Siêuăơmăđ căđ nhăngh aălƠăn ngăl ngăđ c t o ra b i sóng âm thanh khi truy n
quaămơiătr ng v t ch t v i t n s l năh năho c b ng 20 (kHz). T n s nh nh t c a siêu
ơmăđ căxácăđnh là t n s t iăđaămƠăconăng i có th ngheăđ c hay còn g iălƠăng ng nghe trên.
Hình 3.1: Các vùng t n s c a sóng âm.
Siêu âm có t n s l năh nă100ăkHzăđ c ng d ng nh ng n i mà s truy n sóng
không gây nh h ng nào lên v t th mà nó truy n qua, bao g m các ng d ng nh siêu âm trong y h c, ki m tra không phá h y. N ng l ng t i n i mà nh ng sóng này đ c t o ra là t ng đ i nh v i c ng đ trong kho ng 0.1-0.5W/cm2.
Siêu âm có t n s t 20-100 (kHz) đ c s d ng trong nh ng ng d ng đòi h i
m t l ng n ng l ng l n ví d nh quá trình gia công ch t o (g i là siêu âm n ng
l ng cao).ăC ng đ thôngăth ng đ c s d ng trong siêu âm n ng l ng cao là trên
10W/cm2. N ng l ng c n thi t c a nh ng ng d ng này đ c truy n t i v t li u c n
đ c gia công thông qua m t ho c nhi u chi ti t siêu âm nh b chuy năđ i, chuy năđ i t daoăđ ngăđi năthƠnhădaoăđ ngăc .
3.2. Nguyên lý hàn siêu âm
Ngu n phát siêu âm nh n ngu năđi n xoay chi u 220V/50Hz và bi n chúng thành t n s 20ăkHz.ăN ngăl ngănƠyăđ c truy n t i b chuy năđ i g măápăđi n, giúp chuy n
đ iădaoăđ ngăđi năthƠnhădaoăđ ngăc ăcùngăt n s .ăBiênăđ daoăđ ngăc ă đ u ra c a b chuy năđ i l năl tăđ c khuy chăđ i qua b khuy chăđ i (booster) và khuôn hàn (horn) [1].
Hình 3.2: S ăđ nguyên lý hàn siêu âm.
KhnăhƠnăđóngăvaiătrịăr t quan tr ng, nhăh ng tr c ti păđ n ch tăl ng s n ph m và kh n ngăcôngăngh .ăKhuônăhƠnăđ c thi t k tùy thu c vào v tríăgáăđ t, khơng gian s d ng và s n ph m ng d ng.ăThơngăth ng, hình d ng khn hàn thi t k theo hình kh i h p ch nh t và hình tr trịn.
3.3. Hàn v y thi c siêu âm
Hàn v yălƠăph ngăphápăn i các chi ti t kim lo i ho c h p kim tr ng thái r n nh m t kim lo i trung gian g i là v y hàn (kim lo i có nhi tăđ nóng ch y th păh năkimă
lo i chi ti t hàn). S hình thành m i hàn đơyăch y u d a vào q trình hịa tan và khu ch tán c a v y hàn (do v y hàn ch y) vào kim lo i v t hàn ch n iăchoăđ n khi v y
hƠnăđôngăđ c. [9]
Hàn v y siêu âm dùng là quá trình hàn v y có h tr siêu âm. Hàn v y thi c siêu âm s d ng thi c làm c u n i liên k t chính khi hàn.
Liên k t kim lo i đ c hình thành khi l p oxit c a v t li u c n hàn đ c lo i b thông qua xâm th c siêu âm. Sauăđóăkim lo i c u n i s ti p xúc tr c ti p v i v t li u hàn, ti p t c xâm th c và l c hút ion gi a hai ch t t o thành liên k t. Ví d khi hàn dây
đ ng và dây nhôm.
Khi s d ng hàn trên v t li u phi kim, t c là khơng có l p oxit kim lo i t n t i. S xâm th c trên b m t v t hàn t o ra các l c bám dính các v t li u và t o thành liên k t c ă h c l ng vào nhau. Ví d nh ăkhiăhƠnăt m solar v iădơyăđ ng.
