Luận án tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Ảnh hưởng các thông số công nghệ chính đến chất lượng mối hàn siêu âm đối với vải không dệt

TỔNG QUAN

Tính cấp thiết và lý do lựa chọn đề tài

Các nghiên cứu và phân tích ứng dụng hàn siêu âm đối với công nghệ hàn vật liệu nhựa nhiệt dẻo được thực hiện từ khá lâu trên thế giới, bởi các trường đại học, viện nghiên cứu hoặc các công ty Hàn siêu âm được sử dụng chủ yếu trong đóng gói bao bì và các chi tiết được chế tạo từ nhựa vì có nhiều ưu điểm như: là công nghệ sạch, tiêu tốn ít năng lượng, năng suất cao, không cần công nhân trình độ cao và đặc biệt có thể tự động hóa dễ dàng Điều này cho thấy việc nghiên cứu ứng dụng hàn siêu âm cho nhựa nhiệt dẻo là rất đa dạng; hàn siêu âm cho nhựa nhiệt dẻo vẫn còn là đề tài mới, đầy tiềm năng [1] Đối với các trường đại học hoặc viện nghiên cứu trong nước, hiện chưa có đơn vị nào thực hiện nghiên cứu đầy đủ về cơ sở lý thuyết hàn siêu âm, tính toán, thiết kế, chế tạo thiết bị hàn siêu âm phục vụ cho việc hàn các chi tiết nhựa nhiệt dẻo Đối với các doanh nghiệp Việt Nam, hàn siêu âm ứng dụng để hàn các chi tiết nhựa nhiệt dẻo là một phương pháp hàn còn khá mới Một vài doanh nghiệp có nhu cầu và khả năng đầu tư nhưng chưa mạnh dạn do lo ngại về bảo trì, thay thế thiết bị

Từ những phân tích trên ta nhận thấy việc nghiên cứu về công nghệ và chế tạo thiết bị hàn siêu âm là một hướng đi đầy tiềm năng trong lĩnh vực hàn ở nước ta Hàn siêu âm góp phần làm đa dạng sự lựa chọn gia công các chi tiết nhựa nhiệt dẻo, đưa công nghệ Việt Nam dần bắt kịp công nghệ tiên tiến trên thế giới

Hiện tại, thiết bị hàn siêu âm vải không dệt được ứng dụng rất nhiều trong ngành may, đặc biệt là các sản phẩm y tế như: khẩu trang, quần áo và nón bảo hộ Tuy nhiên, chất lượng đường hàn siêu âm thường không ổn định, tỷ lệ phế phẩm cao vì các thông số của quá trình hàn thường chưa được lựa chọn phù hợp

Do đó việc tìm ra hướng tối ưu các thông số công nghệ chính của quá hàn siêu âm để có những sản phẩm đáp ứng yêu cầu hiện nay về chất lượng và năng suất là nhu cầu cấp thiết Quá trình hàn siêu âm cần được nghiên cứu một cách đầy đủ bằng những phương pháp hiện đại và dựa trên những cơ sở khoa học

Mục tiêu và nội dung của nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu của nghiên cứu

Mục tiêu của luận án: nghiên cứu thiết bị, lựa chọn các thông số công nghệ chính của phương pháp hàn siêu âm cho vật liệu vải không dệt PP đảm bảo được chất lượng theo yêu cầu

1.2.2 Nội dung của nghiên cứu

Với mục tiêu trên, luận án có các nội dung như sau:

Khảo sát các ứng dụng hàn siêu âm áp dụng cho nhựa nhiệt dẻo, vải không dệt:

 Khảo sát các thông số công nghệ của nhựa nhiệt dẻo ảnh hưởng đến quá trình hàn

 Đối với nhựa nhiệt dẻo PP có cấu trúc bán tinh thể nên việc hàn siêu âm được thực hiện tương đối dễ dàng Vải không dệt PP khi hàn siêu âm ở tần số 20 kHz thì biên độ dao động được đề xuất là 38 μm trở lên

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hàn siêu âm, vật liệu hàn siêu âm:

 Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết của phương pháp hàn siêu âm bao gồm: nguồn hàn siêu âm, bộ chuyển đổi, khuếch đại dao động, khuôn hàn siêu âm, thiết kế đường hàn siêu âm, hàn gần hàn xa, hàn liên tục và gián đoạn…

 Nghiên cứu về vật liệu nhựa nhiệt dẻo

Nghiên cứu kết cấu, vật liệu, chế tạo khuôn hàn và thiết bị hàn siêu âm

 Tìm hiểu về công nghệ chế tạo khuôn hàn siêu âm

 Nghiên cứu về kết cấu và vật liệu để chế tạo khuôn hàn và hệ siêu âm

 Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo khuôn hàn siêu âm dọc trục và hướng kính

 Nghiên cứu tính toán thiết kế, mô phỏng phần tử hữu hạn hệ siêu âm Ứng dụng các phương pháp quy hoạch thực nghiệm để tối ưu các thông số công nghệ chính

 Đánh giá về mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến độ bền kéo đứt của đường hàn siêu âm theo phương pháp Taguchi

 Nghiên cứu ứng dụng quy hoạch thực nghiệm để xác định phương trình hồi quy, từ đó tìm được miền giá trị các thông số công nghệ chính để đảm bảo độ bền kéo đứt của đường hàn

 Phân tích hình ảnh để đánh giá chất lượng của đường hàn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án bao gồm: vật liệu vải không dệt PP định lượng 70 GSM, khuôn hàn siêu âm dọc trục và hướng kính tần số 20 kHz

Thiết kế, mô phỏng, chế tạo khuôn hàn và thiết bị hàn siêu âm tần số 20 kHz

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính và hình dáng đường hàn đến chất lượng mối hàn (độ bền kéo đứt của đường hàn siêu âm) trên vật liệu vải không dệt

Ý nghĩa khoa học và ứng dụng thực tiễn

Công nghệ và thiết bị hàn siêu âm mà luận án nghiên cứu tạo điều kiện cho các nghiên cứu chuyên sâu sau này ở trong nước

Nghiên cứu hàn siêu âm trên vật liệu nhựa nhiệt dẻo PP làm nền tảng để nhóm nghiên cứu tiếp trục triển khai các nghiên cứu về công nghệ và thiết bị cho việc hàn siêu âm các chi tiết và kết cấu kim loại

Thực nghiệm tìm bộ thông số công nghệ hợp lý đảm bảo độ bền kéo đứt đạt giá trị mong muốn và tối ưu bằng phương pháp Taguchi với ma trận quy hoạch L18 cho 3 nhân tố đánh giá mức ảnh hưởng từng thông số công nghệ, ma trận quy hoạch L18 là tổ hợp 2 quy hoạch thực nghiệm bậc hai FCCCD với 2 nhân tố

1.4.2 Ứng dụng thực tiễn Đóng góp trong việc đào tạo kỹ sư chuyên về hàn siêu âm, hiện chưa có đơn vị nào đảm trách

4 Hàn siêu âm là công nghệ hàn sạch, không sinh ra các chất khí độc như hàn hồ quang hay hàn khí, đồng thời, hàn siêu âm thực hiện ở nhiệt độ thấp so với các phương pháp hàn khác nên mang lại các ảnh hưởng tích cực với môi trường và năng lượng

Thiết kế, chế tạo khuôn hàn và máy hàn siêu âm áp dụng cho các sản phẩm ngành may dân dụng cũng như các sản phẩm phục vụ cho ngành y tế

Xác định bộ thông số công nghệ chính hợp lý và tối ưu, đảm bảo độ bền kéo đứt đường hàn và nâng cao năng suất của thiết bị.

Nhựa nhiệt dẻo

1.5.1 Tổng quan về nhựa nhiệt dẻo

Polyme là một khái niệm dùng để chỉ các hợp chất có khối lượng phân tử lớn và trong cấu trúc của chúng có sự lặp đi lặp lại nhiều lần những mắt xích cơ bản Có 2 dạng polyme cơ bản: nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn Nhựa nhiệt rắn là loại vật liệu nhựa mà khi biến dạng chịu thay đổi hóa học không thuận nghịch và không thể tạo hình lại dưới tác dụng nhiệt và áp suất Do đó, nhựa nhiệt rắn không thể hàn bằng siêu âm

Nhựa nhiệt dẻo, sau khi biến dạng nhiệt, có thể tạo hình lại dưới tác dụng nhiệt và áp suất Đặc tính này có thể dùng để hàn siêu âm các vật liệu nhựa nhiệt dẻo [2,3] hoặc composite [1,4-8] Khi nung nóng đến nhiệt độ chảy mềm Tm thì vật liệu chảy mềm ra và khi hạ nhiệt độ thì đóng rắn lại Các mạch đại phân tử của nhựa nhiệt dẻo liên kết bằng các liên kết yếu (liên kết hydro, Van der Waals) và tính chất cơ học là không cao Nhựa nhiệt dẻo có khả năng tái sinh được nhiều lần, một số loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng như: PE, PP, ABS, PS, PMMA, PB, PET, …

Khi thảo luận về đặc tính hàn của nhựa nhiệt dẻo, cần phải nhận ra rằng có rất nhiều thông số ảnh hưởng đến yêu cầu năng lượng siêu âm cũng như tính hàn của nhựa nhiệt dẻo [9-11] Thông số công nghệ chính của nhựa nhiệt dẻo gồm: cấu trúc polyme, nhiệt độ chảy, chỉ số nóng chảy, mô đun đàn hồi và thành phần hóa học [12,13]

Vải không dệt có thể được chế tạo từ các loại sợi: tự nhiên, tái sinh và tổng hợp Sợi tổng hợp bao gồm: PP, PE, PET, …

1.5.2 Các yếu tố của vật liệu ảnh hưởng đến thông số của quá trình hàn

Cấu trúc polyme Đối với cấu trúc vô định hình: polyme cấu trúc vô định hình có khoảng nhiệt độ biến mềm ΔT rộng (ΔT = Tf – Tg, trong đó Tf là nhiệt độ chảy giọt và Tg là nhiệt độ thủy tinh hóa) cho phép vật liệu nóng chảy mà không bị đông đặc sớm Những loại polyme này nói chung rất hiệu quả khi được truyền dao động cơ học và có thể được hàn trong một khoảng rộng của áp lực và biên độ Đối với cấu trúc bán tinh thể: có khoảng nhiệt độ biến mềm ΔT hẹp hơn Ở trạng thái rắn, phân tử polyme giống như lò xo, hấp thụ 1 phần dao động cơ tần số cao, nên gây khó khăn trong việc truyền năng lượng siêu âm đến bề mặt cần hàn Vì lý do này, ta cần phải dùng biên độ dao động lớn Khoảng nóng chảy hẹp là kết quả của yêu cầu năng lượng rất cao cần thiết để phá vỡ cấu trúc bán tinh thể để làm cho vật liệu chảy Một khi vật liệu nóng chảy dịch chuyển ra xa vùng được gia nhiệt, polyme này đông đặc rất nhanh trong một khoảng nhiệt độ thay đổi nhỏ Do đặc tính này, trong quá trình hàn, cần phải cẩn trọng khi thiết kế các thông số công nghệ (biên độ dao động, đường hàn, tiếp xúc khuôn hàn, khoảng cách từ bề mặt khuôn đến đường hàn) nhằm đạt được kết quả mong muốn [11,14,15]

Nhiệt độ chảy giọt của polyme càng cao, năng lượng siêu âm cần thiết càng lớn Đối với vật liệu bán tinh thể có thể hàn được tốt bằng phương pháp hàn siêu âm, sự chảy của vật liệu không phải là một điểm như vật liệu tinh thể mà chúng có một khoảng biến mềm (gọi là khoảng nhiệt độ biến mềm ΔT) Tùy thuộc vào yêu cầu thực tế mà khi thực hiện phương pháp hàn ta lựa chọn nhiệt độ hàn phù hợp gần nhiệt độ chảy giọt (nhưng không được cao hơn) để có thể đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật [3]

Mô đun đàn hồi (độ cứng) Độ cứng của polyme ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng truyền dẫn siêu âm đến bề mặt hàn Độ cứng polyme càng cao, khả năng truyền dẫn siêu âm càng lớn Vì vậy, đối với

6 những vật liệu có cùng các thông số khác nhưng nếu có mô đun đàn hồi cao thì khả năng hàn siêu âm cũng như sự đồng đều, chất lượng mối hàn siêu âm sẽ là tốt hơn

Hàn hai loại polyme khác nhau

Chênh lệch giữa nhiệt độ chảy giọt giữa các vật liệu hàn là yêu cầu cơ bản để hàn các chi tiết khác nhau lại với nhau Bởi vì, khi nhiệt độ khác nhau khoảng 22 0 C có thể gây cản trở khả năng hàn, ngay cả với các loại polyme cùng gốc Vật liệu có nhiệt độ nóng chảy thấp tan và chảy trước, ngăn chặn việc tạo ra đủ lượng nhiệt để làm tan và chảy vật liệu có nhiệt độ nóng chảy lớn hơn [16]

Ngoài ra, để hàn 2 loại polyme khác nhau, polyme đó cần phải có cấu trúc phân tử giống nhau, nghĩa là phải tương thích với nhau về mặt hóa học [17]

Chỉ số chảy là chỉ số mà ở đó vật liệu chảy khi nó bắt đầu biến mềm Các loại khác nhau của cùng một dòng polyme có thể có chỉ số chảy khác nhau (ví dụ như chỉ số chảy của ni lon tạo bằng phun ép khác với chỉ số chảy của ni lon tạo bằng ép đùn) Polyme có độ nhớt khác nhau tạo ra đường hàn không đồng nhất Do đó, khi hàn hai loại polyme khác nhau hoặc khác họ nhau thì phải biết được chỉ số chảy của chúng Chỉ số chảy thường trong khoảng từ (2 - 4) (gam trên mười phút) để đảm bảo tính tương thích

Mỗi loại vật liệu khác nhau được khuyến nghị dùng tần số hàn phù hợp như Bảng 1.1 Thực tế đây cũng chỉ là khuyến nghị có tính chất tham khảo dựa trên các nghiên cứu thực tế từ các nhà sản xuất máy hàn siêu âm

Bảng 1.1 Tần số và biên độ dao động thường dùng đối với một số vật liệu [18]

Biờn độ dao động (àm)

Các yếu tố khác Độ ẩm: một số polyme có khả năng hấp thụ ẩm từ không khí nên ảnh hưởng rất lớn khả năng hàn Nylon, PE, polycabonate, polysulfone là những vật liệu bị ảnh hưởng nhiều nhất khi có độ ẩm Khi hàn có ẩm, nước sẽ bốc hơi và bị kẹt trong đường hàn, tạo thành rỗ khí làm giảm chất lượng đường hàn

