Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu các thông số công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn vảy thiếc siêu âm

TỔNG QUAN

Tổng quan nghiên cứu

Từ những năm 70 của thế kỷ trước, trên thế giới công nghệ hàn siêu âm đã phổ biến, những năm gần đây, công nghệ hàn siêu âm tại Việt Nam được ứng dụng rộng rãi hơn Trong đó nổi bật có thể kể tới nhóm nghiên cứu do thầy TS Phạm Sơn Minh (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh) hướng dẫn, nhóm nghiên cứu do thầy TS Nguyễn Thanh Hải, TS Lưu Phương Minh (Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh) hướng dẫn, nhóm nghiên cứu do thầy TS Nguyễn Tiến Đông (Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) hướng dẫn

Nghiên cứu ở Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, TS Hải và cộng sự đã cho thấy được sự khác biệt rõ ràng giữa 2 mối hàn có siêu âm và không có siêu âm Hàn có hỗ trợ siêu âm giúp mối hàn bám chặt, mối hàn đẹp, mối hàn không có siêu âm không thực hiện được, thiếc hàn không thể bám vào dây nhôm Với kết quả này ta có thể góp phần đưa thiết bị hàn vảy thiếc siêu âm sử dụng vào thực tế [1]

Bảng 2.1: Sự khác biệt giữa các mẫu sau khi hàn có siêu âm và không có siêu âm

3mm và dây nhôm 1mm

Dây nhôm 1mm và dây nhôm 1mm

Dây nhôm 0,2mm và dây nhôm 1mm

Dây nhôm 1mm và nhiều dây đồng 0,1mm

Dây nhôm 0,2mm và nhiều dây đồng 0,1mm

Các đề tài nghiên cứu về công nghệ siêu âm nói chung và hàn vảy thiếc siêu âm nói riêng hiện nay chưa được đa dạng Trên thế giới cũng có các tài liệu liên quan tới lĩnh vực này, song đề tài được thảo luận trong khuôn khổ luận văn này thì chưa được nhắc tới Việc đi tiên phong trong công cuộc nghiên cứu sự ảnh hưởng của tấm phản xạ lên chất lượng của mối hàn vảy thiếc siêu âm sẽ vấp phải nhiều khó khăn

Do nhu cầu của xã hội, một số công ty đã và đang bắt tay vào nghiên cứu, có thể kể đến là VIETSONIC - đã cho ra một số sản phẩm đáp ứng nhu cầu trong công nghiệp như hàn lõi dây motor, hàn dây nhôm, hàn tấm solar… [2]

Một số ứng dụng hàn vảy thiếc thực tiễn tại Việt Nam:

Hình 2.1: Máy hàn vảy thiếc không sử dụng siêu âm

Thiết bị đang sử dụng tại một công ty ở KCN Vietnam-Singapore Trong đó: Dây điện được đưa qua dòng khử oxit (1), sau đó đến hàn ở dòng thiếc nóng chảy (2) Sử dụng cho dây đồng

Hình 2.2: Máy hàn vảy thiếc ứng dụng công nghệ siêu âm

Thiết bị đang sử dụng tại công ty ở KCN Mỹ Phước 2 Trong đó, khuôn hàn siêu âm được để bên trong thiếc nóng chảy, dây diện được nhúng vào bể, sau mỗi lần sử dụng, xylanh sẽ gạt bỏ phần xỉ hàn Không sử dụng dung dịch khử lớp oxit

Ngoài ra, còn một số công ty ở KCN Hải Sơn, Quận 8 Tp.HCM, Quận Bình Tân Tp.HCM,… có nhu cầu sử dụng hàn vảy thiếc siêu âm

2.1.2 Nghiên cứu trên thế giới

Việc hàn không chất khử oxit bằng siêu âm dường như đã được hình thành lần đầu tiên ở Đức vào năm 1936 Mỏ hàn vảy đầu tiên được cấp bằng sáng chế vào năm 1939

Kể từ đó nhiều thiết bị đã được chế tạo với mục đích chính là loại bỏ chất khử oxit trong quá trình hàn thông thường [3]

Việc áp dụng thành công phương pháp hàn siêu âm trên mối nối chuông nhôm vào năm 1966, sử dụng đầu hàn 95Zn-5Al Trước đó, hợp kim Cd/Zn được coi là phù hợp nhất đối với nhôm Năm 1969, hệ thống hàn gồm một ống và cuộn dây điều chỉnh không khí bằng cách sử dụng phương pháp nhiệt được thiết lập Năm 1971, quá trình hàn vảy thiếc siêu âm đã được chứng minh là phương pháp hàn nhúng duy nhất để sản xuất các cuộn dây nhôm [3]

Năm 1996 nhóm của Vianco, P T [4] đã nghiên cứu trong việc sử dụng xâm thực siêu âm để hàn phủ lên mặt kim loại mà không cần sử dụng chất khử oxit Các nghiên cứu cơ bản trên các tấm đồng cho thấy việc loại bỏ oxit và hàn nhúng là kết quả của cả sự ăn mòn cơ học và sự ghép của năng lượng siêu âm từ khuôn hàn vào chất nền Hiệu quả hàn phụ thuộc vào mức công suất, khoảng cách khuôn hàn và hình dạng hình học Nghiên cứu trường hợp sử dụng hàn vảy siêu âm trong bảng đồng của mạch in và linh kiện điện tử

Trên thế giới cũng đã có nhiều hãng chuyên cung cấp các thiết bị máy móc ứng dụng công nghệ này phải kể đến là Japan Unix, Mecstech…

Một số thiết bị đang được sử dụng trên thế giới:

Hình 2.3: Máy hàn vảy siêu âm MS-2020H của MECSTECH

Sử dụng nguyên lý hàn vảy của Mecstech[5]: bố trí khuôn nằm ngang và nằm trong bể chất hàn, tấm phản xạ phẳng, tấm phản xạ có tác dụng giảm bớt sự không đồng đều ở 2 mặt của vật hàn Ứng dụng: hàn vật liệu thủy tinh, gốm và vật liệu khó hàn hoặc không thể hàn trong phương pháp hàn thông thường, hàn kính năng lượng mặt trời, chất bán dẫn, gốm, hàn vật liệu không giống nhau (Al-Cu, Al-Glass, Al-Ceramic) Kích thước nhỏ, giới hạn trong không gian giữa khuôn hàn và tấm phản xạ

Hình 2.4: Máy hàn Static ultrasonic soldering tank KDB series

Sử dụng nguyên lý hàn vảy KDB series [6] với khuôn hàn nằm trong chất hàn, bố trí khuôn nằm bên dưới đáy bể, vật hàn nhúng một phần vào bể Được sử dụng để phủ/hàn nhôm, PCB gốm và các bề mặt bên ngoài của ống phóng điện (điện cực, cấu trúc, v.v.) Kích thước lớn hơn, có thể dạng tấm hoặc trụ

Hình 2.5: Máy hàn Vertical jet-flow ultrasonic soldering tank - ACSS series

Solder tank serve as the role of oscillator part

Máy hàn ACSS [7] là có dạng bể hàn siêu âm phun áp lực kết hợp dao động siêu âm áp dụng theo chiều dọc Ứng dụng chính dành cho các sản phẩm yêu cầu hàn từ bên dưới hoặc bên trong cấu trúc hình ống

Hình 2.6: Máy hàn dạng đầu hàn cầm tay Solbraze Solsonic Iron

Máy hàn dạng đầu hàn cầm tay Solbraze Solsonic Iron [8] ử dụng khuôn hàn siêu âm nhỏ gọn, thường có tần số lớn hơn 20kHz, được gia nhiệt Chất hàn dạng sợi được đưa vào vị trí hàn, dưới tác dụng của nhiệt sẽ nóng chảy, lúc này nguyên lý hàn tương tự như hàn nhúng Ứng dụng: được ứng dụng cho các sản phẩm dạng sợi, tấm, có khả năng di động kém và kích thước tấm nền lớn

