NGHIÊN CỨU VỀ MÁY HÀN NHỰA NHIỆT DẺO
BẰNG CÔNG NGHỆ SIÊU ÂM
A STUDY ON THE THERMOPLASTIC WELDING MACHINEUSING ULTRASONIC TECHNOLOGY
Khiếu Hữu Triển1, Lê Đăng Khánh2, Phạm Duy Thuyên3
1, 2Trường Cao đẳng VMU – Đại học Hàng hải Việt Nam
3Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam
Tóm tắt
Công nghệ hàn siêu âm nhựa nhiệt dẻo là công nghệ hàn tương đối mới trong phân nhóm công nghệ hàn nóng chảy. Quá trình hàn dựa trên việc chuyển hóa năng lượng dao động và ma sát thành nhiệt. Bằng cách sử dụng một dụng cụ hàn được gọi là khuôn hàn (sonotrode), dao động tần số cao sinh ra từ hệ thông siêu âm, kết hợp với áp lực, được truyền tới các phần cần hàn. Vùng nóng cháy rất nhỏ gây ra bởi nhiệt ma sát sẽ tạo thành vùng chắn dao động, điều này sẽ làm cho năng lượng dao động được hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt và dẫn đến đường viền hàn sẽ nóng chảy trong thời gian ngắn (phần trăm giây) và tạo nên kết nối phân tử. Từ nguyên lý trên các máy hàn siêu âm sẽ có nhiều điều chỉnh liên quan đến biên độ dao động, lực ép và thời gian hàn.Ba thông số này liên quan mật thiết và ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn.Bài báo này sẽ tiến hành nghiên cứu về máy hàn nhựa nhiệt dẻo ứng dụng công nghệ siêu âm và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn.
Từ khóa: Công nghệ siêu âm, Hàn siêu âm, Khuếch tán, Nhựa nhiệt dẻo,
Abstract
The ultrasonic welding technology for thermoplastics is, quite new industrial technology, considered part of the melt welding processes. The process is based on a conversion of friction and vibration energy into heat. Using a welding tool called a sonotrode, the high-frequency vibrations generated by the ultrasonic system, in combination with pressure, are transferred to the parts to be joined, which leads to relative vibrations in the jointing zone. The micro melt resulting from the friction heat presents a vibration barrier, which causes vibration energy to be absorbed and converted into heat, which then causes the weld contour to melt in fractions of a second and thereby form a molecular connection. As a result, the thermoplastic-welding machines have many settings related to amplitude, force, and exposure. These three factors interact and affect the success or failure of the plastic melt or welding process. This paper will do a study on the ultrasonic thermoplastic welding machine and analysis the factors that affects to quality of welding process.
Keywords: Ultrasonic technology, Ultrasonic welding, Diffusers, Thermoplastic.
- Giới thiệu chung nguyên lý hàn siêu âm
- Định nghĩa sóng siêu âm
Siêu âm là âm thanh có tần số cao hơn tần số tối đa mà tai người nghe thấy được. Tần số tối đa này tùy vào từng người, nhưng thông thường nó vào cỡ 20000 Hz.Siêu âm có nhiều ứng dụng siêu âm như làm sạch bằng siêu âm, hàn siêu âm, ứng dụng siêu âm trong hóa học, sinh học, y tế…
Hình 1. Các vùng tần số của sóng siêu âm
1.2. Nguyên lý hàn ứng dụng siêu âm
Nguồn phát siêu âm nhận nguồn điện xoay chiều 220V/50Hz và biến chúng thành dao động điện tần số siêu âm(20, 30, 40, … kHz). Dao động 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 truyền đến khuôn hàn (horn).Dao động tần số của khuôn hàn, kết hợp với áp lực, được truyền tới các chi tiết cần hàn. Ma sát trên bề mặt các chi tiết hàn sẽ tạo ra nhiệt làm nóng cháy rất nhỏ trong thời gian ngắn (phần trăm giây) và tạo nên kết nối phân tử.
- Cấu tạo và các quá trình trong máy hàn siêu âm
-
- Nguyên lý hàn ứng dụng siêu âm
Máy hàn siêu âm có cấu tạo gồm các bộ phận chính là nguồn phát siêu âm, bộ chuyển đổi, bộ khuếch đại (booster) và khuôn hàn (horn) như Hình 2. Chi tiết:
- Nguồn phát siêu âm: là bộ nguồn chuyển đổi điện áp xoay chiều 220V/50Hz thành nguồn điện có tần số 20kHz;
- Bộ chuyển đổi: chuyển dao động điện ở tần số siêu âm sang dao động cơ học ở cùng tần số;
- Bộ khuếch đại (Booster): Là bộ phận trung gian giữa bộ chuyển đổi và khuôn, có tác dụng khuyếch đại hoặc giảm bớtbiên độ dao động. Nó cũng cho phép cố định hệ cơ siêu âm trong quá trình dao độngnhờ vào mặt bích;
-
Khuôn hàn/Horn: Đây là chi tiết tiếp xúc trực tiếp với vật liệu cần liên kết. Nó truyền dao động cơ học từ máy hàn siêu âm vào sản phẩm.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 hình dạng và bề mặt làm việc cần hàn của sản phẩm. Thông thường, hình dạng khuôn hàn thiết kế theo hình khối hộp chữ nhật và hình trụ tròn.