Cần lưu ý rằng, nylon rất giòn nên khi có độ ẩm cao, khu vực hàn sẽ dễ bị phá hủy Nếu có nhiều loại polyme có độ ẩm khác nhau khi hàn, thì năng lượng cần thiết cũng phải thay đổi trong suốt quá trình hàn

Chất phụ gia: khi thêm chất phụ gia, polyme có thể thay đổi tính chất khác với tính vốn có của nó, gây ra những khó khăn khi hàn siêu âm, do đó, cần hiệu chỉnh một vài thông số công nghệ

Chất bôi trơn khuôn: chất bôi trơn sử dụng trên bề mặt lòng khuôn tạo ra một lớp phủ nhằm hỗ trợ việc lấy sản phẩm ra dễ dàng Các chất bôi trơn ngoài (kẽm, nhôm, silic) ảnh hưởng đến bề mặt tiếp xúc, giao thoa với vùng nhiệt và vùng chảy của bề mặt tiếp xúc, kiềm chế quá trình hàn Silic là nguyên tố có hại nhất Trong khi đó, chất bôi trơn bên trong lại ít ảnh hưởng đến chất lượng đường hàn

Một số phương pháp hàn vật liệu nhựa nhiệt dẻo

Hàn ma sát là quá trình hàn áp lực, sử dụng nhiệt ma sát sinh ra tại bề mặt tiếp xúc giữa hai chi tiết chuyển động tương đối với nhau để nung mép hàn đến trạng thái chảy dẻo, sau đó dùng áp lực để ép hai chi tiết lại với nhau làm cho phần vật liệu tại mép hàn khuếch tán sang nhau tạo thành đường hàn

Khi hai bề mặt của vật thể chuyển động tương đối với nhau dưới tác dụng của áp lực thì năng lượng cơ học sẽ chuyển thành nhiệt năng

1.6.1.2 Một số phương pháp hàn ma sát

Hàn ma sát khuấy: là loại hàn phổ biến nhất của hàn ma sát và đã trở thành tiêu chuẩn công nghiệp trong việc hàn các tấm, ống, các chi tiết có kích thước lớn cả bằng nhựa lẫn kim loại Hàn ma sát khuấy bao gồm việc giữ các chi tiết trong khi quay và tịnh tiến đầu hàn

Hàn ma sát tịnh tiến: hai chi tiết hàn chuyển động tương đối với nhau theo phương của bề mặt tiếp xúc sinh ra nhiệt ma sát làm bề mặt tiếp xúc nóng chảy, hai chi tiết được ép vào nhau bởi một áp lực sẽ tạo ra đường hàn

Hàn ma sát quay: hai chi tiết quay tương đối với nhau, hoặc một chi tiết đứng yên một chi tiết quay sinh ra nhiệt ma sát làm nóng chảy vật liệu tại vùng tiếp xúc, hai chi tiết được ép vào nhau tạo đường hàn

1.6.1.3 Ưu và nhược điểm của hàn ma sát Ưu điểm

 Ít hao phí, tiết kiệm vật liệu

 Thời gian hàn cực nhanh, năng suất cao

 Không phát xạ độc hại (khói độc, bắn tóe, bức xạ điện tử ngoại, ), môi trường sản xuất sạch

 Dễ dàng chế tạo lại và điều khiển chỉnh các thông số quá trình hàn

 Không cần bổ sung vật liệu phụ trong quá trình hàn

 Dễ dàng tích hợp quá trình hàn vào dây chuyền sản xuất tự động

 Độ chính xác của các chi tiết hàn cao (kể cả khi hàn các chi tiết có hình dáng của tiết diện đặc biệt)

 Có thể hàn được các kim loại khác nhau

 Các chỉ số cơ tính đường hàn cao

 Không yêu cầu cao về tay nghề của công nhân

 Khuyết tật đường hàn hầu như không có

 Không cần yêu cầu tiết diện của hai chi tiết hàn phải giống nhau, từ đó dễ hàn được các loại tiết diện khác nhau

 Chiều dài của chi tiết hàn bị giảm

 Thiết bị hàn đắt tiền

 Kích thước của chi tiết hàn bị hạn chế

 Không hàn được kết cấu quá phức tạp

Hàn khí nóng là một quá trình hàn mà trong đó dòng khí nóng được thổi vào các vật cần hàn (thường là các tấm nhựa nhiệt dẻo) Nhiệt độ, tốc độ và áp suất sẽ là các thông số để tạo nên quá trình chảy dẻo và liên kết với nhau của các tấm vật liệu

Trong quá trình hàn, không khí nóng sẽ nén và thổi qua các phần tử gia nhiệt và phun vào vị trí điểm cần hàn Nhiệt độ dòng khí được kiểm soát chặt chẽ trong suốt quá trình hàn và thường từ 400 0 C đến 700 0 C

1.6.2.2 Ưu và nhược điểm của quá trình hàn khí nóng

 Có thể hàn cho các sản phẩm có hình dáng đường hàn khác nhau

 Thực hiện trên nhiều loại sản phẩm khác nhau

 Tạo ra được các đường hàn có khả năng chịu lực tốt hơn so với chính vật liệu ban đầu

 Đường hàn có thể kín hơi và có khả năng chống nước

 Là phương pháp hàn không tiếp xúc nên các vết bẩn trên bề mặt sản phẩm có thể bị loại bỏ nhanh chóng bởi luồng khí hàn

 Có thể thay đổi chiều rộng của đường hàn trong suốt quá trình sản xuất

 Sử dụng nhiều đầu hàn cùng lúc

 Có thể dừng và di chuyển thường xuyên đầu hàn trong suốt quá trình hàn

Hàn siêu âm là công nghệ hàn tương đối mới, được Robert Soloff và Seymour Linsley phát minh vào năm 1965, dùng để hàn các sản phẩm nhựa có cấu trúc vô định hình với nhiệt độ nóng chảy thấp

Phương pháp này sử dụng các xung điện được cấp vào bộ chuyển đổi bao gồm các miếng gốm áp điện được ghép với nhau Gốm áp điện có tác dụng chuyển đổi các xung điện thành các xung cơ học dao động cùng tần số Biên độ các xung này được khuếch đại sau khi đi qua bộ khuếch đại và được tiếp tục khuếch đại nhờ khuôn hàn Khuôn hàn truyền dao động đến vật cần hàn Phương pháp hàn siêu âm là nội dung nghiên cứu của luận án này

Ngoài các phương pháp hàn nêu trên, để hàn các chi tiết nhựa nhiệt dẻo khác nhau có thể áp dụng các phương pháp gia nhiệt kiểu khác cho vật liệu như: hàn hồng ngoại, hàn lazer, hàn xung, … [19,20]

1.6.4 Đánh giá các phương pháp hàn nhựa nhiệt dẻo

Các phương pháp hàn đã nêu trên đều có thể thực hiện cho việc hàn các chi tiết nhựa nhiệt dẻo Tuy nhiên, trong thực tế, để lựa chọn phương pháp hàn thích hợp cho mỗi loại chi tiết và vật liệu khác nhau cần phải có sự nghiên cứu và áp dụng hợp lý [21] Cụ thể, phương pháp hàn điện từ, hàn ma sát có thể áp dụng cho các chi tiết có kích thước lớn dạng khối hoặc tấm Phương pháp hàn khí nóng lại được áp dụng cho các chi tiết nhựa dạng hình khối nhỏ hoặc hàn giữa các chi tiết nhựa và kim loại với nhau Đối với các vật liệu dạng tấm như: bao bì, văn phòng phẩm, nhu yếu phẩm hàng ngày và đặc biệt là vải không dệt thì phương pháp hàn siêu âm sẽ có nhiều ưu điểm, thuận lợi

12 mà các phương pháp hàn nhựa nhiệt dẻo khác đã nói ở trên hoàn toàn không thể thực hiện được [22,23].

Tổng quan tình hình nghiên cứu

1.7.1.1 Nghiên cứu về khuôn hàn dọc trục

Tùy thuộc vào sản phẩm cần hàn mà hình dạng khuôn hàn có thể tròn, chữ nhật hoặc hình dáng phức tạp Khuôn hàn là chi tiết quan trọng phải được tính toán thiết kế sao cho khuôn có thể bao phủ vùng hàn, tăng biên độ, truyền dẫn dao động hiệu quả, phải đảm bảo độ đồng nhất, độ bền, Chất lượng của đường hàn phụ thuộc vào công suất, tần số, thời gian hàn, thời gian giữ, lực ép cơ học và biên độ tại bề mặt làm việc của khuôn [24-26] Khi kích thước của bề mặt khuôn lớn, độ đồng đều của các biên độ càng khó kiểm soát Do đó, hình dáng khuôn phải được thiết kế phù hợp và chính xác để có được sự đồng nhất của biên độ tại bề mặt làm việc [27] Trong thời gian qua, một số nhà nghiên cứu trên thế giới đã nghiên cứu về khuôn hàn bằng nhiều phương pháp và xu hướng khác nhau [28]

Lucas và Smith [29] đã đo độ dao động của khuôn hàn rộng bản với phương pháp đo vận tốc bằng laser Hình dạng rãnh ảnh hưởng đáng kể đến các chế độ dao động và hiệu suất biên độ Kết quả của nghiên cứu là đã thiết kế và sản xuất được khuôn hàn dạng khối nhằm cải tiến khả năng dao động, các thiết kế này cũng loại bỏ các chế độ dao động không cần thiết của khuôn hàn dựa trên việc thay đổi hình dáng hình học, đặc biệt là các rãnh (Hình 1.1)

Hình 1.1 Khuôn hàn rộng bản dạng khối được thiết kế bởi Lucas và Smith [29]

13 Stanasel và Ardelean [30] đã thiết kế khuôn hàn có biên dạng là hàm mũ bằng ứng dụng Matlab với giả thuyết là biờn độ trờn bề mặt làm việc 120 àm Để thiết kế khuụn, trước tiên cần phải xác định vật liệu và giá trị của dao động siêu âm Đường kính đầu ra d của khuôn phụ thuộc vào đường kính của chi tiết cần hàn Đường kính cố định D của khuôn được xác định có tính đến các ảnh hưởng của (gia công thô hoặc hoàn thiện) Coi hình dạng mặt cắt ngang của khuôn là hình tròn và quy luật biến thiên dọc theo đường cong là hàm số mũ (Hình 1.2) Để đạt được độ chính xác cao khi chế tạo, xác định chính xác đường kính khuôn ở các mặt cắt khác nhau, các tác giả đã đã lập một chương trình máy tính để xử dữ liệu Sau khi giới thiệu dữ liệu đầu vào, chương trình sẽ tính toán chiều dài và đường kính khuôn trong các mặt cắt khác nhau và lưu dữ liệu này vào một ma trận Chương trình cũng cho kết quả dưới dạng biểu diễn bằng đồ thị Để có được độ chính xác cao, việc chạy chương trình sẽ được thực hiện theo từng bước nhỏ (0,1 mm)

Hình 1.2 Biểu diễn đồ họa cho một số khuôn có biên dạng hàm mũ [30]

Với những kết quả phác thảo, các tác giả đã sử dụng để mô hình khuôn dưới dạng khối rắn 3D (Hình 1.3) Dữ liệu này sẽ được sử dụng để tạo chương trình CNC hỗ trợ quá trình gia công

Hình 1.3 Mô hình 3D của khuôn được tính toán từ kết quả của nghiên cứu [30]

14 Biên dạng các loại khuôn khác nhau như biên dạng bậc, hàm mũ, nón được khảo sát bằng phần mềm CARD và tính toán trên lý thuyết (Hình 1.4) được D.M Patel và A.U Rajurkar [31] kết luận cách tiếp cận chung hiện nay là phương pháp phần tử hữu hạn

Hình 1.4 Hình ảnh thực tế của khuôn và mô hình của khuôn hình nón [31]

Phân bố ứng suất dọc theo chiều dài khuôn hình nón và khuôn hình trụ bậc do phần mềm CARD đưa ra được các tác giả so sánh cụ thể, họ kết luận rằng: ứng suất tạo ra trong khuôn hàn siêu âm khi làm việc nhỏ hơn độ bền của vật liệu, ứng suất tạo ra ở khuôn hình nón nhỏ hơn nhiều so với khuôn hình trụ bậc trong Hình 1.5 và Hình 1.6

Hình 1.5 Phân bố ứng suất trong khuôn hình nón [31]

Hình 1.6 Phân bố ứng suất trong khuôn hình trụ bậc [31]

S.R Kim và các cộng sự [32] đã sử dụng thiết kế thí nghiệm để thu được sự đồng nhất về biên độ của khuôn hình trụ, thanh và trụ rỗng Để tăng tính đồng nhất của biên độ dao động, khi thiết kế khuôn, các tác giả đã đánh giá sự tác động của các rãnh đến tiêu chí này Bằng cách thay đổi giá trị kích thước của các rãnh cũng như sử dụng khuôn hàn trụ đặc và trụ rỗng, các tác giả đã vẽ được biểu đồ so sánh đến tính đồng nhất của biên độ như trong Hình 1.7 và Hình 1.8

15 Hình 1.7 Ảnh hưởng độ sâu rãnh đến tính đồng nhất biên độ của khuôn trụ rỗng [32]

Hình 1.8 So sánh sự đồng nhất của biên độ giữa khuôn trụ đặc và trụ rỗng [32]

Các tác giả đã kết luận, các rãnh và khe được thiết kế tốt đã làm tăng tính đồng nhất về biên độ trong các khuôn dạng trụ đặc và trụ rỗng như trong Hình 1.9 và Hình 1.10

Hình 1.9 Hình ảnh biến dạng của khuôn hình trụ không rãnh và có rãnh [32]

Hình 1.10 Chế tạo khuôn có rãnh [32]

Behera và cộng sự [33] đã nghiên cứu biên độ tại mỗi điểm trên đỉnh của khuôn bằng cách sử dụng các phần mềm tin học để tính toán (Hình 1.11) Các tác giả đã kết luận rằng: các thông số của hệ thống siêu âm có thể được xác định phụ thuộc vào biên độ ở đỉnh khuôn (vị trí bề mặt làm việc); mô hình hóa và phân tích phần tử hữu hạn cho phép thử nghiệm các hình dạng khác nhau của khuôn siêu âm mà không cần phải chế tạo nguyên mẫu thực tế, nó cho phép lựa chọn chính xác hình dạng khuôn cho một quá trình gia công cụ thể Việc lựa chọn vật liệu làm khuôn hàn rất quan trọng để có sự tối ưu trong việc truyền dẫn dao động Biên độ phụ thuộc vào vật liệu làm khuôn trong đó khuôn nhôm cho biên độ dao động tốt hơn nhiều so với khuôn thép cac bon

