Giáo trình hàn siêu âm

Bản quyền BM Hàn & CNKL 21.09.2007 Hàn Siêu âm CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding I Từ khó khóa: Anh: Anh: Ultrasonic welding (Ultrasound welding) Phá Pháp: Soudage par ultrasons Đức: Ultraschallschweiß Ultraschallschweißen Số hiệ hiệu theo ISO 4063: 41 II Khá Khái niệ niệm: Hàn siêu âm quá trì trình hàn áp lực, sử dụng lượ lượng học dao động siêu âm làm biế biến dạng dẻo cục bề mặt mối ghé ghép, làm cho cá phầ tán, thẩ thẩm thấ thấu lẫ lẫn phần tử tử chi tiế tiết hà hàn khuế khuếch tá và liên kế kết vớ với tạ tạo thành mố mối hà hàn II.1 Siêu âm: - Siêu âm là nhữ dao độ động đà đàn hồ hồi có có tần số số f > 16 16 KHz, KHz, cao cao tầ tần số số âm mà mà ngườ người nghe đượ - Dao độ nguồn phá phát khác nhau: biế biến đổ đổi chuyể chuyển động siêu âm nhậ nhận đượ từ từ nguồ độ động củ cá dòng thuỷ thuỷ khí khí thành dao độ động siêu âm, chuyể chuyển đổ đổi dao độ động điệ điện nhờ biế biến tử tử, thành cá dao độ động siêu âm nhờ - Dao độ động siêu âm lan truyề truyền dướ dạng só sóng đà đàn hồ hồi mơi trườ trường khí khí, lỏng và rắn / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding - Bướ Bước só sóng c khoả khoảng cá cách λ mà sóng truyề truyền sau mộ chu kỳ kỳ T λ = cT = c f f – tần số số siêu âm II.2 Phân loạ loại só sóng âm và siêu âm: - Tùy thuộ thuộc vào tí tính chấ chất củ mơi trườ trường đà đàn hồ hồi, có có loạ loại só sóng siêu âm: * Só Sóng dọ dọc: gây nên sự co dãn môi trườ trường rắn, lỏ lỏng hoặ khí khí * Só Sóng trượ trượt: gây nên sự trượ trượt giữ cá lớ lớp củ môi trườ trường chấ chất rắ rắn - Tùy thuộ chia ra: thuộc vào nguồ nguồn phá phát, loạ loại só sóng bả đượ * Só Sóng phẳ phẳng: phá phát từ từ nguồ nguồn phá phát là mặt phẳ phẳng, nó truyề truyền theo phương thẳ thẳng gó góc vớ với bề bề mặt phá phát * Só nguồn phá phát là mặt trụ trụ, nó lan truyề truyền theo phương hướ hướng Sóng trụ trụ: phá phát từ từ nguồ kính, thẳ thẳng gó góc vớ với mặ mặt trụ trụ * Só cầu, nó lan truyề truyền theo mọ phương, phương, Sóng cầ cầu: phá phát từ từ nguồ nguồn phá phát là mặt cầ thẳ thẳng gó góc vớ với mặ mặt cầ cầu / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ môn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 Bản quyền BM Hàn & CNKL 21.09.2007 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding - Theo công dụ dụng, trong môi trườ trường đà đàn hồ hồi hạ hạn chế chế, VD: cá thanh: * Só Sóng dọ dọc: sóng đà đàn hồ hồi, co dãn, hướ hướng dao độ động củ cá phầ phần tử tử trù trùng với hướ hướng truyề truyền só sóng * Só đàn hồ hồi mà mà hướ hướng dao độ động củ cá phầ phần tử tử thẳ thẳng gó góc Sóng ngang: sóng đà với phương truyề truyền só sóng * Só Sóng dọ dọc - ngang: sóng đà đàn hồ hồi vừ vừa có có dao độ động dọ dọc vừ vừa có có dao độ động ngang củ cá phầ phần tử tử theo phương truyề truyền só sóng / 45 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 * Só động củ cá phầ phần tử tử Sóng uố uốn: sóng lan truyề truyền mà mà mặt dao độ không song song vớ với só sóng ngang mà mà đổ đổi hướ hướng nghiêng vớ với đườ đường trụ trục dọ dọc * Só tiết diệ diện ngang nằ nằm vị trí trí nó Sóng xoắ xoắn: sóng trượ trượt mà mà tiế quay quanh trụ trục thanh, trụ trục vẫ giữ giữ nguyên Só Sóng xoắ xoắn nhậ nhận đượ chị chịu tá tác dụ dụng củ mômen xoắ xoắn đà đàn hồ hồi II.3 Phương Phương trì trình truyề truyền só sóng âm và siêu âm: ∂2P ⎛ ∂2P ∂2P ∂2P ⎞ ⎟ =⎜ + + c ∂t ⎜⎝ ∂x ∂y ∂z ⎟⎠ P - áp lự lực siêu âm t - thờ thời gian truyề truyền só sóng c - tốc độ độ siêu âm x, y, z - tọa độ độ Đề Đề 3D Sóng dọ dọc phẳ phẳng 2D / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 Bản quyền BM Hàn & CNKL 21.09.2007 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding Biể Biểu thứ thức xá xác đị định tố tốc độ độ âm chấ chất rắ rắn ; / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ môn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding II.4 Áp lự lực âm (p): truyề truyền só sóng âm và siêu âm môi trườ trường gây nên áp lực âm và đượ xá xác đị định bở biể biểu thứ thức: p = p1 − p p1 - áp lự lực tĩ tĩnh củ môi trườ trường p2 - áp lự lực thay đổ đổi só sóng âm gây p = p cos( ω t − kx ) ω = 2.π f Biên độ độ áp lự lực âm: f - tần số số siêu âm p0 = ρ c.v0 = ρ c.ω A c - tốc độ độ sóng âm A - biên độ độ dao độ động ρ - tỷ trọ trọng củ môi trườ trường x - tọa độ độ / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ môn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 Bản quyền BM Hàn & CNKL 21.09.2007 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding II.5 Năng lượ lượng âm (E): Mật độ độ lượ lượng âm có thể xác đị định theo độ động tố tốc độ độ dao độ động đạ đạt cự cực đạ đại m.v0 ρ V v0 ρ ω A2 = = ρ v0 = 2.V 2.V 2 E= Ở đây: đây: E – mật độ độ lượ lượng âm; v0 – biên độ độ tốc độ độ; A – biên độ độ dịch chuyể chuyển; V – thể thể tích mơi trườ trường II.6 Cườ đơn vị vị Cường độ độ âm (I): Cườ Cường độ độ âm là lượ lượng âm truyề truyền qua mộ diệ diện tí tích bề bề mặt đặ đặt thẳ thẳng gó góc vớ với phương truyề truyền só sóng sau mộ đơn vị vị thờ thời gian p02 2 I = E.c = ρ c.ω A = 2.ρ c [W/cm2] Cườ Cường độ độ âm nghe đượ < 1010-3W/cm2 Cường độ độ âm trung bì bình từ từ 0.1 ÷ W/cm2 Cường độ độ âm cao > 10W/cm2 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding II.7 Trở Trở kháng só sóng củ mơi trườ trường (Z): Z = ρ c Sự liên hệ hệ giữ Z và p0, v0: Z= p0 v0 v0 = F0 F = Z S Z v0 = ω A = 2.