Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật vật liệu: Ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện đến khả năng truyền sóng siêu âm của khuôn hàn bằng thép SCM440

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC THỰC HIỆN TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: PGS TS Nguyễn Ngọc Hà

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS Nguyễn Thanh Hải

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Lưu Phương Minh

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

TS Huỳnh Công Khanh

ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRẦN THỊ MINH QUỲNH MSHV: 2170781

Ngày, tháng, năm sinh: 14/07/1999 Nơi sinh: TP Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Kỹ Thuật Vật Liệu Mã số : 8520309

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tổng quan các công trình nghiên cứu về hàn siêu âm Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về quá trình hàn siêu âm, nguyên lý cấu tạo, chức năng của các thiết bị trong hàn siêu

âm

- Khái quát khuôn hàn siêu âm Tìm hiểu chuyên sâu những yếu tố ảnh hưởng đến

hiệu suất truyền sóng siêu âm

- Thực nghiệm nhiệt luyện thép SCM440 ở các chế độ nhiệt luyện khác nhau theo

quy hoạch thực nghiệm Thu thập số liệu và phân tích, đánh giá kết quả III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05/09/2022

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/12/2022

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):

PGS.TS Nguyễn Ngọc Hà - TS Nguyễn Thanh Hải

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

(Họ tên và chữ ký)

iii

LỜI CẢM ƠN

Lời nói đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Nguyễn Ngọc Hà và TS Nguyễn Thanh Hải đã tận tình giúp đỡ, định hướng nghiên cứu đề tài, củng cố nội dung kiến thức góp phần giúp em hoàn thành luận văn thạc sĩ

Nếu trong quá trình hoàn thành luận văn thạc sĩ có gì sai sót, em thật lòng xin lỗi về những sai sót mà em đã phạm phải Đó cũng là bài học quý giá mà em cần rút kinh nghiệm Em luôn trân trọng những lời nhận xét, góp ý quý giá của các thầy

Em xin chân thành cảm ơn

Tp Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 1 năm 2023

Trần Thị Minh Quỳnh

iv

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn tập trung khảo sát các thông số công nghệ và xây dựng quy hoạch thực nghiệm gồm các quy trình công nghệ nhiệt luyện khác nhau, lựa chọn và xác định miền thông số chế độ ram tối ưu để nâng cao khả năng làm việc thực tế của khuôn hàn thép SCM440 Mục tiêu hướng tới của luận văn là thực nghiệm kiểm chứng, tiến hành phân tích đánh giá bằng các phương pháp khác nhau, xử lý kết quả thực nghiệm Sự kết hợp của cơ sở lý thuyết và thực nghiệm sẽ tăng tính khả thi, độ chính xác, độ tin cậy của đề tài nghiên cứu

Luận văn thạc sĩ bao gồm 5 chương:

Chương 1: Tổng quan Giới thiệu các vấn đề trong nghiên cứu về tính chất sóng siêu

âm và vật liệu Trên cơ sở đó, luận văn tập trung nghiên cứu về thông số tối ưu công nghệ nhiệt luyện và ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến hiệu suất truyền sóng siêu âm và cơ tính khuôn hàn

Chương 2: Cơ sở lý thuyết quá trình hàn siêu âm Trình bày sơ lược các bước trong

hàn siêu âm, thiết bị và chức năng của từng thiết bị, ưu điểm và nhược điểm của hàn siêu âm, phạm vi áp dụng của hàn siêu âm

Chương 3: Giới thiệu khuôn hàn siêu âm và những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất

truyền sóng siêu âm Chức năng và điều kiện làm viêc của khuôn hàn và nắm rõ quy trình thiết kế khuôn hàn siêu âm Lựa chọn vật liệu khuôn hàn để đạt hiệu suất tối đa làm việc Trình bày mối quan hệ giữa hình thái hạt, cấu trúc tế vi… và hiệu suất truyền sóng siêu âm

