TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp, các thách thức lớn nhất của các nhà công nghệ và kỹ sư là sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ kỹ thuật Những vật liệu mới ra đời với các chức năng đặc biệt áp dụng trong lĩnh vực công nghệ cao Thông thường, các vật liệu đó bị hạn chế vì chi phí sản xuất, gia công quá đắt Việc cần thiết là quy trình gia công vật liệu cần phải đảm bảo độ chính xác, tính công nghệ cao, tiết kiệm thời gian và chi phí nhưng vẫn phải an toàn cho môi trường Hàn siêu âm là một trong những kỹ thuật hàn phổ biến nhất được sử dụng trong ngành hàn Nó nhanh chóng, tiết kiệm nguyên vật liệu, dễ dàng tự động hóa và rất thích hợp cho sản xuất hàng loạt, tăng năng suất sản xuất Đặc biệt, hàn siêu âm có bản chất không sinh nhiệt quá cao nên không gây ứng suất trên bề mặt vật liệu, không thay đổi tính chất vật lý, hóa học của vật liệu Hàn siêu âm áp dụng được cho các loại vật liệu khác nhau như nhôm (Al), đồng (Cu), niken (Ni), vàng (Au), bạc (Ag),… và nhựa nhiệt dẻo như ABS, Polystyrene, Noryl…
Máy hàn siêu âm gồm bộ nguồn cung cấp điện (Generator), bộ chuyển đổi (Transducer), bộ khuếch đại (Booster), khuôn hàn (Horn/ Sonotrode) Thiết kế khuôn hàn bị ảnh hưởng qua các thông số như tần số dao dộng, biên độ dao dộng, tải trọng tác dụng trong khu vực tác dụng áp lực, kích thước khuôn hàn để đạt cộng hưởng,… Trong đó, khuôn hàn là bộ phận quan trọng quyết định hiệu suất và chất lượng sản phẩm gia công [1] Vật liệu chế tạo khuôn hàn phải được đảm bảo về cơ tính và hiệu suất truyền sóng âm Khuôn hàn được làm từ vật liệu có độ bền mỏi cao và tổn thất âm thanh thấp [2] Vật liệu chế tạo khuôn hàn thường được sử dụng là thép, hợp kim nhôm và titan Thép có cơ tính tổng hợp rất cao nhưng đa số thép đều phải qua quá trình nhiệt luyện Titan truyền sóng âm cực kỳ tốt nhưng giá thành cao, khó sản xuất hàng loạt Hợp kim nhôm, được biết đến là hợp kim nhẹ, bền, cơ tính cao và thường được sử dụng trong công nghệ hàng không, chế tạo ô tô,
Sóng siêu âm, không giống như ánh sáng hoặc sóng điện từ, cần một môi trường đàn hồi như chất lỏng hoặc chất rắn để lan truyền Khi một sóng âm truyền qua một tập hợp đa tinh thể bao gồm các hạt rời rạc, nó bị mất một số năng lượng do suy giảm bao gồm tán xạ, hấp thụ ở các ranh giới hạt và tương tác với các bề mặt giao diện (phản xạ, truyền dẫn) Do đó, tìm hiểu về vật lý âm học và phân tích sóng siêu âm truyền vào kim loại hoặc hợp kim thông qua sự ảnh hưởng của các đặc điểm cấu trúc tế vi, tính chất cơ học vật liệu
Quy trình nhiệt luyện được coi là một công cụ hữu hiệu để cải thiện cơ tính của sản phẩm trong các ngành sản xuất Quy trình nhiệt luyện đi kèm với sự thay đổi về cấu trúc tế vi tạo ra các đặc tính cụ thể cho thép thích ứng với mục đích sử dụng tốt nhất Điều này là để cải thiện các cơ tính thép, nhưng thông thường việc cải thiện một trong số chúng thường đi kèm với sự suy giảm các đặc tính chất lan truyền sóng âm qua thép đã nhiệt luyện Khi chế tạo khuôn hàn, sự cân bằng tính chất cơ học và tính chất vật lý của vật liệu rất quan trọng Nhưng chưa có nghiên cứu nào giải quyết được vấn đề như trên
Mâu thuẫn trong việc chế tạo khuôn hàn siêu âm là vấn đề mấu chốt cần giải quyết Vấn đề này được đề cập qua luận văn đại học và qua bài báo khoa học công bố
“Analysis of process parameters of hypoeutectoid steel ultrasonic horns with different heat treatment processes” [3] Bài báo đề cập tới khảo sát các thông số thực nghiệm ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng truyền sóng siêu âm của khuôn hàn 20CrMo Nhiệt độ ram càng cao, thời gian giữ nhiệt trong nguyên công ram càng lâu thì hệ số chất lượng cơ học Qm càng cao nên khả năng chuyển đổi dao động điện thành cơ hiệu quả và mất mát nhiệt do ma sát thấp Hạn chế của bài báo này, kết quả thu được chỉ được thực hiện trên một số quy trình ram, chưa khảo sát được toàn diện hết tất cả quy trình ram khác, cụ thể quy trình nhiệt luyện này chỉ dùng cho mác thép 20CrMo Vì thế, chưa thể kết luận mối liên hệ giữa hiệu suất truyền âm qua giá trị Qm với chế độ ram khác nhau
Trong luận văn thạc sĩ này, nghiên cứu chuyên sâu về chế độ ram khuôn hàn siêu âm bằng thép SCM440 Mối quan hệ giữa cơ tính, đặc điểm của pha riêng biệt, hình thái hạt với sự suy giảm và vận tốc truyền âm trong thép cần tìm hiểu và xác định Dựa trên điều kiện làm việc của khuôn hàn, lựa chọn cấu trúc pha phù hợp để quyết định cơ tính cần thiết và tăng hiệu suất truyền sóng âm Thiết lập quy hoạch thực nghiệm khảo sát tính tương tác của yếu tố nhiệt độ ram và thời gian giữ nhiệt trong nguyên công ram để tìm ra nhiệt độ, thời gian giữ nhiệt tối ưu của thép SCM440 trong nguyên công ram nhằm đạt được hiệu suất truyền sóng tốt nhất Ứng dụng sự nghiên cứu này trên chi tiết khuôn hàn với tần số xác định để cải thiện năng suất làm việc và sản xuất trong công nghiệp.
Tổng quan những nghiên cứu liên quan
Thép được khai thác về tính chất vật lý, sự kết hợp vật lý âm học và thép đã đưa ra nhiều ứng dụng hữu ích và tăng tính toàn diện trong việc cải tiến vật liệu Sự tương tác giữa vật liệu dạng khối và sóng siêu âm đã thu hút được sự chú ý đáng kể trong những năm qua Các bài báo đề cập đến vấn đề trên được công bố ở nước ngoài
Khi một sóng siêu âm truyền trong vật liệu đa tinh thể, nó sẽ phân tán trên các ranh giới của hạt do sự định hướng sai tinh thể của các hạt lân cận và sự tán xạ, phản xạ, trên đường truyền sóng âm Điều này này dẫn đến mất mát năng lượng của sóng âm và sự suy giảm sóng phụ thuộc vào tần số, bước sóng, cấu trúc tế vi của vật liệu đa tinh thể Các nghiên cứu liên quan đến vấn đề trên như sau:
- “Ultrasonic Attenuation and Velocity in Three Transformation Products in Steel” của tác giả Emmanuel P Papadakis [4], nghiên cứu sự suy giảm và tốc độ truyền sóng của ba pha chuyển biến của thép là pearlite - ferrite, bainite, và martensite Kết quả đã tìm ra được là tốc độ truyền sóng giảm dần từ pearlite - ferrite, bainite, martensite
- “Ultrasonic attenuation and velocity in SAE 52100 steel quenched from various temperatures” của tác giả Emmanuel P Papadakis [5], vận tốc âm thanh trong thép đã tôi và ram giảm khi tăng nhiệt độ austenite hóa, tức là tăng kích thước hạt austenite
- “Physical acoustics and microstructure of iron alloys” của tác giả Emmanuel P Papadakis [6], tác giả nêu mối quan hệ giữa âm học vật lý và cấu trúc tế vi của hợp kim sắt Tác giả dùng âm học vật lý để khảo sát cơ chế tán xạ, hấp thụ của sóng đàn hồi và tần số hoạt động khi sóng siêu âm truyền qua vật liệu
- “Prediction of Grain Size in Copper Using Acoustic Attenuation Measurements” của N Grayeli và các cộng sự [7] giải thích điều kiện xảy ra các cơ chế tán xạ khác nhau dựa trên bước sóng và đường kính hạt trung bình, mối quan hệ giữa hệ số suy giảm và tần số của sóng siêu âm
- “Ultrasonic testing of grain distortion direction in cold formed aluminium profile” của Z Keran và các cộng sự [8] nghiên cứu mối quan hệ giữa phương truyền sóng và định hướng của hạt sau khi được biến dạng nguội Cấu trúc hạt thon dài gây ra sự ức chế đối với sự truyền sóng siêu âm Sự kéo dài của hạt xảy ra theo hướng tác dụng lực biến dạng Kích thước hạt lớn hơn cho thấy vận tốc siêu âm cao hơn, kích thước hạt nhỏ hơn cho thấy vận tốc siêu âm thấp hơn