π f A Ở đây: đây: v0- biên độ độ tốc độ độ; SS- diệ diện tí tích; F0- biên độ độ lực; A- Biên độ độ dao độ động - Đạ Đại lượ lượng Z và Z0 trở trở kháng tá tác dụ dụng, nó khơng tí tích lũ lũy lượ lượng mà mà tiêu hao lượ lượng dạng tổ tổn hao nhiệ nhiệt - Trở đối vớ với sự truyề truyền só sóng, nó biể biểu thị thị ảnh hưở hưởng Trở kháng só sóng có có ý nghĩ nghĩa lớ lớn đố môi trườ trường đế đến tố tốc độ độ dao độ động Nế Nếu môi trườ trường khơng có có tổn hao thì biên độ độ tốc độ độ không thay đổ đổi / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ môn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 Bản quyền BM Hàn & CNKL 21.09.2007 II.8 Công suấ suất âm (W): đượ xá xác đị định bằ công thứ thức: CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding w= v Z = 2.π f A Z II.9 Sự Sự hấp thụ thụ âm: đượ đặ đặc trưng bở sự suy giả giảm cườ cường độ độ âm và biên độ độ dao độ động theo chiề chiều dà dài truyề truyền só sóng: I = I0.e-2αx A = A0.e-2αx Ở đây: I, A – cường độ âm biên độ dao động I0, A0 – cường độ âm biên độ dao động ban đầu α - hệ số hấp thụ âm (1/m) x - chiều dài truyền sóng (m) / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding II.10 Sự Sự phả phản xạ xạ khú khúc xạ xạ só sóng âm: Sóng âm truyề truyền qua biên giớ giới phân chia giữ hai mơi trườ trường có có sinh hiệ tượ tượng phả phản xạ xạ khú khúc xạ xạ Cườ Cường độ độ phả phản xạ xạ só sóng âm xá xác đị định theo biể biểu thứ thức: I = I0.K2 Ở đây: đây: I0 – cườ cường độ độ sóng tớ tới I – cườ cường độ độ sóng phả phản xạ xạ K – hệ số phả phản xạ xạ : K= ρ1.c1 − ρ c2 Z1 − Z = ρ1.c1 + ρ c2 Z1 + Z - Nếu sóng tới từ mơt trường đập vào biên giới phân chia mơi trường với góc tới θ1, khúc xạ vào mơi trường với góc khúc xạ θ2 liên hệ θ1và θ2 xác định theo biểu thức: sin θ1 c1 = sin θ c Nếu c2 > c1 θ2 > θ1; θ2 = 90o góc tới lúc gọi góc tới “tới hạn” θth Nếu θ1 > θth xảy phản xạ hồn tồn, lượng dao động không truyền từ môi trường vào môi trường 10 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 Bản quyền BM Hàn & CNKL 21.09.2007 III Nguyên lý hà hàn siêu âm: CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding HF 1- Oscillator – nguồ nguồn dao độ động siêu âm (tầ (tần số số không đổ đổi) 2- Coupler – truyề truyền só sóng 3- Fixing – khớ khớp nố nối cố cố đị định 4- Sonotrode – cực hà truyền và khuế khuếch đạ đại biên độ độ dao độ động) hàn (thanh truyề 5- Workpiece – chi tiế tiết hà hàn 6- Anvil – giá giá đỡ đỡ (đe (đe)) 7- Clamping force – tạo lự lực ép 8- Direction of vibration – hướ hướng dao độ động 11 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ môn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding III.1 Mô tả tả q q trì trình: HF Dòng điệ điện cao tầ tần từ từ máy phá phát HF truyề truyền vào biế biến tử tử để tạo dao độ động họ học vớ với tầ tần số số siêu cao Siêu âm từ từ biế biến tử tử truyề truyền qua truyề truyền só sóng qua khớ khớp nố nối 3, rồ truyề truyền vào cự cực hà hàn và truyề truyền dao động siêu âm cho chi tiế tiết hà hàn Cực hà hàn ép cá chi tiế tiết hà hàn bằ lự đị định nhờ nhờ tạo lự lực ép 7 lực nhấ Dướ Dưới tá tác dụ dụng củ dao độ động đà đàn hồ hồi siêu cao tầ tần, lớ lớp mà màng bề bề mặt củ chi tiế bị phá phá hủy và phầ phần tử tử tiết hà hàn vậ vật liệ liệu vùng hà hàn có có khuế khuếch tán, thẩ thẩm thấ thấu lẫ lẫn rấ nhanh (từ (từ 1/10 đế đến vài giây) tạ tạo nên liên kế kết hà hàn Biế Biến dạng dẻ dẻo cụ cục bộ cá đỉ đỉnh tiế tiếp xúc và nhiệ nhiệt ma sá sát sẽ làm cho quá trì hơn! trình hà hàn dễ dễ dàng hơn! - Chi tiế tiết hà hàn phí phía sẽ dao độ động theo phương song song vớ với bề bề mặt tiế tiếp xú xúc giữ chi tiế tiết hà hàn - Nhờ có ma sá sát giữ Nhờ có lực ép nên chi tiế tiết hà hàn Æ sinh nhiệ nhiệt tạ chỗ chỗ tiế tiếp xú c - Nhờ làm Nhờ có lực ép và trượ trượt mạ mạnh cho cá đỉ đỉnh tiế tiếp xú xúc bị bị biế biến dạng dẻ dẻo cục bộ 12 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 Bản quyền BM Hàn & CNKL 21.09.2007 III.2 Quá Quá trì trình hì hình thành mố mối hà hàn siêu âm: CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding Phá Phá vỡ lớp mà màng ôxit củ cả chi tiế tiết hàn Liên kế kết kim loạ loại hà hàn siêu âm Cá Các nguyên tử tử khuế khuếch tá tán lẫ lẫn lớ lớp ôxit bị bị phá phá hủy Khi khơng lớp ơxit ngăn cá cách, liên kế kết kim loạ loại đượ hì hình thành Biế Biến dạng dẻ dẻo cụ cục bộ hà hàn siêu âm Nhiệ Nhiệt sinh hà hàn siêu âm 13 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding III.3 Cá Các dạng hà hàn siêu âm: Hàn siêu âm điể điểm Hàn siêu âm đườ đường 14 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ môn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding Bản quyền BM Hàn & CNKL 21.09.2007 Hàn siêu âm chu vi kín – dao độ động xoắ xoắn Hàn siêu âm chấ chất dẻ dẻo - Hướ Hướng dao độ động vng gó góc vớ với mặt tiế tiếp xú xúc củ cá chi tiế tiết hà hàn 15 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ môn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 IV Đặ Đặc điể điểm củ hà hàn siêu âm: CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding Ưu điể điểm củ hà hàn siêu âm: - Có khả mỡ nhờ nhờ có ma khả tự