Chương 4: Thực nghiệm chế độ nhiệt luyện khuôn hàn theo quy hoạch thực nghiệm

Phân tích, xử lý và thảo luận kết quả thực nghiệm

Chương 5: Kết luận Nêu những kết quả đạt được trong thực nghiệm

v

ABSTRACT

The thesis focuses on investigating the technological parameters of the different tempering processes for SCM440 steel in order to improve the mechanical properties and the transmission of ultrasound waves of the ultrasonic horns Design of experiments, select and determine the optimal tempering processes in heat treatment to improve the actual making ability of the ultrasonic horns The thesis aims to experimentally verify, conduct analysis and evaluation, and discuss the experimental results The combination of theoretical and experimental bases will increase the research topic's feasibility, accuracy, and reliability

The thesis includes 5 chapters:

Chapter 1: Overview. Introduction of some foreign scientific research related to specific ultrasonic welding The thesis focused on the optimization of heat treatment technology parameters and the influence of technological parameters on ultrasonic wave transmission efficiency and mechanical properties of ultrasonic horns

Chapter 2: The theoretical basis of the ultrasonic welding process It presents the

procedure in ultrasonic welding, the basic ultrasonic system components, and their functions Besides, ultrasonic welding claims some advantages and disadvantages,in its applications

Chapter 3: Introduction to ultrasonic horns, their functions, their working conditions,

and the design procedure of horns Selection of horn materials for best working effectiveness And factors impacting the effectiveness of ultrasonic wave propagation are covered The relationship between particle shape, microstructure, and the effectiveness of ultrasonic wave propagation is discussed in this chapter

Chapter 4: Experiment with the heat treatment processes according to the design of

the experiment Analyze, process and discuss experimental results

Chapter 5: Conclusions.

vi

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình luận văn của riêng bản thân tác giả

Nội dung nghiên cứu được trình bày trong luận văn này là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào

Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo rõ ràng và đúng quy định

Tác giả luận văn thạc sĩ

Trần Thị Minh Quỳnh

vii

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

LỜI CẢM ƠN iii

1.2 Tổng quan những nghiên cứu liên quan: 3

1.3 Tính cấp thiết và tính mới của đề tài: 5

1.3.1 Tính cấp thiết của đề tài: 5

1.3.2 Tính mới của đề tài: 6

1.4 Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu: 6

1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu: 6

1.4.2 Nội dung nghiên cứu: 7

1.4.3 Phương pháp nghiên cứu: 7

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: 8

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HÀN SIÊU ÂM 9

2.1 Tổng quan về sóng siêu âm: 9

2.1.1 Định nghĩa: 9

2.1.2 Phân loại sóng siêu âm: 10

2.1.3 Phương pháp tạo ra sóng âm: 12

2.1.4 Đặc tính của quá trình lan truyền sóng âm trong vật liệu: 13

2.1.5 Ứng dụng của sóng siêu âm: 15

2.2 Nguyên lý cấu tạo trong hàn siêu âm: 16

2.3 Cấu tạo và chức năng của các bộ phận trong máy hàn siêu âm: 17

2.4 Ưu và nhược điểm của hàn siêu âm: 20

viii

2.4.1 Ưu điểm: 20

2.4.2 Nhược điểm: 20

2.5 Phạm vi ứng dụng của hàn siêu âm: 20

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU KHUÔN HÀN SIÊU ÂM VÀ NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT TRUYỀN SÓNG SIÊU ÂM 22

3.1 Giới thiệu khuôn hàn siêu âm: 22

3.1.1 Quy trình thiết kế khuôn hàn: 22

3.1.2 Điều kiện làm việc và yêu cầu của vật liệu chế tạo khuôn hàn: 24

3.1.3 Vật liệu chế tạo khuôn hàn: 25

3.2 Ảnh hưởng của hình thái hạt đối với suy giảm của sóng âm truyền qua vật liệu: 25