Hàn v yăsiêuăơmăđ c s d ngătrongătr ng h p:
- Khi không s d ng ch t kh oxit b m t. Ho c v t li u khó x lý l p oxit b m t b ng hóa ch t hay nhi tăđ .
- Áp d ng cho hàn g m s và các v t li u khó dính b ngă ph ngă phápă thơngă th ng.
Có 2 lo i hàn v y siêu âm: hàn d ng b nhúng và hàn d ngăđ u hàn c m tay.
Hình 3.3: Hàn d ng b nhúng, khn hàn n m ngồi b
- Hàn d ng b nhúng:ăđ c ng d ng cho các s n ph m d ng s i, t m, có kh
n ngădiăđ ng và kíchăth c gi i h n, n m trong không gian b hàn và b gi i h n b i thi t k siêuăơm.ăTh ng là nh h nă60mm,ăb dày nh h nă10mm.
- Hàn d ngăđ u hàn c mătay:ăđ c ng d ng cho các s n ph m d ng s i, t m, có kh n ngădiăđ ngăkémăvƠăkíchăth c t m n n l n.
Hình 3.4: Nguyên lý hàn v y d ngăđ u hàn c m tay.
3.4. Lý thuy tăc ăb n v s ph n x sóng 3.4.1 Âm tr c a mơi tr ng 3.4.1 Âm tr c a môi tr ng
Âm tr / tr khángăơmăZă(rayls):ălƠăđ d i l i c aăsóngăơmătrongămơiătr ng
Trongăđó:
• v (m/s) ậ V n t c lan truy năsóngăơmătrongămơiătr ng. • (kg/m3) ậ M tăđ mơiătr ng.
Âm tr có vai trị quy tăđ nhăđ i v iăbiênăđ sóng ph n x trên m t phân cách gi a
haiămôiătr ng.
3.4.2 Các đnh lu t truy n âm
Ểmăđ c truy n theo nh ng tia g i là tia âm. Th c nghi m ch ngăminhătiaăơmăc ngă
b ph n x , khúc x , tán x và h p th nh ătiaăsáng. 3.4.2.1 Ph n x và khúc x
Khi g p m tăphơnăcáchăđ l n gi aăhaiămơiătr ng có tr kháng âm khác nhau, sóng âm s tuơnătheoăđ nh lu t ph n x và khúc x . M t ph năn ngăl ng c a sóng âm s ph n x ng c tr l i và ph n còn l i s truy n ti păvƠoămôiătr ng th hai.
l n c aăn ngăl ng ph n x ph thu c vào s khác bi t c a âm tr Z gi a hai
môiătr ng. H s ph n x Kăđ c tính theo cơng th c:
K= Pr/Pi= [(Z2. Cos –Z1. Cos )/( Z2. Cos + Z1. Cos )]2 (3.2)
Trongăđó: • , , l năl t là góc t i, góc ph n x và góc khúc x . • Pr ậ biênăđ áp l c c a sóng ph n h i. • Pi ậ biênăđ áp l c c a sóng t i. • Z1, Z2 ậ âm tr c aăhaiămơiătr ng Cóăhaiătr ng h p s x y ra: • Tia t i vng góc v i m t phân cách: = =0 ✓ Khiăđóăsóngătruy năquaăcùngăh ng v i sóng t i, ta có h s ph n x : K= [(Z2-Z1)/(Z2+ Z1)]2 (3.3) • Góc t i #ă0.ăTheoăđnh lu t ph n x = . ✓ Sóng truy năquaălúcănƠyăkhơngăcịnăcùngăh ng v i sóng t i và t o m t góc # , hi năt ng này g i là khúc x .
