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

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

TRƯƠNG ĐĂNG KHOA

NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN

VẢY THIẾC SIÊU ÂM

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thanh Hải

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS Trần Anh Sơn

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Lê Thanh Danh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 15 tháng 01 năm 2022

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 PGS TS Lưu Thanh Tùng – Chủ tịch 2 TS Bành Quốc Nguyên – Thư ký 3 PGS TS Trần Anh Sơn – Phản biện 01 4 PGS TS Lê Thanh Danh – Phản biện 02

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

Trang 3

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: Trương Đăng Khoa MSHV: 1970229 Ngày, tháng, năm sinh: 27/05/1993 Nơi sinh: Bến Tre

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu các thông số công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn

vảy thiếc siêu âm

Tên tiếng Anh: Investigation of technical parameters affecting to the quality of ultrasonic soldering welding joints

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Thiết kế mô phỏng khuôn hàn vảy thiếc bằng thép hợp kim Crom - Thiết kế chế tạo máy hàn vảy thiếc tấm phản xạ cong

- Thực hiện quy hoạch thực nghiệm các thông số tối ưu cho mối hàn vảy thiếc dây đồng và khảo sát trên đồng dạng tấm

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 22/02/2021

IV: NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/12/2021 V: CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Thanh Hải

Tp HCM, ngày 05 tháng 12 năm 2021

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS Nguyễn Thanh Hải

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS Nguyễn Thanh Hải

TRƯỜNG KHOA CƠ KHÍ

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Thanh Hải, luận văn này sẽ không được hoàn thành nếu không có sự hướng dẫn tận tình của Thầy, Thầy đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện nghiên cứu, thực nghiệm cũng như tháo gỡ các khúc mắc mà tôi gặp phải trong quá trình thực hiện luận văn

Tôi cũng gửi lời cảm ơn đến gia đình và người thân của mình, họ luôn là động lực để tôi phấn đấu trong cuộc sống cũng như trong việc học tập, nghiên cứu

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, đồng nghiệp, học viên cao học đã trải qua khó khăn, vui buồn trong suốt thời gian học cao học

Tôi xin chân thành cảm ơn !

Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 01 năm 2022

TRƯƠNG ĐĂNG KHOA

Trang 5

TÓM TẮT

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 Luận văn này thể hiện thiết kế của máy vảy thiếc hàn siêu âm với tấm phản xạ cong, sử dụng nguồn phát 20 kHz và khuôn hàn siêu âm bằng thép Crom Khuôn hàn siêu âm được mô phỏng bằng Abaqus trước khi gia công Các thông số công nghệ chính của hàn siêu âm như thời gian phát siêu âm, công suất và bán kính cong của tấm phản xạ được khảo sát Vật liệu hàn là thiếc LF-307B được sử dụng để nối các dây và tấm đồng Quy hoạch thực nghiệm được thực hiện, các thông số tối ưu với trường hợp hàn dây đồng được đưa ra Hình ảnh SEM bề mặt thiếc hàn trên tấm đồng được khảo sát

Từ khóa: hàn vảy thiếc siêu âm, hàn dây đồng, độ bền kéo

ABSTRACT

Ultrasonic soldering is an ultrasonic-assisted welding process Ultrasonic tin soldering uses tin as the main bonding bridge when welding This work expresses the design of ultrasonic soldering machine with curved reflector using 20 kHz generator and chromium alloy steel horn Ultrasonic horn is simulated by Abaqus software before machining The major technological parameters of ultrasonic soldering such as ultrasonic exciting time, power and curvature radius of reflecting plate are discussed LF-307B soldering material is utilized for joining copper wires and plates are investigated Experimental planning is done, optimal parameters for copper wire soldering are given SEM images on the surface of tin soldering on copper plates are investigated

Keywords: ultrasonic soldering, copper welding, tensile strength

Trang 6

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ

Các nghiên cứu của tôi được phân tích dựa trên việc tham khảo một số tài liệu, luận văn, bài báo đã thực hiện

Các phân tích, đánh giá và trích xuất dữ liệu là hoàn toàn trung thực, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam

Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật về luận văn của tôi

Tác giả

Trương Đăng Khoa

Trang 7

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 3

2 TỔNG QUAN 3

2.1 Tổng quan nghiên cứu 3

2.1.1 Nghiên cứu trong nước 3

2.1.2 Nghiên cứu trên thế giới 6

2.2 Các vấn đề cần giải quyết trong luận văn 9

2.2.1 Bài toán đặt ra 9

2.2.2 Các yêu tố cần so sánh giữa các thông số công nghệ 9

2.2.3 Mô hình lựa chọn khảo sát 9

3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

3.1 Định nghĩa về sóng siêu âm 9

3.2 Nguyên lý hàn siêu âm 10

3.3 Hàn vảy thiếc siêu âm 11

3.4 Lý thuyết cơ bản về sự phản xạ sóng 12

3.4.1 Âm trở của môi trường 12

3.4.2 Các định luật truyền âm 13

Trang 8

3.5.2.1 Thí nghiệm sàng lọc (Screening Experiment) 18

3.5.2.2 Thí nghiệm so sánh (Comparative Expriment) 18

3.5.2.3 Thí nghiệm tối ưu hóa 18

4 QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY HÀN VẢY THIẾC 25

4.1 Thiết kế hệ cơ khí siêu âm 25

4.2 Thiết kế tấm phản xạ 26

4.3 Thiết kế cơ cấu thí nghiệm 27

5 TIẾN TRÌNH THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ĐO ĐẠT 28

5.1 Trang thiết bị thí nghiệm 28

Trang 9

5.1.2 Bộ điều khiển nhiệt độ 29

5.1.3 Bộ siêu âm 29

5.1.4 Máy thử nghiệm độ bền kéo 30

5.2 Mẫu thí nghiệm 31

5.2.1 Mẫu 1: Mẫu kiểm tra chất lượng bề mặt mối hàn 31

5.2.2 Mẫu 2: Mẫu kiểm tra độ chắc chắn của mối hàn (thử kéo) 31

5.3 Xây dựng thí nghiệm 32

5.3.1 Gá kẹp mẫu thí nghiệm 32

5.3.2 Các chế độ và quy trình thí nghiệm 34

5.4 Kết quả thí nghiệm 1 và 2 35

5.4.1 Mẫu 1: Mẫu thanh đồng 2×8mm 35

5.4.1.1 Thí nghiệm 1: Thay đổi biên độ dao động của siêu âm 35

5.4.1.2 Thí nghiệm 2: Thay đổi thời gian hàn 38

5.4.2 Mẫu 2: Mẫu dây điện Ø1mm 40

5.4.2.1 Thí nghiệm 1: Thay đổi biên độ dao động của siêu âm 40

5.4.2.2 Thí nghiệm 2: Thay đổi thời gian tác dụng của sóng siêu âm 49

Trang 10

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Sự khác biệt giữa các mẫu sau khi hàn có siêu âm và không có siêu âm 4

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật thiếc hàn LF-307B 9

Bảng 3.1: Bảng so sánh các tính chất cơ bản của các dạng thiết kế đáp ứng bề mặt 23

Bảng 3.2: Bảng lựa chọn dạng thiết kế thí nghiệm theo mục tiêu 24

Bảng 5.1: Bảng thông số thí nghiệm: 35

Bảng 5.2: Bảng ma trận quy hoạch thực nghiệm: 35

Bảng 5.3: Kết quả thử nghiệm kéo mẫu thay đổi biên độ dao động siêu âm 47

Bảng 5.4: Kết quả thử nghiệm kéo mẫu thay đổi thời gian tác dụng của siêu âm 53

Trang 11

Bảng 5.31: Coded Coefficients sau khi loại bỏ hệ số ảnh hưởng 83

Bảng 5.32: Model Summary sau khi loại bỏ hệ số ảnh hưởng 83

Bảng 5.33: Analysis of Variance sau khi loại bỏ hệ số ảnh hưởng 84

Bảng 5.34: Thông số tối ưu cho lực kéo 86

Trang 12

DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý hàn vảy thiết tấm phản xạ phẳng 2

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý hàn vảy thiết tấm phản xạ cong 2