- Các bước trong quá trình hàn siêu âm và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn
-
Bước 1:
Các miếng nhựa cần hàn được xếp chồng lên nhau như Hình 3. Miếng nhựa phía dưới được cố định bởi một chi tiết của máy hàn gọi là đe. -
Bước 2:
Khuôn hàn được đẩy xuống và tiếp xúc với miếng nhựa phía trên, Hình 4. Miếng nhựa phía dưới được cố định bởi một chi tiết của máy hàn gọi là đe. -
Bước 3:
Ở bước này các chi tiết sẽ được giữ giữa khuôn và đe bởi một lực theo tính toán thiết kế,
- Hình 5.
-
Khi hàn siêu âm, để nhận được mối hàn, cực hàn cần ép lên vật hàn một lực ép tĩnh nhất định F0. Lực ép tĩnh F0 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 hủy lớp ngoài của 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 vật hàn để chúng khuếch tán, thẩm thấu lẫn nhau.
-
F0 tăng với sự tăng giới hạn chảy, độ cứng và chiều dày vật liệu hàn. Xác định lực ép tĩnh F0 theocông thức (1):
Trong đó: : giới hạn chảy của vật liệu hàn, S: diện tích điện cực hàn – vết cực hàn trên phôi
Trị số của biên độ tỷ lệ với áp lực pháp tuyến và có thể xác định bằng công thức (2):
Trong đó:k - là hằng số ≈ 1µk; h - chiều cao vùng biến dạng dẻo của mối hàn; - ứng suất tiếp trong vùng biến dạng; G – môđun trượt.
Biên độ dao động đầu hàn, ξ, là thông số cơ bản của hàn siêu âm, 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 xảy ra sự phá hủy 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 tổn hao sẽ tăng, đòi hỏi biên độ dao động ξ phải tăng. -
Bước 4:
Tiếp theo khuôn hàn sẽ dao động với tần số, biên độ và thời gian đã được tính toán. Năng lượng dao độngnày được truyền tới bề mặt tiết xúc của các chi tiết cần hàn và phát sinh ra nhiệt ma sát. Khi nhiệt sinh ra đủ làm cho các bề mặt tiếp xúc nóng chảy thì khuôn hàn sẽ ngừng dao động, Hình 6. Các điểm hàn sẽ được giới hạn theo thiết kế để đảm bảo chất lượng mối hàn, năng lượng tiêu hao cũng như năng suất của máy.
-
Bước 5:
Sau khi bề mặt tiếp xúc của các chi tiết nhựa cần hàn nóng cháy và khuôn hàn ngừng dao động thì khuôn hàn và đe vẫn tiếp tục giữ các chi tiết thêm một thời gian nhất đinh nữa gọi là thời gian giữ. Mục đích của việc này là giữ cho mối hàn nguội và bám dính. -
Bước 6:
Sau khi mối hàn nguội, lực giữ sẽ được thu hồi và khuôn hàn sẽ đi lên. Khi này các chi tiết hàn sẽ thành một khối và có thể lấy ra khỏi đe. -
Quan hệ giữa F0, ξ và P quyết định hiệu suất của hàn siêu âm. Thực nghiệm
đãchứng minh được rằng: lực ép tĩnh F0 tăng tỷ lệ với biên độ dao động
đầu cực hàn. ξ tăng khi tăng công suất của hệ dao động. Ngoài ra, công suất P yêu cầu phải tăng khi chiều dày vật hàn tăng.- Kết luận
Với ưu điểm như vết hàn đẹp, gọn gàng, hạn chế bám dính, ít tốn vật liệu, đa dạng về vết hàn, dễ tự động hóa, sản phẩm có tính thẩm mỹ cao nên công nghệ hàn siêu âm đã được nghiên cứu và ứng dụng mạnh mẽ trên thế giới trong những năm gần đây.Tuy nhiên ở nước ta nó vẫn còn khá mới mẻ; các nghiên cứu, tài liệu nghiên cứu chuyên sâu rất ít ỏi.Bài báo này đã giới thiệu khái quát về nguyên lý hàn siêu âm, cấu tạo và hoạt động của máy hàn siêu âm; đồng thời phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn siêu âm.
Tài liệu tham khảo
[1]. Lucas, M. and A. C. Smith,Redesign of Ultrasonic Block Horns for Improved Vibration Performance,Journal of Vibration and Acoustics 119(3): 410-414, 1997.
[2]Internet, web “http://www.vietsonic.vn”.