Hình 2.7: Máy hàn bể nhúng hệ siêu âm ngoài UM250

Máy hàn bể nhúng hệ siêu âm ngoài UM250 [8]: khuôn hàn siêu âm nằm bên ngoài bể, khi hàn được đưa vào bể chất hàn nóng chảy Ứng dụng: được ứng dụng cho các sản phẩm dạng sợi, tấm, có khả năng di động và kích thước giới hạn, nằm trong không gian bể hàn và bị giới hạn bới thiết kế siêu âm

Tóm lại, trên thế giới công nghệ hàn vảy có hỗ trợ siêu âm được ứng dụng từ sớm, đã có các bài báo khoa học nghiên cứu các đặc tính của liên kết mỗi hàn, vật liệu được hàn Tuy nhiên, các liên kết sẽ khác nhau cho các loại vật liệu khác nhau ở các điều kiện hàn khác nhau Đa phần các nghiên cứu được thực hiện trên tấm phản xạ phẳng.

Các vấn đề cần giải quyết trong luận văn

Nói vắn tắt, đề tài sẽ khảo sát các ảnh hưởng của thông số công nghệ đến cơ tính của mối hàn vảy thiết với điều kiện:

• Tần số siờu õm 20kHz, cụng suất 2000W, khuụn thộp ỉ20mm

• Môi trường hàn là thiết thanh LF-307B Sn96.5 Ag3.0 Cu0.5

• Vật liệu hàn: dây đồng, tấm đồng

• Các thông số công nghệ khảo sát: biên độ siêu âm, thời gian hàn, nhiệt độ hàn, bán kính R của tấm phản xạ

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật thiếc hàn LF-307B Đặc tính LF-307B/ LF-307HD

Thành phần hợp kim Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5

Nhiệt độ nóng chảy (℃) 219 Độ bền kéo (Mpa) 35 Điện trở suất (𝜇Ω-cm) 13 Độ giãn dài (%) 38

2.2.2 Các yêu tố cần so sánh giữa các thông số công nghệ Để so sánh ảnh hưởng của các thông số công nghệ, các yếu tố cần được đo đạt:

- Độ bền kéo của mối hàn

- Hình ảnh chụp SEM của đồng dạng tấm

2.2.3 Mô hình lựa chọn khảo sát

Mô hình lựa chọn để khảo sát giống như Hình 1.2 Tấm phản xạ có bề mặt dạng cong để tập trung tia sóng phản xạ Bán kính cong của tấm phản xạ sẽ thay đổi, nhằm thay đổi khoảng tiêu cự cho phản xạ.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Định nghĩa về sóng siêu âm

Siêu âm được định nghĩa là năng lượng được tạo ra bởi sóng âm thanh khi truyền qua môi trường vật chất với tần số lớn hơn hoặc bằng 20 (kHz) Tần số nhỏ nhất của siêu âm được xác định là tần số tối đa mà con người có thể nghe được hay còn gọi là ngưỡng nghe trên

Hình 3.1: Các vùng tần số của sóng âm

Siêu âm có tần số lớn hơn 100 kHz được ứng dụng những nơi mà sự truyền sóng không gây ảnh hưởng nào lên vật thể mà nó truyền qua, bao gồm các ứng dụng như siêu âm trong y học, kiểm tra không phá hủy Năng lượng tại nơi mà những sóng này được tạo ra là tương đối nhỏ với cường độ trong khoảng 0.1-0.5W/cm 2

Siêu âm có tần số từ 20-100 (kHz) được sử dụng trong những ứng dụng đòi hỏi một lượng năng lượng lớn ví dụ như quá trình gia công chế tạo (gọi là siêu âm năng lương cao) Cường độ thông thường được sử dụng trong siêu âm năng lương cao là trên 10W/cm 2 Năng lượng cần thiết của những ứng dụng này được truyền tới vật liệu cần được gia công thông qua một hoặc nhiều chi tiết siêu âm nhờ bộ chuyển đổi, chuyển đổi từ dao động điện thành dao động cơ.

Nguyên lý hàn siêu âm

Nguồn phát siêu âm nhận nguồn điện xoay chiều 220V/50Hz và biến chúng thành tần số 20 kHz Năng lượng này được truyền tới bộ chuyển đổi gốm áp điện, giúp chuyển đổi dao động điện thành dao động cơ cùng tần số Biên độ dao động cơ ở đầu ra của bộ chuyển đổi lần lượt được khuyếch đại qua bộ khuyếch đại (booster) và khuôn hàn (horn) [1]

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý hàn siêu âm

Khuôn hàn đóng vai trò rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và khả năng công nghệ Khuôn hàn được thiết kế tùy thuộc vào vị trí gá đặt, không gian sử dụng và sản phẩm ứng dụng Thông thường, hình dạng khuôn hàn thiết kế theo hình khối hộp chữ nhật và hình trụ tròn.

Hàn vảy thiếc siêu âm

Hàn vảy là phương pháp nối các chi tiết kim loại hoặc hợp kim ở trạng thái rắn nhờ một kim loại trung gian gọi là vảy hàn (kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn kim loại chi tiết hàn) Sự hình thành mối hàn ở đây chủ yếu dựa vào quá trình hòa tan và khuếch tán của vảy hàn (do vảy hàn chảy) vào kim loại vật hàn ở chỗ nối cho đến khi vảy hàn đông đặc [9]

Hàn vảy siêu âm dùng là quá trình hàn vảy có hỗ trợ siêu âm Hàn vảy thiếc siêu âm sử dụng thiếc làm cầu nối liên kết chính khi hàn

Liên kết kim loại được hình thành khi lớp oxit của vật liệu cần hàn được loại bỏ thông qua xâm thực siêu âm Sau đó kim loại cầu nối sẽ tiếp xúc trực tiếp với vật liệu hàn, tiếp tục xâm thực và lực hút ion giữa hai chất tạo thành liên kết Ví dụ khi hàn dây đồng và dây nhôm

Khi sử dụng hàn trên vật liệu phi kim, tức là không có lớp oxit kim loại tồn tại Sự xâm thực trên bề mặt vật hàn tạo ra các lực bám dính các vật liệu và tạo thành liên kết cơ học lồng vào nhau Ví dụ như khi hàn tấm solar với dây đồng

Hàn vảy siêu âm được sử dụng trong trường hợp:

- Khi không sử dụng chất khử oxit bề mặt Hoặc vật liệu khó xử lý lớp oxit bề mặt bằng hóa chất hay nhiệt độ

- Áp dụng cho hàn gốm sứ và các vật liệu khó dính bằng phương pháp thông thường

Có 2 loại hàn vảy siêu âm: hàn dạng bể nhúng và hàn dạng đầu hàn cầm tay

Hình 3.3: Hàn dạng bể nhúng, khuôn hàn nằm ngoài bể

- Hàn dạng bể nhúng: được ứng dụng cho các sản phẩm dạng sợi, tấm, có khả năng di động và kích thước giới hạn, nằm trong không gian bể hàn và bị giới hạn bới thiết kế siêu âm Thường là nhỏ hơn 60mm, bề dày nhỏ hơn 10mm

- Hàn dạng đầu hàn cầm tay: được ứng dụng cho các sản phẩm dạng sợi, tấm, có khả năng di động kém và kích thước tấm nền lớn

Hình 3.4: Nguyên lý hàn vảy dạng đầu hàn cầm tay.