Các nhà nghiên cứu khảo sát đặc tính lan truyền sóng âm trên các mác thép sau khi áp dụng các phương pháp biến dạng dẻo với mức biến dạng, quy trình nhiệt luyện khác nhau
- “Study of the influence of deformation and thermal treatment on the ultrasonic behaviour of steel” của tác giả R Prasad, S Kumar [9], nghiên cứu về vận tốc sóng siêu âm bị ảnh hưởng bởi mức độ biến dạng của quá trình biến dạng dẻo và quá trình nhiệt luyện Vận tốc sóng siêu âm là lớn nhất trong trường hợp rèn - thường hóa và nhỏ nhất trong trường hợp rèn - tôi, đối với cùng một mức độ biến dạng
- “Ultrasonic characterisation of hot-rolled and heat-treated plain carbon steels” của tác giả C H Gür and Y Keleş [10], nghiên cứu đặc điểm của thép cán nóng và nhiệt luyện với mác thép SAE 1020 và 1050 bằng cách thay đổi nhiệt độ austenite hóa và tốc độ làm nguội để phân biệt ảnh hưởng của kích thước hạt và các tổ chức pha trong cấu trúc tế vi các đặc tính siêu âm
-“Ultrasonic Behavior Of Plastically Deformed And Heat Treated Steel” của tác giả S.K Chaudhary and V.K Sinha [11] nghiên cứu về sự tương quan của những thay đổi cấu trúc tế vi sau khi biến dạng dẻo với mức độ biến dạng khác nhau và sau nhiệt luyện với vận tốc siêu âm và các đặc tính suy giảm trong thép rèn cacbon trung bình Tốc độ sóng siêu âm trong thép cacbon trung bình giảm đáng kể theo độ nhỏ mịn của hạt cũng như giảm khoảng cách giữa các tấm trong pearlite Và tốc độ siêu âm cao nhất ở mẫu thép thường hóa và thấp nhất ở mẫu tôi
Nghiên cứu của các tài liệu tham khảo trên cung cấp cái nhìn chuyên sâu hơn về sự tương tác của sóng siêu âm qua vật liệu đa tinh thể, cụ thể là thép Phần lớn các nghiên cứu chỉ ra rằng sự thay đổi của sóng siêu âm chủ yếu là do phần lớn sự thay đổi của cấu trúc tế vi, hình thái của hạt, modulus đàn hồi của vật liệu Tuy nhiên, các nghiên cứu trên sẽ mang tính chất nhỏ lẻ nếu như không thể áp dụng lý thuyết vào thực tiễn Để theo kịp với sự tiến bộ của thiết bị và phương pháp siêu âm, cần nghiên cứu vật liệu chế tạo khuôn hàn theo hướng giải bài toán đa mục tiêu giữa cơ tính và hiệu suất truyền âm Như vậy, sản phẩm nghiên cứu mới mang lại giá trị kinh tế cho nhà sản xuất và chất lượng sản phẩm tốt nhất cho khách hàng.
Tính cấp thiết và tính mới của đề tài
1.3.1 Tính cấp thiết của đề tài:
Hiện nay, hàn siêu âm không còn xa lạ ở công nghiệp Việt Nam Thậm chí, hàn siêu âm được áp dụng rất nhiều lĩnh vực và đưa vào sản xuất ở các công ty trong nước lẫn nước ngoài Các công ty chế tạo và sản xuất máy hàn siêu âm xuất hiện rất nhiều, có những sản phẩm cạnh tranh nhau về chức năng, vật liệu, mẫu mã Nhưng, hiện nay chất lượng khuôn hàn siêu âm chưa được quan tâm đúng mức Các nhà sản xuất nên tập trung phát triển vật liệu chế tạo khuôn hàn vì vật liệu là nguồn nguyên liệu cơ bản và tất yếu cho các ngành sản xuất công nghiệp vật liệu Tuy nhiên, các tài liệu tham khảo về tính chất của vật liệu chế tạo khuôn hàn chưa giải thích được cơ chế biến đổi cấu trúc tế vi và cơ tính của thép có phù hợp với cơ chế lan truyền sóng âm qua vật liệu hay không Các nghiên cứu trước kia chỉ giải quyết vấn đề nhỏ lẻ, chưa khảo sát hết các giá trị thông số liên quan nên chưa kể kết luận vấn đề
Việc nghiên cứu và chế tạo khuôn hàn siêu âm bằng thép SCM440 có ý nghĩa thực tiễn rất cao Thực hiện đề tài nghiên cứu này như việc giải bài toán đa mục tiêu cân bằng sự ảnh hưởng của các thông số liên quan như độ cứng, độ bền mỏi, độ suy giảm sóng âm, vận tốc sóng âm, thành phần và hàm lượng phân bố các pha,…để tìm được phương án nhiệt luyện tối ưu nhất với loại mác thép này Từ đó, chuyển bài toán này thành bài toán giá trị kinh tế mang lại cho các nhà sản xuất chế tạo khuôn hàn Nâng cao chất lượng và tuổi thọ của khuôn hàn là một trong những điều quan trọng
1.3.2 Tính mới của đề tài: Đề tài nghiên cứu này thừa hưởng trên nền tảng cơ sở lý thuyết đã được nghiên cứu và kiểm chứng một phần bằng thực nghiệm trước đó Đề tài được phát triển theo hướng mới có sự logic, lập luận trên khoa học, lập các giá trị thông số xác định dựa trên cơ sở tính toán bằng quy hoạch thực nghiệm
Khảo sát sự ảnh hưởng, tương tác của các thông số quy trình nhiệt luyện, cụ thể cho mác thép SCM440 (lý do chọn mác thép này sẽ được lý giải trong chương 4) Giải thích mức ảnh hưởng của các yếu tố ảnh hưởng đến cơ tính và hiệu suất sóng âm
Nghiệm thu kết quả thực nghiệm sau khi thực hiện phương pháp phân tích và đánh giá Lựa chọn những mẫu tốt nhất gắn với các thiết bị trong cấu tạo hàn siêu âm khác Kiểm tra khả năng làm việc, mức độ chuyển biến dao động cơ học của khuôn hàn.
Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt trong nguyên công ram của thép SCM440 đến cơ tính và hiệu suất truyền sóng âm của khuôn hàn góp phần làm tăng tuổi thọ cho khuôn hàn làm việc trong điều kiện liên tục với chu kỳ chịu tải trọng cao Xây dựng quy hoạch thực nghiệm, nghiệm thu kết quả thực nghiệm, tiến hành phân tích, đánh giá và xác định quy trình nhiệt luyện tối ưu cho khuôn hàn siêu âm bằng thép SCM440 để đạt được hiệu quả truyền sóng cao nhất đồng thời vẫn đáp ứng được độ cứng theo yêu cầu chịu mài mòn khi khuôn làm việc
- Tìm hiểu về kỹ thuật hàn siêu âm, điều kiện làm việc và yêu cầu đối với khuôn hàn siêu âm
- Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến đề tài
- Nghiên cứu tính chất và đặc điểm của mác SCM440, đáp ứng yêu cầu với điều kiện làm việc của chi tiết khuôn hàn
- Thực nghiệm thăm dò về khả năng truyền sóng âm của thép SCM440 ở trạng thái cung cấp (cán nóng)
- Quy hoạch thực nghiệm ở các điều kiện khác nhau để xác định quy trình tối ưu cho mác thép SCM440 để nâng cao khả năng làm việc của khuôn hàn
- Thực hiện phương pháp kiểm tra và đánh giá khả năng truyền sóng âm và độ cứng, xem xét cấu trúc tế vi của các khuôn hàn sau nhiệt luyện
- Kiểm tra, phân tích các thông số thu thập được và đưa ra kết luận
Phương pháp tiếp cận và nghiên cứu tổng quát:
- Tổng quan tài liệu: kế thừa và vận dụng kiến thức
- Phân tích cơ sở lý thuyết, các dữ liệu
- Xây dựng kế hoạch thực nghiệm và thực nghiệm Để đạt được các mục tiêu đề ra thực hiện các công việc nghiên cứu chính sau:
- Nguyên vật liệu: Thép SCM440 đảm bảo thành phần hóa học, cơ tính ban đầu Mẫu khuôn hàn SCM440 trước khi nhiệt luyện sẽ được đi đo độ cứng và kiểm tra tần số
- Khuôn hàn sẽ được tôi và ram trong lò buồng điện trở
- Nghiên cứu tổ chức tế vi dùng kính hiển vi quang học (OM), sử dụng camera kết nối với máy tính thông qua phần mềm Optika Vision ProView, sử dụng phần mềm ImageJ để xử lý hình ảnh và phân tích kết quả
- Mẫu được đo thông số khuôn hàn bằng TRZ Analyzer
- Mẫu được kiểm tra độ cứng bằng phương pháp Rockwell
- Mẫu được chạy thử nghiệm, hoạt động thực tế.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HÀN SIÊU ÂM
Tổng quan về sóng siêu âm
Dựa vào phân loại tần số sóng âm, sóng siêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn 20.000 Hz, không thể nghe bằng tai con người
Hình 2.1: Phân loại tần số sóng âm [12]