3.3.2 Với độ suy giảm sóng âm: 33

3.4 Ảnh hưởng của các pha trong thép đến vận tốc sóng âm và suy giảm sóng âm: 34

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM 37

4.1 Mục tiêu nghiên cứu: 37

4.2 Đối tượng thực nghiệm: 37

4.3 Chọn thông số nghiên cứu (Chọn các chỉ tiêu và yếu tố ảnh hưởng): 38

4.3.1 Lựa chọn hàm mục tiêu: 39

4.3.2 Lựa chọn yếu tố ảnh hưởng: 39

4.4 Quy hoạch thực nghiệm: 40

4.5 Nhiệt luyện khuôn hàn: 42

4.5.1 Trang thiết bị: 42

4.5.2 Nguyên công tôi: 43

4.5.3 Nguyên công ram: 44

ix

4.6 Phương pháp phân tích đánh giá và trang thiết bị: 45

4.6.1 Phương pháp đo thông số khuôn hàn bằng TRZ Analyzer: 45

4.6.2 Phương pháp đo độ cứng: 46

4.6.3 Xem xét cấu trúc tế vi: 47

4.6.4 Thử nghiệm khuôn hàn làm việc thực tế: 48

4.7 Kết quả thực nghiệm: 49

4.7.1 Phân tích dữ liệu mô hình thực nghiệm: 49

4.7.2 Kết quả đo thông số khuôn hàn bằng TRZ Analyzer: 56

4.7.3 Kết quả đo tần số làm việc thực tế: 59

x

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Phân loại tần số sóng âm [12] 9

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] 10

Hình 2.3: Giản đồ của sóng ngang (cắt) Bước sóng  là khoảng cách tương ứng đến một chu kỳ hoàn chỉnh [13] 11

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] 11

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] 12

Hình 2.6: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ (theo vectơ) của tất cả các sóng phản xạ và khúc xạ có thể có với một sóng dọc tới có vận tốc Vl (1) truyền tới một mặt phân cách ở góc l so với pháp tuyến so với mặt phân cách [13] 14

Hình 2.7: Sơ đồ quá trình làm việc của các bộ phận trong máy hàn siêu âm cơ bản [14] 16

Hình 2.8: Nguồn cung cấp điện siêu âm với tần số 20 kHz [15] 17

Hình 2.9: Cấu tạo điển hình của bộ chuyển đổi cơ bản theo nguyên tắc áp điện [15] 18