Lý thuyết cơ bản về sự phản xạ sóng

3.4.1 Âm trở của môi trường Âm trở/ trở kháng âm Z (rayls): là độ dội lại của sóng âm trong môi trường

• v (m/s) – Vận tốc lan truyền sóng âm trong môi trường

• 𝜌 (kg/m 3 ) – Mật độ môi trường Âm trở có vai trò quyết định đối với biên độ sóng phản xạ trên mặt phân cách giữa hai môi trường

3.4.2 Các định luật truyền âm Âm được truyền theo những tia gọi là tia âm Thực nghiệm chứng minh tia âm cũng bị phản xạ, khúc xạ, tán xạ và hấp thụ như tia sáng

3.4.2.1 Phản xạ và khúc xạ

Khi gặp mặt phân cách đủ lớn giữa hai môi trường có trở kháng âm khác nhau, sóng âm sẽ tuân theo định luật phản xạ và khúc xạ Một phần năng lượng của sóng âm sẽ phản xạ ngược trở lại và phần còn lại sẽ truyền tiếp vào môi trường thứ hai Độ lớn của năng lượng phản xạ phụ thuộc vào sự khác biệt của âm trở ∆Z giữa hai môi trường Hệ số phản xạ K được tính theo công thức:

• 𝜃 𝑖 , 𝜃 𝑟 , 𝜃 𝑡 lần lượt là góc tới, góc phản xạ và góc khúc xạ

• Pr – biên độ áp lực của sóng phản hồi

• Pi – biên độ áp lực của sóng tới

• Z1, Z2 – âm trở của hai môi trường

Có hai trường hợp sẽ xảy ra:

• Tia tới vuông góc với mặt phân cách: 𝜃 𝑖 =𝜃 𝑟 =0

✓ Khi đó sóng truyền qua cùng hướng với sóng tới, ta có hệ số phản xạ:

• Góc tới 𝜃 𝑖 # 0 Theo định luật phản xạ 𝜃 𝑖 =𝜃 𝑟

✓ Sóng truyền qua lúc này không còn cùng hướng với sóng tới và tạo một góc 𝜃 𝑡 #𝜃 𝑖 , hiện tượng này gọi là khúc xạ

✓ Góc khúc xạ 𝜃 𝑡 phụ thuộc vào vận tốc truyền âm trong hai môi trường và được xác định bởi công thức: sin𝜃 𝑡 =(v 2 /v 1 ).sin𝜃 𝑖 (3.4)

Theo định luật khúc xạ ta có: n 1 sin𝜃 𝑖 =n 2 𝜃 𝑡 (3.5)

✓ Nếu v2 > v1 => 𝜃 𝑡 > 𝜃 𝑖 khi góc tới 𝜃 𝑖 đạt 90 o thì góc khúc xạ 𝜃 𝑡 đã

>90 o Khi đó xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần, góc tới giới hạn tại giá trị góc khúc xạ đạt 90 o khi đó sin𝜃 𝑖𝑔ℎ = v2/v1 (sin𝜃 𝑡 =1) Khi 𝜃 𝑖 ≥ (v2/v1) thì sóng âm sẽ không khúc xạ được sang môi trường thứ hai bên kia mặt phân cách mà toàn bộ năng lượng được phản xạ trở lại môi trường thứ nhất

✓ Ngoài ra khi tia tới gần tiếp tuyến với mặt phân cách (xảy ra với cấu trúc hình cầu, mặt cắt ngang cấu trúc ống) thì sóng chỉ trượt trên bề mặt phân cách mà không truyền tiếp vào môi trường thứ hai

Từ các công thức trên ta thấy hệ số phản hồi của mặt phân cách giữa hai môi trường phụ thuộc vào ∆Z= Z 2 -Z 1 giữa hai môi trường

∆Z càng lớn thì năng lượng phản xạ càng lớn và chỉ một phần rất nhỏ năng lượng sóng siêu âm đi qua được môi trường phía bên kia mặt phân cách Nếu ∆Z vừa đủ để tạo ra mặt phân cách thì phần lớn năng lượng sóng âm sẽ truyền được qua phía bên kia

Hình 3.5: Sự phản xạ phụ thuộc vào chênh lệch trở kháng âm của hai môi trường

Khi gặp các cấu trúc nhỏ hoặc với bề mặt không đồng đều, tia siêu âm sẽ bị tán xạ đi khắp các hướng và chỉ một phần nhỏ theo đúng tính toán Việc ghi nhận các tia tán xạ rất khó khăn nhưng chúng có một lợi thế là không phụ thuộc vào góc tới của tia sóng

3.4.2.3 Sự hấp thụ và độ suy giảm năng lượng của tia siêu âm

Trở kháng khác nhau ít Trở kháng khác nhau nhiều

Khi sóng âm truyền trong vật thì biên độ và năng lượng của tia sóng bị suy giảm theo khoảng cách, sự suy giảm tuân theo hàm:

• I x – cường độ tia siêu âm tại vị trí x

• à - hệ số suy giảm õm của mụi trường

• f – tần số của sóng âm

• x – vị trí sóng truyền tới

Từ công thức tính trên ta thấy sự suy giảm phụ thuộc rất nhiều vào tần số, gần như tỉ lệ thuận Sự phụ thuộc này là hạn chế của siêu âm cao tần vì tần số cao thì độ suy giảm cao do đó năng lượng càng giảm

Nguyên nhận gây ra sự suy giảm của tia sóng âm là:

• Sự phản xạ và tán xạ trên tổ chức

Sự hấp thu của môi trường do một phần năng lượng của tia siêu âm bị chuyển thành năng lượng của các dao động nhiệt

3.4.2.4 Biểu đồ chùm tia phản xạ

Như đã được nhắc tới trong các phần trước, luận văn này tập trung nghiên cứu cách thức ứng dụng sự phản xạ của gương lõm vào việc gia tăng chất lượng và độ bao phủ cho mối hàn vảy thiếc

Công nghệ siêu âm về bản chất là dao động cơ cao tần, chịu ảnh hưởng của các quy luật vật lý cơ bản như đã trình bày trong phần trước Ta xem môi trường thiếc lỏng tương tự như môi trường nước, tia tới là chùm tia song song phát ra từ đầu rung siêu âm, áp dụng các quy tắc phản xạ gương lõm hoàn toàn có thể tính toán được sơ đồ tia sóng siêu âm phản xạ Để có thể vẽ được sơ đồ tia này, ta sẽ vận dụng hai quy tắc phản xạ của gương lõm:

• Bất kỳ tia tới nào đi song song với trục chính trên đường tới gương sẽ đi qua tiêu điểm khi phản xạ

• Bất kỳ tia tới nào đi qua tiêu điểm trên đường tới gương sẽ truyền song song với trục chính khi phản xạ

Hình 3.6: Mô phỏng sơ đồ tia phản xạ trong môi trường Crocodile Physics 605

Sử dụng các công cụ mô phỏng vật lý đơn giản, ta xác định được tiêu điểm hội tụ

F của chùm tia phản xạ, từ đó tính toán vị trí lắp đặt tấm phản xạ cong trong thực tế

Kết quả ta thu được là vị trí điểm hội tụ F sẽ nằm trên trục chính, cách bề mặt gương lõm một đoạn có giá trị bằng một nửa bán kính gương Từ kết quả này, ta thiết lập mô hình mô phỏng hệ siêu âm trên máy tính, đảm bảo khi chế tạo có thể đáp ứng các điều kiện lắp ráp, hạn chế các trường hợp tấm phản xạ có điểm hội tụ cách quá xa hoặc quá gần, gây khó khăn trong việc sử dụng và thí nghiệm.