Khác với sóng điện từ - lan truyền trong bất cứ môi trường nào, kể cả chân không – sóng siêu âm lan truyền được trong môi trường là nhờ các phần tử vật chất làm nhiệm vụ truyền sóng Điều này khiến cho sóng âm khác với sóng điện từ Sóng siêu âm chỉ lan truyền trong các chất rắn, lỏng và khí Đặc tính lan truyền của sóng siêu âm tương tự ánh sáng như tính phản xạ, khúc xạ, tách sóng,
Công thức tính vận tốc truyền sóng âm:
- λ: Bước sóng hay là khoảng cách của hai phân tử vật chất cùng pha
- f: Tần số - số dao động của phần tử truyền sóng trong một giây và bằng số nghịch đảo của bước sóng
- υ: Vận tốc truyền sóng của môi trường và phụ thuộc vào môi trường mà sóng âm truyền qua
Quá trình truyền âm là quá trình lan truyền sóng nên là tốc độ truyền âm phụ thuộc vào tính chất của môi trường (bản chất, tính đàn hồi, mật độ, nhiệt độ…) Với những nhiệt độ khác nhau của cùng một môi trường thì vận tốc truyền sóng cũng khác nhau
Bảng 2.1: Vận tốc truyền âm trong các vật liệu khác nhau [13]
Vận tốc sóng âm (m/s) Sóng dọc
2.1.2 Phân loại sóng siêu âm:
- Sóng dọc (Longitudinal waves) hay còn gọi là sóng nén có sự dịch chuyển cùng phương với phương truyền của sóng Sóng dọc có thể lan truyền trong môi trường rắn, lỏng và khí
Hình 2.2: Giản đồ của sóng siêu âm dọc (a) Dao động của hạt và nén (b) Biên độ của độ dịch chuyển của hạt so với quãng đường truyền sóng [13]
- Sóng ngang (Transverse waves - shear waves) có sự dịch chuyển theo phương thẳng đứng của phương truyền của sóng Sóng ngang phát sinh do khả năng chịu được các lực kéo, lực cắt tác dụng Không giống như sóng dọc, sóng ngang không được hỗ trợ bởi sự va chạm đàn hồi của các hạt phân tử hoặc nguyên tử liền kề Vận tốc của sóng
11 ngang xấp xỉ 50% vận tốc truyền sóng dọc đối với cùng một vật liệu [13] Sóng ngang không xuất hiện trong chất lỏng và chất khí
Hình 2.3: Giản đồ của sóng ngang (cắt) Bước sóng là khoảng cách tương ứng đến một chu kỳ hoàn chỉnh [13]
- Sóng Rayleigh còn gọi là sóng bề mặt, là các sóng chỉ chạy ở vùng bề mặt của môi trường Tại bề mặt của môi trường các phần tử dao động theo đường elip như Hình 2.4 Chúng vừa dao động vuông góc với bề mặt môi trường lại vừa xê dịch theo phương truyền sóng Sóng di chuyển càng sâu trong môi trường thì mức độ xê dịch càng ít
Hình 2.4: Biểu đồ của sóng bề mặt (Rayleigh) truyền trên bề mặt kim loại dọc theo mặt phân cách kim loại - không khí Bước sóng là khoảng cách tương ứng với một chu kỳ hoàn chỉnh [13]
- Sóng tấm (Lamb waves) được truyền trong các tấm (làm bằng vật liệu tổng hợp hoặc kim loại) có độ dày chỉ vài bước sóng Sóng còn tùy thuộc vào hình dạng và kích thước của vật thể so với chiều dài Các rung động khác biệt của các phần tử vật chất tại các mặt giới hạn của vật thể mà ta có sóng dãn và sóng uốn Trong các thanh
12 và các tấm có phát sinh sóng dãn và sóng uốn Trong tôn lá thì sóng dãn là các sóng phẳng đối xứng và sóng uốn là sóng phẳng không đối xứng
Hình 2.5: Sơ đồ các dạng cơ bản của (a) đối xứng (sóng giãn) và (b) không đối xứng (uốn cong) sóng Lamb Bước sóng là khoảng cách tương ứng với một chu kỳ hoàn chỉnh [13]
2.1.3 Phương pháp tạo ra sóng âm:
- Phương pháp cơ học là dùng dụng cụ đặc biệt thông qua tác dụng ngoại lực cơ học để tạo ra các rung động có tần số siêu âm Các dụng cụ đó thường là còi ganton, còi dung dịch, máy rung động khí,…
Năm 1880 Curie đã thấy rằng do áp lực bên ngoài mà một số vật liệu như thạch anh, đất đèn, bari tatinat, lithi sunfat, được tích điện
Nguyên lý áp điện có tính chất thuận nghịch, nghĩa là khi ta tác động vào hai bề mặt tinh thể áp điện một lực cơ học tuần hoàn (dùng siêu âm tác động lên bề mặt điện cực) sẽ làm xuất hiện trên hai bề mặt tinh thể các điện tích trái dấu Lực tác dụng làm mạng tinh thể của các vật liệu kể trên bị biến dạng
Ngược lại, nếu làm cho các mặt giới hạn của tinh thể tích điện bằng cách đặt điện thế vào các mặt đó thì tinh thể sẽ thay đổi kích thước Điện thế xoay chiều gây nên sự đổi dấu liên tục tại các mặt giới hạn theo nhịp điệu của tần số điện thế Do đó, tinh thể cũng dãn ra, co lại theo nhịp điệu đó và phát ra các sóng cơ học Với hiệu ứng điện ở tần số cao, hình dáng vật liệu thay đổi nhanh ở tần số đó cho phép tạo lên âm thanh hoặc sóng siêu âm
- Phương pháp tạo ma sát từ: Cấu tạo là một thanh sắt từ - một tập hợp bởi nhiều vùng nguyên tố Ở trạng thái bình thường thì hướng (biểu thị bằng các vector) của các vùng này không tuân theo một qui luật nào Nếu đặt thanh sắt đó vào trong một từ trường (đặt trong một cuộn dây có dòng điện xoay chiều chạy qua), các nguyên tố tự thay đổi hướng dẫn trùng với hướng của từ trường bên ngoài Ứng suất phát sinh làm cho mạng tinh thể bị lệch Mức độ lệch mạng phụ thuộc vào cường độ của từ trường bên ngoài Tùy theo cường độ từ trường tác dụng và tùy từng vật liệu mà thanh sắt từ co lại hoặc dãn ra
2.1.4 Đặc tính của quá trình lan truyền sóng âm trong vật liệu:
Năng lượng dao động của nguồn sóng sẽ truyền theo sóng ra khắp môi trường (truyền theo phương truyền của sóng cho các phần tử dao động) Các nguyên nhân gây ra suy giảm sóng âm truyền qua bao gồm hiệu ứng hấp thụ, tán xạ và không phù hợp trở kháng âm tại các giao diện
• Ảnh hưởng của trở kháng âm:
Khi sóng âm truyền trong môi trường không đồng nhất bao gồm các tổ chức có cấu trúc khác nhau Khi chùm tia siêu âm truyền tới biên giới của hai môi trường có độ trở kháng âm khác nhau, một phần sẽ đi theo hướng ban đầu và tiếp tục đi vào môi
Nguyên lý cấu tạo trong hàn siêu âm
Hàn siêu âm là hàn áp lực ở tần số siêu âm, sự chuyển đổi năng lượng điện tần số cao chuyển sang chuyển động cơ học tần số cao Tại chuyển động cơ học tần số cao, khuôn hàn (horn) tiếp xúc bề mặt trên vật hàn cùng với tác dụng áp lực và năng lượng dao động siêu âm, do biến dạng dẻo cục bộ tạo nên nhiệt ma sát ở hai mặt cần hàn Khuôn hàn giữ một thời gian đủ cho vật liệu nóng chảy và liên kết với nhau
Các bộ phận được thiết kế, sắp xếp theo trình tự nhất định để thực hiện hỗ trợ chức năng cho nhau trong quá trình làm việc đưa rung siêu âm đến vật cần hàn Tùy vào vật liệu của vật cần hàn nên mỗi thiết bị sẽ có các bộ phận có thông số kỹ thuật khác nhau Đặc biệt là tùy vào hình dạng của vật cần hàn sẽ có nhiều loại khuôn hàn khác nhau với sự thay đổi góc khi hàn và hình dạng, kích thước mối hàn
Hình 2.7: Sơ đồ quá trình làm việc của các bộ phận trong máy hàn siêu âm cơ bản
Dựa vào Hình 2.7, ta giải thích nguyên lý làm việc của máy hàn siêu âm như sau [14]:
- Nguồn cung cấp điện (Generator) thay đổi nguồn điện tiêu chuẩn (120 - 240V, 50
- 60 Hz) thành năng lượng điện tại tần số mà hệ thống để vận hành
- Năng lượng điện tần số cao do nguồn cung cấp điện phát ra được truyền qua dây cáp tới bộ chuyển đổi (Transducer) Bộ chuyển đổi năng lượng điện thành dao động cơ học (rung) với biên độ dao động thấp
- Những dao động cơ học (rung) truyền tới bộ khuếch đại (Booster) Bộ khuếch đại dùng để tăng hoặc giảm biên độ dao động Biên độ dao động phụ thuộc vào vật liệu của vật cần hàn, tính chất áp dụng và làm việc cần thực hiện
- Dao động cơ học (rung) qua bộ khuếch đại sẽ đi tới khuôn hàn (Horn) Khuôn hàn sẽ được chế tạo có hình dạng và kích thước phù hợp để cung cấp năng lượng dao động siêu âm tốt nhất cho vật cần hàn.