Hình 2.10: Các loại bộ khuếch đại khác nhau [16] 19

Hình 2.11: Chủng loại khuôn hàn khác nhau của hãng Dukane 19

Hình 3.1: Khuôn hàn hình trụ, hình mũ, hình bậc thang, hình lưỡi rộng [16] 23

Hình 3.2: Sự suy giảm sóng âm bị phân tán bởi các ranh giới hạt [34] 28

Hình 3.3: Hình dạng hạt elip [37] 30

Hình 3.4: Khối nhôm – A được đo vận tốc sóng âm truyền qua [8] 30

Hình 3.5: Cấu trúc của pearlite tấm [39] 31

Hình 4.1: a) Bản vẽ chi tiết của khuôn hàn b) Hình ảnh thật của khuôn hàn 37

xi

Hình 4.2: a) Lò buồng điện trở (tại xưởng C1 – Khoa Cơ khí); b) Khuôn hàn được gá và nung trong lò 42Hình 4.3 : Biểu đồ thực hiện nguyên công tôi 43Hình 4.4: Biểu đồ thực hiện nguyên công ram 44Hình 4.5: Mạch điện tương đương Butterworth-Van Dyke (BVD): mạch song song và mạch nối tiếp 45Hình 4.6: Máy đo tần số TRZ Analyzer (tại công ty Vietsonics) 46Hình 4.7: Máy đo độ cứng Rockwell (tại xưởng C1 – Khoa Cơ khí) 47Hình 4.8: Máy soi kim tương Optika Microscopes (tại xưởng C1 – Khoa Cơ khí) 48Hình 4.9: Máy hàn siêu âm cầm tay (tại công ty Vietsonics) 49Hình 4.10: a) Mặt đáp ứng hàm hồi quy b) Biên dạng mặt đáp ứng hàm hồi quy của hệ số chất lượng cơ học Qm của mẫu sau nhiệt luyện 52Hình 4.11: a) Biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của từng nhân tố đến giá trị Qm của các mẫu sau nhiệt luyện, b) Biểu đồ thể hiện sự tương tác của các nhân tố đến giá trị Qm của các mẫu sau nhiệt luyện 53Hình 4.12: Biểu đồ phân tích phần dư a) Phân phối chuẩn của phần dư, b) Biểu đồ giữa phần dư và giá trị Qm dự đoán theo PTHQ 55Hình 4.13: Biểu đồ dự đoán điểm cực đại của phương trình hồi quy Qm 55 57Hình 4.14: Kết quả đo thông số bằng TRZ Analyzer của 3 mẫu có Qm cao nhất: a) 450oC/240 phút; b) 529oC/240 phút; c) 650oC/240 phút 57Hình 4.15: Biểu đồ biểu diễn đo thông số khuôn hàn sau nhiệt luyện: a) Fa, b) Za, c) Fr, d) Zr 58Hình 4.16: Hiệu tần số làm việc thực tế giữa thời gian hoạt động 5 giây với 15 giây của 3 khuôn hàn sau nhiệt luyện có Qm cao nhất 60Hình 4.17: Vị trí các mũi đâm trên mẫu hình trụ 61Hình 4.18: Giá trị độ cứng trung bình của 3 mẫu sau nhiệt luyện có Qm cao nhất 61Hình 4.19: Bản vẽ thể hiện vị trí của mặt cắt ngang và mặt cắt dọc của mẫu soi kim tương 62

xii

Hình 4.20: Mặt cắt dọc – tổ chức tế vi của mẫu tôi + ram 450oC/240 phút tại các vị trí: a) tâm, b) cách tâm 2 – 3 mm, c) bìa, d) hình được xử lý bằng ImageJ 63Hình 4.21: Mặt cắt ngang – tổ chức tế vi của mẫu tôi + ram 450oC/240 phút tại các vị trí: a) tâm, b) cách tâm 1 – 1.5 mm 63Hình 4.22: Mặt cắt dọc – tổ chức tế vi của mẫu tôi + ram 529oC/240 phút tại các vị trí: a) tâm, b) cách tâm 2 – 3 mm, c) bìa, d) hình được xử lý bằng ImageJ 64Hình 4.23: Mặt cắt ngang – tổ chức tế vi của mẫu tôi + ram 529oC/240 phút tại các vị trí: a) tâm, b) cách tâm 1 – 1.5 mm 64Hình 4.24: Mặt cắt dọc – tổ chức tế vi của mẫu tôi + ram 650oC/240 phút tại các vị trí: a) tâm, b) cách tâm 2 – 3 mm, c) bìa, d) hình được xử lý bằng ImageJ 65Hình 4.25: Mặt cắt ngang – tổ chức tế vi của mẫu tôi + ram 650oC/240 phút tại các vị trí: a) tâm, b) cách tâm 1 – 1.5 mm 65

xiii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Vận tốc truyền âm trong các vật liệu khác nhau [13] 10

Bảng 4.1: Thành phần hóa học của thép SCM440 và các mác thép tương tự [46] 38

Bảng 4.2: Cơ tính của thép SCM440 38

Bảng 4.3: Bảng các yếu tố thí nghiệm trực giao cấp II 41

Bảng 4.4: Các thông số và giá trị thực nghiệm 42

Bảng 4.5: Các quy trình nhiệt luyện với chế độ ram khác nhau 44

Bảng 4.6: Thông số kỹ thuật của máy hàn siêu âm cầm tay thương hiệu Vietsonics [47] 49