tự phá phá bỏ lớp oxýt bề bề mặt và làm sạ tố tốt dầ dầu mỡ sát, dị dịch trượ trượt giữ cá vậ vật hà hàn Hà Hàn siêu âm có có khả khả hà hàn nố nối cá chi tiế tiết kim loạ loại mà mà không cầ cần làm sạ lớ lớp bề bề mặt, không cầ cần nấ nấu chả chảy chỗ chỗ hàn Điề Điều nà rấ lợ lợi hà hàn dây dẫ dẫn thiế thiết bị bị điệ điện, điệ điện tử tử - Hàn siêu âm có thể hàn tố tốt nhữ kim loạ loại có có điệ điện trở trở nhỏ nhỏ (như (như đồ đồng điệ điện kỹ kỹ thuậ thuật, nhôm, bạ bạc, vàng, …) mà mà phương phá pháp khác khó khó khăn khăn - Hàn siêu âm không hạ hạn chế chế chiề chiều dà dày vậ vật hà hàn, đặ đặc biệ biệt có thể hàn đượ cá kim loạ giấy kim loạ loại loại rấ mỏ mỏng, hà hàn cá giấ - Hàn siêu âm có thể hàn cá kim loạ loại khác vớ với nhau, hà hàn kim loạ loại vớ với phi kim, hà hàn chấ chất dẻ dẻo, hà hàn xương, xương, - Hàn siêu âm cho phé phép cá chi tiế tiết hà hàn có có tỷ lệ chiề chiều dà dày tớ tới 1:1000 - Hàn siêu âm tiêu tố tốn lượ lượng, dễ dễ tự độ động hó hóa, thờ thời gian hà hàn nhanh Nhượ hàn siêu âm: Nhược điể điểm củ hà - Nhượ Nhược điể điểm bả củ hà hàn siêu âm là chấ chất lượ lượng mố mối hà hàn không ổn đị định ξ, f, F0 không ổn đị định và bề mặt vậ vật hà hàn không tố tốt 16 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 Bản quyền BM Hàn & CNKL 21.09.2007 V Ứng dụ dụng củ hà hàn siêu âm: CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding - Hàn siêu âm là phương phá pháp hà hàn tiên tiế tiến, rấ có có triể triển vọ vọng - Phạ Phạm vi ứng dụ dụng rấ rộ rộng rãi và đa dạng V.1 Hà Hàn cá dây dẫ dẫn điệ điện 17 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ môn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding V.2 Hà Hàn cá tiế tiếp điể điểm, hà hàn nố nối cá linh kiệ kiện 18 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 Bản quyền BM Hàn & CNKL 21.09.2007 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding V.3 Hà Hàn cá ống vớ với tấ siêu mỏ mỏng 19 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding V.4 Hà Hàn cá liên kế kết chồ chồng cho nhôm, đồ đồng, ) Hàn siêu âm thườ thường dù dùng để để hàn cá mà màng mỏ mỏng, tấ mỏ mỏng, dây kim loạ loại, công nghiệ nghiệp điệ điện, điệ điện tử tử khí khí chí xá xác 20 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ môn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 10 Bản quyền BM Hàn & CNKL 21.09.2007 VI Công nghệ nghệ hàn siêu âm: CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding VI.1 Nhữ Những đặ đặc điể điểm củ công nghệ nghệ hàn siêu âm: Hà Hàn siêu âm là quá trì trình đưa dao độ động vào vù vùng hà hàn tần số số siêu âm Trong vù có truyề truyền ứng suấ suất đà đàn hồ hồi nên dễ dễ phá phát sinh cá vế vết vùng hà hàn có nứt tế tế vi Kim loạ loại hà hàn cà ké dẻ dẻo thì vết nứ nứt tế tế vi cà nhiề nhiều Để Để giả giảm cá vết nứ nứt tế tế vi ngườ người ta kẹ kẹp chắ vậ vật hà hàn bằ cá bà bàn kẹ kẹp có có đệ đệm cao su làm sạ sơ bộ ba via, ủ sơ bộ vật hà hàn nế cầ cần hà hàn dễ dễ xảy hiệ tượ tượng tá tách cá chi tiế tiết hà hàn vớ với Để Để khắ khắc phụ phục hiệ tượ tượng nà cũ cầ cần dù dùng bà bàn kẹ kẹp để để kẹp chặ chặt chi tiế tiết vị trí trí hàn Điề Điều có hàn lên 60% thể làm tăng sứ sức bề bền mố mối hà Khi hà hàn siêu âm cự cực hà hàn cà ép chặ chặt vào vậ vật hà hàn thì lượ lượng siêu âm truyề truyền vào vù vùng hà hàn cà tăng cự cực hà hàn dễ dễ dính bá bám vào vậ vật hà hàn Để Để khắ ắ c phụ ụ c hiệ ệ n tượ ợ ng nà y ngườ i ta chọ ọ n vậ ậ t liệ ệ u m cự ự c hà n cho dễ ễ kh ph hi tư n ngư ch v li l c h d bám chắ vào cự cực hà hàn chưa đủ đủ khả khả dí dính bá bám Hà Hàn siêu âm làm việ việc chế chế độ độ cộng hưở hưởng để để có biên độ độ dao độ động cự cực đạ đại Nếu trệ trệch khỏ khỏi vù vùng cộ cộng hưở hưởng hiệ hiệu quả giả giảm Để Để đả đảm bả bảo điề điều nà không đượ dáng kí kích thướ thước củ hệ hệ dao độ động nhấ là tù tùy tiệ tiện thay đổ đổi hì hình dá truyề truyền só sóng 21 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding VI.2 Vậ Vật liệ liệu và tổ hợp vậ vật liệ liệu có thể hàn bằ siêu âm: theo Ruge 22 / 45 Ngồ Ngồi có thể hàn: Nhơm – thủ thủy tinh Kim loạ loại – chấ chất dẻ dẻo Kim loạ sứ loại – gốm sứ Hàn cá loạ loại sợ sợi vả vải ngà ngành dệ dệt Hàn cá vậ vật liệ liệu composite vớ với Hàn kim loạ loại vớ với composite V.v Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 11 Bản quyền BM Hàn & CNKL 21.09.2007 VI.3 Cá Các thơng số số q q trì trình hà hàn siêu âm: CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding - Tần số số siêu âm: 20 65 KHz (mỗ (mỗi má máy hà hàn có có nhấ giá giá trị trị tần số số) - Biên độ độ dao độ động siêu âm: 50 µm - Lực ép: 6000 N Các thông số số đượ điề điều chỉnh quá trì trình hà hàn - Thờ Thời gian hà hàn: 0,005 s - Chuẩ Chuẩn bị bị bề mặt chỗ chỗ hàn: không cầ cần - Nhiệ chảy lỏ lỏng Nhiệt độ độ cực đạ đại tạ vù vùng hà hàn: < 60% To chả - Biế Biến dạng dẻ dẻo cụ cục bộ: < 5% chiề chiều dà dày phôi hà hàn Khoả Khoảng chiề chiều dà dày có thể hàn củ phơi phí phía tiế tiếp giá giáp vớ với điệ điện cự cực hà hàn [mm] (chiề (chiều dà dày phôi phí phía gá gá kẹp là khơng hạ hạn chế chế) Hàn siêu âm điểm Hàn siêu âm đường Hợp kim nhôm Thép 0,5 0,5 0,1 23 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding VI.4 Nhữ Những thông số số bả xá xác