Cấu tạo và chức năng của các bộ phận trong máy hàn siêu âm
• Nguồn cung cấp điện (Generator):
Nguồn cung cấp điện sử dụng nguồn điện xoay chiều AC (120 - 240V, 50 - 60 Hz) Nguồn cung cấp điện cung cấp năng lượng điện tần số cao cho bộ chuyển đổi, thay đổi nó thành năng lượng dao động siêu âm Nguồn cung cấp điện được lựa chọn sử dụng dựa trên ứng dụng từ hàn siêu âm nhựa đến hàn siêu âm kim loại
Hình 2.8: Nguồn cung cấp điện siêu âm với tần số 20 kHz [15]
Bộ chuyển đổi dùng để chuyển đổi năng lượng điện nhận từ nguồn cung cấp điện (power supply) thành dao động cơ học (rung) với tần số xác định
Bộ chuyển đổi thực hiện theo nguyên tắc áp điện là dùng một chất có tính chất hóa học, tính thuận nghịch khi áp vào nó một trường điện thì nó biến đổi hình dạng và ngược lại khi dùng lực cơ học (ép) thì nó sẽ tạo ra điện tích trên bề mặt xác định Phần tử chính của bộ chuyển đổi chính là bộ phận gồm một hay nhiều đĩa gốm (ceramic) áp điện với hiệu suất từ 90-97% Các tấm rung được kích hoạt áp điện xếp chồng lên nhau (sandwich) như Hình 2.9 và toàn bộ bộ phận trên được đặt trong lớp vỏ kim loại Lớp vỏ kim loại mang các hình dạng đa dạng được cung cấp trên thị trường
Hình 2.9: Cấu tạo điển hình của bộ chuyển đổi cơ bản theo nguyên tắc áp điện [15]
Bộ khuếch đại được thiết kế để gắn trong một bộ cố định giữa bộ chuyển đổi và khuôn hàn Chức năng chính của bộ khuếch đại là khuếch đại hoặc giảm biên độ dao động siêu âm nhận từ bộ chuyển đổi
Tỷ lệ giữa biên độ đầu ra và biên độ đầu vào của bộ khuếch đại được gọi là ‘gain’ Cuối bộ khuếch đại đường kính đầu dưới sẽ nhỏ hơn đường kính đầu khuôn hàn để làm tăng biên độ Ngược lại đường kính đầu dưới bộ khuếch đại lớn hơn đường kính đầu khuôn hàn sẽ làm giảm biên độ Bộ khuếch đại có thể làm bằng titan hoặc nhôm
Bộ khuếch đại titan chi phí cao nhưng độ bền cao Bộ khuếch đại nhôm có khả năng tản nhiệt liên tục tốt
Hình 2.10: Các loại bộ khuếch đại khác nhau [16]
Chức năng của khuôn hàn là truyền năng lượng dao động siêu âm đến vật cần hàn, là nơi xảy ra hiện tượng nóng chảy Khuôn hàn vừa khuếch đại biên độ dao động vừa xảy ra hiện tượng cộng hưởng
Khuôn hàn được gia công chính xác và thiết kế để rung ở tần số 15kHz, 20kHz, 30kHz, 40kHz, 50kHz hoặc 70kHz Khuôn hàn có rất nhiều hình dạng và chức năng khác nhau phụ thuộc vào quy trình hàn cho vật liệu khác nhau Hình dạng của khuôn hàn rất đa dạng và phổ biến nhất là hình trụ (Cylindrical horn), hình nón (Conical horn), hình bậc thang (Stepped horn), hình mũ (Exponential horn) Một số vật liệu khuôn hàn được sử dụng: hợp kim titan, thép không gỉ, hợp kim nhôm,…
Hình 2.11: Chủng loại khuôn hàn khác nhau của hãng Dukane
Ưu và nhược điểm của hàn siêu âm
- Hệ thống máy hàn siêu âm vận hành nhanh, dễ tự động hóa, tiết kiệm chi phí lao động
- Máy hàn siêu âm hàn ở nhiệt độ thấp, ít tốn năng lượng, sạch, thân thiện với môi trường
- Không yêu cầu về chiều dày của vật cần hàn, có thể hàn giấy kim loại rất mỏng
- Không cần sử dụng kim loại phụ, trợ dung hay khí bảo vệ trong quá trình hàn
- Dùng cho các loại vật liệu từ hàn nhựa đến hàn kim loại
- Mỗi máy hàn siêu âm chỉ dùng cho vật liệu cần hàn nhất định với kích thước giới hạn, cần phải thiết kế lại phù hợp với từng ứng dụng
- Hàn siêu âm hoạt động trên nguyên tắc truyền rung động cơ học Do đó, tiếng ồn có thể nghe được từ trạng thái cộng hưởng và là điều không thể tránh khỏi Ngoài ra, do tải trọng theo chu kỳ dao động, khả năng mẫu thử bị hỏng do mỏi là nhiều hơn [17].
GIỚI THIỆU KHUÔN HÀN SIÊU ÂM VÀ NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT TRUYỀN SÓNG SIÊU ÂM
Giới thiệu khuôn hàn siêu âm
3.1.1 Quy trình thiết kế khuôn hàn:
Quy trình thiết kế được thực hiện theo từng bước sau như [20]:
Hiệu suất đáng tin cậy của khuôn hàn thường được quyết định bởi sự đồng nhất của biên độ rung tại bề mặt làm việc và ứng suất phát triển trong điều kiện tải [21] Điều
23 cần thiết khi thiết kế khuôn hàn là phải xem xét các khía cạnh khác nhau như lựa chọn tần số làm việc, lựa chọn vật liệu khuôn hàn, thiết lập vận tốc truyền âm trong vật liệu khuôn hàn đã chọn và tính toán kích thước của khuôn hàn [20]
Khía cạnh quan trọng nhất của thiết kế khuôn hàn là xác định tần số và bước sóng cộng hưởng chính xác Khuôn hàn được biết là nơi xảy ra khuếch đại biên độ dao động, phải được cộng hưởng ở tần số hoạt động Tần số cộng hưởng của khuôn hàn phải phù hợp với bộ khuếch đại Đối với hình dạng hình học phức tạp, tần số cộng hưởng thường được xác định số bằng phương pháp phần tử hữu hạn [2] Thông thường, khuôn hàn sẽ có bước sóng và nửa bước sóng /2 Khuôn hàn chiều dài nửa sóng thường được sử dụng cho các ứng dụng hàn kim loại siêu âm để tiết kiệm vật liệu và giảm chi phí sản xuất Khuôn hàn đang giãn nở và co lại với tốc độ nhanh, khuôn hàn càng dài ra và co lại thì khả năng bị mỏi của khuôn hàn càng lớn
Mỗi khuôn hàn có hình dạng khác nhau sẽ có công thức tính biên độ dao động khuếch đại, bước sóng, chiều dài cộng hưởng khác nhau để đảm bảo năng lượng truyền sóng âm ít tổn thất nhất có thể Với khuôn hàn hình trụ thì đơn giản với sự khuếch đại không lớn nên ứng dụng của nó bị hạn chế Khuôn hàn hình bậc có sự thay đổi đường kính đột ngột, tăng ứng suất trong quá trình làm việc nên độ bền kém Còn khuôn hàn hình nón và hình mũ thì được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp
Hình 3.1: Khuôn hàn hình trụ, hình mũ, hình bậc thang, hình lưỡi rộng [16]
3.1.2 Điều kiện làm việc và yêu cầu của vật liệu chế tạo khuôn hàn:
Khuôn hàn là bộ phận trực tiếp xúc với vật cần hàn và dùng lực để tạo ma sát làm tăng nhiệt độ dẫn đến sự nóng chảy cục bộ hình thành mối hàn Bề mặt khuôn hàn là bề mặt quan trọng nhất vì khuôn hàn làm việc liên tục dưới chu kỳ tải trọng cao
Dựa vào các tính chất, đặc điểm sử dụng, vật liệu làm khuôn hàn cần những yêu cầu cơ tính cần thiết để đảm bảo khuôn hàn truyền tốt siêu âm, tuổi thọ lâu dài, ít hư hỏng Các tính chất chủ yếu mà khuôn hàn cần có:
- Vật liệu làm khuôn hàn phải truyền sóng siêu âm tốt, có trở kháng âm nhỏ nhất để tránh việc triệt tiêu sóng siêu âm truyền qua vật liệu Sóng âm truyền qua sẽ mất năng lượng truyền sóng một phần do trong quá trình lan truyền các phần tử va chạm vào nhau Tuy nhiên, phần mất mát năng lượng cần kiểm soát và hạn chế thấp nhất có thể
