Giáo trình hàn siêu âm

Khái niệm: Hàn siêu âm là quá trình hàn áp lực sửd ng năng lượng cơ h c của dao đ ng siêu âm làm biến dạng dẻo cục b tại bề mặt mối ghép, làm cho các phần tử của chi tiết hàn khuếch tán,

II Khái niệm: Hàn siêu âm là quá trình hàn áp lực sử

d ng năng lượng cơ h c của dao đ ng siêu âm làm biến dạng dẻo cục b tại bề mặt mối ghép, làm cho các phần tử của chi tiết hàn khuếch tán, thẩm thấu lẫn nhau và liên kết với nhau tạo thành mối hàn.

I Từ khóa: Anh: : Ultrasonic welding Ultrasonic welding (Ultrasound welding)

Pháp: Soudage Soudage par ultrasons

Đ c: : Ultraschallschwei Ultraschallschwei ßen

Số hiệu theo ISO 4063: ISO 4063: 41 41

- Dao động siêu âm lan truyền dưới dạng sóng đàn hồi trong môi trường khí lỏng và rắn.

II.1 Siêu âm:

-T y thuộc vào tính chất của môi trường đàn hồi, có 2 loại sóng siêu âm:

* Sóng dọc: gây nên sự co dãn trong môi trường ng r r ắn, lỏng hoặc khí

* Sóng trượt: gây nên sự trượt giữa các lớp của môi trường ng ch ch ất rắn

-T y thuộc vào nguồn phát, 2 loại sóng cơ bản trên được chia ra:

* Sóng phẳng: phát ra từ nguồn phát là mặt phẳng, nó truyền theo phương thẳng góc với bề mặt phát

* Sóng trụ: phát ra từ nguồn phát là mặt trụ, nó lan truyền theo phương hướng kính, thẳng góc với mặt trụ

* Sóng cầu: phát ra từ nguồn phát là mặt cầu, nó lan truyền theo mọi phương, thẳng góc với mặt cầu

II.2 Phân loại sóng âm và siêu âm:

-Theo công dụng, trong môi trường đàn hồi hạn chế, VD: trong các thanh:

* Sóng dọc: là sóng đàn hồi, co dãn, hướng dao động của các phần tử trùng với hướng truyền sóng

* Sóng dọc - ngang: là sóng đàn hồi vừa có dao động dọc vừa có dao động ngang của các phần tử theo phương truyền sóng

* Sóng ngang: là sóng đàn hồi mà hướng dao động của các phần tử thẳng góc với phương truyền sóng

∂

∂ +

22

1

z

P y

P x

P t

P c

* Sóng xoắn: là sóng trượt mà mỗi tiết diện ngang nằm ở vị trí của nó nhưng quay quanh trục thanh, còn trục thanh vẫn giữ nguyên Sóng xoắn nhận được khi thanh chịu tác dụng của mômen xoắn đàn hồi

Sóng dọc phẳng 2D

p1 - áp lực tĩnh của môi trường

p 2 - áp lực thay đổi do sóng âm gây ra

) cos(

c

p 0 = ρ 0 = ρ ω

f

.

II.5 Năng lượng âm (E): Mật độ năng lượng âm có thể x c định theo động năng

khi tốc độ dao động đạt cực đại

2

.

2

1

2

.

2

0

2 0 2

v V

v V V

v m

Ở đây: E – mật độ năng lượng âm; v 0 – biên độ tốc độ

A – biên độ dịch chuyển; V – thể t ch môi trường II.6 Cường độ âm (I): Cường độ âm là năng lượng âm truyền qua một đơn vị

diện tích bề mặt đặt thẳng góc với phương truyền sóng sau một đơn vị thời gian

c

p A

c c

E

I

2

2

1

202

2

ρ ω

=

Cường độ âm nghe được < 10-3W/cm2

Cư ng độ âm trung bình từ 0.1 ÷ 2 W/cm2

Cư ng độ âm cao > 10W/cm2

Z

F S Z

F

v = = v0 = ω A = 2 π f A

Ở đây: v 0 - biên độ tốc độ; S- diện tích; F 0 - biên độ lực; A- Biên độ dao động

