stress analysis/strength prediction of adhesive joints involve analytical or numerical methods such as the Finite Element Method (FEM). However, the Boundary Element Method (BEM) is an alternative numerical technique that has been successfully applied for the solution of a wide variety of engineering problems. This work evaluates the applicability of the boundary elem ent code BEASY as a design tool to analyze adhesive joints. The linearity of peak shear and peel stresses with the applied displacement is studied and compared between BEASY and the analytical model of Frostig et al., considering a bonded single-lap joint under tensile loading. The BEM results are also compared with FEM in terms of stress distributions. To evaluate the mesh convergence of BEASY, the influence of the mesh refinement on peak shear and peel stress distributions is assessed. Joint stress predictions are carried out numerically in BEASY and ABAQUS®, and analytically by the models of Volkersen, Goland, and Reissner and Frostig et al. The failure loads for each model are compared with experimental results. The preparation, processing, and mesh creation times are compared for all models. BEASY results presented a good agreement with the conventional methods.

Large-area homogeneous periodic surface structures generated on the surface sputtered boron carbide thin films by femtosecond laser processing

Amorphous and crystalline sputtered boron carbide thin films have a very high hardness even surpassing that of bulk crystalline boron carbide (≈41 GPa). However, magnetron sputtered B-C films have high friction coefficients (C.o.F) which limit their industrial application. Nanopatterning of materials surfaces has been proposed as a solution to decrease the C.o.F. The contact area of the nanopatterned surfaces is decreased due to the nanometre size of the asperities which results in a significant reduction of adhesion and friction. In the present work, the surface of amorphous and polycrystalline B-C thin films deposited by magnetron sputtering was nanopatterned using infrared femtosecond laser radiation. Successive parallel laser tracks 10 μm apart were overlapped in order to obtain a processed area of about 3 mm2. Sinusoidal-like undulations with the same spatial period as the laser tracks were formed on the surface of the amorphous boron carbide films after laser processing. The undulations amplitude increases with increasing laser fluence. The formation of undulations with a 10 μm period was also observed on the surface of the crystalline boron carbide film processed with a pulse energy of 72 μJ. The amplitude of the undulations is about 10 times higher than in the amorphous films processed at the same pulse energy due to the higher roughness of the films and consequent increase in laser radiation absorption. LIPSS formation on the surface of the films was achieved for the three B-C films under study. However, LIPSS are formed under different circumstances. Processing of the amorphous films at low fluence (72 μJ) results in LIPSS formation only on localized spots on the film surface. LIPSS formation was also observed on the top of the undulations formed after laser processing with 78 μJ of the amorphous film deposited at 800 °C. Finally, large-area homogeneous LIPSS coverage of the boron carbide crystalline films surface was achieved within a large range of laser fluences although holes are also formed at higher laser fluences.

Laser-induced diffusion decomposition in Fe-V thin-film alloys

We investigate the origin of ferromagnetism induced in thin-film (similar to 20 nm) Fe-V alloys by their irradiation with subpicosecond laser pulses. We find with Rutherford backscattering that the magnetic modifications follow a thermally stimulated process of diffusion decomposition, with formation of a-few-nm-thick Fe enriched layer inside the film. Surprisingly, similar transformations in the samples were also found after their long-time (similar to 10(3) s) thermal annealing. However, the laser action provides much higher diffusion coefficients (similar to 4 orders of magnitude) than those obtained under standard heat treatments. We get a hint that this ultrafast diffusion decomposition occurs in the metallic glassy state achievable in laser-quenched samples. This vitrification is thought to be a prerequisite for the laser-induced onset of ferromagnetism that we observe. 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.