- Bề mặt khuôn hàn tác dụng lực trực tiếp lên vật cần hàn Quá trình đó thực hiện nhiều lần nên cần vật liệu có độ cứng đủ cao để hạn chế sự mài mòn
- Độ bền mỏi tốt vì chịu tải trọng đổi dấu liên tục nên khuôn hàn cần chống mỏi cao ở mức biên độ dao động cao và va đập sẽ không bị nóng cục bộ Độ bền mỏi tốt sẽ ngăn được quá trình lan truyền vết nứt, ngăn chặn sự đứt gãy có tính giòn
Ngoài ra, khuôn hàn cần yêu cầu phụ như sau:
- Vật liệu dùng cho khuôn hàn phải có đặc tính hàn, hàn tốt
- Vật liệu có khả năng tản nhiệt và chịu nhiệt tốt
- Khả năng chống ăn mòn hóa học Phạm vi hàn siêu âm dùng cho các vật liệu hàn khác nhau từ nhựa cho tới kim loại Nên ta cần thành phần hóa học vật liệu khuôn hàn trơ với thành phần của mối hàn Ngoài ra cần có lớp bảo vệ bề mặt khuôn hàn để chịu được tác nhân môi trường xung quanh tác động
3.1.3 Vật liệu chế tạo khuôn hàn:
Ảnh hưởng của hình thái hạt đối với suy giảm của sóng âm truyền qua vật liệu
- Hợp kim nhôm: đặc tính truyền sóng âm tốt, chi phí thấp Nhôm có sẵn và nhiều loại trên thị trường, dễ dàng gia công Độ cứng bề mặt kém, độ bền mỏi trung bình nên không thích hợp được dùng lâu dài trong ứng dụng sản xuất Tuy nhiên, ở mức biên độ thấp hơn, khuôn hàn nhôm có tuổi thọ rất dài Ngoài ra, khuôn hàn nhôm có thể được phủ hoặc mạ crom, niken,… để tăng cơ tính Hợp kim nhôm thường dùng là A7075 [22], A2024 [23],…
- Titan là vật liệu ưa thích để chế tạo khuôn hàn do độ bền mỏi tốt, đặc tính truyền sóng âm tốt, độ cứng bề mặt cao cho phép nó chịu được tốc độ chu kỳ cao ở biên độ cao Nó cũng có độ cứng cao hơn nhôm và do đó chống mài mòn tốt hơn Khuôn hàn titan rất đắt và khó chế tạo nên gia công khuôn hàn titian chi phí rất cao Đối với ứng dụng yêu cầu biên độ dao động cao và độ cứng cao, khuôn hàn titan có thể được phủ bằng cacbide, niken, teflon Titan thường dùng là titan 7 - 4, tian 6 - 4, titan 7 - 4 cao cấp hơn này bền hơn khoảng 15% so với tian 6-4 phổ biến hơn, cho phép nó chịu được ứng suất cao hơn [16]
- Thép: thường được nhiệt luyện trước khi sử dụng Sau khi nhiệt luyện, cơ tính của thép được cải thiện rõ rệt, trong đó có độ cứng tăng làm tăng độ chống mài mòn, thường dùng cho hàn kim loại có chèn thêm kim loại phụ Thép thường dùng là thép thấm cacbon: 20CrMo [3], ; thép hóa tốt: C45 [24], 40Cr, 45Cr,… ; thép gió: ASP60 [25]; thép không gỉ: SUS304B [26], SKD11 [27],…; thép Mo: AISI 4063 [28]…; thép được thiêu kết bằng kim loại bột: CPM10V [29] ; thép thấm cacbon: 16MnCr5V [30]…
3.2 Ảnh hưởng của hình thái hạt đối với suy giảm của sóng âm truyền qua vật liệu:
Hầu hết các kim loại đa tinh thể được cấu tạo bởi tập hợp nhiều đơn tinh thể nhỏ đơn lẻ có tên là hạt (grains) Các hạt được ngăn cách với nhau bằng ranh giới hạt mà vẫn
26 bảo toàn tính toàn vẹn của kim loại Kích thước hạt là yếu tố quan trọng quyết định hầu hết tính chất vật lý, hóa học và cơ tính của vật liệu Hình dạng hạt sẽ quyết định định hướng tinh thể ưu tiên trong cấu trúc tinh thể Qua đó, hình thái hạt là yếu tố quan trọng để giải thích cho sự suy giảm sóng âm truyền qua cấu trúc tinh thể Mối quan hệ giữa hiệu suất truyền sóng siêu âm và hạt tinh thể được xác định qua các yếu tố như hệ số suy giảm siêu âm, tán xạ, vận tốc siêu âm
Sự suy giảm của sóng siêu âm trong chất rắn có thể do một số nguyên nhân khác nhau, mỗi nguyên nhân là đặc trưng của các đặc tính vật lý của môi trường liên quan
Sự suy giảm sóng truyền qua có hai nguyên nhân chính Nguyên nhân đầu tiên, sóng âm cũng có những tính chất lan truyền như tán xạ, khúc xạ,…xảy ra ở bất kỳ mặt phân cách nào, ví dụ như biên giới hạt Nguyên nhân thứ hai là sự hấp thụ năng lượng hay mất mát năng lượng của sóng siêu âm do sai lệch mạng tinh thể Trong các vật liệu đa tinh thể, sự tán xạ của sóng siêu âm từ các hạt và bề mặt là nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm Tổn thất do tán xạ của hạt là lớn so với tổn thất do hấp thụ năng lượng [31]
Nói chung, hệ số suy giảm α bao gồm hai phần: hệ số hấp thụ αA cộng với hệ số tán xạ αS [32]:
Sự hấp thụ năng lượng siêu âm trong một chất xảy ra chủ yếu do chuyển động đàn hồi của các nguyên tử chống lại sóng âm thanh đang cố gắng di chuyển chúng ra khỏi vị trí tồn tại của chúng Sự gia tăng chuyển động đàn hồi thúc đẩy quá trình chuyển đổi cơ năng của sóng thành nhiệt [31] Bởi vì nhiệt truyền chậm hơn rất nhiều so với sóng siêu âm, tổn thất nhiệt sinh ra làm giảm dần năng lượng trong sóng âm Sự mất mát nhiệt đàn hồi phát sinh từ dòng nhiệt đi ra khỏi các hạt đã nhận được nhiều lực nén hoặc giãn nở trong quá trình chuyển động của sóng hơn so với các hạt liền kề [13] Khi có một lực tác động lên một vật rắn sẽ tạo nên một ứng suất nhất định tồn tại bên trong cấu trúc tinh thể của vật rắn Ứng suất nén gây ra sự gia tăng nhiệt độ trong mỗi tinh thể Nhưng do sự phân bố và kích thước của tinh thể không đồng nhất
27 nên sự phân bố nhiệt độ không đồng nhất Do đó, khi một sóng siêu âm truyền trong tinh thể, có một dòng nhiệt năng từ bị nén (vùng nóng) hướng tới các vùng giãn nở (vùng mát) liên kết với sóng Sự dẫn nhiệt này giữa hai vùng của sóng gây ra sự suy giảm nhiệt đàn hồi [33]
Các sóng cơ học được tạo ra ở dạng siêu âm được lan truyền qua thể tích của các hạt trong cấu trúc tinh thể Sự suy giảm là sự mất mát năng lượng khi sóng âm truyền qua môi trường, cơ bản là mức độ năng lượng bị hấp thụ khi sóng âm dịch chuyển
Hệ số suy giảm được xác định bởi đặc tính của vật liệu Độ suy giảm âm thanh khi sóng siêu âm truyền qua vật liệu là kết quả của sự không đồng nhất, dị hướng và kích thước hạt khác nhau của môi trường tinh thể Sự tán xạ âm là sự phản xạ ngẫu nhiên của năng lượng âm ở các đường biên giới hạt của vật liệu và cấu trúc tế vi Sự tán xạ của sóng siêu âm trong chất rắn phát sinh từ thực tế là các giá trị hiệu dụng của hằng số đàn hồi thay đổi theo từng loại hạt Sự tán xạ bổ sung có thể xảy ra ở các sai lệch mạng tinh thể, tiết pha, nhiều pha và không đồng nhất [32] Phản xạ ở mặt phân cách: khi năng lượng âm truyền qua vật liệu và tới mặt phân cách với vật liệu khác, một phần năng lượng sẽ phản xạ trở lại và một phần sẽ truyền qua
