Nghiên cứu xác định đường đi của vết nứt của mẫu thử vật liệu hàn bằng phương pháp tương quan ảnh số và phần tử hữu hạn

Bài viết Nghiên cứu xác định đường đi của vết nứt của mẫu thử vật liệu hàn bằng phương pháp tương quan ảnh số và phần tử hữu hạn nghiên cứu sự phát triển của vết nứt trong chi tiết chế tạo bằng vật liệu hàn InnoLot bằng thực nghiệm và PTHH. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc dự đoán sự phá hủy của vật liệu nhằm tìm cách ngăn ngừa phá hủy xảy ra.

Tào Quang Bảng, Lê Văn Dương 60 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG ĐI CỦA VẾT NỨT CỦA MẪU THỬ VẬT LIỆU HÀN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG QUAN ẢNH SỐ VÀ PHẦN TỬ HỮU HẠN IDENTIFICATION OF CRACK PROPAGATION OF A LEAD-FREE SOLDER MATERIAL USING DIC AND FEM METHODS Tào Quang Bảng , Lê Văn Dương Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; tqbang@dut.udn.vn Công ty THACO, Khu công nghiệp Chu Lai, Quảng Nam Tóm tắt - Đối với thiết bị điện tử, mối hàn liên kết chi tiết phần dể bị hư hỏng trình làm việc Vì vậy, việc chẩn đốn hư hỏng mối hàn đặc biệt xác định đường vết nứt có ý nghĩa quan trọng để chi tiết làm việc với tuổi thọ cao Việc phát triển kỹ thuật đo đạc phân tích vết nứt đại cần thiết nhận quan tâm lớn nhà khoa học giới Một phương pháp đưa để giải vấn đề phương pháp tương quan ảnh số (Digital Image Correlation) với phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) Vì vậy, báo nghiên cứu phát triển vết nứt chi tiết chế tạo vật liệu hàn InnoLot thực nghiệm PTHH Kết nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng việc dự đoán phá hủy vật liệu nhằm tìm cách ngăn ngừa phá hủy xảy Abstract - For electronic devices, solder joint is a weakness part that is easily to failure during working Therefore, the diagnosis of failure of the joint, especially determining the path of a crack, is very important The development of modern analytical measurement techniques is very necessary and has received a great attention from scientists around the world One of the newly method to solve the problem is Digital Image Correlation (DIC) and FEM as well Thus, in this study, the digital image correlation and FEM methods will be used to determine the crack propagation of InnoLot lead-free material The results of the study are important in predicting the failure of materials in order to prevent failure happens Từ khóa - Đường vết nứt; DIC; phương pháp tương quan ảnh số; vật liệu hàn; tính Key words - Crack propagation; DIC; digital image correlation; solder materials; mechanical properties Đặt vấn đề Việc dự đoán phát triển vết nứt để kiểm soát hư hại chi tiết công việc quan trọng Ở khía cạnh khác, việc xác định biến dạng chi tiết phức tạp đặc biệt chi tiết có kích thước nhỏ vi mạch điện tử Vì thế, phương pháp quang học, phương pháp đo không tiếp xúc đo biến dạng toàn chi tiết, thường sử dụng vùng đo nhỏ ngăn cản việc sử dụng phương pháp tiếp xúc truyền thống cảm biến chuyển vị (contact extensometer) Để đáp ứng yêu cầu đó, phương pháp tương quan ảnh số (Digital Image Correlation – DIC) phát triển đưa vào sử dụng ưu điểm trội so với phương pháp đo truyền thống khác Phương pháp tương quan ảnh số phương pháp không tiếp xúc, không phá hủy để đo lường chuyển vị biến dạng Phương pháp DIC đề xuất nhà nghiên cứu Đại học Southern Carolina (Mỹ) vào đầu năm 1980 Tuy nhiên, năm gần đây, phương pháp DIC quan tâm để đo trường biến dạng nhiều lĩnh vực ứng dụng khác Cụ thể, phương pháp sử dụng nhiều lĩnh vực cho vật liệu khác vật liệu sinh học, kim loại, hợp kim, polyme, geomaterials ứng dụng thành công thiết bị điện điện tử [1-4] Hơn nữa, kết hợp DIC với việc đo (kiểm tra) độ bền chỗ phát triển để xác định biến dạng chi tiết kích thước micro nano Sự kết hợp sử dụng rộng rãi để xác định trường phân bố biến dạng, trường biến dạng gần vết nứt, tính chất học vật liệu bao gồm module đàn hồ i, hệ số Poisson hệ số cường độ ứng suất Phương pháp tương quan ảnh số phương pháp mạnh mẽ để phát biến dạng bề mặt vật liệu thành phần khác sử dụng phổ biến ứng dụng liên quan đến: - Kiểm tra vật liệu đặc tính nó; - Nghiên cứu phá hủy