Hình 2.1: Máy hàn vảy thiếc không sử dụng siêu âm 5

Hình 2.2: Máy hàn vảy thiếc ứng dụng công nghệ siêu âm 5

Hình 2.3: Máy hàn vảy siêu âm MS-2020H của MECSTECH 6

Hình 2.4: Máy hàn Static ultrasonic soldering tank KDB series 7

Hình 2.5: Máy hàn Vertical jet-flow ultrasonic soldering tank - ACSS series 7

Hình 2.6: Máy hàn dạng đầu hàn cầm tay Solbraze Solsonic Iron 8

Hình 2.7: Máy hàn bể nhúng hệ siêu âm ngoài UM250 8

Hình 3.1: Các vùng tần số của sóng âm 10

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý hàn siêu âm 11

Hình 3.3: Hàn dạng bể nhúng, khuôn hàn nằm ngoài bể 12

Hình 3.4: Nguyên lý hàn vảy dạng đầu hàn cầm tay 12

Hình 3.5: Sự phản xạ phụ thuộc vào chênh lệch trở kháng âm của hai môi trường 14

Hình 3.6: Mô phỏng sơ đồ tia phản xạ trong môi trường Crocodile Physics 605 16

Hình 3.7: Mô hình nghiên cứu quá trình 17

Hình 3.8: Các dạng thiết kế thí nghiệm Central Composite Designs và Box-Behnken 23 Hình 4.1: Thiết kế hệ thanh rung siêu âm 25