- Đại lượng Z và Z 0 là tr kháng tác dụng, nó không tích lũy năng lượng mà tiêu hao năng lượng ở dạng tổn hao nhiệt

- Trở kháng sóng có ý nghĩa lớn đối với sự truyền sóng, nó biểu thị ảnh hưởng của môi trường đến tốc độ dao động Nếu môi trường không có tổn hao thì biên

độ tốc độ s không thay đổi

2

Ở đây: I, A – cường độ âm và biên độ dao động

I0, A0– cường độ âm và biên độ dao động ban đầu

II.10 Sự phản xạ v khúc xạ của sóng âm:

Sóng âm khi truyền qua biên giới phân chia giữa hai môi trường có sinh ra hiện tượng phản xạ v khúc xạ Cường độ phản xạ của sóng âm xác định theo biểu thức:

212211

2211

.

.

Z Z

Z Z c c

c c

K

+

−

= +

−

=

ρ ρ

ρ ρ

- Nếu sóng tới từ môt trường 1 đập vào biên giới phân chia môi trường với góc tới θ 1 , và khúc xạ vào môi trường 2 với góc khúc xạ θ 2 thì sự liên hệ giữa

θ 1 và θ 2 được xác định theo biểu thức:

2 1 2

θ Nếu c2> c1thì θ2> θ1; khi θ2= 90o thì góc tới lúc này gọi là góc

tới “tới hạn” θth Nếu θ1> θththì xảy ra phản xạ hoàn toàn, năng lượng dao động không truyền được từ môi trường 1 vào môi trường 2

III Nguyên lý hàn siêu âm:

1- Oscillator – nguồn dao động siêu âm (tần số không đổ 2- Coupler – thanh truyền sóng

3- Fixing – khớp nối cố định 4- Sonotrode – cực hàn (thanh truyền và khuếch đại biên độ dao động) 5- Workpiece – chi tiết hàn

6- Anvil – giá đỡ (đe) 7- Clamping force – b tạo lực ép 8- Direction of vibration – hướng dao động HF

truyền vào biến tử 1 để tạo ra dao động

cơ học với tần số siêu cao

Siêu âm từ biến tử 1 truyền qua thanh truyền sóng 2 qua khớp nối 3, rồi truyền vào cực hàn 4 và truyền dao

đ ng siêu âm cho chi tiết hàn 5

C c hàn 4 ép các chi tiết hàn 5 bằng một lực nhất định nhờ b tạo lực ép 7.

Dưới tác dụng của dao động đàn hồi siêu cao tần, lớp màng bề mặt của chi tiết hàn sẽ bị phá h y và c c phần tử của vật liệu ở vùng hàn có sự khuếch tán, thẩm thấu lẫn nhau rất nhanh (từ 1/10 đến vài giây) tạo nên liên kết hàn.

Biến dạng dẻo cục bộ tại các đỉnh tiếp xúc và nhiệt do ma sát sẽ làm cho quá trình hàn dễ dàng hơn!

III.1 Mô tả quá trình:

-Chi tiết hàn phía trên sẽ dao động theo phương song song với bề mặt tiếp xúc giữa 2 chi tiết hàn

-Nhờ có lực ép nên sẽ có ma sát giữa

2 chi tiết hàn Æsinh nhiệt tại chỗ tiếp xúc

-Nhờ có lực ép và sự trượt mạnh làm cho các đỉnh tiếp xúc bị biến dạng dẻo cục bộ

h n

2 Các nguyên tử khuếch tán lẫn nhau khi lớp ôxit bị phá

h y

3 Khi không còn lớp ôxit ngăn cách, liên kết kim loạ được hình thành

Liên kết kim loại khi hàn siêu âm

Biến dạng dẻo cục bộ khi hàn siêu âm

Nhiệt sinh ra khi hàn siêu âm

III.3 Các dạng hàn siêu âm:

Hàn siêu âm điểm

Hàn siêu âm đường

- Hướng dao động vuông góc với mặt tiếp xúc của các chi tiết hàn

IV Đặc điểm của hàn siêu âm:

Ưu điểm của hàn siêu âm:

- Có khả năng tự phá b lớp oxýt bề mặt và làm sạch tốt dầu mỡ nhờ có ma

s t, dịch trượt giữa các vật hàn Hàn siêu âm có khả năng hàn nối các chi tiết kim loại mà không cần làm sạch lớp bề mặt, không cần nấu chảy chỗ hàn.

Điều này rất lợi khi hàn dây dẫn trong thiết bị điện, điện tử.

- Hàn siêu âm có thể hàn tốt những kim loại có điện trở nhỏ như đồng điện kỹ thuật, nhôm, bạc, vàng, …) mà c c phương pháp khác khó khăn.

- Hàn siêu âm không hạn chế chiều dày vật hàn, đặc biệt có thể hàn được cá

lá kim loại rất mỏng, hàn các giấy kim loạ

- Hàn siêu âm có thể hàn các kim loại khác nhau với nhau, hàn kim loại với phi kim, hàn chất dẻo, hàn xương,

- Hàn siêu âm cho phép các chi tiết hàn có tỷ lệ chiều dày tới 1:1000.

- Hàn siêu âm tiêu tốn ít năng lượng, dễ tự động hóa, thời gian hàn nhanh Nhược điểm của hàn siêu âm:

- Nhược điểm cơ bản của hàn siêu âm là chất lượng mối hàn không ổn định do

ξ, f, F 0 không ổn định và bề mặt vật hàn không tố

V Ứng dụng của hàn siêu âm:

- Hàn siêu âm là một phương pháp hàn tiên tiến, rất có triển vọng

- Phạm vi ứng dụng rất rộng rãi và đa dạng V.1 Hàn các dây dẫn điện

V.4 Hàn các liên kết chồng cho nhôm, đồng,

)Hàn siêu âm thường dùng để hàn các màng mỏng, tấm mỏng, dây kim loại, trong công nghiệp điện, điện tử v cơ khí chính xá

VI Công nghệ hàn siêu âm:

VI.1 Những đặc điểm của công nghệ hàn siêu âm:

1 Hàn siêu âm là quá trình đưa dao động vào vùng hàn ở tần số siêu âm.

Trong vùng hàn do có sự truyền ứng suất đàn hồi nên dễ phát sinh các vết nứt tế vi Kim loại hàn càng kém dẻo thì v t nứt tế vi càng nhiều Để giảm cá

v t nứt tế vi người ta kẹp chắc vật hàn bằng các bàn kẹp có tấm đệm cao su

v làm sạch sơ bộ ba via, ủ sơ bộ v t hàn nếu cần.

2 khi hàn dễ x y ra hiện tượng tách các chi tiết hàn ra với nhau Để khắc phục hiện tượng này cũng cần dùng bàn kẹp để k p chặt chi tiết ở vị trí hàn Điều này có thể làm tăng sức bền mối hàn lên 60%.

3 Khi hàn siêu âm cực hàn càng ép chặt vào vật hàn thì năng lượng siêu âm truyền vào vùng hàn càng tăng nhưng cực hàn dễ dính bám vào vật hàn Để khắc phục hiện tượng này người ta chọn vật liệu làm cực hàn sao cho dễ bám chắc vào cực hàn nhưng chưa đủ khả năng dính bám.