mỏi; - Theo dõi độ tin cậy chi tiết; - Vật liệu có thành phần hình dạng phức tạp ; - Đo tĩnh động biến dạng chuyển động Trong ngành công nghiệp sản xuất ôtô, loại vật liệu hàn thuộc nhóm vật liệu hàn khơng chì (lead-free solders) có tên gọi InnoLot, bắt đầu đưa vào sử dụng thiết bị, chi tiết vi mạch điện tử Vật liệu có nhiều điểm ưu việt so với vật liệu truyền thống có khả làm việc lâu dài điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ cao, rung động lớn…) [5, 6] Vì vậy, báo này, nhóm tác giả nghiên cứu phát triển vết nứt chi tiết chế tạo vật liệu hàn InnoLot thực nghiệm mơ số Nhóm tác giả phát triển thiết bị thí nghiệm kết hợp với thiết bị trích xuất hình ảnh để xác định trường biến dạng toàn chi tiết Ngoài ra, nhóm tác giả sử dụng phương pháp PTHH để kiểm nghiệm Dựa đặc tính nhớt dẻo vật liệu hàn, tiến hành tính tốn mơ số PTHH để dự đoán đường vết nứt biến dạng chi tiết mối hàn Nội dung Phương pháp tương quan hình ảnh kỹ thuật số (DIC) đề cập đến kỹ thuật đo quang không tiếp xúc, bao gồm bước thu nhận, lưu trữ tương quan hình ảnh phát minh kể từ năm 1980 Nó tạo trường biến dạng toàn chi tiết theo tất hướng Phương pháp DIC phát triển thành kỹ thuật cho thử nghiệm học chỗ với độ nhạy cao ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 5.1, 2020 DIC 2-D mặt phẳng xuấ t phát từ khái niệm camera theo dõi chuyển động tính bề mặt mẫu Cảm biến camera tập trung vào bề mặt vật thể phẳng để ghi lại hình ảnh mẫu vật tải khác Mẫu vật sơn phun với mẫu màu đen trắng làm tính để cung cấp cho pixel giá trị màu xám nằm khoảng từ (đen) đến 255 (trắng) Các nguồn sáng quan trọng để chiếu sáng tính trắng đen bề mặt mẫu Ngồi ra, đơn vị tính toán tập hợp con, bao gồm vài pixel Bằng cách nhóm nhiều pixel vào tập hợp con, có khả tương quan nhận hình dạng độ dịch chuyển tập hợp Biến dạng cắt chứng minh thơng qua so sánh hình dạng tập hợp DIC 2-D đạt độ xác đo 0,02 pixel Kỹ thuật tương quan ảnh số bao gồm so sánh hình ảnh bị biến dạng bề mặt mẫu với hình ảnh tham chiếu thu trước biến dạng Thuật tốn tương quan địi hỏi hình ảnh bề mặt phải "mịn", thu phương pháp lốm đốm Mẫu sơn m áy phun với đường kính vịi phun 0,2 mm Đầu phun điều chỉnh để tạo đốm nhỏ bề mặt đủ mịn (đốm sơn kích thước nhỏ milimet) Hình ảnh tham chiếu chia thành tập hợp có vị trí xác định hình ảnh bị biến dạng Xem xét tập hợp tập trung vào điểm P(x0 , y0 ) ảnh tham chiếu (xem Hình 1) Một điểm Q(xi , yi ) tập hợp trở thành điểm Q(xi, yi ) sau biến dạng tập hợp đích cách biến đổi sau: u u xi = xi + u + x + y x y v v yi = yi + v + x + y x y (1) Trong đó: u v thành phần chuyển vị tập hợp tham chiếu P(x0 ,y0 ); 𝜕𝑢/𝜕𝑥, 𝜕𝑢/𝜕𝑦, 𝜕𝑣/𝜕𝑥,𝜕𝑣/𝜕𝑦: gradient chuyển vị ∆𝑥 = 𝑥 𝑖 − 𝑥 , ∆𝑦 = 𝑦𝑖 − 𝑦0 Để ước tính mức độ tương tự tập hợp tham chiếu tập hợp bị biến dạng, hệ số tương quan tính theo tiêu chí cụ thể từ tập hợp điểm tập hợp Bằng cách tìm kiếm giá trị cực trị hệ số này, xác định độ dịch chuyển điểm P (a) (b) Hình (a) Phương pháp DIC, (b) tham chiếu cực liên quan đến đầu vết nứt Phần mềm sử dụng nghiên cứu phần mềm mã nguồn mỡ Ncorr Trong phần mềm hai tiêu chí tương quan áp dụng liên tiếp Tiêu chí ZNCC trước 61 tiên sử dụng để tìm giải pháp gần (tương quan tốt theo tiêu chí gần với 1), sau tiêu chí ZNSSD sử dụng để tìm giải pháp xác (tương quan tốt theo tiêu chí gần 0) Đối với tập hợp N chứa điểm, biểu thức hai tiêu chí đưa bởi:  (f N C ZNCC = i =1  (f i =1 C ZNSSD   = i =1    i − f )( g i − g ) − f)  (g N i N i =1 fi − f N  (f − f) N i =1 i − i − g) gi − g  (g N i =1 i − g)      (2) Trong đó: fi = f (xi , yi ) gi = g (xi, yi ) : biểu diễn mức tương phản điểm i tập tham chiếu tập bị biến dạng tương ứng f = i=1 f i N g = i =1 g i N : biểu thị giá trị N N trung bình mức tương phản hai tập Vật liệu q trình thí nghiệm 3.1 Vật liệu chi tiết thí nghiệm Trong nghiên cứu này, vật liệu hàn khơng chì InnoLot chọn để nghiên cứu Thành phần hóa học vật liệu thể Bảng Việc nghiên cứu thêm vật liệu nhằ m làm sáng tỏ thêm đặc tính cải tiến bổ sung thêm để sử dụng tốt điều kiện khắc nghiệt ô tô Bảng Thành phần hóa học vật liệu hàn InnoLot Sn Ag Cu Sb Bi Fe Al As Ni Tchảy Tnguội 90,8 3,8 0,7 1,54 3,0 0,003