Qui hoạch thực nghiệm

Ngày nay, quy hoạch thực nghiệm được sử dụng tương đối rộng rãi trong các ngành kinh tế và dịch vụ Quy hoạch thực nghiệm đóng vai trò quan trọng trong khoa học, công nghệ và kỹ thuật… để thiết kế và phát triển sản phẩm, quy trình mới, nâng cao chất lượng sản phẩm hiện có, quản lý quá trình

Trong môi trường sản xuất, các thí nghiệm thường được lên kế hoạch và thực hiện để thăm dò, ước tính hoặc xác nhận Thăm dò có nghĩa là hiểu dữ liệu quy trình Ước tính là xác định cách các thông số quá trình ảnh hưởng đến đặc tính của hiệu suất đầu ra Xác nhận đề cập đến việc xác minh kết quả dự đoán của các thử nghiệm

Quy hoạch thực nghiệm là một quá trình hoàn chỉnh bao gồm lập kế hoạch, thiết kế và phân tích thử nghiệm để đạt được các kết luận hợp lý và khách quan một cách hiệu quả Bằng cách tích hợp các phương pháp thống kê đơn giản và mạnh mẽ, chúng ta có thể rút ra các kết luận thống kê đúng đắn từ thử nghiệm Sự thành công của bất kỳ thử nghiệm công nghiệp nào được thiết kế phụ thuộc vào việc lập kế hoạch hợp lý, lựa chọn thiết kế phù hợp, phân tích thống kê dữ liệu và kỹ năng làm việc nhóm

Khi thực hiện một thử nghiệm đã thiết kế, các thông số đầu vào hoặc các biến (các yếu tố) sẽ được thay đổi một cách có chủ ý để có thể quan sát những thay đổi tương ứng trong đầu ra của quá trình Kết quả đầu ra đạt được từ các thí nghiệm được lập kế hoạch, tiến hành và phân tích phù hợp được sử dụng để cải thiện hiệu suất của sản phẩm, giảm tỷ lệ phế phẩm hoặc tỷ lệ làm lại, giảm thời gian chu kỳ phát triển sản phẩm và giảm sự biến động quá mức trong quy trình sản xuất,…

Hình 3.7: Mô hình nghiên cứu quá trình

Trong thực tế, một số biến số hoặc yếu tố của quá trình có thể thao tác khá dễ dàng trong khi những biến số hoặc yếu tố khác có thể khó hoặc thậm chí tốn kém để kiểm soát trong quá trình sản xuất bình thường hoặc điều kiện tiêu chuẩn Hình 3.7 minh họa mô hình chung của một quá trình hàn vảy thiếc, với đầu ra là các đặc tính hiệu suất đề cập đến hiệu suất của quá trình /sản phẩm Các biến có thể kiểm soát là các yếu tố có thể thay đổi dễ dàng trong quá trình thử nghiệm và những yếu tố đó có thể ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính của quá trình Các biến không thể kiểm soát là các yếu tố khó kiểm soát trong quá trình thử nghiệm Những biến số này là lý do chính dẫn đến sự không nhất quán của hiệu suất sản phẩm Bằng cách xác định tối ưu của đầu ra, sau đó có thể giảm thiểu tác động của nhiễu [10]

Trong hình trên, các đặc tính của mẫu bị ảnh hưởng bởi các thông số (hoặc yếu tố) có thể kiểm soát và không kiểm soát được

Nhân tố có thể kiểm soát:

Quá trình hàn vảy thiếc siêu âm Các nhân tố có thể kiểm soát

Các nhân tố không thể/ khó kiểm soát

Vật liệu hàn Mẫu đã hàn

Thời gian Biên độ Bán kính cong

Nhiệt độ và độ ẩm môi trường Vị trí gá Tần số siêu âm

-Thời gian phát siêu âm

-Bán kính cong của tấm phản xạ

Nhân tố khó hoặc không thể kiểm soát:

-Nhiệt độ và độ ẩm môi trường

Khi sử dụng công nghệ hàn vảy thiếc siêu âm, các yếu tố có thể kiểm soát được sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính của mẫu, trong khi yếu tố không kiểm soát được là nguyên nhân dẫn đến sự biến động của kết quả thí nghiệm Khi phân tích và thực hiện thành công tập hợp các tham số được tối ưu hóa, có thể giảm thiểu sự không nhất quán của các kết quả được thử nghiệm do các yếu tố không kiểm soát được

3.5.2.1 Thí nghiệm sàng lọc (Screening Experiment)

- Xác định đâu là các yếu tố ảnh hưởng chính đến đối tượng hay quá trình cần khảo sát;

- Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố;

- Đánh giá mức độ ảnh hưởng tương tác giữa các yếu tố

Thí nghiệm sàng lọc thường khai thác các dạng thiết kế thí nghiệm toàn phần 2 mức khi số yếu tố thí nghiệm không lớn; hoặc thiết kế thí nghiệm riêng phần hay thiết kế thí nghiệm P-B

3.5.2.2 Thí nghiệm so sánh (Comparative Expriment)

Thường được thực hiện để so sánh và đánh giá sai khác giữa hai nhóm đối tượng mẫu hay hai quá trình nhằm trả lời câu hỏi: Có hay không sự sai khác giữa các nhóm đối tượng hay quá trình? Câu hỏi này thường đặt ra khi kiểm chứng một sản phẩm hay một quá trình mới Chẳng hạn, một sản phẩm mới có thông số đặc trưng đo được trên các mẫu phân bố trong khoảng 200 đến 300 Sản phẩm cũ có thông số này phân bố trong khoảng

180 đến 310 Ta cần trả lời câu hỏi: liệu thông số đặc trưng của hai loại sản phẩm có thực sự khác nhau đáng kể? Liệu sản phẩm mới có tốt hơn sản phẩm cũ?

3.5.2.3 Thí nghiệm tối ưu hóa

Thí nghiệm tối ưu hóa nhằm tìm kiếm tập xác lập các yếu tố đầu vào sao cho đạt được giá trị tối ưu của đầu ra Thí nghiệm tối ưu hóa thường sử dụng dạng thiết kế thí nghiệm “bề mặt chỉ tiêu - Response Surface” Trong trường hợp hàm mục tiêu không có cực trị trong phạm vi khảo sát, thí nghiệm cho phép ta tạo các xác lập để đạt được giá trị xác định của hàm mục tiêu

3.5.3 Các dạng thiết kế thí nghiệm

Có 4 dạng thiết kế thí nghiệm cơ bản là: Thí nghiệm một yếu tố; Thí nghiệm đa yếu tố; Thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu và Thí nghiệm Taguchi

3.5.3.1 Thí nghiệm một yếu tố Ở dạng thí nghiệm này, ta chỉ khảo sát để đánh giá ảnh hưởng của một yếu tố đến hàm mục tiêu như thế nào Yếu tố được xem xét có thể là ở dạng định tính hay định lượng

Yếu tố định tính là yếu tố mà các cấp độ giá trị của nó không đo đếm được Ví dụ, có hay không tưới dung dịch trơn nguội; ảnh hưởng của các loại đá mài khác nhau, loại vật liệu chi tiết… Thí nghiệm với yếu tố định tính chỉ cho phép đánh giá ảnh hưởng của yếu tố trong phạm vi được khảo sát đến hàm mục tiêu chứ không thể dự đoán được kết quả ở các cấp độ khác

Các yếu tố định lượng là các yếu tố mà đặc tính thay đổi của nó có thể đo đếm được, chẳng hạn nhiệt độ, tốc độ cắt, lượng chạy dao, điện áp, điện trở… Thí nghiệm với các yếu tố định lượng không những cho phép đánh giá ảnh hưởng của yếu tố đó đến hàm mục tiêu mà còn có thể dự đoán ứng xử của chi tiết, hệ thống, quá trình ở ngoài vùng đã khảo sát