Magnetic pulse welding

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Numerical and Experimental Analysis of Balanced and Unbalanced Adhesive Single-Lap Joints between Aluminium Adherends

The single-lap joint is the most commonly used, although it endures significant bending due to the non-collinear load path, which negatively affects its load bearing capabilities. The use of material or geometric changes is widely documented in the literature to reduce this handicap, acting by reduction of peel and shear peak stresses or alterations of the failure mechanism emerging from local modifications. In this work, the effect of using different thickness adherends on the tensile strength of single-lap joints, bonded with a ductile and brittle adhesive, was numerically and experimentally evaluated. The joints were tested under tension for different combinations of adherend thickness. The effect of the adherends thickness mismatch on the stress distributions was also investigated by Finite Elements (FE), which explained the experimental results and the strength prediction of the joints. The numerical study was made by FE and Cohesive Zone Modelling (CZM), which allowed characterizing the entire fracture process. For this purpose, a FE analysis was performed in ABAQUS® considering geometric non-linearities. In the end, a detailed comparative evaluation of unbalanced joints, commonly used in engineering applications, is presented to give an understanding on how modifications in the bonded structures thickness can influence the joint performance.

Effect of Adherend Recessing on the Tensile Strength of Single Lap Joints

Bonded joints are gaining importance in many fields of manufacturing owing to a significant number of advantages to the traditional methods. The single lap joint (SLJ) is the most commonly used method. The use of material or geometric changes in SLJ reduces peel and shear peak stresses at the damage initiation sites. In this work, the effect of adherend recessing at the overlap edges on the tensile strength of SLJ, bonded with a brittle adhesive, was experimentally and numerically studied. The recess dimensions (length and depth) were optimized for different values of overlap length (LO), thus allowing the maximization of the joint’s strength by the reduction of peak stresses at the overlap edges. The effect of recessing was also investigated by a finite element (FE) analysis and cohesive zone modelling (CZM), which allowed characterizing the entire fracture process and provided joint strength predictions. For this purpose, a static FE analysis was performed in ABAQUS1 considering geometric nonlinearities. In the end, the experimental and FE results revealed the accuracy of the FE analysis in predicting the strength and also provided some design principles for the strength improvement of SLJ using a relatively simple and straightforward technique.

Sistema de visão e laser para percepção em ambientes subaquáticos

A exploração do meio subaquático utilizando visão computacional é ainda um processo complexo. Geralmente são utilizados sistemas de visão baseados em visão stereo, no entanto, esta abordagem apresenta limitações, é pouco precisa e é exigente em termos computacionais quando o meio de operação é o subaquático. Estas limitações surgem principalmente em dois cenários de aplicação: quando existe escassez de iluminação e em operações junto a infraestruturas subaquáticas. Consequentemente, a solução reside na utilização de fontes de informação sensorial alternativas ou complementares ao sistema de visão computacional. Neste trabalho propõe-se o desenvolvimento de um sistema de percepção subaquático que combina uma câmara e um projetor laser de um feixe em linha, onde o projetor de luz estruturada _e utilizado como fonte de informação. Em qualquer sistema de visão computacional, e ainda mais relevante em sistemas baseados em triangulação, a sua correta calibração toma um papel fulcral para a qualidade das medidas obtidas com o sistema. A calibração do sistema de visão laser foi dividida em duas etapas. A primeira etapa diz respeito à calibração da câmara, onde são definidos os parâmetros intrínsecos e os parâmetros extrínsecos relativos a este sensor. A segunda etapa define a relação entre a câmara e o laser, sendo esta etapa necessária para a obtenção de imagens tridimensionais. Assim, um dos principais desafios desta dissertação passou por resolver o problema da calibração inerente a este sistema. Desse modo, foi desenvolvida uma ferramenta que requer, pelo menos duas fotos do padrão de xadrez, com perspectivas diferentes. O método proposto foi caracterizado e validado em ambientes secos e subaquáticos. Os resultados obtidos mostram que o sistema _e preciso e os valores de profundidade obtidos apresentam um erro significativamente baixo (inferiores a 1 mm), mesmo com uma base-line (distância entre a centro óptico da câmara e o plano de incidência do laser) reduzida.

