Đề tài nghiên cứu: Ảnh hưởng các thông số công nghệ chính đến chất lượng mối hàn siêu âm đối với vải không dệt
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ kh
Mã số chuyên ngành: 62.52.01.03
Họ và tên NCS: Lê Quang Thành
Tập thể hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Hữu Lộc, TS. Nguyễn Thanh Hải
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh
Tóm tắt luận án
Chương 1: Tổng Quan
Chương này trình bày về tính cấp thiết và lý do chọn đề tài nghiên cứu phương pháp hàn siêu âm cùng sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình hàn siêu âm; Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm: nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình hàn siêu âm; nghiên cứu chế tạo khuôn hàn siêu âm tần số 20 kHz; thực nghiệm hàn siêu âm trên vật liệu vải không dệt; phân tích chất lượng đường hàn với các bộ thông số công nghệ chính; tối ưu các thông số công nghệ chính sử dụng phương pháp Taguchi kết hợp phương pháp quy hoạch hỗn hợp đối xứng dạng FCCCD.
Nội dung nghiên cứu của luận án bao gồm: khảo sát các ứng dụng hàn siêu âm áp dụng cho nhựa nhiệt dẻo, vải không dệt; nghiên cứu cơ sở lý thuyết hàn siêu âm, vật liệu nhựa nhiệt dẻo; nghiên cứu, thiết kế và chế tạo khuôn hàn siêu âm dọc trục và hướng kính; tối ưu các thông số công nghệ chính sử dụng phương pháp Taguchi kết hợp phương pháp quy hoạch hỗn hợp đối xứng dạng FCCCD nhằm xác định độ bền ké o phù hợp theo yêu cầu.
Luận án còn trình bày về nhựa nhiệt dẻo và khả năng hàn của nhựa nhiệt dẻo, các thông số của vật liệu ảnh hưởng đến quá trình hàn. Đặc biệt đối với nhựa PP nếu ứng dụng tần số hàn là 20 kHz thì biên độ hàn được khuyên dùng nên từ 38 μm.
Các phương pháp hàn nhựa nhiệt dẻo khác nhau hiện nay đang sử dụng cũng được trình bày tóm tắt về nguyên lý và phân tích sơ lược ưu nhược điểm. Đối với vật liệu có màng mỏng dạng tấm như vải không dệt chẳng hạn thì phương pháp hàn siêu âm là nhanh chóng và hiệu quả nhất.
Ngoài ra, luận án còn tóm tắt tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về phương pháp hàn siêu âm trong thời gian gần đây. Đánh giá, phân tích về xu hướng nghiên cứu về hàn siêu âm đối với vật liệu nhựa nhiệt dẻo.
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Và Thiết Kế Hàn Siêu Âm Nhựa Nhiệt Dẻo
Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp hàn siêu âm, trong đó bao gồm: nguyên lý hàn siêu âm, nguồn hàn siêu âm (chuyển đổi dòng điện có tần số từ 50 Hz thành dòng điện có tần số 20 kHz), bộ chuyển đổi từ dao động điện sang dao động cơ, bộ khuếch đại dao động giúp biên độ ban đầu khoảng 22 μm lên gấp 2 lần, cách tính toán thiết kế các loại khuôn hàn siêu âm và vùng định hướng năng lượng cho đường hàn siêu âm.
Chương 2 còn giới thiệu về các thông số công nghệ của quá trình hàn siêu âm, phân loại phương pháp hàn siêu âm như: hàn xa - hàn gần, hàn liên tục - hàn gián đoạn, ... Ngoài ra, vật liệu nhựa nhiệt dẻo cũng đã được trình bày trong luận án với các tính chất và đặc điểm đặc trưng của nhựa nhiệt dẻo như: tính đàn nhớt, cấu trúc, ... Vật liệu làm khuôn hàn siêu âm cho vải không dệt được lựa chọn là nhôm hợp kim 7075 và chi tiết quá trình thiết kế khuôn hàn rộng bản (là loại khuôn phục vụ cho quá trình hàn gián đoạn) để hàn vật liệu vải không dệt.