đị định quá trì trình hà hàn và ảnh hưở hưởng củ chúng: VI.4.1 Ảnh hưở hưởng củ biên độ độ dao độ động đầ đầu hà hàn ξ đế đến quá trì trình hà hàn: - Biên độ ộ dao độ ộ ng đầ ầ u hà n ξ l thông số ố bả ả n củ ủ a hà n siêu âm, đ đ đ h s b c h xác đị định khả khả khử khử bỏ lớp oxýt bề mặt vậ vật hà hàn, nó ảnh hưở hưởng đế đến kí kích thướ thước vùng biế nối biến dạng dẻ dẻo và ảnh hưở hưởng đế đến chấ chất lượ lượng mố mối nố - Nếu tăng ξ thì độ độ bền mố mối hà hàn tăng tăng Nhưng Nhưng nế tăng ξ q q mức thì thể xảy mối hà hàn Ngượ Ngược lạ lại nế ξ nhỏ nhỏ q q thì khơng đủ đủ công suấ suất để để tạo phá phá hủy mố thành mố mối hà hàn - Nếu chiề chiều dà dày vậ vật hà hàn tăng thì tổn hao sẽ tăng, tăng, đòi hỏ hỏi biên độ độ dao độ động ξ phả phải tăng tăng Trị Trị số biên độ độ tỷ lệ với áp lự lực phá pháp tuyế tuyến và thể xác đị định biể biểu thứ thức: ξ= τx G h + k Ở đây: số ≈ 1µk; h - chiề chiều cao vù vùng biế biến dạng dẻ dẻo củ mố mối hà hàn; đây: k - số τ x - ứng suấ suất tiế tiếp vù vùng biế biến dạng; G - môđun trượ trượt ) Thườ Thường nế chiề chiều dà dày vậ vật hà hàn δ = 0.01 ÷ 0.2 mm thì ξ = ữ àk; nu = ữ mm thỡ thỡ = 10 ữ 13 àk 24 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ môn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 12 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding Bản quyền BM Hàn & CNKL 21.09.2007 VI.4.2 Ảnh hưở hưởng củ áp lự lực ép tĩ tĩnh: - Khi hà n siêu âm, để ể nhậ ậ n đượ ợ c mố h đ nh đư mối hà hàn, cự cực hà hàn cầ cần ép lên vậ vật hà hàn mộ lự lực ép tĩ ĩ nh nhấ ấ t đị ị nh F Lự ự c é p tĩ ĩ nh F r ấ t quan trọ ọ ng hà n, ó đả ả m bả ả o ự t nh đ t tr h n đ b s tiế tiếp L xúc củ cự cực hà hàn vớ với vậ vật hà hàn, đả đảm bả bảo ma sá sát cầ cần thiế thiết để để phá phá hủy lớ lớp oxýt bề bề mặt vậ vật hà hàn, gây nên sự chả chảy dẻ dẻo vù vùng hà hàn và mang lượ lượng vào vùng hà hàn, truyề truyền lượ lượng cho cá phầ phần tử tử vật hà hàn để để chúng khuế khuếch tá tán, thẩ thẩm thấ thấu lẫ lẫn - F0 tăng vớ với sự tăng giớ giới hạ hạn chả chảy, độ độ cứng và chiề chiều dà dày vậ vật liệ liệu hà hàn Xác đị định lự lực ép tĩ tĩnh F0 theo biể biểu thứ thức sau: F0 = б T S Ở đây: đây: бT – giớ giới hạ hạn chả chảy củ vậ vật liệ liệu hà hàn S – diệ diện tí tích điệ điện cự cực hà hàn – vết cự cực hà hàn phôi - Khi F0 = thì trở trở kháng củ tả tải trọ trọng và công suấ suất đưa vào vù vùng hà hàn = - Khi F0 → ∞ thì ξ→ và cực hà hàn coi bị bị kẹp chặ chặt Thườ Thường F0 = 30; 60; 90; 120; 150KG 150KG Chú Chú ý: hà hàn, vậ vật hà hàn biế biến dạng nên có có thay đổ đổi diệ diện tí tích tiế tiếp xú xúc củ cực hà hàn vớ với vậ vật hà hàn dẫ dẫn đế đến thay đổ đổi trở trở kháng họ học củ hệ hệ thay đổ đổi lự lực ép tĩ tĩnh F0 25 / 45 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 VI.4.3 Quan hệ hệ giữ lự lực ép tĩ tĩnh F0, biên biên độ độ dao độ động ξ đầ đầu cự cực hà hàn và công suấ suất củ hệ hệ dao độ động P: - Quan hệ hệ giữ F0 , ξ P quyế đị định hiệ hiệu suấ suất củ hà hàn siêu âm Thự Thực nghiệ nghiệm ngườ người ta chứng minh rằ rằng: lự lực ép tĩ tĩnh F0 tăng tỷ tỷ lệ với biên độ độ dao độ động đầ đầu cự cực hà hàn ξ tăng tăng công suấ suất củ hệ hệ dao độ động - Quan hệ hệ giữ F0 , ξ P đượ cho dướ đây: đây: P [W] ξ [µm] F0 [Kg] 500 25 33 – 54 500 15 55 – 90 500 120 - 200 ) Ngoà Ngoài chiề chiều dà dày vậ vật hà hàn tăng thì cơng suấ suất u cầ cầu P cũ phả phải tăng 26 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 13 Bản quyền BM Hàn & CNKL 21.09.2007 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding VI.5 Cơ chế chế hình thành mố mối hà hàn hà hàn siêu âm: VI.5.1 Điề Điều kiệ kiện hì hình thành mố mối hà hàn: - Sự hình thành mố mối hà hàn hà hàn siêu âm quyế đị định bở biên độ độ tốc độ độ dao độ động, áp lự lực hà hàn và thờ thời gian hà hàn Mặ Mặt khác chị chịu ảnh hưở hưởng bở tí tính chấ chất củ vật liệ liệu hà hàn và lý lớ lớp mỏ mỏng bề bề mặt vậ vật hà hàn - Khi hà hàn siêu âm, lượ lượng siêu âm đưa vào vù vùng hà hàn làm cho cá phầ phần tử tử vậ vật liệ liệu vậ vật hà hàn dao độ động đà đàn hồ hồi, làm tăng nhiệ nhiệt độ độ vùng hà hàn, làm vỡ vỡ lớp cứng nguộ lớp dầ dầu mỡ mỡ bám vào bề bề mặt và làm nguội bề mặt vậ vật liệ liệu, làm chả chảy lớ biế biến dạng dẻ dẻo vậ vật liệ liệu vậ vật hà hàn gây nên hiệ tượ tượng khuế khuếch tá tán, thẩ thẩm thấ thấu củ vậ vật liệ liệu hà hàn rấ mãnh liệ liệt và gây nên hiệ tượ tượng kế kết tinh lạ lại đố đối vớ với vậ vật hà hàn kim loạ loại làm cho cá vậ vật hà hàn dí dính lạ lại vớ với Liên kế kết kim loạ loại hà hàn siêu âm 27 / 45 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ môn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 - Thự Thực nghiêm chứng minh rằ điề điều kiệ kiện để để vậ vật hà hàn từ từ kim loạ loại khác khuế khác khuếch tá tán thẩ thẩm thấ thấu và dính bá bám vớ với hà hàn siêu âm là củ đườ đường kí kính nguyên tử tử chúng nhỏ nhỏ 15 ÷ 18% - Khi đườ đường kí kính nguyên tử tử chúng khác từ từ 19 đến 44% thì khơng xả xảy q q trì trình thẩ thẩm thấ thấu Điề Điều kiệ kiện nà trù trùng vớ với điề điều kiệ kiện hòa tan cá kim loạ loại ) Như vậ cá kim loạ loại có thể hàn đượ vớ với chúng có có khả khả hòa tan vào thể thể đặ đặc - Tính hà hàn củ kim loạ loại hà hàn siêu âm đượ xá xác đị định bở tí