Hình 4.2: Kết quả mô phỏng trên Abaqus/Standard 6.14-1 26

Hình 4.3: Thiết kế 3D cơ cấu thí nghiệm 27

Hình 4.4: Các tấm phản xạ sau khi gia công 27

Hình 4.5: Cấu tạo của bể hàn siêu âm 28

Hình 5.1: Hệ thống thí nghiệm hàn vảy thiếc kết hợp siêu âm 29

Hình 5.2: Bộ siêu âm của máy hàn vảy 29

Hình 5.3: Máy kiểm tra lực kéo 30

Hình 5.4: Phương án gá đặt mẫu kéo 31

Hình 5.5: Mẫu thanh đồng 2x8mm 31

Hình 5.6: Sơ đồ chuẩn bị mẫu dây đồng Ø1mm 32

Trang 13

Hình 5.7: Mẫu chuẩn bị trước khi hàn 32

Hình 5.8: Sơ đồ gá kẹp mẫu khi hàn 33

Hình 5.9: Kết quả thí nghiệm 1 (mặt trước) 36

Hình 5.10: Kết quả thí nghiệm 1 (mặt sau) 36

Hình 5.11: Ảnh SEM mặt trước (độ phóng đại 100 lần) 36

Hình 5.13: Ảnh SEM mặt sau (độ phóng đại 100 lần) 37

Hình 5.15: Kết quả thí nghiệm 2 (mặt trước) 38

Hình 5.16: Kết quả thí nghiệm 2 (mặt sau) 38

Hình 5.23: Mẫu 0% trước và sau khi kéo 41

Hình 5.24: Biểu đồ lực – chiều dài mẫu 0% 41

Hình 5.35: Biểu đồ lực – độ dãn dài mẫu thí nghiệm thay đổi biên độ 47

Hình 5.36: Biểu đồ độ bền kéo của mẫu sau 3 lượt kéo 48

Trang 14

Hình 5.37: Biểu đồ độ dãn dài phá hủy của mẫu sau 3 lượt kéo 48

Hình 5.38: Độ bền kéo của mối hàn theo biên độ dao động của siêu âm 49

Hình 5.39: Mẫu 2 giây trước và sau khi kéo 49

Hình 5.40: Biểu đồ lực – chiều dài mẫu 2 giây 50

Hình 5.47: Biêu đồ lực – độ dãn dài mẫu thí nghiệm thay đổi thời gian 53

Hình 5.48: Biểu đồ độ bền kéo của mẫu sau 3 lượt kéo 54

Hình 5.49: Biểu đồ độ dãn dài phá hủy của mẫu sau 3 lượt kéo 55

Hình 5.50: Độ bền kéo của mối hàn theo thời gian tác dụng của siêu âm 55

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 56

Hình 5.52: Mẫu NTN09: a) Trước khi hàn; b) Sau khi hàn; c) Mẫu chuẩn bị kéo 57

Trang 15

Hình 5.94: Đồ thị chuẩn hóa các ảnh hưởng (Pareto Chart) 81

Hình 5.95: Residual Plots cho Lực kéo 82

Trang 16

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; 83

Hình 5.97: Đồ thị chuẩn hóa các ảnh hưởng sau khi loại bỏ hệ số ảnh hưởng 84

Hình 5.98: Residual Plots cho Lực kéo sau khi loại bỏ hệ số ảnh hưởng 85

Hình 5.99: Đồ thị tối ưu 86

Trang 17

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

USV Ultrasonic vibration Dao động siêu âm

IMC Intermetallic compounds Hợp chất liên kim loại

SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét

Trang 18

1 MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài

Nước ta đang bước vào thời đại công nghệ 4.0, có nhiều nhà máy sản xuất máy móc thiết bị được xây dựng, do đó ngành công nghiệp phụ trợ, sản xuất linh kiện điện – cơ cũng ngày càng phát triển Nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm giá thành sản xuất luôn là mục đích của bất kì công ty, doanh nghiệp nào, là chìa khoá để mở cánh cửa thành công Vì vậy việc tìm ra những cải tiến về phương pháp, công nghệ mới là vô cùng cần thiết

Trong các đối tượng công nghệ được cải tiến, công nghệ hàn kết nối các bộ phận, chi tiết với vật liệu mới được chú trọng, tiêu biểu là hàn vảy thiếc siêu âm

- Trong quá trình hàn vảy thiếc của vật liệu kim loại, lớp oxit bao phủ khó phá vỡ ở nhiệt độ hàn vảy thông thường Điều này làm cho mối hàn không bền, dẫn điện kém Trên thế giới, vấn đề này đã và đang được khắc phục bởi công nghệ hàn có hỗ trợ siêu âm

- Đa phần các thiết bị hàn vảy thiếc siêu âm sử dụng tấm phản xạ phẳng, dẫn đến chất lượng bề mặt hàn trước và sau không đồng đều

Do đó, với tầm quan trọng của công nghệ này, việc “Nghiên cứu các thông số công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn vảy thiếc siêu âm” là hết sức cần thiết Các công ty trong nước phải nhập thiết bị từ nước ngoài với chi phí rất cao và khó khăn trong việc sửa chữa, bảo trì Khó khăn trong việc lựa chọn thông số hàn để đạt được chất lượng như mong muốn Từ nghiên cứu này, sẽ góp phần trong việc nghiên cứu thông số hàn vảy thiếc có hỗ trợ siêu âm, để chất lượng mối hàn vảy tiệm cận giá trị mong muốn Đây cũng chính là lý do học viên chọn đề tài này

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Công nghệ siêu âm đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong đó có lĩnh vực hàn vảy vì quá trình sạch, rẻ, không cần chất trợ hàn, giảm chi phí vật liệu, đảm bảo chất lượng mối hàn, tiết kiệm năng lượng và nhanh chóng Phương pháp hàn vảy thiếc siêu âm đã được phát triển dựa trên công nghệ siêu âm để đáp ứng những yêu cầu trên Mục tiêu nghiên cứu trong luận văn này là:

• Thiết kế và chế tạo thiết bị hàn vảy thiếc siêu âm ứng dụng tấm phản xạ có bề mặt cong

• Khảo sát các thông số công nghệ ảnh hưởng lên cơ tính của mối hàn vảy thiếc với tấm phản xạ cong: biên độ siêu âm, thời gian hàn, nhiệt độ hàn

Trang 19

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài này nghiên cứu vấn đề ảnh hưởng các thông số công nghệ như biên độ, thời gian hàn, nhiệt độ hàn, bán kính tấm phản xạ Chọn ra các thông số có ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm để đưa vào thí nghiệm hàng loạt

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý hàn vảy thiết tấm phản xạ phẳng

Trong mô hình thí nghiệm bao gồm một đầu phát siêu âm, 2 hoặc nhiều dây điện lõi trần sẽ được hàn trong bể thiết nóng chảy có nhiệt độ T, ngoài ra, tấm phản xạ sẽ giúp sóng siêu âm có ở cả 2 mặt của mối hàn

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý hàn vảy thiết tấm phản xạ cong

Trang 20

Trong mô hình thí nghiệm Hình 1.2, tấm phản xạ được thiết kế với bề mặt lõm trụ,

các dòng/tia thiết nóng chảy được siêu âm cung cấp năng lượng, phản xạ và va đập ở 2 mặt của dây điện cần hàn Đây là mô hình dự kiến sẽ dùng xuyên suốt trong quá trình thí nghiệm

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của đề tài là dựa vào các thông số tương đối của mô hình thí nghiệm tấm phản xạ phẳng đã có trước đó, sau đó, dùng mô hình thí nghiệm tấm phản xạ cong để lấy các thông số thực nghiệm, tiến hành đo đạt và phân tích Các bước nghiên cứu sau sẽ lần lượt được thực hiện:

• Tìm hiểu, phân loại các nghiên cứu tương tự đã có

• Tìm hiểu các phương pháp “Thiết kế tối ưu và quy hoạch thực nghiệm”, chọn ra phương pháp quy hoạch thực nghiệm và bề mặt đáp ứng phù hợp, đưa ra trình tự tiến hành thực nghiệm

• Chọn thiết bị và lên thiết kế mô hình thí nghiệm • Tiến hành gia công và hiệu chỉnh

• Tiến hành thí nghiệm trên các mẫu Điều chỉnh các thông số công nghệ khảo sát • Đo đạt định lượng: độ bền kéo, chụp SEM mối hàn dạng tấm

• Xử lý số liệu, đánh giá kết quả ảnh hưởng dựa trên các tiêu chí và phương pháp so sánh quy hoạch thực nghiệm đã đề ra ở bước 2

• Đưa ra thông số công nghệ ảnh hưởng lên chất lượng sản phẩm

2 TỔNG QUAN

2.1 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

Trang 21

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

Mẫu hàn

Phương pháp

Dây nhôm 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

Có siêu âm

Không có siêu

âm

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]

Trang 22

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

1)

2)

Trang 23

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,

Trang 24

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 under

Trang 25

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

Trang 26

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

2.2 Các vấn đề cần giải quyết trong luận văn

• 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

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

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

3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.1 Định nghĩa về sóng siêu âm

Trang 27

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/cm2

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/cm2 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

3.2 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]

Trang 28

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

3.3 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

Trang 29

- 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

3.4 Lý thuyết cơ bản về sự phản xạ sóng

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

Trang 30

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:

K=Pr/Pi=[(Z2 Cos𝜃𝑡 –Z1 Cos𝜃𝑖)/( Z2 Cos𝜃𝑡+ Z1 Cos𝜃𝑖)]2 (3.2)

Trong đó:

• 𝜃𝑖, 𝜃𝑟, 𝜃𝑡 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: 𝜃𝑖=𝜃𝑟=0

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

• Góc tới 𝜃𝑖# 0 Theo định luật phản xạ 𝜃𝑖=𝜃𝑟

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

✓ Góc khúc xạ 𝜃𝑡 phụ thuộc vào vận tốc truyền âm trong hai môi trường và được xác định bởi công thức:

sin𝜃𝑡=(v2/v1).sin𝜃𝑖 (3.4)

Theo định luật khúc xạ ta có:

 (c/v1) sin𝜃𝑖=(c/v2) sin𝜃𝑡

Trang 31

 sin𝜃𝑡=(v2/v1) sin𝜃𝑖 (3.6)

Trong đó:

• c – vận tốc ánh sáng, c=3*108(m/s) • n1, n2 – chiết suất môi trường

✓ Nếu v2 > v1 => 𝜃𝑡 > 𝜃𝑖 khi góc tới 𝜃𝑖 đạt 90o thì góc khúc xạ 𝜃𝑡 đã >90o Khi đó xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần, góc tới giới hạn tại giá trị góc khúc xạ đạt 90o khi đó sin𝜃𝑖𝑔ℎ= v2/v1 (sin𝜃𝑡=1) Khi 𝜃𝑖≥ (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= Z2-Z1 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

3.4.2.2 Sự tán xạ

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

Trang 32

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:

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

Trang 33

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

3.5 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

Trang 34

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

Trang 35

-Thời gian phát siêu âm -Biên độ siêu âm

-Bán kính cong của tấm phản xạ -Nhiệt độ bể hàn

Nhân tố khó hoặc không thể kiểm soát:

-Nhiệt độ và độ ẩm môi trường -Vị trí gá mẫu

-Tần số siêu âm

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

- 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

Trang 36

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

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

Thí nghiệm hai mức đầy đủ (Two Level Full Factorial Designs) là các thí nghiệm mà mỗi yếu tố chỉ được thay đổi ở hai mức giá trị Thí nghiệm hai mức chỉ cho phép xây dựng mô hình quan hệ ứng xử ở dạng bậc nhất Thí nghiệm hai mức đầy đủ thường được ký hiệu là thí nghiệm 2k trong đó k là số biến thí nghiệm