16 Hình 1.11 Mô phỏng khuôn hàn và phân tích nút bằng phần mềm ANSYS [33]

Sự phân bố biên độ dao động của khuôn nhôm do J C Hung và các cộng sự [34] được khảo sát bằng cách sử dụng phương pháp FEA và thiết bị đo tự chế tạo Bề mặt làm việc của khuôn được chia thành các khu vực nhỏ hơn và mỗi biên độ tại tâm của mỗi khu vực phân chia được đo để xây dựng sự phân bố (Hình 1.12)

Hình 1.12 Thiết bị đo biên độ và cách chia vạch trên bề mặt làm việc của khuôn [34]

Cả tần số và biên độ của khuôn dạng bậc cũng đã được A S Nanu và các cộng sự [35] tính toán trên lý thuyết và được đo với sự thay đổi của bán kính góc Sự phân bố biên độ được đo để tối ưu hóa hình dạng của bộ khuếch đại siêu âm [35] Các tác giả cũng đã kết luận: phương pháp FEA cho phép thử nghiệm các hình dạng khác nhau của khuôn siêu âm mà không cần phải sản xuất thực nguyên mẫu; lựa chọn chính xác hình dạng khuôn hàn; lựa chọn vật liệu khuôn đáp ứng biên độ dao động (Hình 1.13)

Hình 1.13 Mô phỏng biên độ tương đối tại tần số dao động cộng hưởng [35]

K R Deibel và K Wegener [36] đã thảo luận về sự phân bố biên độ đỉnh của khuôn hàn nhôm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Sự thay đổi hình dạng của khuôn đã cải thiện đáng kể biên độ trên bề mặt làm việc Để kiểm tra biên độ và tần số dao động được tạo ra từ việc tối ưu hóa, các tác giả đã sử dụng một máy đo dao động laser (Hình 1.14)

Hình 1.14 Đo kiểm tra biên độ và tần số trên máy đo dao động [36]

1.7.1.2 Nghiên cứu về khuôn hàn hướng kính

Nhiều sản phẩm được chế tạo từ vải không dệt cần đường hàn liên tục, có hình dáng phức tạp để liên kết các tấm vải lại với nhau Trước đây, phương pháp gia công chủ yếu là may bằng chỉ như vải dệt Tuy nhiên hiện nay, phương pháp hàn siêu âm với những ưu điểm đã nói ở trên đã được các nhà sản xuất ưu tiên sử dụng [37-39] Các sản phẩm như: quần áo, mũ nón bảo hộ lao động, bảo hộ y tế hầu hết đều được gia công bằng phương pháp này (Hình 1.15)

Hình 1.15 Các sản phẩm có đường hàn phức tạp

Những sản phẩm này không thể sử dụng phương pháp hàn bằng khuôn hàn dọc trục Với kiểu đường hàn có hình dáng phức tạp và kích thước khác nhau cho mỗi loại sản phẩm, phương pháp hàn siêu âm với khuôn hàn hướng kính đã được áp dụng Tuy nhiên, trong thời gian vừa qua, những nghiên cứu về phương pháp hàn siêu âm khuôn hướng kính ít được quan tâm và đánh giá một cách đầy đủ Số lượng nghiên cứu trên thế giới (đặc biệt là về khuôn hàn hướng kính) là không nhiều

Shuyu Lin [40] đã nghiên cứu bộ biến đổi hỗn hợp hướng kính bao gồm một đĩa mỏng bằng gốm áp điện đặc và một vòng tròn mỏng bằng kim loại rỗng (Hình 1.16), tác giả đã thu được mạch điện tương đương và suy ra phương trình tần số cộng hưởng (Hình 1.17) Các tần số cộng hưởng hướng kính đo được phù hợp với các kết quả tính toán lý thuyết Ngoài ra, tác giả cũng dùng phương pháp số để tính toán các tần số cộng hưởng và các tần số cộng hưởng hướng kính được tính toán phù hợp tốt với các kết quả đo được và lý thuyết

Hình 1.16 Đĩa kim loại mỏng dao động hướng kính [40]

Kết luận 30 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT KẾ HÀN SIÊU ÂM NHỰA

Chương 1 trình bày về tính cấp thiết và lý do chọn đề tài luận án ảnh hưởng các thông số công nghệ chính đến chất lượng mối hàn siêu âm đối với vải không dệt

Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm: Nghiên cứu về công nghệ hàn siêu âm trên vật liệu vải không dệt PP; nghiên cứu khuôn hàn siêu âm; thiết kế, chế tạo thiết bị hàn siêu âm cho vật liệu vải không dệt PP; nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến chất lượng đường hàn siêu âm

Nội dung nghiên cứu của luận án bao gồm: Khảo sát các ứng dụng hàn siêu âm áp dụng cho nhựa nhiệt dẻo, vải không dệt; nghiên cứu cơ sở lý thuyết hàn siêu âm, vật liệu nhựa nhiệt dẻo; thiết kế, chế tạo khuôn hàn và thiết bị hàn siêu âm; ứng dụng các phương pháp quy hoạch thực nghiệm để tối ưu các thông số công nghệ chính

Luận án còn trình bày về nhựa nhiệt dẻo và khả năng hàn của nhựa nhiệt dẻo, các thông số của vật liệu ảnh hưởng đến quá trình hàn Đặc biệt đối với nhựa PP nếu ứng dụng tần số hàn là 20 kHz thỡ biờn độ hàn được khuyờn dựng nờn từ 38 àm

Các phương pháp hàn nhựa nhiệt dẻo khác nhau hiện nay đang sử dụng cũng được trình bày tóm tắt về nguyên lý và phân tích sơ lược ưu nhược điểm Đối với vật liệu có màng mỏng dạng tấm như vải không dệt chẳng hạn thì phương pháp hàn siêu âm là nhanh chóng và hiệu quả nhất

Ngoài ra, luận án còn tóm tắt tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về phương pháp hàn siêu âm trong thời gian gần đây Đánh giá, phân tích về xu hướng nghiên cứu về hàn siêu âm đối với vật liệu nhựa nhiệt dẻo nói chung và vải không dệt nói riêng

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT KẾ HÀN SIÊU ÂM

Nội dung

Nội dung của Chương 2 trình bày các vấn đề: cơ sở lý thuyết của phương pháp hàn siêu âm trong đó bao gồm: nguyên lý hàn siêu âm, nguồn phát siêu âm, hệ siêu âm, khuôn siêu âm, đe hàn, ; vật liệu nhựa nhiệt dẻo PP; thiết kế đường hàn siêu âm trong đó bao gồm: vùng định hướng năng lượng cho đường hàn, miền hàn xa gần, hàn liên tục và gián đoạn, một số thông số công nghệ của quá trình hàn siêu âm.

Nguyên lý hàn siêu âm nhựa nhiệt dẻo

Nguyên lý của phương pháp hàn siêu âm được thể hiện như trong Hình 2.1 Từ nguồn điện 220 V/ 50 Hz qua nguồn phát siêu âm sẽ phát ra tín hiệu dao động điện với tần số trong khoảng (20 - 70) kHz Các xung điện này được cấp vào bộ chuyển đổi bao gồm các miếng gốm áp điện được ghép với nhau Gốm áp điện có tác dụng chuyển đổi các xung điện thành các xung cơ học dao động cùng tần số Biên độ các xung này được khuếch đại sau khi đi qua bộ khuếch đại và được tiếp tục khuếch đại một lần nữa nhờ khuôn hàn Tùy thuộc vào sản phẩm cần hàn mà hình dạng khuôn hàn có thể là hình tròn, chữ nhật hoặc hình dạng phức tạp [9]

Hình 2.1 Nguyên lý hàn siêu âm

Cơ chế tạo ra mối hàn siêu âm đã được nghiên cứu từ nhiều thập kỷ qua nhưng đến nay vẫn chưa được tìm hiểu một cách đầy đủ và chi tiết Một định nghĩa rất đơn giản về việc

32 tạo mối hàn đã được đề xuất trong thời gian gần đây đó là do quá trình chuyển động giữa hai bề mặt tiếp xúc nhau dưới sự tác động của năng lượng cơ siêu âm đã làm phá vỡ và phân tán bề mặt tiếp xúc dẫn đến cơ chế biến dạng của vật liệu và gia tăng nhiệt độ của vật liệu cần hàn tại vị trí tiếp xúc Trong hầu hết các công trình nghiên cứu về lý thuyết và mô phỏng, ảnh hưởng của dao động siêu âm được quy về hệ số ma sát hơn là xét đến hiệu ứng về bề mặt của vật liệu cần hàn.

Cơ sở lý thuyết phương pháp hàn siêu âm

Nguồn phát siêu âm được sử dụng để chuyển đổi một nguồn điện có công suất khoảng từ 1 kW đến 5 kW ở tần số (50 - 60) Hz thành năng lượng điện ở tần số cao khoảng từ

20 kHz đến 70 kHz Hiện nay, tần số hàn siêu âm 20 kHz là tần số được lựa chọn rộng rãi nhất trong phần lớn thiết bị và ứng dụng hàn siêu âm do đảm bảo được công suất cũng như độ bền cho thiết bị hàn Đối với một số đối tượng chi tiết hàn cần năng suất và công suất lớn, người ta có thể giảm tần số siêu âm xuống đến 15 kHz

Hình 2.2 là sơ đồ của một nguồn siêu âm được dùng để chuyển đổi nguồn điện từ tần số ((50 - 60) Hz thành nguồn điện có tần số 20 kHz phục vụ cho quá trình hàn siêu âm

Hình 2.2 Sơ đồ của một nguồn siêu âm [56]

2.3.2.1 Gốm áp điện Áp điện lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1880 bởi Jacques và Pierre Curie Họ phát hiện ra rằng trong một số vật liệu điện tích có thể được tạo ra bằng cách tác dụng lên nó một áp lực Vật liệu đặc trưng và nổi tiếng nhất đó là thạch anh

Các tính chất áp điện tồn tại vì sự phân cực ròng trong vật liệu Các hiệu ứng áp điện tạo nên do biến dạng của các phân tử, hiệu ứng này được minh họa trong Hình 2.3 Khi một điện tích được tác dụng, các electron và lỗ trống điện tử hoặc là hút hoặc đẩy các vật liệu phân cực, gây ra trên nó sự biến dạng nở ra hoặc co lại [57]

Hình 2.3 Tính thuận nghịch của gốm áp điện

Langevin nghiên cứu bộ chuyển đổi áp điện lần đầu tiên vào năm 1917 để sử dụng cho các ứng dụng trong Thế chiến thứ nhất Trong những năm 1960, thiết kế này đã được sử dụng để tạo ra bộ chuyển đổi trong hàn nhiệt dẻo siêu âm Như đã đề cập trước đây, một bộ chuyển đổi Langevin bao gồm các tinh thể áp điện nén giữa hai miếng kim loại Mặc dù hàng trăm ngàn bộ chuyển đổi đã được thiết kế và sản xuất trong 50 năm qua, không có tiêu chuẩn tổng quát hay thông số kỹ thuật thiết kế ngoài những kinh nghiệm và hướng dẫn chung Mỗi nhà sản xuất áp dụng triết lý thiết kế và xây dựng chế độ của riêng mình, trong đó bao gồm một số lượng đáng kể kiến thức độc quyền Ngoài ra, cũng có một số ít các chuyên gia, những người hiểu đầy đủ sự phức tạp của thiết kế và chế tạo một bộ chuyển đổi áp điện Điều này chủ yếu là do quy mô thị trường tương đối nhỏ cho các thiết bị hàn siêu âm, thị trường này không thu hút được nhiều tài trợ cho các nghiên cứu về bộ chuyển đổi áp điện Bởi vì bộ chuyển đổi là một phần của một

34 máy hàn, chiếm một phần nhỏ trong chi phí nghiên cứu, phát triển dịch vụ của công ty và ngân sách kỹ thuật Đặc biệt, các thiết kế có tần số trên 30 kHz là không đáng kể [58]

2.3.2.3 Bộ chuyển đổi tinh thể áp điện PZT

Mặc dù bộ chuyển đổi PZT áp dụng cho hàn siêu âm không được nghiên cứu rộng rãi, tuy nhiên vẫn có một số tài liệu riêng dành cho việc thiết kế và sử dụng các tinh thể áp điện Những tài liệu này cũng chỉ cung cấp những hướng dẫn rất chung, và đang hướng nhiều hơn đối với các ứng dụng mới nhất của nó như: các thiết bị vi định vị, thiết bị cảm biến hoặc mạch cho một máy phát sóng siêu âm Các tài liệu này cũng có thừa nhận rằng mỗi thiết kế và ứng dụng đòi hỏi phải thử nghiệm nhiều lần Đặc biệt những ứng dụng như hàn siêu âm (có yêu cầu về mức độ chính xác cao và công suất lớn) đòi hỏi phải được thử nghiệm nhiều lần [59]

Xem xét cách tổng quát, một bộ chuyển đổi áp điện PZT là một thiết bị rất phức tạp liên quan đến một nhóm đa dạng của các lĩnh vực như điện tử, tĩnh học, động lực, sức bền của vật liệu, âm thanh, truyền sóng, nhiệt động học, điện học, tinh thể học và lý thuyết mạch Mặc dù thiết bị này là rất phức tạp, vẫn có thể phá vỡ vào phần quản lý nhỏ hơn để nghiên cứu các nguyên tắc hoạt động cơ bản và đạt được một sự hiểu biết chung với một vài mô hình đơn giản Ở dạng đơn giản nhất, các bộ chuyển đổi có thể được mô hình hóa như một hệ thống hàng loạt lò xo khối lượng đơn giản và hoạt động gần tần số cộng hưởng cơ học của nó Điều này được minh họa trong Hình 2.4, nơi hằng số k dựa trên độ cứng hoặc mô đun của vật liệu và m1, m2 đại diện cho khối lượng của mỗi bên

Hình 2.4 Mô hình lò xo liên kết bộ chuyển đổi

35 Công thức 2.1 mô tả tần số f gần đúng của hệ thống này với giả định đơn giản như không có tổn thất cơ học của bất cứ loại nào, nghĩa là khả năng tổn thất bằng không

Mỗi bộ chuyển đổi phải được thiết kế để hoạt động ở một tần số cụ thể, phương trình này chứng minh rằng ngoài tất cả những nhân tố khác, các đặc tính vật liệu đóng một vai trò lớn trong hoạt động của hệ thống [57]

Dải tần số siêu âm nằm trong khoảng từ 20 kHz đến 1 GHz, tuy nhiên để áp dụng cho công nghệ hàn, người ta thường sử dụng các mức siêu âm có tần số là: 20 kHz, 30 kHz và 35 kHz như trong Hình 2.5

Hình 2.5 Dải tần số siêu âm và tần số siêu âm áp dụng cho công nghệ hàn Đối với 1 thiết bị hàn siêu âm, tần số dao động là cố định sau khi được bộ chuyển đổi biến tần từ nguồn điện có tần số (50 - 60) Hz sang các tần số siêu âm yêu cầu Với dòng điện có tần số siêu âm, sau khi được chuyển đổi từ dao động điện thành dao động cơ cùng tần số, biên độ dao động cơ mới được tính toán khuếch đại đủ đáp ứng yêu cầu cho quá trình hàn