Quy trình thiết kế phân tích khuôn hàn siêu âm từ việc thiết kế sơ bộ trên phần mềm CARD đến các bước mô phỏng tính toán quá trình hoạt động trên phần mềm Abaqus đã được trình bày chi tiết. Đe hàn để định dạng hình dáng đường hàn với các loại khác nhau cũng đã được tính toán, thiết kế và chế tạo.
Chương 3: Đối Tượng Và Phương Pháp Nghiên Cứu
Chương 3 tập trung nghiên cứu về vật liệu vải không dệt (cụ thể là vải không dệt PP có định dạng 70 GSM), quy trình sản xuất vải không dệt bằng công nghệ phun é p và các phương pháp thử độ bền của vải không dệt đã được nghiên cứu. Bên cạnh đó các dạng hỏng thông thường của các sản phẩm vải không dệt, các tiêu chuẩn thử nghiệm đối với vật liệu vải không dệt cũng đã được trình bày.
Đối với thiết bị thí nghiệm để tạo đường hàn, luận án đã trình bày ba loại máy hàn siêu âm.
• Máy hàn siêu âm gián đoạn dạng đứng có công suất hàn tối đa 2 kW, tần số dao động 20 kHz, thời gian hàn và giữ có thể được điều chỉnh từ 0,2 s đến 4 s, áp lực hàn tối đa là 5kG/cm2.
• Máy hàn siêu âm liên tục dọc trục và máy hàn siêu âm hướng kính có tần số và công suất của máy lần lượt là 20 kHz và 1 200 W; giá trị tối đa của biên độ dao động cơ học trên bề mặt của khuôn siêu âm là 60 μm; tốc độ con lăn được kiểm soát và điều chỉnh ở mức 6m/min; áp suất không khí trong hệ thống khí nén để tạo áp lực hàn từ con lăn (đe) lên khuôn hàn tối đa có thể đạt được 5 kG/cm2.
Cơ sở cho phương pháp xử lý số liệu chuẩn cũng đã được trình bày trong Chương 3 bao gồm các bước tiến hành quy hoạch thực nghiệm, sử dụng phương pháp Taguchi kết hợp phương pháp quy hoạch hỗn hợp đối xứng dạng FCCCD đánh giá mức độ ảnh hưởng từng nhân tố và thu được phương trình hồi quy bậc hai, từ đó lựa chọn dạng mẫu hàn hợp lý và xác định miền các thông số công nghệ tối ưu cho quá trình hàn siêu âm đối vật liệu vải không dệt.
Cuối cùng là các thiết bị hỗ trợ cho quá trình xác định độ bền của đường hàn, phân tích hình ảnh tế vi của đường hàn cũng được luận án giới thiệu như: máy kéo đa năng nhãn hiệu Instron - 3369, kính hiển vi điện tử quét (FE - SEM) nhãn hiệu HITACHI S – 4800.
Chương 4: Kết Quả Nghiên Cứu Và Thực Nghiệm
Chương 4 lần lượt giới thiệu về quá trình thiết kế, mô phỏng, chế tạo các loại hệ siêu âm khác nhau cho 2 quá trình hàn là: gián đoạn và hàn liên tục. Các thiết bị hàn cũng đã được trình bày cho tiết từ nguyên lý đến mô hình được chế tạo thực tế. Để đánh giá độ bền kéo đứt của đường hàn, mẫu thiết bị đo, các nhân tố là thông số công nghệ cũng đã được tiến hành thử nghiệm đánh giá mức độ ảnh hưởng đến độ bền kéo đứt của đường hàn, xác định số thí nghiệm lặp là 7 thí nghiệm, lựa chọn mô hình hồi quy ở dạng đa thức bậc 2, sử dụng kết hợp phương pháp Taguchi và quy hoạch thực nghiệm bậc 2 là phương pháp quy hoạch hỗn hợp đối xứng dạng FCCCD.
Kết quả thí nghiệm đánh giá nhân tố ảnh hưởng nhiều nhất đến độ bền ké o đứt của đường hàn là: thời gian hàn tỷ lệ 45,31 %, hình dáng đường hàn (mẫu 3) tỉ lệ 30,03 % và áp lực hàn 24,66 %.