c Thí nghiệm hai mức riêng phần

Trang 37

Thí nghiệm hai mức riêng phần (Two Level Fractional Factorial Design) là một dạng đặc biệt của thí nghiệm hai mức Ở dạng thí nghiệm này, một số tổ hợp giá trị của vài yếu tố sẽ không được xem xét Thí nghiệm hai mức riêng phần được sử dụng khi số lượng các yếu tố là lớn, chi phí cho thí nghiệm cao Sử dụng thiết kế thí nghiệm hai mức riêng phần cho phép giảm số thí nghiệm cần thiết mà vẫn có thể đánh giá được các ảnh hưởng chính Thí nghiệm hai mức riêng phần thường được ký hiệu là thí nghiệm 2k-p

d Thí nghiệm Plackett-Burman

Thí nghiệm Plackett-Burman, thường được gọi là thí nghiệm P-B, là một dạng đặc biệt của thí nghiệm hai mức riêng phần Thiết kế thí nghiệm này do R L Plackett và J P Burman đề xuất Thiết kế thí nghiệm P-B chỉ khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố chính mà không xét ảnh hưởng tương tác giữa các yếu tố

3.5.3.3 Thí nghiệm Taguchi

Thí nghiệm Taguchi được thiết kế dựa trên ma trận trực giao Taguchi, có mục đích khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố chính khi số lượng các yếu tố và chi phí thí nghiệm lớn Trong thiết kế thí nghiệm dạng Taguchi, các yếu tố có thể nhận không chỉ hai mức mà còn có thể nhiều hơn Thêm nữa, các yếu tố trong một kế hoạch thí nghiệm có thể nhận số mức giá trị khác nhau

3.5.3.4 Thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu

Thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu (Response Surface Designs) được sử dụng để xây dựng mô hình mô tả quan hệ giữa hàm chỉ tiêu với các biến thí nghiệm Quan hệ hàm-biến được mô tả dưới dạng một “bề mặt chỉ tiêu” (Response Surface), hay còn gọi là “bề mặt đáp trị”, “bề mặt ứng xử”, “bề mặt đáp ứng”… Với hàm 2 biến, ta dễ dàng hình dung ra quan hệ này có thể được biểu diễn dưới dạng một mặt cong trong không gian ba chiều Khi số biến thí nghiệm nhiều hơn, mặt chỉ tiêu trở thành siêu mặt (Hyper planes) trong không gian đa chiều Nhờ xác định được quan hệ vào-ra giữa các biến thí nghiệm với hàm mục tiêu, ta có thể hoặc tối ưu hóa hàm mục tiêu hoặc xác định tập thông số vào để nhận được giá trị hàm mục tiêu như ý muốn

Các thí nghiệm được thiết kế sao cho chúng cho phép ta xác lập được các ảnh hưởng tương tác và ảnh hưởng bậc cao của các yếu tố, từ đó có thể dựng được bề mặt ứng xử (Response Surface) của đại lượng đang cần quan tâm Dựa vào kết quả thí nghiệm, ta xây dựng được mô hình hồi quy (Regression Model), hay còn gọi là mô hình thực nghiệm (Emprical Model) nhằm biểu diễn quan hệ vào-ra dưới dạng một hàm liên tục Có thể sử dụng hàm hồi quy nhằm dự đoán ứng xử của hệ thống, quá trình hay của đối tượng dưới các điều kiện đầu vào khác nhau

Tiến trình nghiên cứu thực nghiệm thường bao gồm 7 giai đoạn sau đây:

Trang 38

• Để tối ưu hóa quá trình?

• Để loại bớt các tác nhân gây mất ổn định cho quá trình, cho sản phẩm?

3.5.4.2 Xác định các yếu tố thí nghiệm

Các yếu tố ảnh hưởng khi làm thí nghiệm thường chia thành 2 nhóm lớn: nhóm các yếu tố thí nghiệm và các yếu tố gây nhiễu Các yếu tố thí nghiệm, còn gọi là các biến thí nghiệm, là các yếu tố mà nhà nghiên cứu muốn điều khiển giá trị của chúng một cách có chủ đích để xem xét xem kết quả thay đổi như thế nào Các yếu tố gây nhiễu là các yếu tố có ảnh hưởng đáng kể đến đối tượng nhưng ta không muốn tính đến chúng trong thí nghiệm