Biên độ dao động tại bề mặt làm việc của khuôn hàn là một thông số quan trọng của quá trình hàn siêu âm Để thay đổi biên độ dao động theo yêu cầu của đường hàn, người ta sử dụng bộ khuếch đại và thiết kế khuôn hàn đảm bảo theo yêu cầu thực tế cho từng vật liệu Hình 2.6 mô tả quá trình thay đổi biên độ của dao động trong toàn bộ hệ thống cơ của thiết bị hàn siêu âm

Hình 2.6 Thay đổi biên độ dao động trên hệ siêu âm [18] Để tạo ra độ khuếch đại, nguyên tắc đơn giản là đầu vào dao động có bề mặt làm việc lớn còn đầu ra dao động có tiết diện nhỏ Khi đó thiết bị sẽ tự tạo ra hệ số khuếch đại và mỗi hệ thống sẽ có hệ số khuếch đại riêng Muốn thay đổi hệ số khuếch đại của một hệ thống ta có thể thay đổi bộ khuếch đại hoặc thay đổi khuôn nhưng thông thường việc thay đổi khuôn ít được áp dụng mà hay thay đổi bộ khuếch đại Tuy nhiên việc thay đổi có thể phá vỡ các cấu trúc, ảnh hưởng đến quá trình làm việc của hệ thống [60]

Vật liệu hàn siêu âm

Tính đàn nhớt của vật liệu là có sự tồn tại kết hợp của tính nhớt và tính đàn hồi trong cùng một vật liệu (trong trường hợp này là polyme)

Tính đàn nhớt là đặc tính của vật liệu thể hiện cả đặc tính nhớt và đặc tính đàn hồi khi trải qua quá trình biến dạng Các vật liệu nhớt có ứng suất và biến dạng thay đổi tuyến tính theo thời gian khi chịu tác động của áp lực Vật liệu đàn hồi biến dạng khi bị kéo căng và ngay lập tức trở lại trạng thái ban đầu khi ứng suất được loại bỏ

Các thành phần đàn hồi, có thể được mô hình hóa dưới dạng lò xo có mô đun đàn hồi E, ứng suất vật liệu σ được tính toán theo công thức:

  E  (2.26) trong đó: ε là biến dạng xuất hiện dưới ứng suất đã cho

Các thành phần nhớt, có thể được mô hình hóa dưới dạng giảm chấn sao cho mối quan hệ giữa ứng suất và tốc độ biến dạng có thể được tính: d dt

(2.27) trong đó: η là độ nhớt của vật liệu; dε/dt là đạo hàm theo thời gian của biến dạng Vật liệu đàn nhớt có đầy đủ các nhân tố của cả hai đặc tính này và do đó, thể hiện sự biến dạng phụ thuộc vào thời gian Trong khi độ đàn hồi thường là kết quả của sự kéo

48 dài liên kết dọc theo các mặt phẳng tinh thể trong một chất rắn có trật tự, thì độ nhớt là kết quả của sự khuếch tán các nguyên tử hoặc phân tử bên trong một vật liệu vô định hình Vật liệu đàn nhớt như: polyme vô định hình, polyme bán tinh thể, polyme sinh học, … có thể được mô hình hóa để xác định tương tác giữa ứng suất và biến dạng hoặc giữa lực và độ dịch chuyển Các mô hình này bao gồm: mô hình Maxwell, mô hình Kelvin - Voigt, được sử dụng để dự đoán phản ứng của từng loại vật liệu trong các điều kiện chịu lực và nhiệt độ khác nhau Để biểu diễn các thành phần đàn hồi và nhớt cho một loại vật liệu, có thể mô hình hóa chúng dưới dạng kết hợp giữa lò xo và giảm chấn hoặc kết hợp giữa điện trở và cuộn cảm mạch điện

2.4.2 Vật liệu cấu trúc vô định hình

Vật liệu vô định hình là những chất rắn không có trật tự về vị trí cấu trúc nguyên tử, các nguyên tử của chúng được sắp xếp một cách bất trật tự, sao cho một nguyên tử có các nguyên tử bao quanh một cách ngẫu nhiên và xếp chặt xung quanh Tuy mang tính là bất trật tự nhưng về mặt thực chất, nó vẫn có tính trật tự trong một phạm vi rất hẹp, gọi là trật tự gần Các vật liệu vô định hình cụ thể như: gốm vô định hình, các polyme (như PS), …

Cấu trúc vô định hình với trật tự gần được hình thành từ năm loại mạng chính như Hình 2.17, tỉ lệ nguyên tử chiếm 65 % thể tích, còn lại 35 % là lỗ trống, và số nguyên tử lân cận gần nhất là 5

Hình 2.17 Năm loại mạng cơ bản trong cấu trúc trật tự gần

49 Các chất rắn vô định hình có tính đẳng hướng, không có nhiệt độ nóng chảy hoặc đông đặc cụ thể, khi bị nung nóng chúng mềm dần và chuyển dần sang thể lỏng Vật rắn vô định hình có tính dẻo, rất dễ tạo hình và gia công, không bị ăn mòn, không bị gỉ sét và đặc biệt có khả năng tái sử dụng

2.4.3 Vật liệu cấu trúc bán tinh thể

Cấu trúc tinh thể là cấu trúc có tính tuần hoàn (cấu trúc trật tự kéo dài) Cấu trúc và tính chất vật lý của các tinh thể có thể không đối xứng theo các hướng trong không gian

Polyme bán tinh thể là những polyme có cấu trúc sắp xếp đều đặn trong không gian ba chiều theo dạng bó hoặc xếp gấp Thực tế do chiều dài mạch và sự vướng víu giữa các mạch, vật liệu không kết tinh hoàn toàn khi làm nguội Do đó không tồn tại polyme kết tinh hoàn toàn mà vẫn có vùng không kết tinh, gọi là polyme bán tinh thể Vật liệu nhựa bán tinh thể thường dai hơn, có nhiệt độ biến dạng nhiệt cao hơn nhựa vô định hình, trong mờ hoặc mờ đục, co rút cao và nhiệt dung riêng cao, ví dụ PE, PP, Vùng nóng chảy của polyme bán tinh thể thường hẹp hơn so với polyme vô định hình [6,69].

Thiết kế và chế tạo hệ siêu âm cho sản phẩm vải không dệt

2.5.1 Lựa chọn vật liệu làm khuôn

Khi thiết kế khuôn hàn, vật liệu để làm khuôn cần phải đáp ứng những yêu cầu như sau

 Hiệu suất truyền dẫn dao động cao

 Vật liệu phải có mô đun đàn hồi cao và cấu trúc hạt tinh thể phù hợp

 Độ bền mỏi cao để tăng tuổi thọ làm việc

 Bề mặt làm việc có khả năng chịu được mài mòn và có khả năng chống được ăn mòn nhất định

 Có khả năng dẫn nhiệt tốt

Trong thực tế, có nhiều vật liệu có khả năng đáp ứng được yêu cầu trên Tuy nhiên hợp kim nhôm 7075 là một trong những lựa chọn phù hợp vì đáp ứng được những yêu cầu trên và có những ưu điểm riêng của nó như: có độ bền riêng cao, có khối lượng riêng nhỏ, dễ dàng gia công, … Vì vậy hợp kim nhôm 7075 là loại vật liệu thường được sử dụng để chế tạo khuôn hàn siêu âm cho vải không dệt

50 Thành phần hóa học của hợp kim nhôm 7075 được cho như trong Bảng 2.1:

Bảng 2.1 Thành phần hóa học của hợp kim nhôm 7075 [50]

Thành phần Mn Si Cr Cu Fe Zn Al Mg Ti

Một số thông số cơ tính của hợp kim nhôm 7075 như trong Bảng 2.2:

Bảng 2.2 Một số thông số cơ tính của hợp kim nhôm 7075 [50]

Thông số Giới hạn bền kéo σ t (MPa) Giới hạn chảy σ y (MPa) Độ cứng (HB)

Vật liệu hợp kim nhôm được sản xuất thành các chi tiết có khả năng chịu lực cao, ví dụ như: động cơ, các chi tiết trong tên lửa, bánh răng, thân van và những chi tiết được sử dụng trong quân sự, đặc biệt là ứng dụng trong ngành khuôn thổi nhựa

Hợp kim nhôm 7075 để chế tạo khuôn hàn siêu âm sẽ đảm bảo được các yêu cầu về kỹ thuật của công nghệ hàn (đặc biệt là khả năng truyền dẫn dao động)

2.5.2 Tính toán và mô phỏng khuôn bằng phần mềm CARD

Trong hệ siêu âm, việc thiết kế khuôn hàn là rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và khả năng công nghệ Với sự phát triển của máy tính và các phần mềm ứng dụng thì việc thiết kế càng trở nên dễ dàng hơn nhờ có một số phần mềm tính toán và mô phỏng chuyên dụng như: CARD, Abaqus, Ansys, … Nhờ đó người ta có thể thiết kế khuôn hàn cho các sản phẩm có hình dáng phức tạp, vật liệu khó hàn, … mà ít tốn thời gian hơn trước rất nhiều [12,70,71]

Quy trình thiết kế khuôn hàn siêu âm có thể được trình bày theo sơ đồ như Hình 2.18

51 Hình 2.18 Quy trình thiết kế và mô phỏng khuôn hàn siêu âm

Việc thiết kế, mô phỏng khuôn hàn theo từng bước có thể hiểu được quá trình làm việc của khuôn hàn siêu âm áp dụng cho hàn vải không dệt theo những phương án khác nhau Ngoài ra, sẽ tính toán được sự đồng đều về mặt biên độ, phân tích ứng suất, biến dạng và dự đoán được các hỏng hóc có thể xảy ra cho khuôn cũng như đáp ứng các yêu cầu khác nhau của sản phẩm cần hàn [72,73]

CARD là phần mềm được áp dụng kỹ thuật định lượng để thiết kế bộ cộng hưởng siêu âm (khuôn, bộ khuếch đại, bộ chuyển đổi) dao động trong một chế độ theo chiều dọc CARD cung cấp sự trợ giúp trong việc thiết kế các bộ cộng hưởng có độ phức tạp thấp đến trung bình và hoạt động ở tần số lên đến khoảng 100 kHz CARD nên đặc biệt hữu

52 ích trong việc thiết kế các bộ cộng hưởng mỏng, thấp, đặc biệt khi chúng chịu tải trọng tĩnh

Việc sử dụng phần mềm CARD để thiết kế bộ cộng hưởng siêu âm đã mang lại rất nhiều ưu thế như: có thể nhanh chóng đánh giá mà không cần gia công thử và thử nghiệm; các thay đổi cộng hưởng có thể được thực hiện dễ dàng, nhanh chóng; cộng hưởng với một vị trí nút được xác định từ trước đó Ngoài ra, CARD tự động điều chỉnh khuôn với tần số mong muốn bằng cách điều chỉnh kích thước cộng hưởng Các kích thước có thể điều chỉnh bao gồm độ dài, độ dày hoặc đường kính, và vị trí của nơi bán kính thay đổi Bên cạnh đó, hình dạng cộng hưởng có thể hiển thị bằng đồ thị để có cái nhìn trực quan hơn cho người thiết kế

Hình 2.19 Phân bố biên độ trong một khuôn hàn có rãnh Đặc biệt, CARD có thể tính toán và phân bố biên độ dao động, ứng suất trong khuôn hàn siêu âm phục vụ cho quá trình thiết kế như trong Hình 2.19 và Hình 2.20

53 Hình 2.20 Phân bố ứng suất trong một khuôn có rãnh Xác định sự phân bố tổn thất trong quá trình làm việc của khuôn hàn như trong Hình 2.21

Hình 2.21 Phân bố tổn thất trong một khuôn có rãnh Tính toán được các thông số đầu vào cho một bộ cộng hưởng như Hình 2.22

54 Hình 2.22 Bảng tính cho đầu vào của một bộ cộng hưởng

Tuy có nhiều ưu điểm nhưng CARD vẫn còn một số hạn chế nhất định Đó là vì CARD sử dụng phân tích một chiều nên sẽ có những hạn chế về các tham số có thể được tính toán Độ đồng nhất biên độ trên bề mặt đầu vào và đầu ra không thể tính được vì biên độ không được phép thay đổi trên mỗi lát cắt Tương tự, tần số cộng hưởng không đồng trục không thể xác định được

CARD thiết kế bộ cộng hưởng bằng cách nhìn vào mặt bên của bộ cộng hưởng Đối với khuôn siêu âm dạng bản có rãnh, đây là giao diện bên nên không thể nhìn thấy các khe Khi nhìn vào bộ cộng hưởng từ phía bên, mặt cắt cộng hưởng phải đối xứng về trục cộng hưởng (tức là hình dạng cắt ngang trên một bên của trục cộng hưởng phải giống như hình dạng ở phía bên kia của trục cộng hưởng) Do đó, CARD không thể phân tích các bộ cộng hưởng bất đối xứng

Ngoại trừ những khuôn hình trụ, không thể sử dụng CARD cho các bộ cộng hưởng có hình dạng cắt ngang dọc theo chiều dài của bộ cộng hưởng Do đó, nếu một bộ cộng hưởng có tiết diện chữ nhật, thì hình dạng cắt ngang này phải tiếp tục cắt dọc theo toàn bộ chiều dài cộng hưởng Mặc dù hình dạng cắt ngang không thể thay đổi, nhưng kích thước mặt cắt ngang có thể được điều chỉnh lại theo ý muốn của người thiết kế

2.5.3 Thiết kế và phân tích khuôn hàn siêu âm sử dụng phần mềm Abaqus

Trước khi phân tích khuôn hàn, sử dụng các phần mềm mô hình hóa 3D dựng mô hình hệ siêu âm Hình 2.23 theo các kích thước được tính toán sơ bộ bởi CARD:

Hình 2.23 Mô hình hệ siêu âm được dựng bởi phần mềm Solidworks

Các bước thực hiện mô phỏng trên Abaqus [74]:

 Bước 1: Chuyển mô hình sang Abaqus, gán các thuộc tính vật liệu cho hệ siêu âm như khuôn, bộ chuyển đổi thạch anh Trong bước này lưu ý cần thiết lập hướng tổ chức vật liệu cho những chi tiết có vật liệu là thạch anh

 Bước 2: Thiết lập mô hình cộng hưởng cho hệ siêu âm

 Bước 3: Thiết lập trạng thái cho mô hình

 Bước 4: Thiết lập tương tác tiếp xúc giữa các bề mặt của các chi tiết với nhau, cài đặt hệ số ma sát giữa các bề mặt là 0,4