✓ Góc khúc x ph thu c vào v n t c truy năơmătrongăhaiămôiătr ng
vƠăđ căxácăđ nh b i công th c:
sin = (v2/v1).sin (3.4)
Theo đnh lu t khúc x ta có:
n1.sin = n2. (3.5)
sin = (v2/v1). sin (3.6)
Trongăđó:
• c ậ v n t c ánh sáng, c=3*108(m/s) • n1, n2 ậ chi t su tămơiătr ng
✓ N u v2 > v1 => > khi góc t i đ t 90o thì góc khúc x đưă >90o.ăKhiăđóăx y ra hi năt ng ph n x toàn ph n, góc t i gi i h n t i giá tr góc khúc x đ t 90o khiăđóăsin = v2/v1 (sin =1). Khi ≥
(v2/v1) thì sóng âm s khơng khúc x đ c sang môi tr ng th hai bên kia m t phân cách mà toàn b n ngăl ngăđ c ph n x tr l i
môiătr ng th nh t.
✓ Ngoài ra khi tia t i g n ti p tuy n v i m t phân cách (x y ra v i c u trúc hình c u, m t c t ngang c u trúc ng) thì sóng ch tr t trên b m t phân cách mà không truy n ti păvƠoămôiătr ng th hai.
T các công th c trên ta th y h s ph n h i c a m t phân cách gi aăhaiămôiătr ng ph thu c vào Z= Z2-Z1 gi aăhaiămơiătr ng.
Z càng l năthìăn ngăl ng ph n x càng l n và ch m t ph n r t nh n ngăl ng sóng siêuăơmăđiăquaăđ cămơiătr ng phía bên kia m t phân cách. N u Z v aăđ đ t o ra m t phân cách thì ph n l năn ngăl ng sóng âm s truy năđ c qua phía bên kia.
Hình 3.5: S ph n x ph thu c vào chênh l ch tr kháng âm c aăhaiămôiătr ng 3.4.2.2 S tán x 3.4.2.2 S tán x
Khi g p các c u trúc nh ho c v i b m tăkhôngăđ ngăđ u, tia siêu âm s b tán x
điăkh păcácăh ng và ch m t ph n nh theoăđúngătínhătốn.ăVi c ghi nh n các tia tán x r tăkhóăkh nănh ngăchúngăcóăm t l i th là khơng ph thu c vào góc t i c a tia sóng.
3.4.2.3 S h p th và đ suy gi m n ng l ng c a tia siêu âm Tr kháng khác nhau ít Tr kháng khác nhau nhi u
Khi sóng âm truy n trong v tăthìăbiênăđ vƠăn ngăl ng c a tia sóng b suy gi m theo kho ng cách, s suy gi m tuõn theo hm:
Ix= Ioexp(-à.f.x) (3.7)
Trongú:
ã Ix ậ c ngăđ tia siêu âm t i v trí x. • Io ậ c ng tia t i x=0.
ã à - h s suy gi m âm c aămôiătr ng. • f ậ t n s c a sóng âm.
• x ậ v trí sóng truy n t i.
T cơng th c tính trên ta th y s suy gi m ph thu c r t nhi u vào t n s , g nănh ă
t l thu n. S ph thu c này là h n ch c a siêu âm cao t n vì t n s caoăthìăđ suy gi m
caoădoăđóăn ngăl ng càng gi m.
Nguyên nh n gây ra s suy gi m c a tia sóng âm là: • S ph n x và tán x trên t ch c.
S h p thu c aămôiătr ng do m t ph năn ngăl ng c a tia siêu âm b chuy năthƠnhăn ngă l ng c aăcácădaoăđ ng nhi t.
3.4.2.4 Bi u đ chùm tia ph n x
Nh ăđưăđ c nh c t i trong các ph nătr c, lu năv nănƠyăt p trung nghiên c u cách th c ng d ng s ph n x c aăg ngălõmăvƠoăvi căgiaăt ngăch tăl ngăvƠăđ bao ph cho m i hàn v y thi c.