Bảng 4.7: Bảng ma trận thực nghiệm 50

Bảng 4.8: Bảng hệ số được mã hóa (Coded Coefficients) 50

Bảng 4.9: Bảng tổng hợp mô hình (Model Summary) 50

Bảng 4.10: Bảng phân tích phương sai (Analysis of Variance) 51

Bảng 4.11: So sánh giá trị Qm thực nghiệm và Qm theo PTHQ 54

Bảng 4.12: Bảng dự đoán giá trị tối ưu (Multiple Response Prediction) 55

Bảng 4.13: Kết quả đo thông số khuôn hàn sau nhiệt luyện 56

Bảng 4.14: Kết quả đo thông số khuôn hàn được nhiệt luyện trong điều kiện tối ưu 56

Bảng 4.15: Tần số làm việc thực tế của khuôn hàn 8 (450oC/240 phút) 59

Bảng 4.16: Tần số làm việc thực tế của khuôn hàn cực đại (529oC/240 phút) 59

Bảng 4.17: Tần số làm việc thực tế của khuôn hàn 4 (650oC/240 phút) 59

Bảng 4.18: Kết quả đo độ cứng của 3 mẫu sau nhiệt luyện có Qm cao nhất 61

Bảng 4.19: Tổng số hạt và kích thước hạt cementite trung bình xử lý bằng phần mềm ImageJ 66

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,

2

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

3

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

1.2 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

4

- “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

5

-“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

1.3 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

6

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

1.4 Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu:

1.4.1 Mục tiêu 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

7

1.4.2 Nội dung nghiên cứu:

- 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

1.4.3 Phương pháp nghiên cứu:

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

8

- 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

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

Trên cơ sở nghiên cứu, xác định thông số công nghệ, nhà sản xuất có thể áp dụng vào chế tạo, sản xuất khuôn hàn nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và mang lại giá trị thực tiễn, giá trị kinh tế Ngoài ra, đề tài nghiên cứu này đóng góp cho tài liệu tham khảo về vật liệu chế tạo khuôn hàn, cụ thể là khuôn hàn bằng thép

9

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HÀN SIÊU ÂM

2.1 Tổng quan về sóng siêu âm:

2.1.1 Định nghĩa:

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:

Trong đó:

- 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

10

Bảng 2.1: Vận tốc truyền âm trong các vật liệu khác nhau [13]

Vật liệu

Khối lượng riêng  (kg/m3)

Vận tốc sóng âm (m/s) Sóng dọc

VL

Sóng ngang VT

Sóng Rayleigh VS

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

- 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

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,…

- Phương pháp điện thế:

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

13

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

Hình 2.6: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ (theo vectơ) của tất cả các sóng phản xạ và khúc xạ có thể có với một sóng dọc tới có vận tốc Vl (1) truyền tới một mặt phân

cách ở góc l so với pháp tuyến so với mặt phân cách [13] • Hấp thụ năng lượng:

Năng lượng của sóng siêu âm bị suy giảm do hiện tượng hấp thụ Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào tính chất của môi trường Sự hấp thụ năng lượng xảy ra chủ yếu do sự thay đổi cơ thành nhiệt Các phần tử chuyển động đàn hồi bên trong vật liệu xảy ra quá trình nén – giãn trong quá trình chuyển động của sóng Quá trình này xảy ra luân

2.1.5 Ứng dụng của sóng siêu âm:

• Kỹ thuật siêu âm kiểm tra chất lượng:

Dùng siêu âm kiểm tra chất lượng sản phẩm được xem là kiểm tra không phá hủy (NDT) Đây là các phương pháp kiểm tra thường dùng để phát hiện và đánh giá các khuyết tật bên trong vật liệu, sản phẩm hoặc chi tiết máy… mà không gây bất kỳ tổn hại nào đến tính năng sử dụng của chúng sau này

• Gia công vật liệu bằng siêu âm:

Các lĩnh vực ứng dụng siêu âm như: hàn, kéo, ép, dập, đánh bóng, xử lý bề mặt,… Nhờ siêu âm mà có thể gia công vật liệu cứng, giòn và thậm chí vật liệu có nhiệt độ nóng chảy thấp là nhựa Công nghệ gia công siêu âm cải thiện tính chất cơ học, độ cứng, ứng suất dư nén, đặc tính mòn và mỏi

• Siêu âm trong công nghệ thực phẩm:

- Siêu âm công suất thấp với tần số cao được sử dụng để đánh giá chất lượng không phá hủy các đặc tính hóa lý của trái cây, rau quả và các sản phẩm thực phẩm trong quá trình chế biến hoặc bảo quản

- Sóng siêu âm công suất cao với tần số thấp được sử dụng để cải thiện các đặc tính hóa lý của sản phẩm thực phẩm tạo ẩm, xử lý thủy nhiệt, chiết xuất, làm khô, đông lạnh và bất hoạt vi sinh vật của sản phẩm thực phẩm

16 • Siêu âm trong y học:

Trong y khoa, thường sử dụng siêu âm 2D để tiến hành các kiểm tra sơ bộ, siêu âm 3D để khám thai, khám tuyến giáp hay siêu âm Doppler để kiểm tra mạch máu bệnh nhân Sóng siêu âm còn điều trị được khá nhiều bệnh như viêm dây thần kinh, viêm khớp, các bệnh về mắt,…

2.2 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 [14]

17

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

2.3 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 (Transducer):

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

18

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 (Booster):

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

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

2.5 Phạm vi ứng dụng của hàn siêu âm:

Nhờ những ưu điểm vượt trội, hàn siêu âm được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp như ứng dụng ô tô, hàng không vũ trụ, y tế, điện tử và điện và nhiều ứng dụng khác Phạm vi vật liệu ứng dụng trong hàn siêu âm rất đa dạng, dùng cho các loại vật liệu khác nhau từ hàn nhựa đến hàn kim loại

Trong hàng không và điện tử, ô tô, người ta thường sử dụng vật liệu nhẹ để giảm tiêu thụ năng lượng nên thường sẽ nối vật liệu lại với nhau bằng mối nối dính, đóng rắn thì hàn siêu âm là sự ưu tiên Các kết nối điện giữa các thiết bị, chẳng hạn như động cơ, cuộn dây trường và tụ điện [18] Trong điện tử, hàn siêu âm được sử dụng chủ yếu để kết dính các phôi nhỏ, công tắc, cảm biến … Hàn siêu âm được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô để chế tạo các bộ phận đèn pha, bảng điều khiển, nút bấm và công tắc

21

Ưu điểm của hàn siêu âm là sạch sẽ, không gây ô nhiễm môi trường nên phương pháp này cũng được dùng trong lĩnh vực y tế như như quần áo bệnh viện, kiểm tra chip y tế, quần áo vô trùng, khẩu trang và hàng dệt được sử dụng trong phòng sạch [19] Trong ngành công nghiệp thực phẩm, quá trình hàn siêu âm được sử dụng để tạo ra đường đóng gói các mặt hàng như hộp đựng sữa Nó có thể buộc chặt các gói vỉ và tạo điều kiện sản xuất nhiều loại sản phẩm bao gồm đồ chơi, bật lửa dùng một lần, pipet và ống thông tĩnh mạch

22

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU KHUÔN HÀN SIÊU ÂM VÀ NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT TRUYỀN SÓNG SIÊU ÂM

3.1 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]

24

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

25

3.1.3 Vật liệu chế tạo khuôn hàn:

Dựa vào ứng dụng sử dụng, lựa chọn vật liệu có nhiều yếu tố để xem xét Hiện nay, vật liệu phổ biến nhất để làm khuôn hàn là đồng, nhôm, titan, thép,…Mỗi loại vật liệu đều có ưu điểm và nhược điểm

- 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