3.5.3.2 Thí nghiệm đa yếu tố

Trong thí nghiệm đa yếu tố, nhiều yếu tố có thể được đánh giá một cách đồng thời Mục tiêu của các thí nghiệm dạng này là để xác định các yếu tố có ảnh hưởng mạnh nhất, đồng thời chỉ ra ảnh hưởng tương tác đồng thời của chúng đến hàm mục tiêu Việc dự đoán giá trị hàm mục tiêu hay ứng xử của hệ thống ở bên ngoài phạm vi giá trị các yếu tố được khảo sát cần được cân nhắc rất cẩn thận

Các dạng thí nghiệm đa yếu tố thông dụng bao gồm: a Thí nghiệm đa yếu tố tổng quát

Trong thí nghiệm đa yếu tố tổng quát (General Full Factorial Design), mối yếu tố có thể nhận nhiều mức giá trị khác nhau Thêm nữa, các yếu tố có thể bao gồm cả loại định tính lẫn định lượng b Thí nghiệm hai mức đầy đủ

QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY HÀN VẢY THIẾC

Thiết kế hệ cơ khí siêu âm

Hệ cơ siêu âm (thanh rung siêu âm) là bộ chuyển đổi tín hiệu điện thành dao động cơ và truyền nó tới chi tiết cần hàn, chúng cần được thiết kế phù hợp với tần số sử dụng của nguồn điện và các yêu cầu khác về kích thước chi tiết

Thiết kế hệ cơ được thử nghiệm có đầu rung siêu âm làm từ thép crom Hệ cơ được mô phỏng hoàn chỉnh và được gia công sử dụng trong tất cả các thí nghiệm thuộc khuôn khổ đề tài này

Hình 4.1: Thiết kế hệ thanh rung siêu âm

Trong đó: Bulong M14 (1), Khối nhôm 01 transducer (2), Đĩa thạch anh (3), Cực đồng dẫn điện (4), Khối nhụm 02 transducer (5), Bulong ẵ-20 (6), Booster (7), Bulong ẵ-20 (8), Khuụn hàn (9)

Hình 4.2: Kết quả mô phỏng trên Abaqus/Standard 6.14-1

Hệ siêu âm được thiết kế trên phần mềm Solidworks 2016 và mô phỏng tính toán trên phần mềm Abaqus/Standard 6.14-1

Khuôn hàn được tối ưu với tần số 19.9kHz, hoạt động được ở nhiệt độ cao.

Thiết kế tấm phản xạ

Như đã nhắc đến ở các phần trước, luận văn này tập trung vào việc xem xét ảnh hưởng của các tấm phản xạ đến chất lượng của mối hàn vảy, do đó, việc thiết kế và chế tạo các tấm phản xạ cong được đặt lên hàng đầu

Các yêu cầu của tấm phản xạ cong khi thiết kế bao gồm:

• Có bề rộng mặt cong đủ lớn (lớn hơn mẫu và nhỏ hơn hoặc bằng đường kính đầu rung siêu âm)

• Có điểm hội tụ nằm trong vị trí có thể gá lắp được, không bị vướng bởi phần hệ siêu âm

• Vị trí tấm phản xạ không lớn hơn 20mm, từ kết quả ở các thí nghiệm trước đó khi sử dụng với tấm phản xạ phẳng

Ta rút ra được biểu thức về bán kính cong thông qua phương pháp mô hình hoá:

Nếu điểm hội tụ f < 6mm, khi gá lắp ta sẽ bị vướng phần hệ siêu âm, không thể đặt mẫu vào đúng vị trí hội tụ Nếu bán kính cong R > 40mm vị trí điểm hội tụ sẽ nằm ngoài bể hàn

Dựa trên các điều kiện tính được, ta chọn các bán kính cong R={15,20,25,30,35} (mm) tương ứng với các đường kính d={30,40,50,60,70} (mm) và tiêu điểm hội tụ f={7,5;10;12,5;15;17,5} (mm) là các thông số thoả những yêu cầu đặt ra.

Thiết kế cơ cấu thí nghiệm

Hình 4.3: Thiết kế 3D cơ cấu thí nghiệm

Trong đó: khuôn hàn (1), vật hàn (2), tấm phản xạ cong (3), bể hàn (4), bàn nâng (5)

Bể thiếc được gia nhiệt, thiết kế dạng hình thang, có tác dụng tiết kiệm lượng thiếc sử dụng và tăng sự phản xạ theo các hướng của siêu âm

Các chi tiết được gia công bằng phương pháp CNC, sau khi gia sẽ được phủ một lớp mạ Niken nhằm bảo vệ chống han gỉ và tăng tính thẩm mỹ

Hình 4.4: Các tấm phản xạ sau khi gia công

Hình 4.5: Cấu tạo của bể hàn siêu âm

1 - Thanh rung siêu âm, 2 - mặt bích, 3 – bể hàn, 4 – Vít, 5- Bộ phận điều chỉnh độ cao, 6 – Thanh gá siêu âm, 7 – Quạt tản nhiệt, 8 – Mẫu hàn, 9 – Đồ gá mẫu, 10 – Tấm phản xạ, 11 – Kẹp cố dịnh bể hàn, 12- Đế

TIẾN TRÌNH THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ĐO ĐẠT

Trang thiết bị thí nghiệm

Hình 5.1: Hệ thống thí nghiệm hàn vảy thiếc kết hợp siêu âm

5.1.2 Bộ điều khiển nhiệt độ

Bộ điều khiển nhiệt độ là thiết bị dùng để điều khiển nhiệt độ bể hàn Với bộ điều khiển này, không chỉ giúp đo lường mà còn kiểm soát hoàn toàn nhiệt độ của bể hàn thiếc Cấu tạo của bộ điều khiển nhiệt độ bao gồm các thành phần sau:

Cảm biến: là một dạng cặp nhiệt điện K, đo lường các giá trị nhiệt độ

Bộ điều khiển: sau khi nhận được tín hiệu từ cảm biến, bộ điều điều khiển sẽ đốt nóng trở nhiệt, cung cấp nhiệt cho bể thiếc

Hình 5.2: Bộ siêu âm của máy hàn vảy Thông số kỹ thuật:

- Công suất lớn nhất: 2000W Đặc điểm của bộ siêu âm:

- Có thể điều chỉnh biên độ tự động từ 0% – 100%, khuyên dùng 10%– 90%

- Tự động dò tần số: 20 kHz ± 0.5kHz

- Ghi nhớ chương trình hàn vào bộ nhớ

5.1.4 Máy thử nghiệm độ bền kéo

Hình 5.3: Máy kiểm tra lực kéo

Máy kiểm tra sức bền vật liệu vạn năng Instron Model 3369, kiểu để bàn,

- Lực tải tối đa 50 kN

- Khoảng tốc độ của đầu trượt: 0,005 đến 500 mm/phút

- Độ chính xác của tốc độ đầu trượt: 0,2% tốc độ thử

- Tốc độ quay trả lại của đầu trượt: 500 mm/phút gắn liền với bộ điều khiển chính xác vị trí dừng

- Cấp chính xác của cảm biến lực 0,5% giá trị đo

- Khoảng cách giữa hai cột: 420 mm

- Kích thước thiết bị: cao 1.582 mm, rộng 756 mm, sâu 707 mm

- Công suất tiêu thụ điện: 700 VA

Hình 5.4: Phương án gá đặt mẫu kéo

1 – Đầu kẹp di động; 2 – Mẫu thử nghiệm; 3 – Đầu kẹp cố định

Mẫu thí nghiệm

5.2.1 Mẫu 1: Mẫu kiểm tra chất lượng bề mặt mối hàn

Ta sử dụng thanh đồng thanh đồng (Cu) kích thước 2mm×8mm×15mm Do mẫu đồng để ngoài không khí nên bề mặt sẽ bị oxi hóa, vì vậy ta dùng giấy nhám mịn P800 hoặc P1000 mài lớp oxi hóa trên bề mặt mẫu đồng để mối hàn có độ bám dính tốt nhất, để có thể đánh giá sơ bộ tác dụng của tấm phản xạ

