NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM KHUÔN HÀN THÉP CHO MÁY HÀN<br />
NHỰA NHIỆT DẺO BẰNG CÔNG NGHỆ SIÊU ÂM<br />
A STUDY ON DEVELOPING THE IRON HORN FOR THERMOPLASTIC<br />
WELDING MACHINE USING ULTRASONIC TECHNOLOGY<br />
KHIẾU HỮU TRIỂN1, LÊ ĐĂNG KHÁNH2, PHẠM DUY THUYẾN3<br />
1, 2 Trường Cao đẳng VMU, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam<br />
3 SV ĐTĐ54ĐH1,Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam<br />
Tóm tắt<br />
Công nghệ hàn siêu âm nhựa nhiệt dẻo là công nghệ hàn tương đối mới trong phân<br />
nhóm công nghệ hàn nóng chảy. Đây là phương pháp hàn áp lực gây khuyếch tán,<br />
thẩm thấu vật liệu vào nhau tạo thành mối hàn. Hàn siêu âm ứng dụng để hàn kim loại<br />
(tấm mỏng/sợi) và vật liệu nhựa cùng loại hoặc khác loại. Trong máy hàn siêu âm,<br />
khuôn hàn đóng vai trò rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và<br />
khả năng công nghệ. Khuôn hàn được thiết kế tùy thuộc vào hình dạng và bề mặt cần<br />
hàn của sản phẩm. Khuôn hàn được chế tạo từ hợp kim của Titan là có đặc tính kỹ<br />
thuật tốt nhất. Tuy nhiên giá thành của bằng hợp kim Titan là rất cao so với các vật liệu<br />
khác như thép, nhôm. Bài báo này trình bày về nghiên cứu chế tạo thử nghiệm khuôn<br />
hàn bằng thép cho máy hàn nhựa nhiệt dẻo ứng dụng công nghệ siêu âm thay thế cho<br />
khuôn hàn bằng hợp kim Titan.<br />
Từ khóa: Công nghệ siêu âm, hàn siêu âm, nhựa nhiệt dẻo, khuôn hàn.<br />
Abstract<br />
The ultrasonic welding technology for thermoplastics is, quite new industrial technology,<br />
considered part of the melt welding processes. The ultrasonic welding is pressure<br />
welding methodology based in which the molecular connection is formed by diffusing<br />
and osmosing process. The ultrasonic welding is wide applied in metal (thin plates/fiber)<br />
welding or plastic welding. In The ultrasonic welding machine, welding tool called<br />
a sonotrode/horn, is very important part which directly affect to welding quality. The horn<br />
is designed depending on shape of product and surface of welding. The ideal material<br />
for manufacturing horn is titanium alloy. However, Titanium alloy is more expensive than<br />
iron or aluminium alloy. This paper will present a study on developing the iron horn for<br />
ultrasonic thermoplastic welding machine which can be an option for replacing the<br />
titanium alloy horn.<br />
Keywords: Ultrasonic technology, ultrasonic welding, thermoplastic, horn/sonotrode.<br />
1. Giới thiệu<br />
Nguyên lý hàn siêu âm thể hiện ở Hình 1. Nguồn phát siêu âm nhận nguồn điện xoay chiều<br />
220V/50Hz và biến chúng thành dao động điện tần số siêu âm (20, 30, 40, … kHz). Dao động này<br />
được truyền tới bộ chuyển đổi gốm áp điện, giúp chuyển đổi dao động điện thành dao động cơ<br />
cùng tần số. Biên độ dao động cơ ở đầu ra của bộ chuyển đổi lần lượt được khuyếch đại qua bộ<br />
khuyếch đại (booster) và truyền đến khuôn hàn (horn). Dao động tần số của khuôn hàn, kết hợp<br />
với áp lực, được truyền tới các chi tiết cần hàn. Ma sát trên bề mặt các chi tiết hàn sẽ tạo ra nhiệt<br />
làm nóng cháy rất nhỏ trong thời gian ngắn (phần trăm giây) và tạo nên kết nối phân tử.<br />
<br />
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý hàn siêu âm<br />
<br />
Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải<br />
<br />
Số 55 - 8/2018<br />
<br />
31<br />
<br />
Hình 2. Các dạng khuôn hàn (horn) cơ bản<br />
<br />
Khuôn hàn là chi tiết tiếp xúc trực tiếp với vật liệu cần liên kết. Nó truyền dao động cơ học từ<br />
máy hàn siêu âm vào sản phẩm. Thông thường, hình dạng khuôn hàn thiết kế theo hình khối hộp<br />
chữ nhật và hình trụ tròn.<br />
Hiện nay, công nghệ hàn siêu âm còn rất mới ở nước ta mặc dù nhu cầu sử dụng hàn siêu<br />
âm là rất lớn, đặc biệt trong việc đóng gói bao bì, túi nhựa, vải không dệt, dụng cụ y tế,… Các<br />