 Bước 5: Thiết lập điều kiện biên cho mô hình

 Bước 6: Đặt ngoại lực lên các chi tiết

 Bước 7: Tính toán kết quả, điều chỉnh các thông số phù hợp yêu cầu của hệ siêu âm nhằm kiểm tra khuôn đã được tối ưu chưa Tiếp tục cải tiến để đạt yêu cầu

Quy trình thiết kế khuôn hàn chi tiết được trình bày trong Phụ lục B

2.5.4 Thiết kế đe hàn Đe hàn là chi tiết đỡ sản phẩm cần hàn từ khuôn hàn khi được hệ siêu âm truyền lực và dao động xuống Yêu cầu của vật liệu chế tạo đe hàn là phải có: độ cứng vững, khả năng chịu mài mòn nhất định, dẫn nhiệt tương đối tốt, dễ gia công và giá thành rẻ Các loại đe hàn dùng cho máy hàn siêu âm gián đoạn được thiết kế như Hình 2.24

Kết luận

Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp hàn siêu âm, trong đó bao gồm: nguyên lý hàn siêu âm, nguồn hàn siêu âm (chuyển đổi dòng điện có tần số từ 50 Hz thành dòng điện có tần số 20 kHz), bộ chuyển đổi từ dao động điện sang dao động cơ, bộ khuếch đại dao động giúp biên độ ban đầu khoảng 22 μm lên tối đa gấp 2 lần, cách tính toán thiết kế các loại khuôn hàn siêu âm và vùng định hướng năng lượng cho đường hàn siêu âm

Chương 2 còn giới thiệu về các thông số công nghệ của quá trình hàn siêu âm, phân loại phương pháp hàn siêu âm như: hàn xa - hàn gần, hàn liên tục - hàn gián đoạn,

Ngoài ra, vật liệu nhựa nhiệt dẻo cũng đã được trình bày trong luận án với các tính chất và đặc điểm đặc trưng của nhựa nhiệt dẻo như: tính đàn nhớt, cấu trúc,

Vật liệu làm khuôn hàn siêu âm cho vải không dệt được lựa chọn là nhôm hợp kim 7075 và chi tiết quá trình thiết kế khuôn hàn rộng bản (là loại khuôn phục vụ cho quá trình hàn gián đoạn) để hàn vật liệu vải không dệt

Quy trình thiết kế phân tích khuôn hàn siêu âm từ việc thiết kế sơ bộ trên phần mềm CARD đến các bước mô phỏng tính toán quá trình hoạt động trên phần mềm Abaqus đã được trình bày chi tiết Đe hàn để định dạng hình dáng đường hàn với các loại khác nhau cũng đã được tính toán, thiết kế và chế tạo

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nội dung

Nội dung của Chương 3 bao gồm: xác định các thông số và tiêu chuẩn của vật liệu sẽ trực tiếp nghiên cứu là vải không dệt PP; các thiết bị sẽ được sử dụng trong quá trình nghiên cứu (bao gồm thiết bị hàn siêu âm và thiết bị kiểm tra độ bền kéo, thiết bị phân tích hình ảnh đường hàn) Ngoài ra, trình bày các phương pháp xử lý số liệu và quy hoạch thực nghiệm.

Đối tượng nghiên cứu

PP là một loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng hiện nay được dùng trong nhiều ứng dụng khác nhau để sản xuất các sản phẩm dân dụng PP được sản xuất thông qua quá trình trùng hợp monome propen (Hình 3.1)

PP là loại nhựa có độ bền cơ học cao (bền xé và bền kéo đứt), khá cứng vững, không bị kéo giãn dài do đó được chế tạo thành sợi Đặc biệt PP có khả năng bị xé rách dễ dàng khi có một vết cắt hoặc một vết thủng nhỏ, không màu, không mùi, không vị, không độc, độ bóng bề mặt cao cho khả năng in ấn cao, nét in rõ Ngoài ra còn có tính chất chống thấm khí O2, hơi nước, dầu mỡ và các khí khác

Khác với vật liệu tinh thể có nhiệt độ nóng chảy xác định, PP là vật liệu bán tinh thể nên không có nhiệt độ nóng chảy xác định rõ rệt mà tồn tại khoảng biến mềm ΔT Vì thế, quá trình gia công đối với vật liệu PP nói riêng và nhựa nhiệt dẻo nói chung cần quan tâm đến khoảng biến mềm ΔT với 2 mức nhiệt độ của vật liệu là nhiệt độ thủy tinh hóa

Tg và nhiệt độ chảy giọt Tf (ΔT = Tf – Tg)

60 Hình 3.2 thể hiện sự thay đổi của thể tích riêng ba loại vật liệu polyme vô định hình, bán tinh thể và tinh thể trong quá trình gia nhiệt

Hình 3.2 Sự thay đổi của thể tích riêng của vật liệu polyme theo nhiệt độ Đối với vật liệu nhựa PP, nhiệt độ thủy tinh hóa Tg khoảng –20 0 C, nhiệt độ chảy giọt

Tf khoảng từ 164 0 C - 170 0 C Căn cứ giản đồ tính chất nhiệt của PP ở Hình 3.3 ta có:

 Nếu quá trình hàn được thực hiện dưới –20 0 C, PP sẽ bị phá hủy giòn

 Nếu quá trình hàn được thực hiện trong vùng trạng thái đàn hồi, các tấm PP sẽ không thể liên kết được

 Nếu quá trình hàn được thực hiện trong vùng trạng thái đàn hồi nhớt, sự liên kết các tấm PP sẽ xảy ra Nhưng nếu nhiệt độ không đủ cao (tương ứng với phần bên trái của vùng đàn hồi nhớt) sự liên kết của sản phẩm hàn là không tốt (do xảy ra quá trình đàn hồi vẫn còn tồn tại một phần nên đường hàn không thể liên kết tốt)

Hình 3.3 Giản đồ tính chất nhiệt của PP

61 Để sự liên kết giữa các tấm PP là tốt, đảm bảo yêu cầu về độ bền, khi hàn các tấm nhựa nhiệt dẻo PP nói chung và vải không dệt PP nói riêng nhiệt độ của quá trình hàn phải đạt tiệm cận nhiệt độ chảy giọt Tf nhưng không được vượt quá nhiệt độ này Khi nhiệt độ hàn vượt quá nhiệt độ chảy giọt Tf, vật liệu sẽ xảy ra tình trạng chảy giọt gây phá hủy đường hàn (hay còn gọi là cháy đường hàn)

3.2.2 Vải không dệt Đối tương nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận án là vải không dệt và đường hàn của vải không dệt

Vải không dệt có cấu tạo từ các loại nhựa tổng hợp như PP và một số thành phần khác Chúng được kéo thành từng sợi và liên kết với nhau bằng dung môi hay nhiệt tạo thành những tấm vải nhẹ và xốp [60] Vải không dệt được tạo ra bằng phương pháp phun thổi dòng nhựa nóng có kích thước micro trên một băng tải luôn di chuyển (Hình 3.4) Kết thúc quá trình ta sẽ thu được sản phẩm là vải không dệt [76-78]

Hình 3.4 Sơ đồ quy trình sản xuất vải không dệt Tùy vào từng loại máy thổi cán khác nhau, với các mục đích sử dụng của vải, ta sẽ có các loại vải khác nhau

Vải không dệt (hoặc đơn giản là những sản phẩm được làm từ vải không dệt) (Hình 3.5) được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng kỹ thuật và đời sống khác nhau với các tính chất như: cách nhiệt, hấp thụ chất lỏng, chống cháy, … Vật liệu PP có nhiều ưu điểm khác nhau như: dễ xử lý, kháng hóa chất, không hấp thụ nước và nhất là giá thành thấp Những sản phẩm vải không dệt được làm từ PP được sử dụng trong nhiều mục đích khác nhau như: chăn nệm, ghế sofa, nội thất trong ngành hàng không và ô tô với yêu cầu kháng cháy cao, túi vải, vải phục vụ nông nghiệp, vải che ngăn côn trùng, chống khuẩn, các túi lọc nước, túi có khả năng tự hủy; tã lót trẻ em; khăn ướt; giày dép dùng một lần; các sản phẩm phụ vụ trong ngành y tế như: áo cách ly phẫu thuật; nón, tất, bao bì y tế, băng vết thương; … (Hình 3.6)

Quá trình sản xuất vải không dệt rẻ hơn đáng kể so với vật liệu dệt, vì chúng được sản xuất từ các sợi ngẫu nhiên không có trật tự được liên kết bằng phương pháp liên kết hóa học, phản ứng tổng hợp nhiệt cục bộ [79]

Hình 3.6 Một số ứng dụng của vải không dệt

Việc phân loại vải không dệt cùng một chất liệu và thành phần hiện nay thông thường được sử dụng thông số GSM (tiêu chuẩn GSM) Thông số này gọi là định lượng vải không dệt, thông số được sử dụng để tính khối lượng trên một đơn vị diện tích hay

63 biểu thị cho độ dày của từng loại sản phẩm mà nhà sản suất cung cấp theo các tiêu chuẩn quy định Đơn vị tính định lượng thông thường của vải không dệt là g/m 2 (1 g/m 2 = 1 GSM) Đối với vải không dệt được sản xuất từ PP sử dụng trong các sản phẩm gia dụng tương ứng với các định lượng khác nhau sẽ có mục đích sử dụng khác nhau:

 Vải không dệt định lượng mỏng: là dòng vải có định lượng từ 12 GSM đến 30 GSM, với độ mỏng mềm, dai phù hợp dùng để làm các sản phẩm tiếp xúc trực tiếp đến làn da con người Thường được dùng trong sản xuất khẩu trang y tế, tã em bé, chăn nệm, trang phục bảo hộ y tế, túi bọc chống côn trùng, …

 Vải không dệt có định lượng trung bình: là dòng vải có định lượng từ 40 GSM đến

100 GSM phù hợp với nhiều ngành nghề sử dụng, thường được nhuộm bằng nhiều màu sắc đa dạng Dùng sản xuất các loại túi vải, túi bọc,

 Vải không dệt có định lượng dày: là loại vải không dệt có định lượng từ 120 GSM đến 200 GSM có độ cứng vừa phải Ứng dụng trong sản xuất vali, túi xách, giày dép, trang trí nội thất, …

Do đặc tính không liên tục, ngẫu nhiên và sự hiện diện của các khoảng trống trong cấu trúc vi mô của chúng nên những biến dạng và hư hỏng của sản phẩm không dệt là phức tạp [77,80,81]

Hình 3.7 Mô hình và mô phỏng kéo vải không dệt [77]

Thiết bị phục vụ nghiên cứu

Từ nguyên lý của phương pháp hàn siêu âm đã trình bày trong Chương 2, để tạo liên kết cho vải không dệt bằng siêu âm, ngoài phương pháp hàn bằng khuôn hàn rộng bản đã được trình bày và nghiên cứu có thể áp dụng phương pháp hàn siêu âm liên tục

Máy hàn siêu âm là một thiết bị hàn ứng dụng công nghệ siêu âm để hàn các tấm vải không dệt, sản phẩm cuối cùng có thể kín nước mà không có rãnh thô và tương đối mịn Máy hàn siêu âm có kết cấu hình học tương tự một máy may truyền thống chỉ khác nhau tại bộ phận khuôn siêu âm và cách thức tạo liên kết giữa hai tấm vải không dệt Máy có thể được phân thành 2 loại là hàn theo sóng siêu âm dọc trục và hàn theo sóng hướng kính Nguyên tắc tạo ra hệ siêu âm của 2 dạng máy này là tương đương như nhau nhưng phương truyền sóng đến vật liệu hàn thì khác nhau

3.3.1 Thiết bị hàn sóng dọc trục gián đoạn

Máy hàn siêu âm dạng trụ đứng gắn hệ siêu âm có kích thước làm việc w = 200 mm được sản xuất bởi Công ty Vietsonic có gắn thêm các cảm biến để đo các thông số công nghệ là thiết bị để tiến hành tạo mẫu của thí nghiệm theo phương pháp hàn dọc trục

67 Hình 3.9 Sơ đồ máy hàn đứng Hình 3.10 Máy hàn đứng

Các thông số công nghệ hàn siêu âm gồm công suất tối đa 2 kW, tần số 20 kHz, thời gian hàn và giữ có thể được điều chỉnh từ 0,2 s đến 4 s, áp suất khí nén gây ra áp lực tác động lên đường hàn của máy tối đa là 5 kgf/cm 2

3.3.2 Thiết bị hàn sóng dọc trục liên tục

Thiết bị siêu âm dọc trục là thiết bị có dao động tại đường hàn theo hướng dọc trục đối với hệ siêu âm Khuôn làm việc thường có dạng hình trụ tròn để chuyển tải dao động từ hệ siêu âm lên đường hàn như Hình 3.11

Thiết bị chính khi nghiên cứu hàn siêu âm dọc trục là máy hàn siêu âm liên tục (Model VS2020, Công ty Thiết bị siêu âm Việt Nam, Tp Hồ Chí Minh, Việt Nam) Tần số dao động và công suất của máy lần lượt là 20 kHz và 1 200 W; giá trị tối đa của biên độ dao động cơ học trên bề mặt của khuôn siêu âm là 60 μm; tốc độ con lăn được kiểm soát và điều chỉnh ở mức 6 m/min; áp suất không khí trong hệ thống khí nén để tạo áp lực từ con lăn (đe) lên khuôn hàn tối đa có thể đạt được 5 kgf/cm 2 ; đường kính trong của xi lanh khí nén là 40 mm Con lăn được gắn vào một khung cơ khí và có thể được điều chỉnh vị trí một cách nhanh chóng bằng một kết cấu cơ khí; chiều rộng của con lăn luôn nhỏ hơn đường kính của khuôn siêu âm Trong trường hợp này, khuôn siêu âm được cố định và con lăn được quay trực tiếp trên bề mặt khuôn dưới một áp lực hàn F [87]

68 Hình 3.11 Sơ đồ hàn siêu âm dọc trục liên tục

Máy hàn siêu âm dạng dọc trục liên tục sau khi được chế tạo và lắp ráp như trong Hình 3.12

Hình 3.12 Máy hàn siêu âm dọc trục Thứ tự của một hệ siêu âm được trình bày trong Hình 3.13 bao gồm: nắp sau (1), các vòng gốm áp điện (2), điện cực đồng (3), nắp phía trước (4), bộ khuếch đại (6), vít (5, 7) và khuôn hàn (8)

69 Hình 3.13 Mặt cắt ngang của một hệ siêu âm dọc trục

Hệ siêu âm sau khi được chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh như Hình 3.14