Luận án cũng tìm được miền thông số công nghệ tối ưu cho từng loại mẫu hàn thông qua phương trình hồi quy và các biểu đồ minh họa cho các mức độ bền kéo của đường hàn. Từ đó đánh giá phân tích cho các trường hợp miền các thông số công nghệ để đảm bảo độ bền ké o đạt giá trị cho trước thấp nhất là 200 N, 220 N và 240 N đối với các mẫu hàn. Ngoài ra, để giải thích cho sự hình thành và kết cấu của đường hàn siêu âm trên vật liệu
vải không dệt, luận án đã trình bày các hình ảnh tế vi của đường hàn được chụp từ các góc độ khác nhau.
Với các thông số hàn đã lựa chọn, nhiệt độ khi hàn đã đạt được lân cận khu vực nhiệt độ chảy giọt Tf trong vùng trạng thái đàn hồi nhớt của vật liệu PP. Khi đó các tấm vải không dệt PP sẽ liên kết tốt với nhau.
Chương 5: Kết Luận Và Đề Xuất
Chương 5 trình bày các mục tiêu đã đạt được của Luận án như: nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình hàn siêu âm đối với vật liệu nhựa nhiệt dẻo; nghiên cứu chế tạo khuôn hàn siêu âm dọc trục và hướng kính có tần số 20 kHz; thực nghiệm hàn siêu âm trên vật liệu vải không dệt; phân tích chất lượng đường hàn với các bộ thông số công nghệ chính; tối ưu các thông số công nghệ chính sử dụng phương pháp Taguchi kết hợp phương pháp quy hoạch hỗn hợp đối xứng dạng FCCCD.
Ngoài ra, các kết của của luận án cũng đã được trình bày bao gồm: Khảo sát các ứng dụng hàn siêu âm cho nhựa nhiệt dẻo, vải không dệt: đối với nhựa nhiệt dẻo PP có cấu trúc vô định hình nên việc hàn siêu âm được thực hiện dễ dàng. Ngoài ra, vải không dệt PP khi hàn siêu âm ở tần số 20 kHz thì biên độ dao động được đề xuất là 38μm.
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hàn siêu âm, vật liệu nhựa nhiệt dẻo: đối với vải không dệt PP định lượng 70 GSM hàn với nhau ở tần số 20 kHz, bộ khuếch đại dao động tăng biên độ dao động ban đầu từ 22 μm lên gấp 2 lần. Ngoài ra, khuôn hàn siêu âm cũng làm tăng biên độ dao động lên 1,5 lần. Do đó, biên độ dao động tối đa khi hàn khoảng 66 μm. Để đảm bảo an toàn cho thiết bị, biên độ dao động khi hàn thực tế chỉ khoảng 70 % giá trị tối đa.
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo khuôn hàn siêu âm dọc trục và hướng kính: đối với khuôn rộng bản dọc trục bằng hợp kim nhôm 7075 và tần số 20 kHz, kích thước làm việc 260 mm x 15 mm sẽ tạo ra sự không đồng đều về biên độ. Phân tích phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Abaqus cho thấy mức độ không đồng đều của biên độ trên toàn bộ vùng làm việc của khuôn hàn. Thay đổi hình dáng và kích thước của khuôn hàn sẽ khắc phục được hạn chế
này. Đối với khuôn hướng kính bằng hợp kim nhôm 7075 và tần số 20 kHz, sự không đồng đều về biên độ xuất hiện trên toàn bộ chu vi. Việc thay đổi hình dáng và kích thước khuôn hàn sẽ tạo ra sự đồng đều về biên độ, được kiểm chứng qua mô phòng phần tử hữu hạn.
Thực nghiệm hàn siêu âm trên vải không dệt: vải không dệt PP có định lượng 70 GSM được hàn với 09 hình dáng đường hàn khác nhau. Dựa trên độ bền cao nhất, đường hàn Mẫu 3 và Mẫu 4 được lựa chọn. Dựa vào kết quả thực nghiệm thăm dò, thời gian hàn (1,2 s; 1,6 s; 2,0 s), áp lực hàn (2,5 kG/cm2; 3,0 kG/cm2; 3,5 kG/cm2) đã được lựa chọn cho việc xác định các thông số hàn chính.