tính chấ chất lý củ vật liệ liệu nhiệ nhiệt độ độ hàn, tí tính chấ chất củ hệ hệ dao độ động và hàng loạ loạt cá yế yếu tố tố khác (như (như trạ trạng thá thái bề bề mặt củ vậ vật hà hàn, cự cực hà hàn…) - Ta xé xét ảnh hưở hưởng củ tố tốc độ độ dao độ động v, áp lự lực F0, và thờ thời gian hà hàn t đế đến quá trì ì nh tạ o nh mố ố i hà n: V ậ t hà n trướ c hà n đượ ợ c é p lạ i vớ i bở i lự ự c tr t th m h h trư h đư l v b l ờng ≈ µm) ép tĩ Dưới tá tác dụ dụng củ F0, lớ lớp nhấ nhấp nhô tế tế vi bề bề mặt vậ vật hà hàn (thư (thườ tĩnh F0 Dướ bị biế biến dạng dẻ dẻo gây nên sự “chả chảy trà tràn” Khi Khi đưa dao độ động siêu âm vào vù vùng hà hàn, gây nên sự biế biến dạng trượ trượt củ lớ lớp kim loạ loại bề bề mặt tiế tiếp xú xúc Sự Sự “chả chảy trà tràn” tiế tiếp tụ tục tăng và xuấ xuất hiệ nhữ điể điểm tiế tiếp xú xúc mớ Đồ Đồng thờ thời lớ lớp oxýt bề bề mặt bị bị vỡ vụn và phá tiếp tụ tục, cứ phát sinh nhữ vù vùng thẩ thẩm thấ thấu kim loạ loại hà hàn lẫ lẫn Biế Biến dạng dẻ dẻo tiế thế tiế tiếp tụ tục làm tăng kí kích thướ thước vù vùng thẩ thẩm thấ thấu và tạo thành mố mối hà hàn 28 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 14 Bản quyền BM Hàn & CNKL 21.09.2007 Cấu trú trúc kim loạ loại củ mố mối hà hàn siêu âm CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding khơng có có lớp ơxit có có lớp ơxit bề bề mặt VD: viện hà hàn Lêningrat (Liên Xô cũ cũ) nghiên cứu thự thực nghiệ nghiệm cấ cấu tạ tạo VD: Ở việ thành mố mối hà hàn vớ với cá kim loạ loại khác (nhôm, (nhôm, đồ đồng, thé thép, mangan, kẽ kẽm, ) Chiề hàn δ = + mm; biên biên độ độ dao độ động ξ = 16 µm; Chiều dà dày vậ vật hà Lực ép tĩ thời gian hà hàn t = 1,2 giây tĩnh F0 = 440KG; thờ Ngườ Người ta quan sá sát đượ hà hàn xả xảy cá hiệ tượ tượng biế biến dạng dẻ dẻo, sự thẩ thẩm thấ tán, nhữ phả phản ứng thấu củ kim loạ loại nà vớ với kim loạ loại khác, q q trì trình khuế khuếch tá hóa họ học, sự chả chảy vù vùng hà hàn và hiệ tượ tượng kế kết tinh lạ lại 29 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 ) Có thể thể giả giả thiế thiết rằ rằng: dao dao độ động siêu âm tạ tạo nên nhữ lỗ lỗ trố trống củ mạ mạng tinh CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding thể thẩm thấ thấu phá phát triể triển thể vùng thẩ thẩm thấ thấu đó tạ tạo điề điều kiệ kiện cho sự thẩ - Thự Thực nghiề nghiềm ngườ người ta chứng minh rằ sứ sức bề bền mố mối hà hàn không phụ phụ thuộ thuộc vào thờ thời gian hà hàn mà mà sức bề bền mố mối hà hàn chỉ tăng tăng số số lượ lượng vù vùng thẩ thẩm thấ thấu - Chế Chế độ độ hàn cũ ảnh hưở hưởng lớ lớn tớ tới quá trì trình tạ tạo thành mố mối hà hàn Ngườ Người ta cho chế chế độ độ hàn hợ hợp lý (biên (biên độ độ dao độ động ξ , tố tốc độ độ hàn v, lự lực ép tĩ tĩnh F0) gây nên ma sá sát bề bề mặt và vậ vật hà hàn, gây nên sự mài mòn và phá phá hủy lớ lớp bề bề mặt tiế xúc, tiế là xuấ xuất tiếp xú xúc, tạ tạo nên sự trượ trượt và biế biến dạng dẻ dẻo lớ lớp tiế tiếp xú hiệ cá vù vùng thẩ thẩm thấ thấu và kết tinh lạ lại bề bền vữ vững hơn - Thự Thực nghiệ nghiệm chứng minh rằ rằng: + Chế Chế độ độ hàn có có ma sá sát mạ mạnh sẽ gây mà mài mòn quá nhiề nhiều bề mặt tiế tiếp xú xúc tạo thành mố mối hà hàn có có sức bề bền thấ thấp + Chế hợp lý cho phé phép nhậ nhận đượ mố mối hà hàn khơng có có dấu vế vết Chế độ độ hàn có có ξ F0 hợ mài mòn và có biế biến dạng dẻ dẻo lớ lớn làm cho sứ sức bề bền mố mối hà hàn tố tốt 30 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 15 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding Bản quyền BM Hàn & CNKL 21.09.2007 VI.5.2 Quá Quá trì trình nhiệ nhiệt hà hàn siêu âm: - Đưa dao độ động siêu âm vào vù vùng hà hàn, dẫ dẫn đế đến nung nóng vù vùng hà hàn (vì (vì dao độ Việc tăng nhiệ nhiệt độ độ vùng hà hàn có có ảnh động đà đàn hồ hồi → ma sá sát → sinh nhiệ nhiệt) Việ hưở hưởng lớ lớn tớ tới sự tạo thành mố mối hà hàn Khi hà hàn siêu âm có có nguồ nguồn phá phát sinh nhiệ nhiệt: mộ ma sá sát vùng tiế tiếp xú xúc giữ cự cực hà hàn và vật hà hàn, mộ ma sá sát vùng tiế tiếp xú xúc giữ cá vậ vật hà hàn vớ với - Bằng thự thực nghiệ nghiệm ngườ người ta đo đượ nhiệ nhiệt độ độ vùng hà hàn bằ 0,6T0 chả chảy củ kim loạ loại hà hàn, nó phụ phụ thuộ thuộc vào tí tính chấ chất lý nhiệ nhiệt củ vậ vật hà hàn, tí tính dẫ dẫn nhiệ nhiệt và nhiệ vào chế chế độ độ hàn nhiệt dung củ vậ vật liệ liệu, và phụ phụ thuộ thuộc Nhiệ Nhiệt sinh hà hàn siêu âm 31 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding - Khi tăng lự lực ép tĩ tĩnh F0 làm giả giảm giá giá trị trị cực đạ đại củ nhiệ nhiệt độ độ (vì (vì: tăng F0 làm giả giảm công suấ suất P, làm tăng diệ diện tí tích tiế tiếp xú xúc, làm tả tản nhiệ nhiệt nhanh Đồ Đồng thờ thời tăng F0 làm giả giảm ma sá sát ngoà ngoài, giả giảm khả khả truyề truyền nhiệ nhiệt) Thự Thực nghiệ nghiệm cho thấ thấy hà hàn đồ đồng, chiề chiều dà dày vậ vật hà hàn δ = 0.8 + 0.8mm; công suấ suất P = 1,5 KW; lự lực ép tĩ tĩnh F0 = 375KG; thì nhiệ nhiệt độ độ vùng hà hàn t0 = 115oC chấ chất lượ lượng mố mối hà hàn tố tốt - Khi tăng biên độ độ dao độ động ξ thì nhiệ nhiệt độ độ vùng hà hàn tăng và tăng thờ thời gian hàn thì nhiệ nhiệt tỏ tỏa cà nhiề nhiều cà làm nhiệ nhiệt độ độ vùng hà hàn tăng 32 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 16 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding Bản quyền BM Hàn & CNKL 21.09.2007 VI.6 Cá Các chú ý hà hàn siêu âm: VI.6.1 Áp lự lực tiế tiếp xú xúc F0: - Áp lự lực tiế tiếp xú xúc F0 cần bả bảo đả đảm đủ đủ lớn để để lượ lượng siêu âm truyề truyền vào vùng hà hàn tố tốt tạ tạo điề điều kiệ kiện cho cá chi tiế tiết hà hàn liên kế kết vớ với Khi áp lự lực ép F0 tăng thì cơng suấ suất hà hàn P tăng, tăng, dộ dộ bền mố mối hà hàn tăng - Nhưng nế tăng F0 lớn quá làm cự cực hà hàn bị bị buộ buộc chặ chặt đó thay đổ đổi tí tính chấ chất hệ hệ dao độ động làm độ độ bền mố mối hà hàn giả giảm Trị Trị số hợp lý củ F0 xác đị định bằ thự thực nghiệ nghiệm VI.6.2 Thờ Thời gian hà hàn t: - Nói chung thờ thời gian hà hàn cà tăng thì cơng suấ suất hà hàn P tăng và độ độ bền mố mối hàn tăng tăng - Khi tăng thờ thời gian hà hàn t, có có thờ thời kỳ kỳ: + Thờ Thời kỳ kỳ 1: 1: P tăng nhanh, nhanh, kim loạ loại vậ vật hà hàn thẩ thẩm thấ thấu mạ mạnh + Thờ Thời kỳ kỳ 2: 2: P tăng + Thờ Thời kỳ kỳ 3: 3: giai giai đoạ đoạn ổn đị định, P không tăng tăng 33 / 45 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 VI.6.3 Biên Biên độ độ dao độ động ξ công suấ suất hà hàn P: - Ngườ Người ta thấ thấy rằ tăng cơng suấ suất P thì biên độ độ dao độ động tăng nên độ độ bền mối hà hàn tăng tăng - Tuy nhiên việ việc tăng ξ dẫn đế đến việ việc giả giảm lự lực ép tĩ tĩnh F0 cho hợ hợp lý Nế Nếu tăng biên độ độ ξ mà giữ giữ nguyên F0 dẫn đế đến sự dính bá bám củ kim loạ loại vậ vật hà hàn vào cự cực hà hàn Còn tăng ξ mà giả giảm F0 thì dẫn đế đến sự thay đổ đổi đặ đặc tí tính tiế tiếp xú xúc vậ vật hà hàn làm ảnh hưở hưởng đế đến chấ chất lượ lượng mố mối hà hàn VI.6.4 Hì kích thướ thước vậ vật hà hàn: Hình dá dáng kí - Hình dá dáng kí kích thướ thước củ vậ vật hà hàn đượ thiế thiết kế kế cho tầ tần số số riêng củ nó tham gia vào hệ hệ dao độ động trù trùng vớ với tầ tần số số riêng củ cả hệ để để dao độ động đạ đạt biên độ độ cực đạ đại (cộ (cộng hưở hưởng), làm tăng độ độ bền mố mối hà hàn VI.6.5 Số lượng cự cực hà hàn: Số lượ - Số lượ lượng cự cực hà hàn cà nhiề nhiều thì độ độ bền mố mối hà hàn cà giả giảm Khi hà hàn mộ mố mối lượ lượng siêu âm tậ tập trung và chấ chất lượ lượng mố mối hà hàn cao VI.6.6 Tố Tốc độ độ dịch chuyể chuyển củ chi tiế tiết hà hàn: - Khi tăng tố tốc độ độ dịch chuyể chuyển củ chi tiế tiết hà hàn, làm hệ hệ dao độ động dễ dễ lệch khỏ khỏi vùng cộ cộng hưở hưởng làm giả giảm độ độ bền mố mối hà hàn Giá Giá trị trị tối ưu củ tố tốc độ độ dịch chuyể chuyển chi tiế tiết hà hàn phả phải đượ xá xác đị định bằ thự thực nghiệ nghiệm 34 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ môn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 17 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding Bản quyền BM Hàn & CNKL 21.09.2007 VI.6.7 Độ Độ bụ bụi bẩ bẩn, dầ dầu mỡ mỡ, mặ mặt vậ vật hà hàn: - Một nhữ ưu việ việt củ hà hàn siêu âm là nhậ nhận đượ mố mối hà hàn tố tốt mà mà không cần gia công sơ bộ bề mặt vậ vật hà hàn để để làm sạ dầ dầu mỡ mỡ lớp oxýt Tuy nhiên mộ số số trườ trường hợ hợp hà hàn không cầ cần làm sạ bề bề mặt vậ vật hà hàn thì độ độ bền giả giảm 10 ÷ 15% VI.6.8 Hì Hình dá dáng đầ đầu cự cực hà hàn: - Đầ nhiệt độ độ cao nên rấ mau mòn, ảnh Đầu cự cực hà hàn làm việ việc ma sá sát lớ lớn nhiệ hưở hưởng lớ lớn đế đến chấ chất lượ lượng mố mối hà hàn - Ngoà Ngoài hà hàn xả xảy hiệ tượ tượng kim loạ loại hà hàn dí dính bá bám vào đầ đầu cự cực hàn (đơi sau ÷ lầ lần hà hàn phả phải làm sạ đầ đầu cự cực hà hàn ) ) Để khắ khắc phụ phục, đầ kế hợp lý: đầu cự cực hà hàn phả phải thiế thiết kế + Đầu cự cực hà hàn hì hình chỏ chỏm cầ cầu: loạ loại nà hà hàn đượ không ổn đị định ứng suấ suất phân bố bố vùng hà hàn không đề + Đầu cự cực hà hàn hì hình chỏ chỏm cầ cầu có có vát: áp lự lực tiế tiếp xú xúc củ cự cực hà hàn vớ với vậ vật liệ định hơn liệu hà hàn đề hơn, hơn, ổn đị + Đầu cự cực hà hàn có có vấu hoặ vấ vấu trụ trụ, mặ mặt phẳ phẳng: loạ loại nà ưu việ việt cả làm việ Nhờ có gờ vai làm cho cự cực hà hàn và vật hà hàn tiế tiếp xú xúc tố tốt việc ổn đị định Nhờ làm cho vậ vật hà hàn chỉ có vấu hà hàn lú lún sâu vào vậ vật hà hàn biế biến dạng không bị bị rách 35 / 45 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ môn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 VI.6.9 Trạ Trạng thá thái bề bề mặt đầ đầu cự cực hà hàn: - Có ảnh hưở hưởng lớ lớn tớ tới sự hình thành mố mối hà hàn và độ độ bền họ học mố mối hà hàn Thông thườ thường bề bề mặt đầ đầu cự cực hà hàn đượ khí khía nhá nhám để để đả đảm bả bảo cho cự cực hà hàn không bị bị trượ trượt chi tiế tiết hà hàn, trá tránh tổ tổn hao công suấ suất hà hàn - Yêu cầ cầu chung là bề mặt cự cực hà hàn phả phải đả đảm bả bảo tiế tiếp xú xúc tố tốt vớ với chi tiế tiết hà hàn VI.6.10 sự mài mòn đầ đầu cự cực hà hàn: - Khi hà hàn siêu âm, đầ đầu cự cực hà hàn dướ tá tác dụ dụng củ dao độ động đà đàn hồ hồi nhiệ nhiệt độ độ cao ma sá sát dễ dễ sinh nhữ vế vết nứ nứt tế tế vi Kim loạ loại vậ vật hà hàn biế biến dạng dẻ dẻo dễ nhét vào cá vế vết nứ nứt đó gây sự dính kế kết giữ cự cực hà hàn và vật liệ liệu - Để Để trá tránh hiệ tượ tượng nà đầ đầu cự cực hà hàn phả phải bề bền, cứng, dai, bị bị nứt làm việ việc Để Để trá tránh nứ nứt cự cực hà hàn có thể làm bằ BKBK-8, sau gia công đượ cứng để để đạ đạt HRC = 40 ÷ 45 - Thự Thực tế tế vật liệ liệu cự cực hà hàn hà hàn siêu âm thườ thường dù dùng thé thép C45, thé thép gió gió P18, thé thép vòng bi, - Nói chung cự cực hà hàn cà cứng thì đầ đầu cự cực hà hàn cà mòn, khó ó d í nh o vậ ậ t hà n kh v v h 36 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ môn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 18 Bản quyền BM Hàn & CNKL 21.09.2007 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding VII Thiế Thiết bị bị hàn siêu âm: Máy hà hàn siêu âm đườ đường (trá (trái) và điể điểm (phả (phải) Sơ đồ đồ cấu tạ tạo má máy hà hàn siêu âm điể điểm 37 / 45 - Thiế Thiết bị bị để để hàn siêu âm (không phụ phụ thuộ thuộc vào tí tính chấ chất vậ vật liệ liệu hà hàn) gồ gồm nhữ khâu sau: nguồ động họ học nguồn cung cấ cấp, thiế thiết bị bị điề điều khiể khiển chu kỳ kỳ hàn, hệ hệ dao độ phậ phận truyề truyền áp lự lực - Bộ phậ dùng để để phận quan trọ trọng nhấ củ thiế thiết bị bị hàn là hệ dao độ động họ học, biế biến dao độ động điệ điện thành dao độ động và truyề truyền dao độ động vào vù vùng hà hàn Hệ Hệ dao độ với hiệ hiệu suấ suất điệ điện – cao nhấ tần số số cộng động cầ cần phả phả làm việ việc vớ hưở hưởng không phụ phụ thuộ thuộc vào sự thay đổ đổi củ trở trở kháng tả tải trọ trọng VII.1 Nguồ Nguồn phá phát dao độ động siêu âm – biế biến tử tử: Nguồ Nguồn điệ điện cao tầ tần Biế Biến tử tử từ giả giảo (hợ (hợp kim Ni) độ ộ dao đ độ ộng Biên đ CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 Phầ Phần tử tử thay đổ đổi kí kích thướ thước bị đặ đặt điệ điện từ từ trườ trường Nguồ Nguồn có có điệ điện áp khơng đổ đổi để từ hóa ban đầ đầu - Điệ Điện áp đặ đặt vào biế biến tử tử thay đổ đổi thì kích thướ thước biế biến tử tử bị thay đổ đổi theo Điể Điểm nú nút dao độ động - Tần số biế biến tử tử = tầ tần số số số thay đổ đổi kí kích thướ thước củ nguồ nguồn điệ điện cao tầ tần 38 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 19 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding Bản quyền BM Hàn & CNKL 21.09.2007 Bộ biế biến đổ đổi điệ điện - (biế (biến tử tử) đượ làm bằ vậ vật liệ liệu từ từ giả giảo (Ni, FeFe-C0, hoặ vật liệ tử làm bằ vậ vật liệ liệu từ từ giả giảo có có hình dạng mộ lõi liệu áp điệ điện) Biế Biến tử biế biến thế đượ ghé ghép từ từ nhữ tấ mỏ mỏng, lõi lõi đượ cuố dây Dòng điệ điện cao tầ tần truyề truyền vào cuộ cuộn dây sẽ tạo nên trườ trường điệ điện từ từ Dướ Dưới tá tác dụ dụng củ trườ trường điệ điện từ từ lõi phá phát sinh ứng suấ suất họ học và gây biế biến dạng đà đàn hồ hồi vậ vật liệ liệu Bở Bởi vậ biế biến tử tử nguồ nguồn phá phát dao độ động đà đàn hồ hồi Thanh truyề truyền sóng 2, dù dùng để để truyề truyền lượ lượng từ từ nguồ nguồn dao độ động đế đến cự cực hà hàn 4, 4, đồng thờ i ó có ó nhiệ ệ m vụ ụ khuế ế ch đạ i biên độ ộ dao độ ộ ng Cự ự c hà n truyề ề th n c nhi v khu đ đ đ C h truy n trự trực tiế tiếp dao độ động đà đàn hồ hồi vào vù vùng hà hàn, nó quyế đị định diệ diện tí tích và khố khối lượ lượng vùng hà hàn HF 39 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ môn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding VII.2 Đặ Đặc tí tính củ tả tải trọ trọng hà hàn: Xét mộ truyề truyền só sóng củ hệ hệ dao độ động siêu âm hà n, tá c dụ ụ ng o đầ ầ u mộ h t d v đ lực dao độ động Fm (do biế biến tử tử siêu âm phá phát ra), lực nà làm cho dao độ động vớ với biên độ độ ξm tốc độ độ dao độ động vm đầ đầu Nế Nếu mộ đầ đầu truyề truyền vào cự cực hà hàn và ép lên vậ vật hà hàn ta nói bị bị tác dụ dụng mộ tả tải trọ trọng - Trở Trở kháng Z củ tả tải trọ trọng trườ trường hợ hợp chung có thể viế viết: Z = R + jX Ở đây: thành phầ phần tá tác dụ dụng củ trở trở kháng tả tải trọ trọng: đây: R – R= Fm cos ϕ vm X = Fm sin ϕ vm j = −1 φ góc pha củ dao độ động x- thành phầ phần phả phản kháng củ trở trở kháng tả tải trọ trọng Trở Trở kháng củ tả tải trọ trọng ảnh hưở hưởng lớ lớn đế đến quá trì trình dao độ động củ hệ hệ: - Nếu R = tứ tức là đầ đầu cự cực hà hàn tự tự mà mà không tiế tiếp xú xúc vớ với vậ vật hà hàn, ngườ người ta thấ thấy ξm = ξmax, nghĩ nghĩa là biên độ độ dao độ động cự cực đạ đại 40 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 20 Bản quyền BM Hàn & CNKL CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding - N ếu 21.09.2007 R= Fm = S W = S ρ c vm (Ở đây: đây: W = ρ.c là trở trở kháng riêng củ só sóng, ρ - mật độ độ vật liệ liệu, c – tốc độ độ truyề truyền só sóng, S - diệ diện tí tích tiế tiết diệ diện thanh) Trong ngườ người ta quan sá sát thấ thấy có có sóng chạ chạy và điể điểm đầ đầu biên độ dao độ động có có trị trị số ξm - Nếu R >> SW → ∞ thì điể điểm đầ đầu ξ = 0, nghĩ nghĩa là đầ đầu cự cực hà hàn hoà hoàn toàn bị kẹp chặ chặt và khơng có có dao độ động ) Thà Thành phầ phần phả phản kháng X củ tả tải trọ trọng làm thay đổ đổi tầ tần số số riêng củ hệ hệ dao độ động (vì (vì làm thay đổ đổi khố khối lượ lượng củ hệ hệ dao độ động… ng…), đó làm cho hệ hệ dao độ động chệ chệch khỏ khỏi phạ phạm vi tầ tần số số cộng hưở hưởng Điề Điều nà ngườ người ta rấ khơng mong muố muốn vì q q trì trình hà hàn hay gia cơng siêu âm chỉ thể thự thực hiệ có có hiệ hiệu quả hệ hệ dao độ động làm việ việc chế chế độ độ cộng hưở hưởng ) Thà trọng R đượ xá xác đị định bở nhữ tổ tổn hao Thành phầ phần tá tác dụ dụng củ tả tải trọ vùng hà hàn