Influência do tipo de adesivo em juntas híbridas soldadas-adesivas

A necessidade de utilizar métodos de ligação entre componentes de forma mais rápida, eficaz e com melhores resultados, tem causado a crescente utilização das juntas adesivas, em detrimento dos métodos tradicionais de ligação tais como a soldadura, brasagem, ligações aparafusadas e rebitadas. A utilização das juntas adesivas tem vindo a aumentar em diversas aplicações industriais por estas apresentarem vantagens das quais se destacam a redução de peso, redução de concentrações de tensões e facilidade de fabrico. No entanto, também apresentam desvantagens, como a necessidade de preparação das juntas e o descentramento da carga aplicada que provoca efeitos de flexão, os quais dão origem a tensões normais na direcção da espessura do adesivo (tensões de arrancamento), afectando assim a resistência da junta. A combinação da ligação adesiva com a soldadura por pontos permite algumas vantagens em comparação com as juntas adesivas tradicionais como a maior resistência, aumento da rigidez, melhor resistência ao corte e arrancamento e também à fadiga. Neste trabalho é apresentado um estudo experimental e numérico de juntas de sobreposição simples adesivas e híbridas (adesivas-soldadas). Os adesivos utilizados são o Araldite AV138®, apresentado como sendo frágil, e os adesivos Araldite 2015® e Sikaforce® 7752, intitulados como adesivos dúcteis. Foram considerados substratos de aço (C45E) em juntas com diferentes comprimentos de sobreposição ( ), que foram sujeitas a esforços de tracção. Foi realizada uma análise dos valores experimentais e efectuada uma comparação destes valores com os resultados obtidos por Elementos Finitos (EF) no software ABAQUS®, que incluiu uma análise de tensões na camada de adesivo e previsão do comportamento das juntas por Modelos de Dano Coesivo (MDC). A análise por MDC permitiu obter os modos de rotura, as curvas força-deslocamento e a resistência das juntas com bastante precisão, com excepção das juntas coladas com o adesivo Sikaforce® 7752. Estes resultados permitiram validar a técnica de modelação proposta para as juntas coladas e híbridas, o que representa uma base para posterior aplicação desta técnica em projecto, com as vantagens decorrentes da redução do tempo de projecto e maior facilidade de optimização.

Ligação Adesiva de Polímeros Particularmente Difíceis de Colar

As ligações adesivas têm sido cada vez mais utilizadas nos últimos anos em detrimento de outros métodos tais como a soldadura, ligações aparafusadas e ligações rebitadas. Os plásticos de Engenharia têm um papel cada vez mais preponderante na indústria, devido às suas excelentes propriedades. Neste trabalho foram considerados três polímeros diferentes, o Policloreto de Vinilo (PVC) e o Polipropileno (PP) dado o seu baixo custo e peso e a superfície quimicamente inerte e o Politetrafluoretileno (PTFE) devido às suas boas propriedades químicas e excelentes propriedades de deslizamento. No entanto, estes materiais possuem uma baixa energia de superfície e, por isso, são muito difíceis de colar com mais relevância para o PTFE. Assim, após um estudo preliminar foi escolhido, para realizar as colagens necessárias, um adesivo da Tamarron Technology “Tam Tech Adhesive”, próprio para este tipo de substratos difíceis de colar. Posteriormente foi efetuada a sua caraterização através de ensaios de provetes maciços à tração. O principal objetivo deste trabalho foi estudar juntas de sobreposição simples de materiais poliméricos difíceis de colar tais como o PTFE, PP e PVC com recurso a um adesivo que não necessitasse de preparação de superfície. Foram fabricadas juntas de sobreposição simples (JSS) segundo os métodos Lap Shear (LS) e Block Shear (BS) dos três materiais referidos anteriormente e realizados os respetivos ensaios para avaliar o comportamento mecânico das ligações adesivas. Os materiais utilizados como substratos foram também submetidos a ensaios de tração com a finalidade de obter o módulo de elasticidade e as suas propriedades de resistência. Os substratos envolvidos nas juntas adesivas não sofreram qualquer preparação especial das superfícies. Na maioria dos casos consistiu apenas numa limpeza das superfícies com álcool etílico. Contudo, para o PTFE também se experimentou a preparação por abrasão com lixa e por chama. Foi também efetuado um trabalho de simulação numérica por elementos finitos utilizando um modelo de dano coesivo triangular. As resistências ao corte obtidas são superiores em BS comparativamente a LS, exceção feita aos substratos de PTFE aonde os resultados são similares. O tratamento por chama melhorou a resistência mecânica das juntas. Verificou-se também que o modelo numérico simulou adequadamente o comportamento das juntas principalmente das LS.

Optimização da focagem de feixes laser em tecidos biológicos: desenvolvimento de um simulador óptico

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Biomédica