Hình 3.14 Hệ siêu âm dọc trục được chế tạo

3.3.3 Thiết bị sóng hướng kính

So với hệ siêu âm dọc trục đã được nhiều nhà nghiên cứu thực hiện, phương pháp sử dụng hệ siêu âm hướng kính hầu như chưa được nghiên cứu nhiều Cho đến nay, chỉ có một vài nghiên cứu chuyên sâu về hàn hướng kính như: Hunter và các cộng sự [41], O Dahlem và các cộng sự [59] đã tiến hành nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hệ siêu âm hướng kính ở tần số 20 kHz bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng Abaqus Tuy nhiên, nghiên cứu của Hunter chỉ áp dụng hệ siêu âm hướng kính cho một ứng dụng khác của siêu âm đó là xử lý phân loại tạp chất trong hỗn hợp chất lỏng Còn nghiên cứu của O Dahlema mục đích là tăng tốc độ của phản ứng hóa học trong môi trường lưu chất [88]

Sơ đồ làm việc của một hệ siêu âm hướng kính được mô tả như trong Hình 3.15 Quá trình tạo ra đường hàn sẽ do sự chuyển động tiếp xúc của khuôn hàn và đe hàn (Hình 3.16) So với hàn sóng dọc trục, phương pháp hàn siêu âm hướng kính sẽ có một số ưu điểm như: tốc độ nhanh hơn, chất lượng đường hàn tốt hơn, Một máy hàn siêu âm hướng kính hoàn chỉnh sẽ có hình dạng như Hình 3.17

70 Hình 3.15 Sơ đồ hệ siêu âm hướng kính

Hình 3.17 Máy hàn siêu âm hướng kính Ưu điểm của phương pháp hàn siêu âm hướng kính là cả khuôn hàn và con lăn cùng chuyển động tròn đều với các vận tốc góc là ω1 và ω2 nên ma sát giữa khuôn, con lăn, vật liệu hàn (vải không dệt) là tương đối thấp Từ đó, khuôn hàn hướng kính sẽ có yêu cầu về độ bền, chống va đập, mài mòn không cao như khuôn hàn dọc trục [89]

Khuôn siêu âm hướng kính hoạt động ở tần số 20 kHz được thiết kế và mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn Mục đích của thiết kế là tạo ra dao động hướng kính trên bề mặt làm việc Trong nghiên cứu của luận án, chiều rộng của bề mặt làm việc là 20 mm, vật liệu chế tạo khuôn là hợp kim nhôm 7075

Các chi tiết cho một hệ siêu âm hướng kính được lắp đặt theo thứ tự như các Hình 3.18

71 Hình 3.18 Khuôn hàn và hệ siêu âm hướng kính Một hệ siêu âm hướng kính sẽ lắp đặt hoàn chỉnh như trong Hình 3.19

Hình 3.19 Hệ siêu âm hướng kính

3.3.4 Con lăn hàn liên tục

Con lăn trong máy hàn siêu âm đóng vai trò tương tự như một đe hàn, ngoài chức năng tạo ra hình dạng đường hàn con lăn còn có chức năng dẫn động đối với vải không dệt

Vì vậy, vật liệu để chế tạo con lăn phải đáp ứng yêu cầu đảm bảo đủ độ cứng vững, chống mài mòn, chịu được áp lực và có tuổi thọ cao

Vật liệu thường được sử dụng để chế tạo con lăn là thép hợp kim 20Cr để có thể đáp ứng được các yêu cầu của quá trình kỹ thuật Trong quá trình thiết kế con lăn, ngoài các yêu cầu về điều kiện công nghệ thì tính thẩm mỹ cũng phải được chú ý tới

Do hình dáng bề mặt con lăn sẽ quyết định hoa văn của đường hàn (hình dạng đường hàn) nên từ trước đến nay, tùy vào yêu cầu (chủ yếu xét đến tính thẩm mỹ) của người sử dụng mà các nhà sản xuất sẽ thiết kế về theo nhu cầu đặt hàng, sau đó, con lăn được gia công trên máy phay CNC đảm bảo đạt các thông số về mặt kỹ thuật như: kích thước, độ nhám, độ bóng Sau khi được gia công, con lăn thường được hóa nhiệt luyện để đảm bảo độ cứng, chống mài mòn (Hình 3.20)

Hình 3.20 Con lăn được chế tạo để phục vụ thí nghiệm

Phương pháp xử lý số liệu và quy hoạch thực nghiệm

3.4.1 Phương pháp xử lý số liệu

Với mục tiêu xây dựng phương trình hồi quy cho đối tượng nghiên cứu, trong luận án, phương pháp quy hoạch thực nghiệm được thực hiện lần lượt theo các bước như sau:

 Lựa chọn thông số đầu vào và đầu ra cho thực nghiệm

 Xác định miền giá trị các thông số đầu vào, thực nghiệm thăm dò các thông số có ảnh hưởng nhiều nhất

 Lựa chọn mô hình phương trình hồi quy phù hợp

 Lập phương pháp quy hoạch thực nghiệm, tiến hành thí nghiệm thăm dò, xác định số thí nghiệm lặp

 Tiến hành thí nghiệm chính theo các phương pháp quy hoạch được chọn

 Loại bỏ sai số thô, kiểm tra tính đồng nhất phương sai các thí nghiệm, tính toán phương sai tái hiện

 Tính toán hệ số hồi quy

 Đánh giá giá trị hệ số phương trình hồi quy, bỏ các hệ số không ảnh hưởng, xác định lại các hệ số phương trình hồi quy

 Kiểm tra tính tương thích và hiệu quả của phương trình hồi quy

 Phân tích kết quả quy hoạch thực nghiệm

3.4.2 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm

Luận án sử dụng phương pháp Taguchi [90,91] kết hợp phương pháp quy hoạch hỗn hợp đối xứng dạng FCCCD, thu được phương trình hồi quy bậc hai với mục tiêu xác định miền các thông số công nghệ hợp lý cho quá trình hàn siêu âm đối vật liệu vải không dệt

Phương pháp Taguchi xác định mức độ ảnh hưởng của các nhân tố qua độ dốc của đồ thị, đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số đến độ bền kéo đứt đường hàn trên cơ sở thực nghiệm Phương pháp Taguchi được thiết kế với ba mức giá trị, đồng thời thực hiện việc phân tích, đánh giá phương trình hồi quy thu được theo các tiêu chuẩn thống kê

Phương pháp Taguchi được thực hiện theo trình tự các bước như sau:

 Chọn các nhân tố độc lập, biến điều khiển, nhân tố đầu ra, hàm mục tiêu

 Xác định miền giá trị các nhân tố ảnh hưởng đến mục tiêu, mối quan hệ giữa các nhân tố (nếu có), miền giá trị các nhân tố

 Chọn dạng ma trận quy hoạch thực nghiệm tùy vào các nhân tố và số mức giá trị

 Tiến hành thực nghiệm để thu thập số liệu các giá trị đáp ứng, phân tích thống kê dữ liệu thực nghiệm

 Phân tích số liệu, xác định giá trị thí nghiệm tối ưu của các nhân tố

 Sử dụng phương pháp phân tích giá trị trung bình để xác định mức độ ảnh hưởng của các nhân tố

 Tính toán lại hàm mục tiêu theo bộ giá trị nhân tố tối ưu và kiểm chứng bằng thực nghiệm

74 Trong luận án này tác giả sử dụng phương pháp Taguchi theo ma trận quy hoạch L18 dạng 2x3 2 với 3 nhân tố, trong đó 1 nhân tố có 2 mức giá trị và 2 nhân tố có 3 mức giá trị Thứ tự ma trận quy hoạch L18 theo cột N đầu tiên của Bảng 4.13 gồm 18 thí nghiệm chính Với mỗi mức giá trị của nhân tố đầu tiên (dạng mẫu) có N = 9 thí nghiệm, và khi sắp xếp lại thứ tự thí nghiệm của ma trận quy hoạch theo 9 thí nghiệm này sẽ trùng với ma trận quy hoạch thực nghiệm bậc hai theo phương pháp FCCCD (cột N’ của Bảng 4.15) Sử dụng phần mềm Minitab để xử lý và phân tích kết quả khi quy hoạch thực nghiệm theo phương pháp FCCCD ta thu được các hệ số và phân tích ANOVA phương trình hồi quy bậc hai, từ đó xác định miền thông số công nghệ tối ưu khi hàn siêu âm với các hình dạng mẫu vải không dệt khác nhau.

Thiết bị đo và phân tích

3.5.1 Thiết bị kiểm nghiệm độ bền kéo đứt Để tiến hành kiểm nghiệm độ bền kéo đứt, chúng tôi đã sử dụng máy kéo đa năng nhãn hiệu Instron 3369 (Hình 3.21) Instron là một hãng máy phục vụ trong ngành thí nghiệm vật liệu nổi tiếng của Mỹ được thành lập vào năm 1946 Sản phẩm máy kéo đa năng Instron 3369 được thiết kế đảm bảo các tiêu chuẩn: ASTM D903, GB/T2790/2791/2792, CNS11888, JIS-K6854, PSTC7, …

Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy kéo Instron 3369 bao gồm: lực kéo lớn nhất: 50 kN, tốc độ kéo tối đa: 500 mm/min, khoảng thử nghiệm dọc (kéo dài nhất máy có thể thực hiện): 1 193 mm Ngoài ra, máy còn có những tính năng cụ thể chi tiết như sau:

 Độ chính xác tải 0,5 % so với lực tải chỉ định;

 Tốc độ thu thập dữ liệu 500 Hz (sử dụng phần mềm Bluehill 3);

 Tốc độ thu thập dữ liệu 100 Hz (sử dụng phần mềm Bluehill & Bluehill Lite);

 Kiểm soát phần mềm hoàn chỉnh (tùy chọn theo yêu cầu);

 Nhận dạng đầu dò tự động;

 Có thể gắn thiết bị cầm tay và phụ kiện tùy chọn;

 Buồng nhiệt độ tùy chọn;

75 Hình 3.21 Máy kéo đa năng Instron - 3369 Giao diện điều khiển và dữ liệu kéo từ máy kéo Instron 3369 như trong Hình 3.22

Hình 3.22 Giao diện máy kéo Instron 3369 (a) và kết quả kéo thu được (b)

3.5.2 Thiết bị phân tích hình ảnh đường hàn Để phân tích hình ảnh của đường hàn, hình ảnh của vật liệu chúng tôi tiến hành sử dụng thiết bị kính hiển vi điện tử quét (SEM) nhãn hiệu: HITACHI S4800 (Hình 3.23) để quan sát các hình ảnh vi mô của bề mặt S4800 đã được phát triển với vật kính đáp ứng

76 yêu cầu của người dùng về độ phân giải hình ảnh, thu thập thông tin mẫu vật phù hợp với nhiều mục đích đánh giá và giảm thiểu hư hỏng mẫu vật S4800 đã được sử dụng trong các công nghệ tiên tiến hàng đầu như phân tích chất bán dẫn và vật liệu tiên tiến

Hình 3.23 Kính hiển vi điện tử quét Hitachi S4800

Một số thông số của thiết bị:

 Điện áp gia tốc 0,5 kV đến 30 kV;

 Độ phân giải 1 nm ở 15 kV, 1,4 nm ở 1 kV;

 Độ phóng đại từ 30 lần đến 800 000 lần; kích thước mẫu tối đa là 100 mm;

 Hệ thống chân không khô;

 Giai đoạn lệch tâm có động cơ X + Y với giao diện bi lăn;

 Dò tán xạ ngược kiểu vòng; hệ thống quang phổ tia X

Kết quả phân tích hình ảnh từ máy có thể được xem như trên Hình 3.24

Hình 3.24 Giao diện điều khiển của kính hiển vi điện tử quét Hitachi S4800

Kết luận

Chương 3 luận án nghiên cứu về vật liệu vải không dệt (cụ thể là vải không dệt PP có định dạng 70 GSM), quy trình sản xuất vải không dệt bằng công nghệ phun ép và các phương pháp thử độ bền kéo đứt của vải không dệt đã được nghiên cứu Bên cạnh đó các dạng hỏng thông thường của các sản phẩm vải không dệt, các tiêu chuẩn thử nghiệm đối với vật liệu vải không dệt cũng đã được trình bày Đối với thiết bị thí nghiệm để tạo đường hàn, luận án đã trình bày ba loại máy hàn siêu âm

 Máy hàn siêu âm gián đoạn dạng đứng có công suất hàn tối đa 2 kW, tần số dao động

20 kHz, thời gian hàn và giữ có thể được điều chỉnh từ 0,2 s đến 4 s, áp lực hàn tối đa là 5 kgf/cm 2

 Máy hàn siêu âm liên tục dọc trục và máy hàn siêu âm hướng kính có tần số và công suất của máy lần lượt là 20 kHz và 1 200 W; giá trị tối đa của biên độ dao động cơ học trên bề mặt của khuôn siêu âm là 60 μm; tốc độ con lăn được kiểm soát và điều chỉnh ở mức 6 m/min; áp suất không khí trong hệ thống khí nén để tạo áp lực hàn từ con lăn (đe) lên khuôn hàn tối đa có thể đạt được 5 kgf/cm 2

Cơ sở cho phương pháp xử lý số liệu chuẩn cũng đã được trình bày trong Chương 3 bao gồm các bước tiến hành quy hoạch thực nghiệm, sử dụng phương pháp Taguchi kết hợp phương pháp quy hoạch hỗn hợp đối xứng dạng FCCCD đánh giá mức độ ảnh hưởng từng nhân tố và thu được phương trình hồi quy bậc hai, từ đó lựa chọn dạng mẫu hàn hợp lý và xác định miền các thông số công nghệ tối ưu cho quá trình hàn siêu âm đối vật liệu vải không dệt

Cuối cùng là các thiết bị hỗ trợ cho quá trình xác định độ bền kéo đứt của đường hàn, phân tích hình ảnh tế vi của đường hàn cũng được luận án giới thiệu như: máy kéo đa năng nhãn hiệu Instron 3369, kính hiển vi điện tử quét (FE - SEM) nhãn hiệu HITACHI S4800

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM

Nội dung

Nội dung của Chương 4 trình bày quy trình thiết kế khuôn hàn siêu âm, xác định và đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính đến độ bền kéo đứt Trong Chương 4 còn nghiên cứu sự phụ thuộc của độ bền kéo đứt vào các thông số công nghệ chính theo phương trình hồi quy bậc 2, sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm FCCCD Từ đó tìm được miền giá trị của các thông số công nghệ chính đảm bảo độ bền kéo đứt đạt được giá trị mong muốn Ngoài ra, cấu trúc của đường hàn cũng được phân tích qua hình ảnh, lựa chọn vùng nhiệt độ hàn hợp lý cho vật liệu vải không dệt PP.