Hình 5.5: Mẫu thanh đồng 2x8mm

5.2.2 Mẫu 2: Mẫu kiểm tra độ chắc chắn của mối hàn (thử kéo)

Ta sử dụng mẫu dõy điện bằng đồng (Cu) kớch thước ỉ1mm, tiếp theo ta cắt chiều dài khoảng 200mm để vừa với bể hàn và chiều dài khi kiểm tra thử kéo Để đảm bảo độ chính xác khi kiểm tra lực kéo vào thông điện, ta hàn tất cả các mẫu với chiều dài hàn là 5mm

Hỡnh 5.6: Sơ đồ chuẩn bị mẫu dõy đồng ỉ1mm

Hình 5.7: Mẫu chuẩn bị trước khi hàn Để kẹp chặt mẫu trước khi hàn và đảm bảo độ chính xác chiều dài hàn, ta sử dụng lá nhôm kẹp chặt tại 2 đầu mối hàn vì tấm nhôm khi nhúng trong bể hàn sẽ ít bị thiếc hàn bám dính, vì vậy có thể dễ dàng điều chỉnh chiều dài hàn là 5mm.

Xây dựng thí nghiệm

5.3.1 Gá kẹp mẫu thí nghiệm

Hình 5.8: Sơ đồ gá kẹp mẫu khi hàn

Mẫu được gá trên máy hàn vảy hỗ trợ bằng siêu âm được minh họa trong hình trên Khi nhiệt độ đạt đến ngưỡng thiếc nóng chảy, ta điều chỉnh bộ phận thay đổi độ cao để khuôn hàn, tấm phản xạ và mẫu hàn đều ngập trong bể hàn Mẫu được đặt vào đồ gá mẫu để cố định vị trí chính xác khoảng cách giữa mẫu hàn với đầu thanh rung siêu âm và tấm phản xạ Khuôn hàn truyền dao động siêu âm theo hướng vuông góc với các bề mặt nối Sau đó bật nguồn phát siêu âm và bắt đầu thiết lập các thông số cần kiểm tra như biên độ dao động và thời gian hàn khác nhau

• Khi bắt đầu thí nghiệm, bộ gia nhiệt sẽ được khởi động trước 30’ Sau khi bể hàn được nung nóng và thiếc bắt đầu chảy lỏng, nguồn điện mới được mở lên Điều này hạn chế khả năng gây hư hỏng đầu rung siêu âm do đầu rung được ngâm sâu trong bể hàn

• Trước khi bắt đầu quy trình hàn, vị trí của mẫu thử và tấm phản xạ được tinh chỉnh theo đúng thiết kế Dao động siêu âm của đầu rung chỉ được phát khi chuẩn bị hoàn tất, dao động sẽ tự tắt sau một khoảng thời gian nhất định, có thể cài đặt trên bộ điều khiển điện

• Sau khi dao động siêu âm dừng, bàn nâng thí nghiệm được hạ xuống, mẫu thử sẽ được lấy ra bằng kẹp

• Thời gian phát siêu âm (thời gian hàn) từ 0,5s đến 40s

• Nhiệt độ bể hàn từ 260℃ đến 360℃

• Biên độ dao động của sóng siêu âm từ 10% đến 90%

Nhiệt độ bể thiếc được chọn để khảo sát là T = 300 o C ± 10, thực nghiệm thấy rằng ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ khảo sát, xỉ hàn dễ sinh ra, tạo thành yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hàn, ở nhiệt độ thấp hơn, độ nóng sẽ bị truyền đi, độ bám chắc vết hàn rất kém

5.3.2 Các chế độ và quy trình thí nghiệm

Thí nghiệm 1: So sánh sự ảnh hưởng của biên độ dao động sóng siêu âm đến chất lượng bề mặt mối hàn

Cài đặt nhiệt độ bể hàn cố định T = 300 o C

Thiết lập thời gian tác động của siêu âm t = 4s

Sử dụng tấm phản xạ với kích thước R15

Sử dụng thanh đồng kích thước 2x8mm đem hàn 1 đầu với biên độ dao động của siêu âm lần lượt là 10%, 30%, 50%, 70% và 90%

Với mẫu 1 (mẫu thanh đồng 2x8mm), ta đem mẫu đi chụp bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để so sánh ảnh hưởng của siêu âm cũng như mặt trước và mặt sau của mẫu hàn (mặt trước là mặt chịu sự ảnh hưởng trực tiếp của thanh rung siêu âm, mặt sau là mặt hướng vào tấm phản xạ)

Với mẫu 2 (mẫu dõy điện ỉ1mm), ta đem mẫu thử nghiệm độ bền kộo để kiểm tra độ chắc chắn của mối hàn

Thí nghiệm 2: So sánh sự ảnh hưởng của thời gian tác dụng của sóng siêu âm đến chất lượng bề mặt mối hàn

Cài đặt nhiệt độ bể hàn cố định T = 300 o C

Thiết lập biên độ dao động của siêu âm Ra P%

Sử dụng tấm phản xạ với kích thước R15

Sử dụng thanh đồng kích thước 2x8mm đem hàn 1 đầu với thời gian tác động của dao động siêu âm

Với mẫu 1 (mẫu thanh đồng 2x8mm), ta đem mẫu đi chụp bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để so sánh ảnh hưởng của siêu âm cũng như mặt trước và mặt sau của mẫu hàn (mặt trước là mặt chịu sự ảnh hưởng trực tiếp của thanh rung siêu âm, mặt sau là mặt hướng vào tấm phản xạ)

Với mẫu 2 (mẫu dõy điện ỉ1mm), ta đem mẫu thử nghiệm độ bền kộo để kiểm tra độ chắc chắn của mối hàn

Sau khi thực hiện 2 thí nghiệm, sẽ giới hạn thông số ảnh hưởng để đi đến thí nghiệm hàng loạt

Thí nghiệm 3: Sau khi đã có kết quả thí nghiệm khảo sát 1, 2 và đưa ra kết luận sơ bộ, dựa vào đồ thị đáp ứng và mục tiêu thí nghiệm, tác giả thực hiện quy hoạch thực nghiệm bậc 2 quay đều:

Số TN phải thực hiện: 100

Bảng 5.1: Bảng thông số thí nghiệm:

Bán kính tấm phản xạ (mm) 15 20 25 30 35

Bảng 5.2: Bảng ma trận quy hoạch thực nghiệm:

Các thí nghiệm được thực hiện ngẫu nhiên theo cột NTN.

