Nguyên lý ứng dụng cắt và hàn dây đai bằng sóng siêu âm

Nguyên lý cắt và hàn bằng sóng siêu âm

Cắt và hàn siêu âm là một lĩnh vực con của các ứng dụng siêu âm trong công nghiệp, và nó ngày càng được sử dụng rộng rãi nhờ các đặc tính thân thiện với môi trường, hiệu quả và tính thẩm mỹ cao.

Nguyên lý cắt và hàn siêu âm

Cắt và hàn đai bằng sóng siêu âm sử dụng rung động cơ học tần số cao 20-40kHz, truyền năng lượng đến bề mặt tiếp xúc của đai thông qua đầu hàn. 1. Chuyển đổi năng lượng: Máy phát sóng siêu âm chuyển đổi năng lượng điện thành rung động cơ học tần số cao, được khuếch đại bởi bộ biến đổi biên độ và sau đó truyền đến đầu hàn. 2. Sinh nhiệt do ma sát: Đầu hàn ép vào đai, gây ra ma sát tần số cao giữa các sợi bên trong đai, ngay lập tức tạo ra nhiệt độ cao cục bộ từ 500-1000℃. 3. Hàn và cắt đồng thời: Nhiệt độ cao làm tan chảy các sợi đai (như nylon và polyester), trong khi áp lực của đầu hàn nén chặt phần bị tan chảy, tạo thành lớp hàn chắc chắn. Nếu sử dụng với đầu hàn có lưỡi cắt chuyên dụng, nhiệt độ cao có thể đồng thời cắt đai, đạt được quá trình "cắt + hàn" tích hợp. 4. Làm nguội và tạo hình: Sau khi rung động dừng lại, áp lực được duy trì trong 0,1-0,5 giây, cho phép vùng hàn nguội và đông cứng nhanh chóng, hoàn thành quá trình cắt và hàn. (Hệ thống khí nén cung cấp khả năng giảm chấn, đồng thời đảm bảo làm mát và tạo hình trong quá trình cắt và hàn.)

Cấu tạo của hệ thống cắt và hàn siêu âm

Hệ thống hàn nhựa siêu âm thường dùng bao gồm ba thành phần chính: máy phát siêu âm (hộp điện), một đầu dò siêu âm (bộ rung) và một khuôn siêu âm (đầu khuôn, đầu hàn, còi).

Máy phát siêu âm (hộp điện), đầu dò siêu âm (bộ rung), khuôn siêu âm (đầu khuôn, đầu hàn, còi siêu âm)

1. Máy phát siêu âm (hộp điện): Chuyển đổi nguồn điện lưới thành nguồn điện đầu ra ổn định, tần số cao và điện áp cao.

2. Đầu dò siêu âm (bộ dao động): Một thiết bị âm thanh chuyển đổi năng lượng, biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học.

3. Bộ khuếch đại: Biên độ dao động cơ học của đầu dò được thay đổi thông qua tỷ lệ khuếch đại được thiết kế sẵn.

4. Khuôn (đầu hàn, sừng): Được chế tạo theo kích thước cụ thể phù hợp với nhu cầu của các ứng dụng hàn và cắt, và được thiết kế với các đặc tính âm học để đáp ứng các yêu cầu cộng hưởng của hệ thống siêu âm. Dưới đây, tôi sẽ sử dụng một số công thức để giải thích hiện tượng điều chỉnh thông số trong các ứng dụng.

Năng lượng = Biên độ * Áp suất * Thời gian * Hằng số K = Công suất * Thời gian

Các công thức trên cho thấy trong quá trình hàn và cắt, biên độ sóng siêu âm (có thể được thiết lập trên máy phát), áp suất (áp suất không khí hoặc mô-men xoắn xi lanh điện, cũng như độ cứng và độ bền kết cấu) và thời gian phát sóng có mối tương quan thuận với hiệu quả hàn và cắt. Nói cách khác, nếu sản phẩm không được cắt tốt, các thông số này có thể được điều chỉnh để cải thiện chất lượng. Điều này có nghĩa là các thông số càng cao thì càng tốt sao? Tất nhiên là không!