Công ngh siêu âm v b n ch tălƠădaoăđ ngăc ăcaoăt n, ch u nhăh ng c a các quy lu t v tălỦăc ăb nănh ăđưătrìnhăbƠyătrongăph nătr c.ăTaăxemămơiătr ng thi c l ngăt ngă
t nh ămôiătr ngăn c, tia t i là chùm tia song song phát ra t đ u rung siêu âm, áp d ng các quy t c ph n x g ngălõmăhoƠnătoƠnăcóăth tínhătốnăđ căs ăđ tia sóng siêu âm ph n x .
có th v đ căs ăđ tia này, ta s v n d ng hai quy t c ph n x c aăg ngălõm:
• B t k tia t iănƠoăđiăsongăsongăv i tr căchínhătrênăđ ng t iăg ng s điăquaătiêuă đi m khi ph n x .
• B t k tia t iănƠoăđiăquaătiêuăđi mătrênăđ ng t iăg ngăs truy n song song v i tr c chính khi ph n x
Hình 3.6: Mô ph ngăs ăđ tia ph n x trongămôiătr ng Crocodile Physics 605 S d ng các công c mô ph ng v tălỦăđ năgi n, ta xácăđ nhăđ cătiêuăđi m h i t S d ng các công c mô ph ng v tălỦăđ năgi n, ta xácăđ nhăđ cătiêuăđi m h i t F c a chùm tia ph n x , t đóătínhătốnăv trí l păđ t t m ph n x cong trong th c t .
K t qu taăthuăđ c là v tríăđi m h i t F s n m trên tr c chính, cách b m t
g ngălõmăm tăđo n có giá tr b ng m t n aăbánăkínhăg ng.ăT k t qu này, ta thi t l p
mơ hình mơ ph ng h siêuăơmătrênămáyătính,ăđ m b o khi ch t o có th đápă ngăcácăđi u ki n l p ráp, h n ch cácătr ng h p t m ph n x cóăđi m h i t cách quá xa ho c quá g n,ăgơyăkhóăkh nătrongăvi c s d ng và thí nghi m.
3.5. Qui ho ch th c nghi m 3.5.1 T ng quan 3.5.1 T ng quan
Ngày nay, quy ho ch th c nghi mă đ c s d ngă t ngă đ i r ng rãi trong các ngành kinh t và d ch v . Quy ho ch th c nghi măđóngăvaiătrịăquanătr ng trong khoa h c, công ngh và k thu tầăđ thi t k và phát tri n s n ph m, quy trình m i, nâng cao ch tăl ng s n ph m hi n có, qu n lý q trình.
Trongămơiătr ng s n xu t, các thí nghi măth ngăđ c lên k ho ch và th c hi n
đ th mădị,ă c tính ho c xác nh n.ăTh mădịăcóăngh aălƠăhi u d li uăquyătrình.ă c tính
lƠăxácăđnh cách các thơng s q trình nhăh ngăđ năđ c tính c a hi u su tăđ u ra. Xác nh năđ c păđ n vi c xác minh k t qu d đoánăc a các th nghi m.
Quy ho ch th c nghi m là m t q trình hồn ch nh bao g m l p k ho ch, thi t k và phân tích th nghi măđ đ tăđ c các k t lu n h p lý và khách quan m t cách hi u qu . B ng cách tích h păcácăph ngăphápăth ngăkêăđ năgi n và m nh m , chúng ta có th
rút ra các k t lu n th ngă kêă đúngă đ n t th nghi m. S thành công c a b t k th nghi m công nghi pănƠoăđ c thi t k ph thu c vào vi c l p k ho ch h p lý, l a ch n thi t k phù h p, phân tích th ng kê d li u và k n ngălƠmăvi c nhóm.