Kết quả thí nghiệm 1 và 2

5.4.1 Mẫu 1: Mẫu thanh đồng 2 × 8mm

5.4.1.1 Thí nghiệm 1: Thay đổi biên độ dao động của siêu âm

Hình 5.9: Kết quả thí nghiệm 1 (mặt trước)

Hình 5.10: Kết quả thí nghiệm 1 (mặt sau)

Hình 5.11: Ảnh SEM mặt trước (độ phóng đại 100 lần)

Hình 5.13: Ảnh SEM mặt sau (độ phóng đại 100 lần)

Nhận xét: Chất lượng bề mặt hàn phụ thuộc vào biên độ dao động của siêu âm

Các mẫu có biên độ dao động siêu âm khác nhau có chất lượng bề mặt khác nhau Khi tăng biên độ dao động của sóng siêu âm, mẫu hàn có chất lượng bề mặt càng thấp do có lớp xỉ bám trên bề mặt mẫu

5.4.1.2 Thí nghiệm 2: Thay đổi thời gian hàn

Hình 5.15: Kết quả thí nghiệm 2 (mặt trước)

Hình 5.16: Kết quả thí nghiệm 2 (mặt sau)

Nhận xét: Với mẫu thanh đồng vẫn có sự ảnh hưởng của thời gian hàn đến chất lượng mối hàn Tuy sự ảnh hưởng không lớn nhưng bề mặt hàn vẫn có sự thay đổi khi thay đổi thời gian hàn khác nhau

5.4.2 Mẫu 2: Mẫu dõy điện ỉ1mm

5.4.2.1 Thí nghiệm 1: Thay đổi biên độ dao động của siêu âm

➢ Mẫu không sử dụng dao động siêu âm

Hình 5.23: Mẫu 0% trước và sau khi kéo

Hình 5.24: Biểu đồ lực – chiều dài mẫu 0%

➢ Mẫu sử có dụng biên độ dao động siêu âm

Hình 5.35: Biểu đồ lực – độ dãn dài mẫu thí nghiệm thay đổi biên độ

Bảng 5.3: Kết quả thử nghiệm kéo mẫu thay đổi biên độ dao động siêu âm

Hình 5.36: Biểu đồ độ bền kéo của mẫu sau 3 lượt kéo

Hình 5.37: Biểu đồ độ dãn dài phá hủy của mẫu sau 3 lượt kéo

Hình 5.38: Độ bền kéo của mối hàn theo biên độ dao động của siêu âm

Hình trên cho thấy độ bền kéo của các mối nối hàn Cu/Cu được xử lý bằng siêu âm có biên độ dao động khác nhau Nhìn chung, các mẫu được xử lý bằng sóng siêu âm có độ bền kéo cao hơn mẫu đối chứng (mẫu 0%), có độ bền kéo trung bình thấp nhất là 124.6 ± 25.7 N Trong số các mẫu được xử lý bằng sóng siêu âm, độ bền keo cao nhất là 174.9 ± 7.7 N đạt được ở biên độ 30% Điều này tương đương với việc tăng 40.36% độ bền kéo so với mẫu đối chứng Tuy nhiên, sức chống kéo giảm xuống còn 158.3 ± 8.1 N sau khi xử lý bằng biên độ 70% của sóng siêu âm, tương đương với việc giảm 9,49% độ bền kéo so với mẫu được xử lý bằng siêu âm ở biên độ 30% nhưng tăng 27,04% so với mẫu đối chứng

5.4.2.2 Thí nghiệm 2: Thay đổi thời gian tác dụng của sóng siêu âm

Hình 5.39: Mẫu 2 giây trước và sau khi kéo

Hình 5.40: Biểu đồ lực – chiều dài mẫu 2 giây

Hình 5.47: Biêu đồ lực – độ dãn dài mẫu thí nghiệm thay đổi thời gian

Bảng 5.4: Kết quả thử nghiệm kéo mẫu thay đổi thời gian tác dụng của siêu âm

Hình 5.48: Biểu đồ độ bền kéo của mẫu sau 3 lượt kéo

Hình 5.49: Biểu đồ độ dãn dài phá hủy của mẫu sau 3 lượt kéo

Hình 5.50: Độ bền kéo của mối hàn theo thời gian tác dụng của siêu âm

Hình trên cho thấy độ bền kéo của các mối nối hàn Cu/Cu được xử lý bằng siêu âm có thời gian tác dụng của sóng siêu âm khác nhau Nhìn chung, các mẫu được xử lý bằng sóng siêu âm có độ bền kéo cao hơn mẫu đối chứng (mẫu 0%) có độ bền kéo trung bình thấp nhất là 124.6 ± 25.7 N Trong số các mẫu được xử lý bằng sóng siêu âm, các mẫu được xử lý trong phạm vi 2 – 8 giây của siêu âm có giá trị tương đương về độ bền kéo và độ bền kéo cao nhất là 184.6 ± 12.3 N đạt được ở thời gian hàn 6 giây Điều này tương đương với việc tăng 48.15% độ bền kéo so với mẫu đối chứng Tuy nhiên, sức chống kéo giảm xuống còn 167.1 ± 9.7 N sau khi xử lý bằng thời gian tác dụng 2 giây của sóng siêu âm, tương đương với việc giảm 9,47% độ bền kéo so với mẫu được xử lý bằng siêu âm ở thời gia 6s nhưng tăng 34.1% so với mẫu đối chứng

Hình 5.51: Biểu đồ so sánh độ bền kéo của mối hàn theo biên độ dao động và thời gian tác dụng của siêu âm

Xét về biên độ siêu âm, đồ thị của đáp ứng lực kéo đạt ngưỡng cực đại tại lân cận 30%, trước điểm này, lực kéo có xu hướng giảm dần, tại 0% cho khoảng biến thiên lớn, ở mức hơn 70% giá trị lực kéo có xu hướng tăng lên Về thời gian hàn, đồ thị của đáp ứng lực kéo đạt ngưỡng cực đại tại lân cận 6s, khoảng giá trị 8s giá trị lực kéo có xu hướng giảm nhưng khoảng biến thiên lớn Nên khoảng giá trị biên độ được chọn để khảo sát là từ 10% đến 50%, khoảng giá trị thời gian được chọn là từ 3 đến 7 giây.

Kết quả thí nghiệm 3

Các thí nghiệm được thực hiện theo thứ tự ngẫu nhiên, các kết quả trình bày bên dưới đã sắp sếp lại thứ tự theo ma trận quy hoạch

Hình 5.52: Mẫu NTN09: a) Trước khi hàn; b) Sau khi hàn; c) Mẫu chuẩn bị kéo

Hình 5.53: Đồ thị lực kéo NTN09

Bảng 5.5: Giá trị lực kéo NTN09 a) b) c)

Hình 5.57: Đồ thị lực kéo NTN04-a

Bảng 5.7: Giá trị lực kéo NTN04-a a) b) c)

Hình 5.58: Đồ thị lực kéo NTN04-b

Bảng 5.8: Giá trị lực kéo NTN04-b

Hình 5.59: Mẫu NTN06: a) Trước khi hàn; b) Sau khi hàn; c) Mẫu chuẩn bị kéo a) b) c)

Bảng 5.9: Giá trị lực kéo NTN06

Hình 5.61: Mẫu NTN11: a) Sau khi hàn; b) Mẫu chuẩn bị kéo a) b)

Hình 5.78: Đồ thị lực kéo NTN17-a

Bảng 5.18: Giá trị lực kéo NTN17-a

Hình 5.79: Đồ thị lực kéo NTN17-b

Bảng 5.19: Giá trị lực kéo NTN17-b

Bảng 5.27: Bảng ma trận quy hoạch

Tiến hành loại các giá trị sai số thô (công thức 2.13-page 24) [10] Ở mỗi thực nghiệm ta tiến hành tính toán (N = 20) với giá trị nghi ngờ:

Theo bảng phân bố Student, ta chọn tb = 3,18

Với sự hỗ trợ của Microsoft Excel, ta lần lượt tính:

- Giá trị trung bình của các giá trị còn lại 𝑥̅ = average(xi)

- Độ lệch chuẩn của các giá trị còn lại s = stdev(xi)

Nếu ttt > tb thì loại bỏ giá trị nghi ngờ

Ví dụ cụ thể trường TH N=4:

4 216,81 195,7 197,39 199,58 203,39 B1 Sắp xếp các giá trị từ lớn đến bé: 216,81; 203,39; 199,58; 197,39; 195,7

Giá trị nghi ngờ sẽ là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất, nếu một trong 2 giá trị bị loại sẽ xét đến giá trị kế cận

B2 Chọn giá trị nghi ngờ: 216,81

Tính trung bình 4 giá trị còn lại (lệnh average):