Sự tán xạ của sóng siêu âm xảy ra trong môi trường không đồng nhất, như biên giới hạt như trong Hình 3.2 Cụ thể trong cấu trúc tinh thể dị hướng, hai hạt lân cận có hướng khác nhau, trở kháng sóng âm khác nhau tạo ra sự khác biệt về vận tốc truyền sóng tại biên giới hạt của chúng Hệ số suy giảm do tán xạ của các hạt liên quan chặt chẽ với tỷ số giữa bước sóng của sóng siêu âm λ và kích thước hạt D
Hình 3.2: Sự suy giảm sóng âm bị phân tán bởi các ranh giới hạt [34]
Theo S Sundin và các cộng sự [35], sự tán xạ thường được chia thành ba chế độ khác nhau tùy thuộc vào tỷ lệ giữa kích thước hạt (D) và chiều dài sóng siêu âm (λ):
- λ ≫ 𝐷: Ở tần số thấp, với bước sóng âm λ lớn hơn nhiều so với đường kính hạt D Sóng âm thanh sẽ bị suy giảm bởi tán xạ Rayleigh được biểu thị qua công thức [7]:
Trong đó: D là đường kính kích thước hạt, 𝑓 là tần số sóng âm, C4 là hằng số vật liệu phụ thuộc vào hằng số đàn hồi đơn tinh thể, mật độ khối lượng và vận tốc sóng âm của vật liệu Giá trị của C4 khác nhau đối với sóng dọc và sóng âm biến dạng
Ảnh hưởng của chế độ biến dạng đến vận tốc sóng âm và suy giảm sóng âm
Mối liên hệ giữa mức độ biến dạng và vận tốc siêu âm, suy giảm sóng âm được giải thích dựa trên độ dẻo dai, ứng suất dư, độ xô lệch mạng, hình thái của hạt sau các phương pháp hóa bền vật liệu (biến dạng dẻo và nhiệt luyện) Mục đích của việc gia công kim loại là hóa bền vật liệu bằng cách giảm kích thước hạt để tăng cơ tính vật liệu Tuy nhiên, như đã giải thích ở phần trên, việc giảm kích thước hạt sẽ tăng suy giảm sóng âm truyền qua và giảm vận tốc sóng âm Để xem xét kích thước hạt với độ lớn bao nhiêu là tốt thì cần phải thực nghiệm chứng minh
Ngoài ra, một số phương pháp hóa bền sẽ tạo nên ứng suất dư trong vật liệu như cán, đùn, rèn, ép,…do xô lệch mạng và biến dạng không đều giữa các hạt Một số phương pháp hóa bền khác lại làm giảm ứng suất dư như ủ, thường hóa, ram,…Ứng suất bên trong có hại cho cơ tính, song cũng có trường hợp người ta cố tình tạo ứng suất nén dư nhằm nâng cao giới hạn bền mỏi như lăn bi, ép phun Nhưng đối với tính chất vật lý, ứng suất dư không hẳn là tốt, có thể là nguyên nhân gây ra sự mất mát năng lượng hấp thụ hay tán xạ, phản xạ,…
3.3.1 Với tốc độ sóng âm:
Sau biến dạng dẻo, kim loại sẽ tồn tại ứng suất biến dạng nên sau khi đó người ta thường xử lý nhiệt như ủ và thường hóa nhằm khử ứng suất sinh ra, thu được cấu trúc tế vi mong muốn (thành phần pha và kích thước hạt) và các giá trị độ bền Prasad và Kumar [9] nghiên cứu mối tương quan giữa vận tốc siêu âm và độ suy giảm siêu âm với các điều kiện nhiệt luyện của thép đúc (tức là đúc, ủ, thường hóa, tôi và ram) Họ cũng quan sát thấy rằng mức độ biến dạng và nhiệt luyện được áp dụng cho quá trình
33 rèn đều ảnh hưởng đến vận tốc và suy giảm sóng dọc So với các phương pháp khác thì ủ với thường hóa là hai quá trình có tốc độ làm nguội chậm nên độ xô lệch mạng sinh ra thấp Tổ chức tế vi của thường hóa là ferrite và cementite có độ bền và độ cứng cao hơn nhưng độ dẻo thấp hơn (so với ủ) Do đó tốc độ siêu âm trong quá trình rèn – thường hóa sẽ lớn hơn so với trong quá trình rèn – ủ [9] Đối với nguyên công nhiệt luyện (tôi và ram), mật độ xô lệch mạng tăng lên trong quá trình làm nguội nhanh tạo thành tổ chức pha martensite, làm giảm vận tốc siêu âm trong các mẫu tôi cứng [9-11]
Sự hồi phục và kết tinh lại sau biến dạng dẻo phụ thuộc vào nhiệt độ biến dạng Thông thường, các hạt sau biến dạng có xu hướng bẹt thon dài theo hướng tác dụng lực biến dạng Trong cấu trúc vật liệu biến dạng nóng, sự phục hồi phục và kết tinh lại xảy ra, tức là một tập hợp các hạt mới sinh ra nhỏ hơn các hạt ban đầu được hình thành Tốc độ siêu âm giảm với mức độ biến dạng tăng có thể liên quan đến sự gia tăng sự định hướng sai của các hạt và tăng xô lệch mạng [9] Kích thước trung bình của các hạt luôn biến đổi tỷ lệ nghịch với ứng suất tác dụng Các nhà nghiên cứu đã giả định rằng vận tốc siêu âm dọc thay đổi từ hạt này sang hạt khác do sự định hướng sai của các hạt, điều này liên quan đến sự thay đổi của hằng số đàn hồi từ hạt này sang hạt kia theo cùng một hướng [39]: khi kích thước hạt giảm (tức là số lượng hạt trên một đơn vị diện tích tăng lên) với mức độ biến dạng ngày càng tăng thì vận tốc siêu âm truyền qua thay đổi ngày càng rõ rệt
3.3.2 Với độ suy giảm sóng âm: Độ suy giảm bị ảnh hưởng của các quy trình biến dạng và nhiệt luyện chủ yếu là ứng suất sinh ra, tốc độ làm nguội, hình dạng và kích thước hạt Nguyên công ủ và thường hóa được áp dụng nhằm khử ứng suất Ở tốc độ làm nguội chậm, khoảng cách giữa các tấm Fe3C của pearlite tăng lên và do đó sự tán xạ tăng lên [10] Độ suy giảm trong trường hợp thép ủ lớn hơn trong trường hợp thép thường hóa vì thép ủ dẻo hơn thép thường hóa và thép thường hóa chứa ferrite và pearlite phân bố mịn hơn và đồng đều hơn Khi tốc độ làm nguội đủ cao từ nhiệt độ austenite hóa chuyển thành martensite, tạo ứng suất bên trong mạng tinh thể do biến dạng mạng, kèm theo tăng mật độ xô
34 lệch mạng, gây ra sự hấp thụ năng lượng sóng lớn hơn [39] Khi thép ram sau khi tôi, ứng suất bên trong giảm đi, mật độ xô lệch mạng kích thước hạt đồng đều hơn, giảm độ cứng và tăng độ dẻo dai Bởi vì tăng độ dẻo nên thép sau khi ram hấp thụ một lượng lớn năng lượng sóng âm [9]
Sau biến dạng nóng như rèn nóng, cán nóng,…nhiệt độ đủ cao để xảy ra hiện tượng hồi phục và kết tinh sinh ra các hạt nhỏ, mịn và đồng đều hơn Trong vùng Rayleigh, sự suy giảm phụ thuộc vào lũy thừa của kích thước hạt trung bình (khối lượng hạt) đối với một tần số nhất định Tần số và kích thước hạt trung bình tỷ lệ thuận với độ suy giảm siêu âm, nhưng hàm lượng cacbon trong thép tỷ lệ nghịch với độ suy giảm siêu âm, điều này được kiểm chứng qua nghiên cứu tác giả Bongyoung và cộng sự [40] Ngoài ra, hướng và hình dạng của các hạt đối với hướng của chùm tia sóng âm truyền qua cũng có ảnh hưởng với sự suy giảm sóng âm nhất định.
THỰC NGHIỆM
Mục tiêu nghiên cứu
- Thực nghiệm thăm dò về khả năng truyền sóng âm của thép SCM440 ở trạng thái cung cấp (cán nóng)
- Lập quy trình công nghệ nhiệt luyện khuôn hàn bằng thép SCM440 Tiến hành thực nghiệm dưới các điều kiện khác nhau để xác định các thông số ram tối ưu nhất cho khuôn hàn bằng thép SCM440 về hiệu suất truyền sóng
- Khảo sát ảnh hưởng của chế độ ram (nhiệt độ và thời gian) đến hệ số chất lượng cơ học Qm khuôn hàn
- Phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm dựa trên so sánh và diễn giải số liệu.