Thiết kế, mô phỏng và chế tạo khuôn, đe hàn

4.2.1 Thiết kế và mô phỏng khuôn hàn

4.2.1.1 Khuôn hàn rộng bản 20 kHz

Trình tự chi tiết việc thiết kế mô phỏng khuôn hàn siêu âm rộng bản dao động dọc trục (tham khảo chi tiết tại Phụ lục A và B), lựa chọn các thông số kỹ thuật của khuôn được tiến hành theo trình tự như Mục 2.5 Kết quả của việc thiết kế khuôn hàn rộng bản có bề mặt làm việc rộng 260 mm với 4 khe rãnh, vật liệu là hợp kim nhôm

Hình 4.1 Bản vẽ 2D khuôn hàn sau khi được thiết kế

79 Hình 4.2 Kết quả mô phỏng biên độ dao động dọc trục của khuôn

4.2.1.2 Khuôn hàn cho máy hàn siêu âm 20 kHz sóng hướng kính

Các bước thực hiện đối với thiết kế khuôn hàn hướng kính như sau:

 Thiết kế khuôn bằng phần mềm CARD để có hình dạng sơ bộ

 Thiết kế mô hình 3D trên phần mềm CAD

 Mô phỏng trên phần mềm Abaqus

 Mô phỏng tìm tần số dao động tự nhiên (chạy từ tần số 10 kHz đến 20 kHz) đối với khuôn 15 kHz và (chạy từ 15 kHz đến 25 kHz) đối với khuôn 20 kHz như Hình 4.3

 Chọn tần số gần với tần số làm việc 15 kHz và 20 kHz

 Phân tích kết quả phân bố biên độ và ứng suất thu được sau khi mô phỏng như Hình 4.4

 Biên độ dao động không đồng đều, do đó phải thay đổi hình dáng của khuôn để đạt được sự đồng đều về biên độ dao động tại bề mặt làm việc

 Quay lại bước thiết kế mô hình 3D tiếp tục lặp lại các bước Khi biên độ dao động đồng đều thì dừng vòng lặp

Việc thiết kế khuôn hàn hướng kính và hệ siêu âm được thực hiện theo đúng quy trình thiết kế khuôn hàn siêu âm đã trình bày trong Mục 2.5 Với tần số dao động 20 kHz, biên độ tại bề mặt làm việc là 48 μm, các thông số và chỉ tiêu làm việc của hệ siêu âm đều được mô phỏng và tính toán trên phần mềm Abaqus một cách chi tiết và đầy đủ

80 Hình 4.3 Mô phỏng chế độ làm việc với các tần số khác nhau

Hình 4.4 Phân tích biên độ và ứng suất của hệ thống siêu âm hướng kính

Dựa trên kết quả mô phỏng, khuôn siêu âm hướng kính của hợp kim nhôm được sản xuất bằng cách sử dụng máy CNC, toàn bộ hệ thống siêu âm sau khi lắp ráp sẽ được kết nối với bộ phân tích trở kháng để quét tần số cộng hưởng Để tìm tần số cộng hưởng hướng kính, máy phân tích trở kháng được sử dụng để đo toàn bộ hệ thống siêu âm hướng kính Dải tần số của máy phân tích trở kháng được chọn từ 18,4 kHz đến 21,2 kHz Tần số cộng hưởng hướng kính được đo là 20 008 Hz

4.2.2 Chế tạo khuôn hàn, đe hàn

Sau khi có kết quả thiết kế cuối cùng (đồng đều biên độ), tiến hành gia công khuôn hàn đáp ứng điều kiện làm việc Từ bản vẽ chi tiết về kích thước của khuôn, ta tiến hành gia công thực tế với vật liệu giống như đã mô phỏng Vật liệu chế tạo khuôn là nhôm 7075, khuôn được gia công trên các máy CNC

Sau khi chế tạo khuôn và kiểm tra các thông số kích thước như Hình 4.5, tiến hành gắn khuôn vào hệ siêu âm như hình Hình 4.6

81 Hình 4.5 Khuôn hướng kính thực tế sau khi chế tạo

Kiểm tra tần số hoạt động của hệ siêu âm và khuôn sau khi lắp ráp đúng yêu cầu khi thiết kế Đảm bảo tần số bắt đầu và tần số kết thúc trong vùng tần số làm việc của hệ siêu âm đã được thiết kế tính toán

Hình 4.6 Hệ siêu âm hướng kính

Việc thường xuyên kiểm tra các thông số như tần số, biên dộ dao động tại vị trí làm việc của khuôn phải được thường xuyên, liên tục sau mỗi công đoạn lắp ghép nhằm kịp thời điều chỉnh đúng với các thông số đã được tính toán và mô phỏng Đối với đe hàn (con lăn), việc thiết kế và chế tạo đã được trình bày tại Mục 3.3.4 Đáp ứng các yêu cầu về kiểu dáng đường hàn trong quá trình thực nghiệm, 9 kiểu dáng con lăn với các hình dạng khác nhau đã được chế tạo để phục vụ cho quá trình tạo mẫu đường hàn như sẽ được trình bày tại Mục 4.3.2.5

Chuẩn bị thực nghiệm và thực nghiệm thăm dò

4.3.1 Mẫu thí nghiệm và thiết bị đo

Túi vải không dệt được gia công bằng phương pháp hàn siêu âm (gọi tắt là túi) đơn giản nhất hiện nay là túi dạng gấp mép đục lỗ và và hàn 2 bên Thông thường túi được sử dụng để đựng các sản phẩm cao cấp và rất đa dạng từ kích thước đến khối lượng nên việc thông tin chi tiết cho khách hàng về giới hạn tốt đa về độ bền kéo đứt là một trong những tiêu chí rất quan trọng Túi thường gặp hai dạng hỏng khi mang chứa vật nặng đó là đứt quai và rách đường hàn (đáy hoặc hông túi) Hình 3.8

Trường hợp đứt quai tại vị trí đột lỗ, phương pháp xử lý rất đơn giản, chỉ cần dịch chuyển lỗ về phía dưới theo hướng từ miệng đến đáy là đảm bảo yêu cầu

Dạng hỏng thứ hai là rách túi tại vị trí đường hàn, đây là một trong những hỏng hóc hay gặp khi dùng túi đựng các vật quá nặng Để kiểm tra độ bền kéo đứt đường hàn siêu âm 2 tấm vải không dệt, trong luận án áp dụng các tiêu chuẩn để kiểm nghiệm về vải đã được trình bày trong Mục 3.2.4

Từ đường hàn 2 mảnh vải không dệt theo đúng kích thước được quy định trong TCVN ở Mục 3.2.4 ( chọn bề rộng của mẫu thí nghiệm là 200 mm) Mô hình kiểm tra độ bền kéo đứt của đường hàn được mô tả như trong Hình 4.7

Hình 4.7 Mô hình kiểm tra độ bền kéo đứt đường hàn vải không dệt

Tiến hành hàn các mẫu ở các chế độ hàn khác nhau sau đó kiểm tra độ bền kéo đứt của đường hàn trên máy kéo như Hình 4.8

83 Hình 4.8 Kéo mẫu hàn trên máy kéo Instron-3369 Kết quả thu được từ máy kéo sẽ thu được như Hình 4.9

Hình 4.9 Kết quả kéo một số mẫu hàn trên máy kéo Instron-3369

4.3.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến độ bền kéo đứt của đường hàn

Như đã được nói ở các chương trước, dựa theo các nghiên cứu đã được tham khảo kết hợp với các nghiên cứu mà tác giả đã thực hiện và công bố, các nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng của đường hàn siêu âm bao gồm: loại vật liệu, vùng năng lượng, tần số dao

84 động, biên độ dao động, áp lực hàn, thời gian hàn, thời gian giữ, công suất máy hàn, như thống kê trong Bảng 4.1

Bảng 4.1 Thống kê về chỉ số các thông số công nghệ đã được nghiên cứu

Nội dung chính của nghiên cứu liên quan đến hàn siêu âm

Thông số (vùng thông số) hàn mà nghiên cứu sử dụng

Biên độ (àm) Áp lực hàn Thời gian hàn (s)

[1] Khuôn hàn siêu âm rộng bản 15 - 28

[2] Thiết kế khuôn hàn siêu âm 16 - 35 120 20 – 30 kgf/cm 2

[4] Thiết kế khuôn hàn siêu âm 25 25; 36; 40

[9] Hàn siêu âm hướng kính 35

[10] Khuôn hàn siêu âm hướng kính 20

85 [12] Dạng đường hàn siêu âm

[14] Hàn vải không dệt (nhiệt độ)

[16] Hàn siêu âm vải, màng

[17] Giới thiệu về may mặc

[19] Độ bền kéo đứt đường hàn 20 35 - 40 m/min

[20] Hàn siêu âm áo phẫu thuật 20 3 Bar 20 - 25 dm/min

[21] Nguồn (máy) phát siêu âm 20

[27] Các dạng đường hàn siêu âm 20 48 3 Bar 6 m/min

[29] Hàn siêu âm hướng kính 20 48 3 Bar 6 m/min

[32] Định hướng năng lượng 20 35 3 - 5 Bar 0,32 - 0,85 0,5 - 2.5

[33] Độ bền đường hàn siêu âm 20 25; 36; 40 2.5; 3.0; 3.5 kgf/cm 2 0,25; 0,3; 0,33 0,15; 0,35; 0,45

86 [34] Độ bền đường hàn siêu âm 20 25; 36; 40 0,25; 0,3; 0,33 0,1; 0,3; 0,5

[35] Thông số hàn siêu âm nhựa 20 60 2; 5 Bar 0,2; 1 0,5; 2.5

[36] Nhiệt độ trong hàn siêu âm 20 60 3 Bar 0,8 1

[37] Dao động siêu âm hướng kính

[38] Độ bền đường hàn siêu âm 20 25 - 30 2,2 kgf/cm 2 2 m/min

Các nhân tố trên có thể là những nhân tố độc lập hoặc phụ thuộc lẫn nhau trong quá trình hàn [92] Cụ thể, các nhân tố như: tần số, biên độ, công suất của nguồn phát siêu âm là phụ thuộc lẫn nhau trong quá trình hàn Ngược lại các nhân tố như: vật liệu, vùng năng lượng (hình dáng đường hàn), áp lực hàn, thời gian hàn là những nhân tố độc lập [53]

Do vật liệu đã xác định là vải không dệt PP có định dạng 70 GSM, trên cơ sở khảo sát các nghiên cứu trên Bảng 4.6, các nhân tố ảnh hưởng độ bền mối hàn bao gồm: tần số dao động, biên độ dao động, thời gian hàn, áp lực lên đường hàn và hình dạng đường hàn,

4.3.2.1 Tần số dao động Đối với hàn siêu âm, tần số dao động thường được sử dụng là từ 20 kHz đến 40 kHz [35,36] Vì vậy, quá trình hàn phải được thực hiện đảm bảo để giữ cho tần số dao động luôn đạt được giá trị này Tần số dao động phải được tính toán từ quá trình thiết kế đến mô phỏng và chế tạo hệ siêu âm (bằng hoặc trên 20 kHz)

Tần số dao động siêu âm của thiết bị càng cao thì quá trình hoạt động đảm bảo hơn về mặt tiếng ồn, chất lượng thiết bị và sự ảnh hưởng của quá trình sản xuất đến môi trường lao động sẽ cao hơn Tuy nhiên về mặt năng lượng nếu tần số dao động càng cao thì công suất làm việc của hệ siêu âm càng nhỏ, đây là 2 mặt thuận nghịch cho quá trình lựa chọn tần số làm việc sao cho phù hợp nhất với điều kiện thực tế

87 Việc lựa chọn tần số dao động đối với phương pháp hàn siêu âm cũng đã được nghiên cứu Trong trường hợp thiết bị nghiên cứu hiện tại, tần số hoạt động luận án thực nghiệm là 20 kHz Điều này tương tự như giá trị của tần số hàn siêu âm đã được ứng dụng và trình bày trong các tài liệu [31-33]

Biên độ dao động tại vị trí bề mặt làm việc của khuôn hàn phụ thuộc vào các thông số của hệ siêu âm theo thứ tự từ: bộ chuyển đổi, bộ khuếch đại, khuôn hàn Tùy vào quá trình thiết kế của bộ khuếch đại và khuôn hàn mà giá trị của biên độ hàn sẽ là bội số của biên độ dao động được tạo nên từ bộ chuyển đổi như Hình 4.10

Hình 4.10 Biên độ hàn được thiết kế qua hệ siêu âm

Biên độ hàn đã được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu và trình bày trong rất nhiều báo cáo cụ thể, trong những nghiên cứu đó, mỗi loại vật liệu nhựa nhiệt dẻo khác nhau sẽ được khuyến khích áp dụng một thông số biên độ dao động phù hợp nhất [93] Đối với vật liệu vải không dệt PP định dạng 70 GSM, chúng tôi thiết kế với biên độ hàn là 48 μm như đã trình bày trong tài liệu [86,87,89]

Thời gian hàn là độ lớn của thời gian mà dao động siêu âm với biên độ nhất định Việc lựa chọn cẩn thận độ lớn này là cần thiết để có được độ bền đường hàn tối ưu [55]

Khi hai chi tiết cần hàn được truyền năng lượng siêu âm, vật liệu sẽ nóng chảy Đối với các chi tiết có độ dày lớn thì cần một thời gian tương đối lớn hơn so với các chi tiết mỏng vì thời gian hàn và thời gian giữ cần phải đủ để năng lượng được truyền đầy đủ đến tất cả các vị trí của vùng năng lượng Ngoài ra, thời gian giữ sau khi hàn là để khi nhiệt độ giảm, các chi tiết có sự liên kết với nhau Đối với vải không dệt nói riêng và các loại màng mỏng nói chung, thông số thời gian giữ là rất nhỏ so với thời gian hàn

88 Đối với phương pháp hàn liên tục có một thông số khác để tính toán ra thời gian hàn đó chính là vận tốc hàn (chiều dài của đường hàn trong một đơn vị thời gian) Đơn vị của vận tốc hàn siêu âm liên tục thường được tính là (m/min) Tuy nhiên để thuận tiện cho việc nghiên cứu chúng tôi tập trung vào tính toán thời gian hàn đối với phương pháp hàn gián đoạn vì phương pháp này có thể xác định chính xác thời gian cũng như dễ thực hiện việc điều chỉnh thời gian đó

Kết quả thực nghiệm chính và phân tích

Bảng giá trị các nhân tố trong quy hoạch theo phương pháp Taguchi được trình bày như trong Bảng 4.12

Bảng 4.12 Bảng giá trị các nhân tố

Nhân tố Ký hiệu Khoảng thay đổi

Hình dáng mối hàn D x1 Mẫu 3 Mẫu 4

4.4.1.1 Sử dụng phương pháp Taguchi L18

Thứ tự thí nghiệm theo cột N của Bảng 4.13 với 1 nhân tố 2 mức và 2 nhân tố 3 mức giá trị (18 thí nghiệm) ta có:

Bảng 4.13 Quy hoạch L18 quy hoạch nhân tố riêng phần 2  3 2 với 3 nhân tố

Giá trị tự nhiên Độ bền kéo đứt (N)