P = K∗A∗f∗δ, trong đó P biểu thị công suất hàn, tính bằng W;

K là một hằng số có giá trị liên quan đến khả năng dẫn truyền âm thanh và tiêu tán năng lượng của vật liệu. Điều này có nghĩa là chúng ta thường nói rằng các vật liệu khác nhau cần điều chỉnh thông số khác nhau để đáp ứng yêu cầu.

MỘT Biểu thị diện tích của vết cắt hàn, được đo bằng mét vuông (㎡). Đây là bề mặt tiếp xúc của vết cắt hàn, vì vậy chiều dài và góc của lưỡi cắt thường quyết định diện tích này.

f Tần số siêu âm có nghĩa là về mặt lý thuyết, tần số càng cao thì việc hàn càng dễ dàng hơn. Tuy nhiên, về mặt âm học, tần số càng cao thì càng khó đạt được biên độ lớn; đơn vị là Hz.

d λ biểu thị biên độ, được đo bằng mét (m). Về mặt lý thuyết, biên độ càng lớn thì khả năng hàn và cắt càng tốt. Tuy nhiên, tuổi thọ mỏi của vật liệu kim loại phụ thuộc vào tần số, tính chất vật liệu, ứng suất, thời gian, áp suất và độ cứng, do đó bị ảnh hưởng bởi các thông số khác.

Sáu yếu tố ảnh hưởng đến kết quả cắt và hàn siêu âm:

Áp suất + Thời gian + Cấu trúc cơ khí + Vật liệu sản phẩm + Gỡ lỗi

1. Áp suất hàn siêu âm

Việc tác dụng áp lực thích hợp lên bề mặt hàn khiến vật liệu hàn chuyển từ trạng thái đàn hồi sang trạng thái dẻo, thúc đẩy sự khuếch tán phân tử và đẩy không khí còn sót lại ra khỏi mối hàn, từ đó tăng hiệu quả làm kín của bề mặt hàn. Áp lực thường không vượt quá 0,5 MPa.

2. Thời gian hàn/cắt siêu âm (thời gian phát sóng)

Thời gian nóng chảy thích hợp và thời gian làm nguội đầy đủ là rất cần thiết. Với công suất nhiệt cố định, thời gian không đủ sẽ dẫn đến hàn không hoàn toàn, trong khi thời gian quá dài sẽ gây biến dạng mối hàn, tràn xỉ và đôi khi gây ra các điểm nóng (đổi màu) ở các vùng không hàn. Điều quan trọng là phải đảm bảo bề mặt mối hàn hấp thụ đủ nhiệt để đạt trạng thái nóng chảy hoàn toàn, đảm bảo sự khuếch tán và kết dính phân tử đầy đủ. Đồng thời, thời gian làm nguội đầy đủ là cần thiết để mối hàn đạt được độ bền cần thiết.

3. Biên độ siêu âm

4. Cấu trúc cơ khí

Độ chính xác và độ ổn định của quá trình chế tạo khung ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả hàn, đặc biệt đối với một số sản phẩm đòi hỏi độ chính xác cao, trong đó cấu trúc cơ khí phải phù hợp với độ chính xác của sản phẩm.

5. Vật liệu sản phẩm

Các yếu tố như vật liệu của các bộ phận được hàn, cấu trúc, độ dày và khả năng chịu áp lực của chúng cũng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả hàn.

6. Gỡ lỗi thiết bị

Tóm lại, để sản phẩm đạt được kết quả cắt và hàn siêu âm tốt nhất, việc hiệu chỉnh thiết bị cũng là một yếu tố đảm bảo quan trọng. Việc điều chỉnh linh hoạt các thông số khác nhau và hiệu chỉnh tại chỗ bởi các kỹ sư đóng vai trò quan trọng.