Đối tượng thực nghiệm
Khuôn hàn được làm bằng thép SCM440 với kích thước và hình dạng như Hình 4.1
Hình 4.1: a) Bản vẽ chi tiết của khuôn hàn b) Hình ảnh thật của khuôn hàn
Vật liệu được chọn làm khuôn hàn: thép SCM440 vì những lý do:
- Dễ tìm trên thị trường Việt Nam
- Dễ gia công cắt gọt, tạo hình
- Quan trọng nhất là thép SCM440 sau khi nhiệt luyện có khả năng đạt được độ bền, độ cứng khá cao, modulus đàn hồi cao để giảm tổn thất năng lượng trong quá trình truyền sóng âm
Bảng 4.1: Thành phần hóa học của thép SCM440 và các mác thép tương tự [45]
Thành phần hóa học các nguyên tố (%)
Bảng 4.2: Cơ tính của thép SCM440 Độ bền kéo
Thắt tiết diện tương đối (%) Độ dãi dài tương đối (%) Độ cứng
Chọn thông số nghiên cứu (Chọn các chỉ tiêu và yếu tố ảnh hưởng)
Trong quy trình nhiệt luyện khuôn hàn, nhiệt độ nung và thời gian nung quyết định trực tiếp đến kết quả và có thể thay đổi được các thông số đó Quy trình nhiệt luyện được lựa chọn bao gồm nguyên công tôi và nguyên công ram
Thực tế, hàm mục tiêu luôn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau nên thực nghiệm mới có thể thấy được mối quan hệ giữa các yếu tố đó Quy hoạch bậc II khảo sát miền bên trong của khoảng giá trị của nhân tố nhằm đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố đến hàm mục tiêu (thường là giải bài toán cực trị để tìm giá trị tối ưu) Ngoài ra, mô hình thực nghiệm có tính trực giao đảm bảo tính độc lập của các hệ số phương trình hồi quy Với mô hình thực nghiệm trên, phương pháp sử dụng là quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp II
4.3.1 Lựa chọn hàm mục tiêu:
Mục đích của quy hoạch thực nghiệm trong luận văn này là khảo sát ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện đến hàm mục tiêu: hệ số chất lượng cơ học Qm của mẫu sau nhiệt luyện Hệ số chất lượng cơ học Qm là thông số tỉ lệ với hiệu suất bộ phận trong dao động nên càng cao càng tốt (Qm sẽ được giải thích rõ hơn ở phần 4.6, chương 4)
4.3.2 Lựa chọn yếu tố ảnh hưởng:
Bản chất của nhiệt luyện thép là làm thay đổi tính chất thông qua biến đổi tổ chức pha của vật liệu Một quy trình nhiệt luyện bao gồm ba giai đoạn: nung, giữ nhiệt, làm nguội Khi nung, tổ chức vật liệu sẽ thay đổi theo nhiệt độ, tuỳ thời điểm nâng, hạ nhiệt với các tốc độ khác nhau mà nhiệt luyện với các phương pháp khác nhau sẽ cho ra tính chất vật liệu mong muốn
Các yếu tố ảnh hưởng đến quy trình nhiệt luyện thép bao gồm nhiều yếu tố như:
Nhiệt độ ram Thời gian ram Thời gian tôi
Nhiệt luyện của khuôn hàn
- Các thông số của nhiệt luyện như: nhiệt độ nung, thời gian giữ nhiệt, môi trường làm nguội, tốc độ nguội,…
- Các thông số đặc trưng: kích thước của phôi, vật liệu chế tạo,…
Dựa trên mô hình nghiên cứu của đề tài này, các yếu tố được giới hạn để giảm thiểu số thí nghiệm cần thiết Vì thế, đặt giả thuyết là giữ cố định một số yếu tố không thay đổi như thời gian tôi, nhiệt độ tôi, môi trường làm nguội Như vậy, thông số đầu vào của nghiên cứu này như sau:
- 𝑥 2 là thời gian giữ nhiệt trong nguyên công ram (phút)
Dựa trên các yếu tố được lựa chọn, hàm mục tiêu sẽ có dạng 𝑌 = (𝑥 1 , 𝑥 2 ) Khi đó phương trình hồi quy bậc II có dạng:
Quy hoạch thực nghiệm
Quy hoạch thực nghiệm (Design of experiments – DOE) là công cụ hữu ích dùng để lập kế hoạch, thực nghiệm và phân tích dữ liệu thu thập được từ các tình huống thí nghiệm khác nhau Công cụ này cho phép kiểm soát thông số đầu vào, dự đoán thông số đầu ra (hàm mục tiêu), các thông số thí nghiệm được thay đổi một cách có hệ thống và xây dựng mô hình toán học Ưu điểm vượt trội của DOE là giới hạn thí nghiệm cần thiết, tối ưu hóa quy trình thí nghiệm bao gồm chi phí, nguyên vật liệu và thời gian thực hiện Vì vậy, DOE được sử dụng rất nhiều trong cải tiến chất lượng sản phẩm
Phương pháp luận bề mặt đáp ứng (RSM - Response Surface Methodology) được xem là công cụ thống kê dùng để xây dựng mô hình thực nghiệm RSM xác định sự ảnh hưởng của các nhân tố và sự tương tác giữa các nhân tố để tối ưu hóa hàm mục tiêu mong muốn Tối ưu hóa có thể đạt được giá trị mong muốn lớn nhất hoặc nhỏ nhất Vì thế, bề mặt phản ứng có độ cong khác nhau được xây dựng bởi phương trình
41 hồi quy đa thức Mục tiêu chính của phương pháp này là tìm ra cực trị (cực tiểu hoặc cực đại), vùng xảy ra phản ứng thích hợp nhất
Phương án quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp II xác định giá trị tối ưu của hàm mục tiêu với số lượng yếu tố công nghệ k = 2, số thí nghiệm ở phương án trực giao toàn phần là 2k = 4, số thí nghiệm thực hiện tại tâm n0 = 1, số thí nghiệm thực hiện ở điểm sao trên trục tọa độ 2k = 4 Như vậy tổng số thí nghiệm phải làm là N 2k+2k+n0 = 9 Điểm sao là điểm cách tâm thực một khoảng bằng gọi là cánh tay đòn Do thí nghiệm ở tâm không có thí nghiệm lặp nên = 1 Để tiện tính các hệ số thực nghiệm của mô hình toán hồi quy và tiến hành các bước xử lý số liệu khác, ta chuyển sang giá trị mã hóa không thứ nguyên, với giá trị cận trên và cận dưới là +1 và -1, giá trị trung bình: x 0 j = 0 (gốc tọa độ)
Nhân tố nhiệt độ ram ( o C) - 𝑥 1 lựa chọn khoảng giá trị (250;650) o C.Khoảng nhiệt độ ram trung bình, tổ chức pha sẽ có modulus đàn hồi cao nhất Điều này tốt cho khả năng truyền sóng âm Nên mở rộng miền khảo sát nhiệt độ để tìm được cực trị - nhiệt độ ram cho khả năng truyền sóng tốt nhất và đồng thời việc mở rộng khoảng nhiệt độ để tránh điểm cực trị rơi ra ngoài vùng khảo sát Nhân tố thời gian giữ nhiệt trong nguyên công ram (phút) - 𝑥 2 lựa chọn khoảng giá trị (120;240) phút vì dưới 120 phút thời gian quá ngắn để có thể sự chuyển biến pha xảy ra hoàn toàn và 240 phút thời gian đủ lâu để tổ chức pha được tiết ra và phân tán đồng đều
Bảng 4.3: Bảng các yếu tố thí nghiệm trực giao cấp II
STT Nhân tố Ký hiệu Mức giá trị Khoảng thay đổi
Tự nhiên Mã hóa Dưới -1 Cơ sở 0 Trên +1
Thời gian giữ nhiệt trong ram
Bảng 4.4: Các thông số và giá trị thực nghiệm
Nhiệt độ ( o C) Thời gian (phút) Nhiệt độ ( o C) Thời gian (phút)
Nhiệt luyện khuôn hàn
Khuôn hàn sẽ được tôi và ram trong lò buồng điện trở
Hình 4.2: a) Lò buồng điện trở (tại xưởng C1 – Khoa Cơ khí); b) Khuôn hàn được gá và nung trong lò a b
Mẫu thép SCM440 là thép hợp kim thấp nên nhiệt độ tôi thép dựa vào giản đồ trạng thái Fe-C được tính như sau:
• Tính toán thông số nhiệt luyện của nguyên công tôi:
Kích thước mẫu được nhiệt luyện: hình trụ trơn, đường kính lớn nhất là 20 mm, chiều dài là 97 mm
Thời gian nung được tính theo công thức:
- k1: hệ số loại thép, chọn k1 = 0.8 (thép hợp kim thấp)
- k2: hệ số hình dạng, chọn k2 = 0.8 (hình trụ)
- k3: hệ số sắp xếp, chọn k3 = 2.1 (chi tiết sắp xếp cách nhau khoảng 0.7d)
- a: chiều dày chi tiết (mm) Ta có a = d × 0.7 = 20 × 0.7 = 14 mm