Sau khi đã xác định được các biến thí nghiệm, ta cần xác định khoảng thay đổi giá trị cho từng biến, các mức giá trị muốn xác lập cho từng biến khi tiến hành thí nghiệm Một nguyên tắc quan trọng là cố gắng sử dụng số lượng mức giá trị thay đổi cho từng biến càng thấp càng tốt Ở giai đoạn thí nghiệm sơ bộ để xác định các yếu tố chính, cố gắng chọn khoảng thay đổi giá trị cho từng biến càng rộng càng tốt Thêm nữa, cần xác định xem cách đo hay tính toán giá trị cho các biến này sao cho có thể có được các số liệu chính xác, phục vụ cho quá trình phân tích sau này

3.5.4.3 Lựa chọn hàm mục tiêu

Ta cần cân nhắc và quyết định lựa chọn yếu tố đầu ra nào thực sự cung cấp các thông tin hữu ích về quá trình hay đối tượng đang cần nghiên cứu Hơn nữa, cần xem xét liệu thông số đặc trưng của yếu tố này có thể đo được một cách thuận tiện hay không

3.5.4.4 Thiết kế thí nghiệm

Ở bước này, số lượng và trình tự các thí nghiệm sẽ được xác lập Giá trị của mỗi biến thí nghiệm trong từng thí nghiệm cũng cần được chỉ rõ Kế hoạch thí nghiệm thường được lập thành một bảng thí nghiệm hay còn gọi là ma trận thí nghiệm Mỗi cột của bảng là một biến thí nghiệm; mỗi hàng của bảng là một tập hợp các giá trị của các biến cho mỗi thí nghiệm

3.5.4.5 Tiến hành thí nghiệm

Trang 39

Điều cần lưu tâm khi tiến hành thí nghiệm là phải đo đạc thật cẩn thận các thông số cần thiết Bên cạnh đó, cần ghi chép, lưu trữ các kết quả thí nghiệm kèm theo các điều kiện xác lập thí nghiệm đó Lưu ý rằng một trong các nguyên tắc của nghiên cứu khoa học là kết quả phải có khả năng tái lập lại Nói cách khác, thí nghiệm nếu được tiến hành lại ở những nơi khác, tại các thời điểm khác phải cho ra cùng kết quả

3.5.4.6 Phân tích kết quả

Các phương pháp thống kê thường được sử dụng như một công cụ hữu hiệu để xử lý dữ liệu thí nghiệm Do số lượng số liệu thí nghiệm thường rất lớn, việc phân tích bằng tay là rất phức tạp và tốn công sức Các phần mềm thiết kế thí nghiệm chuyên dụng hiện nay vừa cho phép thiết lập kế hoạch thí nghiệm chuẩn xác, tiện dụng, vừa có khả năng phân tích dữ liệu rất nhanh chóng và chính xác Cũng cần lưu ý rằng, các công cụ thống kê và máy tính chỉ hỗ trợ con người tính toán nhanh và chính xác hơn chứ không thể đưa ra các đánh giá cụ thể được Chúng chỉ có thể đưa ra những định hướng giúp nhà nghiên cứu có cơ sở tin cậy để đưa ra nhận xét của mình mà thôi

3.5.4.7 Kết luận

Căn cứ vào kết quả đã được phân tích, nhà nghiên cứu đưa ra các kết luận của mình Sau quá trình trải nghiệm với mô hình, máy móc thực tế và xử lý các kết quả, nhà nghiên cứu cũng cần chỉ ra các kinh nghiệm và đề xuất định hướng nghiên cứu tiếp theo Cũng có thể và nên tiến hành các thí nghiệm khẳng định lại các kết luận đã suy diễn từ việc phân tích kết quả thí nghiệm ở các bước trước [11]

Trang 40

Hình 3.8: Các dạng thiết kế thí nghiệm Central Composite Designs và Box-Behnken

Các dạng thiết kế thí nghiệm Central Composite Designs và Box-Behnken [12] được thể

hiện trong Hình 3.8 và Bảng 3.1

Bảng 3.1: Bảng so sánh các tính chất cơ bản của các dạng thiết kế đáp ứng bề mặt

Loại thiết kế

CCC Circumscribed CCC designs provide high quality predictions over the entire design space, but require factor settings outside the range of

the factors in the factorial part Note: When the possibility of

running a CCC design is recognized before starting a factorial experiment, factor spacings can be reduced to ensure that ± α for each coded factor corresponds to feasible (reasonable) levels

Requires 5 levels for each factor