4 Hàn siêu âm làm việc ở chế độ cộng hưởng để có biên độ dao động cực đạ Nếu trệch ra khỏi vùng cộng hưởng hiệu quả s giảm Để đảm bảo điều nà không được tùy tiện thay đổi hình dáng kích thước của hệ dao động nhất là thanh truyền sóng.

T T ần số siêu âm: 20 65 KHz (mỗi máy hàn có duy nhất 1 giá trị ần số)

- Biên độ dao động siêu âm: 1 50 µm

-Lực ép: 1 6000 N

-Thời gian hàn: 0,005 1 s

-Chuẩn bị bề mặt chỗ hàn: không cần

-Nhiệt độ cực đại tại vùng hàn: < 60% T o chảy lỏng

-Biến dạng dẻo cục bộ: < 5% chiều dày phôi hàn

Các thông số được điều chỉnh trong quá trình hàn

Khoảng chiều dày có thể hàn của phôi ở phía tiếp giáp với điện cực hàn [mm]

(chiều dày phôi ở phía gá k p là không hạn chế)

VI.4 Những thông số cơ bản xác định quá trình hàn và ảnh hưởng của chúng:

VI.4.1 Ảnh hưởng của biên độ dao động đầu hàn ξ đến quá trình hàn:

- Biên độ dao động đầu hàn ξ là thông số cơ bản của hàn siêu âm, nó x c định khả năng khử b lớp oxýt ở bề mặt vật hàn, nó ảnh hưởng đến kích thước vùng biến dạng dẻo và ảnh hưởng đến chất lượng mối nối

-Nếu tăng ξ thì độ bền mối hàn tăng Nhưng nếu tăng ξ quá mức thì có thể x y

ra sự phá h y mối hàn Ngược lại nếu ξ nhỏ quá thì không đủ công suất để tạo thành mối hàn

-Nếu chiều dày vật hàn tăng thì ổn hao sẽ tăng, đòi hỏi biên độ dao động ξ phải tăng Trị số của biên độ tỷ lệ với p lực pháp tuyến và có thể x c định bằng biểu thức:

Ở đây: k - à hằng số ≈ 1µk; h - chiều cao vùng biến dạng dẻo của mối hàn;

τx - ứng suất tiếp trong vùng biến dạng; G môđun trượt.

)Thường nếu chiều dày vật hàn δ = 0.01 ÷ 0.2 mm thì ξ = 3 ÷ 4 µk;

nếu δ = 1 ÷ 2 mm thì ξ = 10 ÷ 13 µk.

k h G

x +

= τ

ξ

VI.4.2 Ảnh hưởng của áp lực ép tĩnh:

-Khi hàn siêu âm, để nhận được mối hàn, cực hàn cần ép lên vật hàn một lực

ép tĩnh nhất định F 0 Lực ép tĩnh F 0 rất quan trọng khi hàn, nó đảm bảo sự tiếp xúc của cực hàn với vật hàn, đảm bảo ma sát cần thiết để phá h y lớp oxýt bề mặt vật hàn, gây nên sự chảy dẻo trong vùng hàn và mang năng lượng vào vùng hàn, truyền năng lượng cho các phần tử v t hàn để chúng khuếch tán, thẩm thấu lẫn nhau

-F 0 tăng với sự tăng giới hạn chảy, độ cứng và chiều dày vật liệu hàn.

Xác định lực ép tĩnh F 0 theo biểu thức sau:

F 0 = б T S

Ở đây: б T – giới hạn chảy của vật liệu hàn.

S – diện tích điện cực hàn – v t cực hàn trên phôi.

- Khi F0 = 0 thì trở kháng của tải trọng và công suất đưa vào vùng hàn = 0

- Khi F0 → ∞thì ξ→ 0 và cực hàn coi như bị k p chặt.

Thường F0 = 30; 60; 90; 120; 150KG.