- T: thời gian tính thêm (phút), chọn T = 20 phút (thép hợp kim thấp) với 𝜏 1 và T 25 phút (thép hợp kim thấp và thao tác thực hiện) với 𝜏 2
Hình 4.3 : Biểu đồ thực hiện nguyên công tôi
Sự khác nhau giữa các quy trình nhiệt luyện là thay đổi thời gian giữ nhiệt trong nguyên công ram và nhiệt độ ram Đồng thời nhiệt độ tôi và thời gian giữ nhiệt trong nguyên công tôi được giữ cố định Nhiệt độ ram sẽ từ 250 o C đến 650 o C Thời gian giữ nhiệt trong ram từ 120 phút đến 240 phút Chi tiết sẽ được làm nguội trong không khí Sau đó ta sẽ lựa chọn chế độ ram tốt nhất giúp cải thiện cơ tính và khả năng truyền sóng tốt nhất cho chi tiết
Hình 4.4: Biểu đồ thực hiện nguyên công ram
Bảng 4.5: Các quy trình nhiệt luyện với chế độ ram khác nhau
Phương pháp phân tích đánh giá và trang thiết bị
4.6.1 Phương pháp đo thông số khuôn hàn bằng TRZ Analyzer:
Mẫu đã nhiệt luyện sẽ được đo tần số bằng thiết bị TRZ Analyzer và xử lý số liệu qua phần mềm TRZ Software Máy TRZ Analyzer là một thiết bị kiểm tra chuyên dụng để xác định tần số cộng hưởng và phản cộng hưởng của các bộ phận trong thiết bị siêu âm như khuôn hàn, bộ chuyển đổi, bộ khuếch đại Dựa trên tần số đã đo có thể điều chỉnh khuôn hàn, các bộ phận tương tự để bù cho các sai lệch tần số do mài mòn, dung sai gia công và các thay đổi về đặc tính vật liệu Dựa trên các thông số, Fa, Za
Fc, Fr, Zr, Qm để đánh giá khả năng truyền sóng âm của khuôn hàn
TRZ Analyzer hoạt động dựa trên mạch điện tương đương Butterworth-Van Dyke (BVD) Mạch điện trình bày một đường cong trở kháng dưới dạng một hàm của tần số Đoạn mạch này gồm hai tụ điện (C và C0), một cuộn cảm (L) và một điện trở (R) được bố trí nối tiếp hoặc song song L và C các thành phần liên quan đến hiệu ứng áp điện, R bao gồm tổn thất điện, tổn thất cơ và tải Đoạn mạch nối tiếp ưu tiên điều chỉnh đường cong xung quanh tần số cộng hưởng Đoạn mạch song song ưu tiên điều chỉnh đường cong xung quanh tần số phản cộng hưởng
Hình 4.5: Mạch điện tương đương Butterworth-Van Dyke (BVD): mạch song song và mạch nối tiếp
Tần số phản cộng hưởng Fa có thể được coi là tần số mà modulus trở kháng là cực đại và do đó, dòng tiêu thụ từ máy phát điện là nhỏ nhất Tần số phụ thuộc Fa chủ yếu vào đặc tính và kích thước của vật liệu, ví dụ: chiều dài khuôn hàn Việc rút ngắn chiều dài của khuôn hàn làm tăng tần số và ngược lại
Tần số cộng hưởng Fr là tại đó modulus trở kháng là nhỏ nhất và do đó, dòng tiêu thụ từ máy phát điện là cực đại Ví dụ thiết bị làm sạch bằng sóng siêu âm
Trở kháng điện (Z) là thước đo độ đối nghịch với dòng điện ở một tần số cụ thể Trở kháng điện là một đại lượng vectơ thay đổi theo tần số trong các thành phần phản kháng Đối với khuôn hàn, sự phụ thuộc trở kháng vào tần số rất phức tạp và liên quan đến các tần số hoạt động
Modulus trở kháng (|Z| e |Z(f)| ): các phép đo trở kháng điện như một hàm của tần số, trở kháng có thể được báo cáo theo modulus của nó (|Z|)
Qm là hệ số chất lượng cơ học Ý nghĩa của hệ số chuyển đổi dao động điện thành dao động cơ và mất mát nhiệt do ma sát Qm là thông số tỷ lệ thuận với với phần tử được thử nghiệm về hiệu quả trong rung động và tỷ lệ nghịch với độ giảm dần hoặc tốc độ hao hụt năng lượng của phần tử đó Qm bằng với giá trị trung bình giữa hệ số chất lượng Q của mạch BDV trên cấu hình nối tiếp và hệ số chất lượng của mạch BDV trên cấu hình song song Công thức hệ số Q của các mạch áp điện RLC là:
Trong đó: Qm là hệ số chất lượng của mạch BDV; R là giá trị điện trở (Ohms); L là giá trị cuộn cảm (mH); C là giá trị tụ điện (nF)
Hình 4.6: Máy đo tần số TRZ Analyzer (tại công ty Vietsonics)
4.6.2 Phương pháp đo độ cứng:
Phương pháp đo độ cứng Rockwell: Phương pháp này tiến hành bằng cách ấn mũi đâm kim cương hoặc hợp kim cứng hình côn, có góc ở đỉnh là 120 o , hoặc viên bi thép
47 có đường kính 1/16”, 1/8”, 1/4”, 1/2” lên bề mặt vật liệu Tùy theo dạng mũi đâm và tải trọng ta chia ra các thang sau đây:
- Độ cứng Rockwell C – mũi kim cương; tải trọng 1500N – HRC
- Độ cứng Rockwell A – mũi kim cương; tải trọng 600N – HRA
- Độ cứng Rockwell B – mũi bi 1,588mm; tải trọng 1000N – HRB
Phương pháp đo Rockwell cho phép đo các mẫu có độ cứng cao hơn 450 HB, hoặc các mẫu mỏng, nhỏ hơn 1,2 mm Nó cho phép thay đổi tải trọng trong một pham vi rộng mà vẫn không làm thay đổi giá trị đo được của độ cứng, vì nó bảo đảm qui luật đồng dạng của mũi đâm
Hình 4.7: Máy đo độ cứng Rockwell (tại xưởng C1 – Khoa Cơ khí)
4.6.3 Xem xét cấu trúc tế vi:
Quan sát cấu trúc tế vi và phân biệt được cấu trúc tế vi của thép SCM440 qua các quy trình nhiệt luyện khác nhau Thực hành để nghiên cứu tổ chức tế vi gồm các khâu: chọn mẫu, cắt mẫu, mài mẫu, đánh bóng và tẩm thực
- Chọn mẫu và cắt mẫu: yêu cầu mẫu phải đặc trưng cho vật cần nghiên cứu Khi cắt mẫu, có thể dùng các máy cắt kim loại như tiện, phay… hoặc cưa máy, cưa tay… Các
48 mẫu quá cứng, có thể dùng đá mài để cắt Với các thép và gang đã qua nhiệt luyện, yêu cầu đối với nhiệt độ nơi cắt không quá 100 o C
- Mài mẫu: Mẫu được cắt phẳng và làm sạch bề mặt Tiến hành mài bề mặt mẫu cần quan sát bằng giấy mài từ cấp độ P100 đến P2000 đến khi không nhìn thấy vết xước
- Đánh bóng mẫu bằng máy đánh bóng
- Tẩm thực bằng dung dịch HNO3 4% trong khoảng 10 giây hoặc đến khi quan sát được biên giới hạt Sau khi tẩm thực, rửa bề mặt mẫu dưới vòi nước và sấy khô
Tiến hành quan sát tổ chức tế vi bằng kính hiển vi quang học (OM) Optika Microscopes, sử dụng Camera kết nối với máy tính thông qua phần mềm Optika Vision ProView
Hình 4.8: Máy soi kim tương Optika Microscopes (tại xưởng C1 – Khoa Cơ khí)
4.6.4 Thử nghiệm khuôn hàn làm việc thực tế:
Khuôn hàn được gắn với bộ khuếch đại, bộ chuyển đổi và nguồn cung cấp điện thành thiết bị khuôn hàn siêu âm hoàn chỉnh Sau đó, khuôn hàn sẽ được hoạt động khi được cung cấp điện Khuôn hàn hoạt động trong chu kỳ thời gian 5 giây, 10 giây, 15 giây Thời gian hoạt động được cài đặt trên bộ nguồn cung cấp điện Sau thời gian cài đặt, khuôn hàn đang hoạt động sẽ ngừng lại Tần số hiển thị trên bộ nguồn cung cấp điện là tần số hoạt động thực tiễn của khuôn hàn ngay tại thời điểm cài đặt Sau mỗi khoảng
49 thời gian được cài đặt sẵn, giá trị tần số sẽ được lưu lại Sau đó, ta so sánh với mỗi chu kỳ thời gian hoạt động thì tần số sẽ thay đổi như thế nào Sự chênh lệch tần số thực tế giữa các chu kỳ thời gian phải nhỏ thì khuôn hàn hoạt động ổn định Tần số hoạt động phải dao động và gần bằng tần số thiết kế khuôn hàn ban đầu (trong luận văn này sử dụng khuôn hàn 28kHz)
Hình 4.9: Máy hàn siêu âm cầm tay (tại công ty Vietsonics)
Bảng 4.6: Thông số kỹ thuật của máy hàn siêu âm cầm tay thương hiệu Vietsonics
Loại máy/ Công nghệ Analog/Digital