Khi th c hi n m t th nghi măđưăthi t k , các thông s đ u vào ho c các bi n (các y u t ) s đ căthayăđ i m t cách có ch Ủăđ có th quan sát nh ngăthayăđ iăt ngă ng
trongăđ u ra c a quá trình. K t qu đ uăraăđ tăđ c t các thí nghi măđ c l p k ho ch, ti n hành và phân tích phù h păđ c s d ngăđ c i thi n hi u su t c a s n ph m, gi m t l ph ph m ho c t l làm l i, gi m th i gian chu k phát tri n s n ph m và gi m s bi n
đ ng quá m c trong quy trình s n xu t,ầă
Hình 3.7: Mơ hình nghiên c u q trình
Trong th c t , m t s bi n s ho c y u t c a q trình có th thao tác khá d dàng trong khi nh ng bi n s ho c y u t khác có th khó ho c th m chí t năkémăđ ki m sốt trong q trình s n xu tăbìnhăth ng ho căđi u ki n tiêu chu n. Hình 3.7 minh h a mơ hình chung c a m t q trình hàn v y thi c, v iăđ uăraălƠăcácăđ c tính hi u su tăđ c p
đ n hi u su t c a quá trình /s n ph m. Các bi n có th ki m sốt là các y u t có th thay
đ i d dàng trong quá trình th nghi m và nh ng y u t đóăcóăth nhăh ng tr c ti p
đ năđ c tính c a quá trình. Các bi n khơng th ki m soát là các y u t khó ki m sốt trong q trình th nghi m. Nh ng bi n s này là lý do chính d năđ n s không nh t quán c a hi u su t s n ph m. B ngăcáchăxácăđ nh t iă uăc aăđ uăra,ăsauăđóăcóăth gi m thi uătácăđ ng c a nhi u [10].
Trongăhìnhătrên,ăcácăđ c tính c a m u b nhăh ng b i các thơng s (ho c y u t ) có th ki m sốt và khơng ki măsoátăđ c.
Nhân t có th ki m sốt:
ầ
Quá trình hàn v y thi c siêu âm
Các nhân t có th ki m sốt
Các nhân t khơng th / khó ki m soát
V t li u hàn M uăđưăhƠn
Th i gian Biênăđ Bán kính cong
Nhi tăđ vƠăđ
mămơiătr ng V trí gá T n s siêu âm
-Th i gian phát siêu âm. -Biênăđ siêu âm.
-Bán kính cong c a t m ph n x . -Nhi tăđ b hàn.
Nhân t khó ho c khơng th ki m sốt:
-Nhi tăđ vƠăđ mămơiătr ng. -V trí gá m u.
-T n s siêu âm.
Khi s d ng công ngh hàn v y thi c siêu âm, các y u t có th ki măsốtăđ c s
nhăh ng tr c ti păđ năđ c tính c a m u, trong khi y u t khơng ki măsốtă đ c là ngun nhân d năđ n s bi năđ ng c a k t qu thí nghi m. Khi phân tích và th c hi n thành cơng t p h p các tham s đ c t iă uăhóa,ăcóăth gi m thi u s không nh t quán c a các k t qu đ c th nghi m do các y u t khơng ki măsốtăđ c.
3.5.2 Các lo i thí nghi m
3.5.2.1 Thí nghi m sàng l c (Screening Experiment) M căđíchăthíănghi m: M căđíchăthíănghi m:
- Xácăđnh đơuălƠăcácăy u t nhăh ngăchínhăđ năđ iăt ng hay q trình c n kh o sát;
- ánhăgiáăm căđ nhăh ng c a các y u t ;
- ánhăgiáăm căđ nhăh ngăt ngătácăgi a các y u t .
Thí nghi m sàng l căth ng khai thác các d ng thi t k thí nghi m tồn ph n 2 m c khi s y u t thí nghi m khơng l n; ho c thi t k thí nghi m riêng ph n hay thi t k thí nghi m P-B.
3.5.2.2 Thí nghi m so sánh (Comparative Expriment)
Th ngăđ c th c hi năđ soăsánhăvƠăđánhăgiáăsaiăkhácăgi aăhaiănhómăđ iăt ng m u hay hai quá trình nh m tr l i câu h i: Có hay khơng s sai khác gi aăcácănhómăđ i
t ng hay quá trình? Câu h iănƠyăth ngăđ t ra khi ki m ch ng m t s n ph m hay m t