4 = 199,02 Độ lệch chuẩn (lệnh stdev):

3,32 = 5,36 B3 Nhận thấy ttt > tb => loại giá trị 216,81

Do giá trị 216,81 bị loại, nên sẽ xét tiếp tục với hệ số kế cận là 195,7

Nhận thấy ttt < tb => không loại giá trị nghi ngờ

Tiếp theo ta thực hiện với giá trị nhỏ nhất là 195,7

Nhận thấy ttt < tb => không loại giá trị nghi ngờ

Lần lượt thực hiện 20 thí nghiệm, ta được kết quả đã bỏ giá trị sai số thô:

Bảng 5.28: Bảng ma trận quy hoạch đã loại bỏ sai số thô

Tìm phương trình hồi quy bằng Minitab

Thực hiện tính toán trên phần mềm Minitab 20.2, ta thu được các kết quả:

Term Coef SE Coef T-Value P-Value VIF

Source DF Adj SS Adj

Hình 5.94: Đồ thị chuẩn hóa các ảnh hưởng (Pareto Chart)

Phương trình hồi quy không mã hóa có dạng: y = -91 + 3,38 A + 82,5 B + 1,73 C - 0,0428 AA - 7,77 BB - 0,1026 CC - 0,247 AB + 0,0367 AC + 0,350 BC

Trên đồ thị Hình 5.94, Minitab sử dụng giá trị mức ý nghĩa α để vẽ đường giới hạn (có hoành độ 1,989 trên đồ thị) Các giá trị ảnh hưởng được biểu diễn dưới dạng các thanh nằm ngang Các yếu tố ứng với thanh biểu diễn vượt quá bên phải đường giới hạn là các giá trị có ảnh hưởng đáng kể, đó là biên độ (A), thời gian (B), bình phương biên độ (AA) và bình phương thời gian (BB) Những yếu tố có biểu diễn nằm về bên trái đường giới hạn là những yếu tố có ảnh hưởng yếu, trong đó bán kính (C) và bình phương bán kính (CC) có ảnh hưởng yếu, các yếu tố tưởng tác (AB, AC, BC) có ảnh hưởng không đáng kể

Hình 5.95: Residual Plots cho Lực kéo Đồ thị Hình 5.95 cho thấy các đồ thị thống kê về số dư (sai khác) của dữ liệu thí nghiệm so với giá trị hồi quy dự đoán

P er ce n t F re q u en cy R es id u al R es id u al

Hình 5.96: Contour Plot của Lực kéo: a)Thời gian và Biên độ; b) Bán kính và Biên độ; c) Bán kính và Thời gian; d) Bề mặt đáp ứng Lực kéo và Thời gian;

Trên đồ thị Hình 5.96, ta thấy khoảng giá trị lựa chọn thông số khảo sát và giá trị lực kéo trong vùng khảo sát là tương đối, vùng giá trị lực kéo >200N nằm trong khoảng khảo sát

Tiến hành loại bỏ các hệ số ảnh hưởng yếu và không đáng kể (có hệ số p-value > 0,05 – bảng 5.29) là C, CC, AB, AC, BC, tạ chạy lại phương trình hồi quy:

Bảng 5.31: Coded Coefficients sau khi loại bỏ hệ số ảnh hưởng

Term Coef SE Coef T-Value P-Value VIF

Bảng 5.32: Model Summary sau khi loại bỏ hệ số ảnh hưởng

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

Ta nhận thấy ở bảng 5.31 các hệ số AA, A, B, AB có giá trị xác suất p rất nhỏ so với mức ý nghĩa α Vì vậy các hệ số của mô hình này có ý nghĩa thống kê Các giá trị hệ số R-sq và R-sq(adj) trong bảng 5.32 lần lượt bằng 27,49% và 24,15% chứng tỏ mô hình hồi quy có mức độ chính xác tương đối thấp so với các giá trị thí nghiệm, do sai số lực kéo lớn Tuy nhiên để đánh giá mức độ phù hợp của dạng mô hình với dữ liệu, ta cần xem xét thêm phép kiểm định có tên là “kiểm định mức độ không phù hợp của mô hình” (Lack-of-fit test)

Bảng 5.33: Analysis of Variance sau khi loại bỏ hệ số ảnh hưởng

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

Hình 5.97: Đồ thị chuẩn hóa các ảnh hưởng sau khi loại bỏ hệ số ảnh hưởng Ở mục kiểm định mức độ không phù hợp của mô hình hồi quy (Lack-of-Fit – bảng

5.33), giá trị p bằng 0,340 có giá trị lớn hơn nhiều so với mức ý nghĩa α Điều này có nghĩa là dạng mô hình là phù hợp để mô tả dữ liệu Xem xét các thành phần riêng rẽ của mô hình hồi quy (Linear, Square), ta thấy các giá trị p của các thành phần này đều rất nhỏ Cho thấy sự có mặt của từng thành phần này đều có ý nghĩa cao trong mô hình hồi quy.

Hình 5.98: Residual Plots cho Lực kéo sau khi loại bỏ hệ số ảnh hưởng

Xét trên hình 5.98, đồ thị Normal Probability Plot so sánh xác suất phân bố các số dư (các điểm) so với phân phối chuẩn (đoạn thẳng nét liền) Đồ thị cho thấy các số dư phân bố rất gần với phân phối chuẩn Một vài điểm lệch xa nhưng nhìn chung không đáng kể Đồ thị Histogram hiển thị tần suất xuất hiện các số dư Đồ thị Versus Fit biểu diễn quan hệ giữa các số dư và giá trị tương ứng của mô hình hồi quy Các điểm phân bố ngẫu nhiên, không theo quy luật nào chứng tỏ dữ liệu y nhập đã được hạn chế ảnh hưởng bởi các yếu tố khác Đồ thị Versus Order biểu diễn quan hệ giữa các số dư và thứ tự các điểm dữ liệu Các điểm phân bố ngẫu nhiên, không theo quy luật nào chứng tỏ dữ liệu y đã nhập không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố thời gian

Phương trình hồi quy không mã hóa sau khi loại bỏ có dạng: y = -65,7 + 2,86 A + 80,7 B - 0,0397 AA- 7,46 BB

Sau đó tiến hành tối ưu hóa phương trình hồi quy, với mục tiêu là lực kéo lớn nhất:

P er ce n t F re q u en cy R es id u al R es id u al

Bảng 5.34: Thông số tối ưu cho lực kéo

Solution Biên độ Thời gian Lực kéo Composite Desirability

Hình 5.99: Đồ thị tối ưu

Kết quả trên Bảng 5.34 và Hình 5.99 cho ta thấy, lời giải tối ưu được tìm thấy cho ra Lực kéo đạt giá trị 204,2919N với biên độ 35,94% và thời gian 5,4 giây, đạt mức độ kỳ vọng là trên 86,199% (desirability = 0,861995)

Nhân tố bán kính cong của tấm phản xạ ảnh hưởng không đáng kể đến chất lượng độ bền kéo của mối hàn dây đồng với chất hàn là thiếc LF-307B Ở nhiệt độ T00 o C, biên độ xấp xỉ 36%, thời gian hàn 5,4 giây, mối hàn đạt lực kéo cao nhất là xấp xỉ 204,3N

Tùy theo yêu cầu cụ thể của nhà sản xuất, có thể yêu cầu năng suất (thời gian hàn) tối ưu với mức độ bền của mối hàn chấp nhận được, ta có thể tính toán được thông số hàn phù hợp.

Tiêu đề	Nghiên cứu các thông số công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn vảy thiếc siêu âm
Tác giả	Trương Đăng Khoa
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Thanh Hải
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật cơ khí
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	113
Dung lượng	5,27 MB