Hàn siêu âm
Hàn siêu âm sử dụng các rung động âm thanh siêu âm tần số cao được áp dụng cho các bộ phận đã nối được lắp ráp với nhau dưới áp suất thấp. Phương pháp hàn này thường được sử dụng nhất để nối nhựa nhiệt dẻo và khi bắt vít, hàn hoặc dán không phù hợp.
Mặc dù hàn siêu âm đã được phát triển từ những năm 1940, nhưng nó lần đầu tiên được sử dụng trong công nghiệp vào đầu những năm 1960 để hàn dây mảnh trong ngành công nghiệp điện tử. Năm 1963, hàn siêu âm bắt đầu được sử dụng để liên kết polyetylen. Kể từ đó, hàn siêu âm đã được sử dụng để hàn nhôm và kim loại tấm mỏng trong ngành công nghiệp ô tô (mô-đun đánh lửa, dây đầu cuối, dây điện).
Quá trình chậm nhận ra những ưu điểm của hàn siêu âm trong công nghiệp là do thiếu thiết bị siêu âm mạnh mẽ có thể đảm bảo chất lượng hàn ổn định ngay cả đối với các bộ phận lớn.Do đó, nghiên cứu trong những năm 1980 và 1990 chủ yếu tập trung vào việc phát triển thiết bị siêu âm.
Mặc dù hàn siêu âm sử dụng rung động, nhưng phương pháp này khác với "hàn rung", còn được gọi là hàn ma sát. Trong trường hợp hàn rung, một trong các bộ phận được nối được giữ cố định và bộ phận kia dao động (bằng truyền động điện từ hoặc thủy lực).
Hàn siêu âm giữ hai phần tại chỗ và sử dụng sóng âm thanh tần số cao để tạo ma sát. Năng lượng âm thanh tạo ra ma sát và tạo ra nhiệt dẫn đến các bộ phận được hàn trong vòng chưa đầy một giây, làm cho hàn siêu âm trở thành một trong những phương pháp hàn nhanh nhất hiện nay.
Quá trình hàn siêu âm hoàn toàn tự động và được thực hiện trên các thiết bị đặc biệt. Nguyên tắc hàn siêu âm được thể hiện trong hình. 1, và thành phần của một cài đặt điển hình được hiển thị trong hình. 2.
Cơm. 1. Nguyên tắc hàn siêu âm: a — căn chỉnh các bộ phận, b — phần tiếp xúc của các bộ phận với đầu, c — tác dụng của áp suất, d — hàn, e — giữ, f — nâng đầu
Cơm. 2. Sơ đồ lắp ráp máy hàn siêu âm
Máy phát điện (trong một đơn vị riêng biệt) được sử dụng để chuyển đổi các rung động điện từ mạng thành tần số cao (20 ... 60 kHz), bộ chuyển đổi, sử dụng các phần tử áp điện, chuyển đổi các rung động điện thành âm thanh. Bộ khuếch đại và sonotrode là các phần tử cộng hưởng thụ động của cài đặt dùng để truyền rung động từ đầu dò sang các bộ phận.
Thông thường, máy hàn siêu âm được trang bị một bộ khuếch đại với các tỷ lệ biến đổi dịch chuyển khác nhau.Hình dạng của sonotrode được xác định bởi cấu hình mối hàn yêu cầu. Các dao động sóng xuyên tâm, cạnh và các sóng khác được tạo ra tùy thuộc vào hình dạng của sonotrode. Mỗi đường may yêu cầu sonotrode riêng của nó.
Bản chất vật lý của quá trình bao gồm sự xuất hiện của các rung động rất mạnh với biên độ nhỏ tại điểm tiếp xúc của hai phần. Rung động kết hợp với áp suất sẽ loại bỏ các tạp chất và oxit khỏi bề mặt của các bộ phận. Các electron bắt đầu chảy giữa các bộ phận, tạo thành một đường nối luyện kim.
Hàn siêu âm là lý tưởng để tạo các kết nối điện, hàn nhôm và đồng, bịt kín các đầu ống đồng, hàn nhựa, nhúng các bộ phận kim loại vào nhựa.
Cơm. 3. Mối ghép bằng hàn siêu âm
Hàn siêu âm nhựa cho phép các mối nối đáng tin cậy hơn các phương pháp khác. Trong trường hợp này, hàn siêu âm nhựa về cơ bản khác với hàn kim loại.
Đầu tiên, hàn siêu âm kim loại xảy ra bằng các dao động ngang song song với bề mặt hàn. Hàn siêu âm nhựa sử dụng các rung động dọc bình thường (tức là ở các góc bên phải) đối với các bề mặt được hàn. Hình dạng của sonotrodes truyền rung động siêu âm đến các đường nối bằng kim loại và nhựa cũng hoàn toàn khác nhau.
Thứ hai, khi hàn kim loại, một đường nối được tạo ra do tương tác ma sát của các bề mặt, tạo ra một liên kết cứng mà không làm chảy vật liệu.Hàn siêu âm các bộ phận nhựa dựa trên sự nóng chảy của vật liệu giống như nhiều phương pháp hàn truyền thống khác, chẳng hạn như hàn hồ quang, hàn điện trở hoặc hàn laze), nhưng ở các dải nhiệt độ thấp hơn nhiều.
Cơm. 4. Thiết bị hàn siêu âm
Ưu điểm của hàn siêu âm:
1. Không cần làm sạch bề mặt đặc biệt.
2. Không cần môi trường bảo vệ.
3. Không cần vật liệu hàn (dây, điện cực, chất hàn, v.v.).
4. Tiêu thụ điện năng thấp.
5. Thời gian nối ngắn để tạo thành mối nối (khoảng một phần tư giây).
6. Tự động hóa hoàn toàn quy trình hàn và khả năng tích hợp dễ dàng với các quy trình sản xuất khác.
7. Khả năng hàn các vật liệu có bản chất khác nhau, kể cả những vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ cao, do một lượng nhiệt nhỏ được tạo ra trong quá trình hàn.
8. Hàn các loại chi tiết.
9. Các mối hàn được tạo ra bởi quá trình này trông đẹp mắt, ngay ngắn.
10. Hàn siêu âm không sử dụng hóa chất ăn mòn và tạo ra một lượng khói nhỏ, không giống như các phương pháp khác.
Hạn chế của hàn siêu âm:
1. Hạn chế nghiêm trọng nhất trong việc sử dụng hàn siêu âm là kích thước của các bộ phận hàn — không quá 250 mm. Điều này là do những hạn chế về công suất đầu ra của đầu dò, bộ sonotrode không có khả năng truyền sóng siêu âm công suất rất cao và khó kiểm soát biên độ.
2. Hàn siêu âm cũng yêu cầu độ ẩm thấp hơn trong các vật liệu được nối.Mặt khác, hàn rung được ưu tiên.
3. Hàn siêu âm không hiệu quả khi nối các vật liệu có thành dày. Ít nhất một trong các bộ phận được kết nối phải nhẹ, vì nó «hấp thụ» một lượng năng lượng khổng lồ.