công ty trong nước phải nhập thiết bị từ nước ngoài với chi phí rất cao và khó khăn trong việc sửa<br />
chữa, bảo trì. Trong đó, chi tiết dễ hư hỏng nhất là khuôn hàn. Điều này đặc ra yêu cầu cấp thiết<br />
cho việc nghiên cứu chế tạo khuôn hàn siêu âm.<br />
2. Chế tạo khuôn hàn<br />
2.1. Lý thuyết thiết kế khuôn hàn<br />
Nhiệm vụ chính của khuôn hàn siêu âm là nhằm khuếch đại biên độ dao động đến mức độ<br />
phù hợp ở bề mặt làm việc. Ngoài ra, nó còn truyền năng lượng cơ học từ hệ transducer đến<br />
booster và đến bề mặt làm việc. Các phân tử của khuôn hàn co và giãn dọc theo trục của nó với<br />
tần số dao động tự nhiên. Do đó, khuôn hàn cần phải cộng hưởng được với booster và transducer.<br />
Vì thế, khuôn hàn, booster và transducer cần phải thiết kế cẩn thận nhằm giảm hư hỏng cho bộ<br />
nguồn phát siêu âm. Tần số tự nhiên của khuôn hàn tùy thuộc và chiều dài của nó và được tính<br />
toán theo công thức sóng (1):<br />
(1)<br />
Trong đó, l là chiều dài khuôn hàn,<br />
là bước sóng,<br />
là tần số dao động tự nhiên, là vận<br />
tốc truyền sóng, E và là mô đun đàn hồi và khối lượng riêng của vật liệu làm khuôn hàn tương<br />
ứng.<br />
Mức độ đồng đều của biên độ dao động trên bề mặt làm việc của khuôn hàn được định<br />
nghĩa là tỉ số giữa biên độ lớn nhất và biên độ nhỏ nhất trên toàn bộ diện tích làm việc, theo công<br />
thức (2).<br />
(2)<br />
Trong đó<br />
,<br />
là biên độ<br />
nhỏ nhất và lớn nhất trên bề mặt làm<br />
việc của khuôn hàn.<br />
Tính toán kích thước chính xác<br />
của khuôn hàn vô cùng quan trọng. Kích<br />
thước khuôn hàn luôn là bội số của nửa<br />
bước sóng.<br />
Trong bài báo này, khuôn hàn<br />
côn, Hình 3, được thiết kế và chế tạo sử<br />
dụng thép carbon với các thông số công<br />
nghệ như: tần số làm việc 20 kHz, biên<br />
độ dao động là 80 µm và diện tích làm<br />
<br />
32<br />
<br />
Hình 3. Khuôn hàn côn và biên độ dao động của nó<br />
<br />
Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải<br />
<br />
Số 55 - 8/2018<br />
<br />
việc là hình tròn bán kính 30 mm. Biên dạng và chiều dài của khuôn hàn được phần mềm CARD<br />
(Computer Aided Resonator Design) mô phỏng như Hình 4.<br />
<br />
Hình 4. Chiều dài và biên dạng của khuôn hàn côn<br />
<br />
Hệ số khuếch đại của khuôn hàn này là 2,21. Ứng suất phân bố theo Hình 5 và ứng suất tối<br />
đa xuất hiện ở vị trí 77 mm. Phân bố biên độ dao động dọc theo chiều dài khuôn hàn như Hình 6.<br />
<br />
Hình 5. Phân bố ứng suất theo dọc trục.<br />
<br />
Hình 6. Phân bố dao động dọc theo khuôn hàn<br />
<br />
Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải<br />
<br />
Số 55 - 8/2018<br />
<br />
33<br />
<br />
2.2. Kết quả thiết kế<br />
<br />
Ứng dụng phần mềm CARD, một số khuôn hàn hình tròn, hình chữ nhật hoạt động ở tần<br />
số 20kHz, sử dụng thép cacbon được thiết kế như sau:<br />
<br />
Hình 7. Khuôn hàn rộng bản có diện tích làm việc 66x42 mm<br />
<br />
Hình 8. Khuôn hàn rộng bản tiêu chuẩn trong hàn vải không dệt<br />
<br />
Hình 9. Khuôn hàn tròn bước tiêu chuẩn trong hàn vải không dệt<br />
<br />
2.3. Gia công khuôn<br />
Các khuôn hàn được gia công bằng theo trình tự sau: cắt dây hoặc phay CNC, tôi đạt độ<br />
cứng cao, mài, mạ crôm. Một số hình ảnh của khuôn hàn thành phẩm như sau:<br />
<br />
34<br />
<br />
Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải<br />
<br />
Số 55 - 8/2018<br />
<br />
Hình 10. Khuôn hàn rộng bản 120, thép cacbon<br />
<br />
Hình 12. Khuôn hàn rộng bản 200, thép cacbon<br />
<br />
2.4. Thực nghiệm<br />
2.4.1. Tiến hành hàn trên máy hàn đứng<br />
Khuôn hàn sau khi gia công được lắp lên hệ máy hàn đứng của công ty TNHH Thiết bị siêu<br />
âm Việt Nam – Vietsonic, như Hình 13:<br />
<br />
Hình 13. Hệ máy hàn siêu âm khi có khuôn hàn thép cacbon<br />
<br />
Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải<br />
<br />
Số 55 - 8/2018<br />
<br />
35<br />
<br />