Chú ý: : khi h khi h àn, do vật hàn biến dạng nên có sự thay đổi diện tích tiếp xúc của cực hàn với vật hàn dẫn đến thay đổi trở kháng cơ học của hệ v thay đổi lực ép tĩnh F 0

- Quan hệ giữa F 0 , ξ v P được cho dưới đây:

)Ngoài ra khi chiều dày vật hàn tăng thì công suất yêu cầu P cũng phải tăng

120 - 2007

500

55 – 9015

500

33 – 5425

500

F0[Kg]

ξ [µm]

P [W]

VI.5 Cơ chế hình thành mối hàn khi hàn siêu âm:

VI.5.1 Điều kiện hình thành mối hàn:

- S hình thành mối hàn khi hàn siêu âm quyết định bởi biên độ v tốc độ dao động, áp lực hàn và thời gian hàn Mặt khác chịu ảnh hưởng bởi tính chất của

v t liệu hàn và cơ lý lớp mỏng bề mặt vật hàn.

- Khi hàn siêu âm, năng lượng siêu âm đưa vào vùng hàn làm cho các phần tử của vật liệu vật hàn dao động đàn hồi, làm tăng nhiệt độ vùng hàn, làm vỡ lớp cứng nguội ở bề mặt vật liệu, làm chảy lớp dầu mỡ bám vào bề mặt và làm biến dạng dẻo vật liệu vật hàn gây nên hiện tượng khuếch tán, thẩm thấu của

c c vật liệu hàn rất mãnh liệt và gây nên hiện tượng kết tinh lại đối với vật hàn kim loại làm cho các vật hàn dính lại với nhau.

Liên kết kim loại khi hàn siêu âm

- Khi đường kính nguyên tử của chúng ng kh kh ác nhau từ 19 đến 44% thì không xả

ra quá trình thẩm thấu Điều kiện này trùng với điều kiện hòa tan các kim loạ

) Như vậy các kim loại có thể hàn được với nhau khi chúng có khả năng hòa tan vào nhau ở thể đặc.

- Tính hàn của kim loại khi hàn siêu âm được xác định bởi tính chất cơ lý của

v t liệu ở nhiệt độ hàn, tính chất của hệ dao động và hàng loạt các yếu tố khá (như trạng thái bề mặt của vật hàn, cực hàn…).

- Ta xét ảnh hưởng của tốc độ dao động v, áp lực F 0 , và thời gian hàn t đến quá trình tạo thành mối hàn: n: VVật hàn trước khi hàn được ép lại với nhau bởi l c

ép tĩnh F0 Dưới tác dụng của F0, lớp nhấp nhô tếvi bềmặt vật hàn (thường ≈2 µm)

bịbiến dạng dẻo gây nên sự“chảy trà ” Khi đưa dao động siêu âm vào vùng hàn,gây nên sựbiến dạng trượt của lớp kim loại bềmặt tiếp xúc Sự“chảy trà ”tiếp tục tăng vàxuất hiện những điểm tiếp xúc mới Đồng thời lớp oxýt bềmặt bịvỡvụn vàphát sinh những vùng thẩm thấu kim loại hàn lẫn nhau Biến dạng dẻo tiếp tục, cứthếtiếp tục làm tăng kích thước vùng thẩm thấu vàtạo thành mối hàn

Lực ép tĩnh F 0 = 440KG; thời gian hàn t = 1,2 giây

Người ta đã quan sát được khi hàn xảy ra các hiện tượng biến dạng dẻo, sự thẩm thấu của kim loại này với kim loại khác, quá trình khuếch tán, những phản ứng

h a học, sự chảy trong vùng hàn và hiện tượng kết tinh lạ

-Thực nghiềm người ta còn chứng minh rằng sức bền mối hàn không phụ thuộc

v o thời gian hàn mà sức bền mối hàn chỉ tăng khi tăng số lượng vùng thẩm thấu.