Sử dụng phần mềm Minitab xử lý kết quả thí nghiệm, ta thu được kết quả sau:

Hình 4.20 Mức độ ảnh hưởng của các thông số đến độ bền kéo đứt của đường hàn

Từ phân tích trên, nhân tố ảnh hưởng nhiều nhất đến độ bền kéo đứt là thời gian hàn 45,31 %, hình dáng đường hàn (Mẫu 3) 30,03 % và áp lực hàn là 24,66 %

4.4.1.2 Sử dụng FCCCD thu được mô hình hồi quy bậc hai và tìm miền thông số công nghệ tối ưu

Giá trị các nhân tố thời gian hàn và áp lực hàn được mã hóa như trong Bảng 4.14

Bảng 4.14 Giá trị các nhân tố được mã hóa

Tự nhiên Mã hóa Dưới

Thời gian hàn (s) t x1 0,4 1,2 1,6 2,0 Áp lực hàn

103 Đối với hình dáng đường hàn theo Mẫu 3: ta có kết quả như Bảng 4.15

Bảng 4.15 Kết quả thử nghiệm đối với hình dáng đường hàn theo Mẫu 3

Các nhân tố mã hóa Tự nhiên Kết quả với số thí nghiệm lặp

Xử lý kết quả thực nghiệm và đánh giá phương trình hồi quy trên Minitab ta thu được phương trình hồi quy như sau:

F3 = 252,06 + 15,94ãx1 + 4,07ãx2 – 39,77ãx1 2 – 20,89ãx2 2 – 8,16ãx1ãx2

F3 = –1 822 + 1 051,70ãp + 550,50ãt – 159,09ãp 2 – 130,60ãt 2 – 40,82ãpãt

Kết quả phân tích ANOVA trên Minitab:

Source DF Adj SS Adj MS F-Value P-Value

Lack-of-Fit 3 470,0 156.7 2.05 0,117 Pure Error 54 4116.8 76.2

S R-sq R-sq(adj) R-sq(pred)

Term Coef SE Coef T-Value P-Value VIF

Qua kết quả phân tích trên thì các hệ số phương trình hồi quy đều có ý nghĩa và tương thích (R – Sq = 90,04 %)

Kết quả thực nghiệm được biểu diễn theo dạng mặt cong và các đường đồng mức như Hình 4.21

Hình 4.21 Ảnh hưởng của thời gian hàn và áp lực hàn đến độ bền kéo đứt Mẫu 3

105 Đối với hình dáng đường hàn theo Mẫu 4: ta có kết quả như Bảng 4.16

Bảng 4.16 Kết quả thử nghiệm đối với hình dáng đường hàn theo Mẫu 4

Các nhân tố mã hóa Tự nhiên Kết quả với số thí nghiệm lặp

Xử lý kết quả thực nghiệm và đánh giá phương trình hồi quy trên Minitab ta thu được phương trình hồi quy như sau:

Kết quả phân tích ANOVA trên Minitab:

Source DF Adj SS Adj MS F-Value P-Value

Lack-of-Fit 3 1811.5 603.8 13.07 0,000 Pure Error 54 2495.5 46.2

S R-sq R-sq(adj) R-sq(pred)

Term Coef SE Coef T-Value P-Value VIF

Qua kết quả phân tích trên thì các hệ số phương trình hồi quy đều có ý nghĩa và tương thích (R – Sq = 92,02 %)

Kết quả thực nghiệm được biểu diễn theo dạng mặt cong và các đường đồng mức như Hình 4.22

Hình 4.22 Ảnh hưởng của thời gian hàn và áp lực hàn đến độ bền kéo đứt Mẫu 4

4.4.2 Phân tích và đánh giá

Phân tích cho các trường hợp miền các thông số công nghệ để đảm bảo độ bền kéo đứt đạt giá trị cho trước thấp nhất là 200 N, 220 N và 240 N cho trong Bảng 4.17

107 Bảng 4.17 Miền giá trị thông số công nghệ tương ứng với độ bền kéo đứt Độ bền kéo đứt

Sử dụng phần mềm Minitab xác định giá trị độ bền kéo đứt tối ưu Đối với mẫu 3, độ bền kéo đứt cao nhất đạt được là 253,73 N khi t = 1,62 s và áp lực hàn p = 3,1 kgf/cm 2 (Hình 4.23)

Hình 4.23 Độ bền kéo đứt đạt giá trị cao nhất của Mẫu 3

108 Đối với mẫu 4, độ bền kéo đứt cao nhất đạt được là 224,67 N khi t = 1,60 s và áp lực hàn p = 3,09 kgf/cm 2 (Hình 4.24)

Hình 4.24 Độ bền kéo đứt đạt giá trị cao nhất của Mẫu 4 Với các thông số công nghệ được tính toán tiến hành thực nghiệm lại với các mẫu thử nghiệm với các thông số hàn: t = 1,6 s, p = 3,1 kgf/cm 2 , 2 loại đường hàn (Mẫu 3 và Mẫu 4) ta có kết quả độ bền kéo đứt như Bảng 4.18:

Bảng 4.18 Giá trị thực nghiệm kiểm nghiệm Mẫu F1 (N) F2 (N) F3 (N) F4 (N) F5 (N) F6 (N) F7 (N) Ftb (N)

4 230,54 231,43 223,72 233,69 220,25 219,21 225,06 226.27 Đối sánh với kết quả tính toán quy hoạch thực nghiệm với Mẫu 3 có mức lệch giữa kết quả tính toán và kết quả thực tế thực nghiệm là: 1,19 % Mẫu 4 có mức lệch giữa kết quả tính toán và kết quả thực tế thực nghiệm là: 0,77 %

Trong quá trình hàn siêu âm, đối với một thiết bị hàn thì tần số dao động là cố định không thể thay đổi được trong suốt quá trình làm việc Tuy nhiên các thông số khác như: biên độ, thời gian hàn, áp lực hàn, hình dáng đường hàn (tùy thuộc vào hình dáng đe hàn) thì có thể điều chỉnh được

109 Đối với hình dáng đường hàn, luận án đã nghiên cứu ảnh hưởng về hình dáng của các loại đường hàn khác nhau đến độ bền kéo đứt của đường hàn siêu âm qua các nghiên cứu [87]

Hai thông số: thời gian hàn và áp lực hàn của khuôn hàn lên vật hàn ảnh hưởng lớn đến độ bền kéo đứt của đường hàn nên luận án sẽ tiến hành phương pháp quy hoạch theo các thông số công nghệ này.

Phân tích hình ảnh của đường hàn

Trên cơ sở được khuyến nghị về nhiệt độ hàn đối với vật liệu PP được trình bày tại Mục 3.2.1, với tần số hàn 20 kHz, biên độ hàn 48 μm, thời gian hàn từ 1,2 s đến 2 s, áp lực hàn từ 2,5 kgf/cm 2 đến 3,5 kgf/cm 2 thì nhiệt độ hàn nằm trong vùng bên phải khu vực trạng thái đàn hồi nhớt nhưng chưa đến khu vực nhiệt độ chảy giọt Tf (Hình 4.25)

Hình 4.25 Khuyến nghị khi thực hiện phương pháp hàn trên giản đồ nhiệt độ

Khi vải không dệt nhận được năng lượng từ dao động ở tần số siêu âm được truyền đến từ khuôn hàn, dưới áp lực hàn từ con lăn và khuôn, nhiệt độ tại mặt phân cách của các tấm vải không dệt sẽ tăng lên đến nhiệt chảy dẻo Khi đó, các tấm vải (sợi) sẽ tan chảy và hòa quyện vào nhau và sẽ được nguội nhanh chóng sau khi ngừng cung cấp năng lượng từ dao động [95] Để khảo sát và phân tích hình ảnh, chúng tôi tiến hành quan sát ảnh SEM tại nhiều vị trí và hướng khác nhau của đường hàn

Mặt trước của đường hàn (Hình 4.26) là vị trí tiếp xúc giữa con lăn với tấm vải không dệt thứ nhất Hình dáng hoa văn của con lăn sẽ là những vết xuất hiện rõ trên đường hàn

Hình 4.26 Ảnh SEM của đường hàn siêu âm chụp từ mặt trước với độ phóng đại

Qua quan sát các ảnh SEM thu được một số kết luận như sau về đường hàn tại bề mặt phía trước:

 Ranh giới giữa vùng hàn và vùng vải nền (phần vật liệu chưa hàn) là tương đối rõ ràng Hình 4.26(a) Các sợi trong vùng hàn được nén thấp hơn bề mặt ban đầu của vải Hình 4.26(b)

 Các sợi vải trong vùng hàn được nén nên bị biến dạng so với hình dàng ban đầu (bị bẹt ra) Một số sợi tan chảy toàn bộ nhưng cũng tồn tại một số sợi chỉ tan chảy một phần do các sợi vải có vị trí và phương không giống nhau nên sự tiếp xúc với khuôn hàn là không đồng nhất

 Nhiều khuyết tật được tìm thấy trong khu vực hàn vì các loại vải cơ bản không phải là vật liệu đồng nhất trong quá trình pha trộn vật liệu và các chất phụ gia, độ dày của vải cũng không được đồng đều trong quá trình phun sợi và ép

 Các sợi vải có thể bị biến dạng (bẹt) hoặc tan chảy toàn bộ nhưng hầu như không bị đứt hoặc nứt gãy Chính điều này đảm bảo được độ bền kéo đứt của đường hàn sau khi kiểm tra khả năng chịu tải Hình 4.26(c)

Mặt sau của đường hàn (Hình 4.27) là vị trí tiếp xúc giữa khuôn hàn và tấm vải không dệt còn lại, đây là vị trí đầu tiên tiếp nhận dao động với biên độ và tần số siêu âm từ

111 khuôn hàn truyền đến đường hàn Do bề mặt khuôn hàn phẳng nên tại vị trí chảy dẻo, các hoa văn tuy có hình dáng tương tự như mặt trước nhưng độ sâu thì không rõ bằng

Hình 4.27 Ảnh SEM của đường hàn siêu âm chụp từ mặt sau với độ phóng đại

Qua quan sát từ các ảnh SEM thu được một số kết luận như sau về đường hàn tại bề mặt phía sau:

 Ranh giới giữa vùng hàn và vùng vải nền (phần vật liệu chưa hàn) là tương đối rõ ràng Hình 4.27(a), Tuy nhiên, do bề mặt khuôn hàn phẳng nên các sợi trong vùng hàn và bề mặt ban đầu của vải gần như không có độ chênh Hình 4.27(b), Hình 4.27(c)

 Bên trong vùng hàn, các sợi vải bị tan chảy dưới tác dụng nhiệt do dao động là khác nhau, có sợi tan chảy hoàn toàn, có sợi tan chảy một phần, Điều đó chứng tỏ rằng, dao động được truyền trừ khuôn đến vải là không như nhau (do kết cấu không đồng nhất của vật liệu vải)

 Các sợi vải có thể bị biến dạng (bẹt) hoặc tan chảy hoàn toàn nhưng hầu như không bị đứt hoặc nứt gãy (tương tự như ở mặt trước), Chính điều này đảm bảo được độ bền kéo đứt của đường hàn sau khi kiểm tra khả năng chịu tải

4.5.3 Mặt cắt ngang của đường hàn

Tiến hành phun nitơ lỏng ở nhiệt độ (– 196 0 C) để đông cứng đường hàn rồi tiến hành cắt ngang đường hàn như Hình 4.28 để quan sát kết cấu đường hàn

112 Hình 4.28 Phương chụp cắt ngang đường hàn

Qua quan sát từ các ảnh SEM mặt cắt ngang của đường hàn (Hình 4.29), chúng ta có các kết luận như sau về mặt cắt ngang của đường hàn:

Hình 4.29 Ảnh SEM của đường hàn siêu âm chụp mặt cắt ngang với độ phóng đại

 Hình dáng lõm do con lăn khắc trên vải được nhìn thấy tương đối rõ ràng, xuất hiện độ cong giữa bề mặt của vải trên và bề mặt của vùng hàn Cấu trúc liên kết này đã làm tăng liên kết giữa các sợi của vải phía trên và các sợi của vùng hàn Hình 4.29(a)

 Trong khu vực hàn, một số sợi được gia nhiệt nên nóng chảy hoàn toàn và đông đặc thành một khối đồng nhất, ngoài ra vẫn tồn những sợi khác bị nén và nóng chảy một phần do năng lượng được truyền đến các sợi vải không đồng nhất Hình 4.29(b)

 Các sợi vải dễ liên kết với nhau tạo thành khối hoặc những sợi có kích thước lớn hơn Hình 4.29(c).

Kết luận

Trong Chương 4, luận án đã lần lượt trình bày về quá trình thiết kế, mô phỏng, chế tạo các loại hệ siêu âm khác nhau cho 2 quá trình hàn là: gián đoạn và hàn liên tục Các thiết bị hàn cũng đã được trình bày chi tiết từ nguyên lý đến mô hình được chế tạo thực tế

113 Để đánh giá độ bền kéo đứt của đường hàn, mẫu thiết bị đo, các nhân tố là thông số công nghệ cũng đã được tiến hành thử nghiệm đánh giá mức độ ảnh hưởng đến độ bền kéo đứt của đường hàn, xác định số thí nghiệm lặp là 7 thí nghiệm, lựa chọn mô hình hồi quy ở dạng đa thức bậc 2, sử dụng kết hợp phương pháp Taguchi và quy hoạch thực nghiệm bậc 2 là phương pháp quy hoạch hỗn hợp đối xứng dạng FCCCD

Kết quả thí nghiệm đánh giá nhân tố ảnh hưởng nhiều nhất đến độ bền kéo đứt của đường hàn là: thời gian hàn 45,31 %, hình dáng đường hàn (mẫu 3) 30,03 % và áp lực hàn 24,66 %

Luận án cũng tìm được miền thông số công nghệ tối ưu cho từng loại mẫu hàn thông qua phương trình hồi quy và các biểu đồ minh họa cho các mức độ bền kéo đứt của đường hàn Từ đó đánh giá phân tích cho các trường hợp miền các thông số công nghệ để đảm bảo độ bền kéo đứt đạt giá trị cho trước thấp nhất là 200 N, 220 N và 240 N đối với các mẫu hàn

Ngoài ra, để giải thích cho sự hình thành và kết cấu của đường hàn siêu âm trên vật liệu vải không dệt, luận án đã trình bày các hình ảnh thể hiện cấu trúc tế vi của đường hàn được chụp từ các góc độ khác nhau

Với các thông số hàn đã lựa chọn, nhiệt độ khi hàn đã đạt được lân cận khu vực nhiệt độ chảy giọt Tf trong vùng trạng thái đàn hồi nhớt của vật liệu PP Khi đó các tấm vải không dệt PP sẽ liên kết tốt với nhau