nơi ma sá sát (phụ (phụ thuộ thuộc vào tí tính chấ chất vậ vật liệ liệu, tầ tần số số dao độ động, nhiệ nhiệt độ độ…) và ma sá sát ngoà giữ cự cực hà hàn vớ với vậ vật hà hàn, giữ cá chi tiế tiết hàn vớ với 41 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding VII.3 Sự Sự liên hệ hệ giữ tả tải trọ trọng và hệ dao độ động: - Hệ dao độ động họ học, củ thiế thiết bị bị hàn siêu âm cầ cần phả phải làm việ việc chế chế độ độ cộng hưở ng để ể đạ t biên độ ộ dao độ ộ ng cự ự c đạ i Tả ả i trọ ọ ng có ó xu hướ ng lôi trệ ệ ch hệ hư đ đ đ đ c đ T tr c hư tr hệ khỏ khỏi cù cộ cộng hưở hưởng (vì (vì thay đổ đổi kí kích thướ thước, thay đổ đổi khố khối lượ lượng… ng…) Để trì trì chế chế độ độ cộng hưở hưởng có thể thự thực hiệ bằ cá cách: + Thay đổi tầ tần số số dòng điệ điện cung cấ cấp để để làm cho tầ tần số số dòng điệ điện trù trùng vớ với Thay đổ tần số số riêng củ hệ hệ dao độ động có có tải trọ trọng + Điề Điều chỉnh tầ tần số số riêng củ hệ hệ dao độ động - Trong quá trì trình hà hàn, trở trở kháng củ tả tải trọ trọng thay đổ đổi (vì (vì nhiệ nhiệt độ độ thay đổ đổi, tính chấ chất ma sá sát thay đổ đổi,… i,…) cơng suấ suất họ học củ hệ hệ dao độ động cũ thay đổ đổi làm ảnh hưở hưởng đế đến độ độ bền và chấ chất lượ lượng mố mối hà hàn - Ta xé xét điề điều kiệ kiện chủ chủ yếu để để làm ổn đị định công suấ suất tiêu hao vù vùng hà hàn: Biế xá xác đị định theo biể biểu thứ thức: Biết công suấ suất họ học củ hệ hệ dao độ động đượ ξm v R S R R = ( )2 = = 2(πf ξ m ) R 2 t 2 ) ( 2πf p= Ở đây: đây: v – tốc độ độ dao độ động, s – chuyể chuyển vị vị dài, t – thờ thời gian, f – tần số số dao độ động, ξm – biên độ độ dao độ động, R – tải trọ trọng 42 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ môn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 21 Bản quyền BM Hàn & CNKL 21.09.2007 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding Nhưng lự lực dao độ động F = v.R = 2π 2πf.ξ f.ξ.R Do đó : P = πf.ξ f.ξ.F Từ biể biểu thứ thức nà cho thấ thấy: + Công suấ suất củ mỗ phầ phần tử tử hệ hệ dao độ động (trong số số đó có cực hà hàn) phụ phụ thuộ thuộc vào tầ tần số số dao độ động f, biên độ độ dao độ động ξ, và lực dao độ động F + Để ổn đị độ dao đơng ξ thì phả phải giả giảm lự lực F định công suấ suất P nế tăng biên độ + Hệ Hệ dao độ động chị chịu ảnh hưở hưởng lớ lớn bở áp lự lực tĩ tĩnh củ đầ đầu hà hàn ép lên vậ vật hàn Bằ Bằng thự thực nghiệ nghiệm ngườ người ta thấ thấy rằ lự lực ép tĩ tĩnh cà lớ lớn thì biên độ độ dao độ động ξ giả giảm ) Như vậ vậy, để để ổn đị định biên độ độ dao độ động, ổn đị định công suấ suất củ hệ hệ ổn đị định ụ ng nhữ ữ ng hệ ệ thố ố ng hợ ợ p lý độ ộ b ề n, chấ ấ t lượ ợ ng mố ố i hà n cầ ầ n phả ả i sử d nh h th h đ ch lư m h c ph s cho đạ đạt đượ biên độ độ dao độ động cự cực đạ đại ) Khi sử sử dụng thiế thiết bị bị, không không đượ tự tự ý sử sửa đổ đổi kế kết cấ cấu củ hệ hệ dao độ động!!! 43 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ môn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding VIII Cá Các ứng dụ dụng khác củ siêu âm: Ngà Ngày ứng dụ dụng củ dao độ động siêu âm rấ rộ rộng rãi, tậ tập trung vào hai hướ hướng: ể : thông tin liên lạ c, đo lườ ng kiể - Sử dụng só ó ng siêu âm có ó biên độ ộ nhỏ ỏ để l lư kiểm s c đ nh đ tra, tra, thăm thăm dò khuyế khuyết tậ tật, chuẩ chuẩn đoán và điề điều trị trị bệnh, tự tự độ động hoá hoá sản xuấ xuất, tự tự độ động hoá hoá điề điều khiể khiển, - Sử dụng só sóng siêu âm có có biên độ độ lớn để để: tác dụ dụng vào vậ vật chấ chất và q q trì cường hố hố q q trì trình hố hố lý (tăng tố tốc cho phả phản ứng trình cơng nghệ nghệ như: như: cườ hóa họ học); tăng cườ cường cá quá trì trình phân huỷ huỷ; khử khử khí khí tạ tạp chấ chất chấ chất lỏ lỏng; rử rửa sạ chi tiế tiết và vật liệ liệu (nhờ (nhờ hiệ hiệu ứng xâm thự thực – cavitation); gia cơng (cắ (cắt gọ gọt) kí kích thướ thước cá vậ vật liệ liệu cứng dòn; hà hàn kim loạ loại, hợ hợp kim và chấ chất dẻ dẻo; đú đúc kim loạ loại đen và kim loạ loại mà màu; gia công, nhiệ nhiệt luyệ luyện và hoá hoá nhiệ nhiệt luyệ địa chấ chất, quố quốc phòng, luyện Siêu âm ứng dụ dụng có có hiệ hiệu quả ngà ngành đị nông nghiệ nghiệp và thự thực phẩ phẩm v.v 44 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ mơn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 22 Bản quyền BM Hàn & CNKL 21.09.2007 IX Mộ Một số số hãng chế chế tạo thiế thiết bị bị hàn siêu âm: CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding - Telsonic – Thụ Thụy sỹ sỹ - AmTech – Mỹ - Dukane - Nga 45 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ môn Hàn & CNKL - ĐHBK HN, toai-dwe@mail.hut.edu.vn, Tel: 04.868 4542, Fax: 04.868 4543 23 ... 4543 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding III.3 Cá Các dạng hà hàn siêu âm: Hàn siêu âm điể điểm Hàn siêu âm đườ đường 14 / 45 Biên soạn: ThS KSHQT Vũ Đình Toại - Bộ môn Hàn & CNKL... quyền BM Hàn & CNKL 21.09.2007 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding VI.5 Cơ chế chế hình thành mố mối hà hàn hà hàn siêu âm: VI.5.1 Điề Điều kiệ kiện hì hình thành mố mối hà hàn: ... 15 CÁC QT HÀN ĐẶC BIỆT: Hàn siêu âm – Ultrasonic welding Bản quyền BM Hàn & CNKL 21.09.2007 VI.5.2 Quá Quá trì trình nhiệ nhiệt hà hàn siêu âm: - Đưa dao độ động siêu âm vào vù vùng hà hàn, dẫ