-Chế độ hàn cũng ảnh hưởng lớn tới quá trình tạo thành mối hàn Người ta cho rằng chế độ hàn hợp lý (biên độ dao động ξ , tốc độ hàn v, lực ép tĩnh F 0 ) gây nên ma sát trên bề mặt và trong vật hàn, gây nên sự mài mòn và phá h y lớp bề mặt tiếp xúc, tạo nên sự trượt và biến dạng dẻo lớp tiếp xúc, tiếp theo là xuất hiện các vùng thẩm thấu và k t tinh lại bền vững hơn

VI.5.2 Quá trình nhiệt khi hàn siêu âm:

- Đưa dao động siêu âm vào vùng hàn, dẫn đến nung nóng vùng hàn (vì dao động đàn hồi → ma sát → sinh nhiệt) t) Vi Vi ệc tăng nhiệt độ vùng hàn có ảnh hưởng lớn tới sự tạo thành mối hàn Khi hàn siêu âm có 2 nguồn phát sinh nhiệt: một do ma sát ở vùng tiếp xúc giữa cực hàn và v t hàn, một do ma sát ở vùng tiếp xúc giữa các vật hàn với nhau.

- Bằng thực nghiệm người ta đo được nhiệt độ ở vùng hàn bằng 0,6T 0 chảy của kim loại hàn, nó phụ thuộc vào tính chất lý nhiệt của vật hàn, tính dẫn nhiệt và nhiệt dung của vật liệu, và phụ thuộc vào chế độ hàn.

Nhiệt sinh ra khi hàn siêu âm

Thực nghiệm cho thấy khi hàn đồng, chiều dày vật hàn δ = 0.8 + 0.8mm; công suất P = 1,5 KW; lực ép tĩnh F0 = 375KG; thì nhiệt độ ở v ng hàn t0 = 115 o C và chất lượng mối hàn tố

- Khi tăng biên độ dao động ξ thì nhiệt độ vùng hàn tăng và khi tăng thời gian hàn thì nhiệt tỏa ra càng nhiều càng làm nhiệt độ vùng hàn tăng

VI.6.2 Thời gian hàn t:

- Nói chung thời gian hàn càng tăng thì công suất hàn P tăng và độ bền mối hàn tăng

- Khi tăng thời gian hàn t, có 3 thời kỳ:

+ Thời kỳ 1: P tăng nhanh, kim loại vật hàn thẩm thấu mạnh + Thời kỳ 2: P tăng ít.

+ Thời kỳ 3: giai đoạn ổn định, P không tăng.

VI.6.3 Biên độ dao động ξ v công suất hàn P:

Người ta thấy rằng tăng công suất P thì biên độ dao động tăng nên độ bền mối hàn tăng

- Tuy nhiên việc tăng ξ dẫn đến việc giảm lực ép tĩnh F 0 sao cho hợp lý Nếu tăng biên độ ξ mà giữ nguyên F 0 s dẫn đến sự dính bám của kim loại vật hàn

v o cực hàn Còn tăng ξ mà giảm F 0 thì dẫn đến sự thay đổi đặc tính tiếp xúc của vật hàn làm ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn

VI.6.4 Hình dáng kích thước vật hàn:

- Hình dáng kích thước của vật hàn được thiết kế sao cho tần số riêng của nó tham gia vào hệ dao động trùng với tần số riêng của cả hệ để khi dao động đạt biên độ cực đại (cộng hưởng), làm tăng độ bền mối hàn

VI.6.5 Số lượng cực hàn:

- Số lượng cực hàn càng nhiều thì độ bền mối hàn càng giảm Khi hàn một mối năng lượng siêu âm tập trung hơn và chất lượng mối hàn cao hơn

VI.6.6 Tốc độ dịch chuyển của chi tiết hàn:

- Khi tăng tốc độ dịch chuyển của chi tiết hàn, làm hệ dao động dễ lệch khỏi vùng cộng hưởng làm giảm độ bền mối hàn Giá trị ối ưu của tốc độ dịch