Tổng quan về máy hàn siêu âm kim loại

Giới thiệu

Máy hàn siêu âm kim loại là gì?

Máy hàn siêu âm kim loại là thiết bị sử dụng năng lượng sóng siêu âm để hàn nối các bộ phận kim loại với nhau. Đây là công nghệ hàn không sử dụng nhiệt hoặc áp lực cơ học lớn, thay vào đó tận dụng dao động siêu âm tần số cao để tạo ma sát nội bộ giữa các phân tử kim loại, làm nóng chảy chúng tại bề mặt tiếp xúc và hàn kết chúng lại với nhau.

So với các phương pháp hàn thông thường, máy hàn siêu âm kim loại có những ưu điểm nổi bật:

• Không sử dụng nhiệt độ cao nên không làm biến dạng, oxy hóa hay thay đổi cấu trúc tinh thể của kim loại.

• Độ chính xác cao, có thể hàn các chi tiết nhỏ và mỏng.

• Tốc độ hàn nhanh, năng suất cao.

• Tiết kiệm năng lượng và chi phí vận hành.

• Có thể hàn được nhiều loại kim loại khác nhau.

• Mối hàn chắc chắn, bền vững.

Hiện nay, máy hàn kim loại siêu âm ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như điện tử, ô tô, hàng không vũ trụ, y tế, đồ gia dụng… để hàn các chi tiết chính xác có kích thước nhỏ.

Tìm hiểu về sóng siêu âm

Sóng siêu âm là các sóng âm thanh có tần số lớn hơn 20 KHz, nó có thể truyền trong môi trường nước, không khí và kim loại.

 Sóng siêu âm có thể sinh nhiệt và gây ra áp lực, có thể được sử dụng để tạo ra các hiệu ứng cơ học. Hàn siêu âm sử dụng năng lượng siêu âm. Tần số cao (20 - 40 kHz) để tạo ra dao động cơ học biên độ thấp (1 - 25 μm).

Sóng siêu âm truyền đến bề mặt tiếp xúc giữa hai chi tiết kim loại làm cho các phân tử kim loại dao động mạnh, ma sát với nhau và sinh nhiệt. Nhiệt độ tại vùng tiếp xúc có thể lên tới 1000 độ C, làm tan chảy một lớp mỏng kim loại ở bề mặt. Khi tắt sóng siêu âm, các nguyên tử kim loại nguội đi và liên kết với nhau tạo thành mối hàn.

Thành phần của máy hàn siêu âm kim loại

Transducer (đầu hàn siêu âm) và converter (bộ chuyển đổi) 

Đầu hàn siêu âm là thành phần chuyển đổi năng lượng điện thành dao động cơ học. Đầu hàn có thể là dạng êm ái tiếp xúc hoặc dạng hàn điểm. Tùy theo yêu cầu của từng ứng dụng mà có thể chọn loại đầu hàn phù hợp. Trong quá trình hàn, đầu hàn sẽ dao động theo phương thẳng đứng, tạo lực ép và ma sát mạnh ở bề mặt tiếp xúc của chi tiết.

Bộ chuyển đổi là thành phần tăng cường và kiểm soát sóng siêu âm được tạo ra bởi đầu hàn siêu âm. Nó thường được làm bằng kim loại hoặc hợp kim giúp tăng biên độ của sóng siêu âm và truyền năng lượng siêu âm từ đầu hàn đến sản phẩm. Nó cũng có vai trò điều chỉnh và kiểm soát biên độ của sóng siêu âm. Bằng cách thay đổi thiết kế hoặc kích thước, ta có thể điều chỉnh biên độ sóng siêu âm để phù hợp với yêu cầu hàn cụ thể.

Bộ chuyển đổi là thành phần quan trọng trong hệ thống siêu âm, vì chúng khuếch đại và điều khiển các rung động siêu âm. Chúng cung cấp phương tiện để chuyển đổi năng lượng điện thành rung động cơ học, điều chỉnh và kiểm soát tần số, điều chỉnh điện trở, điều chỉnh amplitudes và tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng. Những chức năng này cho phép áp dụng siêu âm một cách chính xác và hiệu quả trong các quy trình công nghiệp khác nhau.

Cán hàn:

Chức năng của cán hàn trong việc tập trung rung động siêu âm: được thiết kế để tập trung và truyền đạt các rung động siêu âm đến vùng nối của các bộ phận kim loại đang được hàn. Chúng đóng vai trò giao tiếp giữa bộ chuyển đổi và sản phẩm. Các rung động siêu âm được tạo ra bởi bộ chuyển đổi được tăng cường và tập trung bởi cán hàn, giúp tạo ra năng lượng cần thiết cho quá trình hàn.

Hình dạng và vật liệu: hình dạng cán hàn phổ biến bao gồm thiết kế phẳng, trụ, bậc và nghiêng. Việc chọn hình dạng cán hàn phụ thuộc vào các yếu tố như cấu hình hàn, khả năng hàn và phân phối năng lượng mong muốn. Ngoài ra, cán hàn thường được làm từ vật liệu có độ cứng cao, chẳng hạn như titan, nhôm hoặc thép công cụ. Việc lựa chọn vật liệu phụ thuộc vào các yếu tố như tần số hàn, yêu cầu công suất và độ bền.

Nón hàn:

Đảm bảo rằng các bộ phận được giữ ổn định.

Căn chỉnh đúng vị trí và không di chuyển trong suốt quá trình hàn.

Nguồn phát và điều khiển

Nguồn phát:

Nguồn phát chuyển đổi tần số năng lượng của mạng sang tần số cộng hưởng năng lượng cơ học của máy khi dao động. Dải tần số hay được sử dụng là từ 20KHz. Từ tần số này, tồn tại các thiết bị cho tần số đến 50KHz.

Công suất tối đa của nguồn phát phụ thuộc vào ứng dụng. Chúng ta sử dụng trong trường hợp tổng quát các công suất từ 100W đến 400W cho một máy.

Công suất khống của nguồn phát bao gồm các mất mát riêng của hệ thống điện cũng như mất mát của bộ phận cộng hưởng cơ học. Chúng tôi khuyên rằng nên nhắm tới một công suất khống thấp nhất có thể. Cần tính đến những giá trị giới hạn được miêu tả bởi nhà sản xuất.

Điều khiển:

Trong quá trình hàn, bao gồm điều chỉnh biên độ và thời gian, là rất quan trọng để đạt được kết quả hàn chất lượng và đáp ứng yêu cầu cụ thể:

Bằng cách điều chỉnh biên độ, có thể kiểm soát lượng nhiệt cần thiết để đảm bảo rằng vùng hàn đạt được nhiệt độ và nhiệt lượng phù hợp để tạo ra kết nối hàn vững chắc và đảm bảo chất lượng hàn.

Điều chỉnh thời gian và biên độ cho phép kiểm soát độ sâu và chiều sâu của vùng hàn.

Việc điều chỉnh quá trình hàn cho phù hợp với yêu cầu cụ thể của ứng dụng giúp đảm bảo đạt được kết quả tốt nhất. Các yêu cầu có thể bao gồm độ mạnh của kết nối hàn, độ bền, khả năng chịu nhiệt, và các yêu cầu khác liên quan đến ứng dụng cuối cùng của sản phẩm hàn.

Nguyên lý làm việc của máy hàn siêu âm kim loại

Trước quá trình hàn, các vật hàn kim loại nên được cắt hoặc gia công thành hình dạng và kích thước mong muốn, loại bỏ cạnh sắc. Chuẩn bị các bộ phận kim loại đảm bảo kết quả hàn tối ưu và giúp đạt được các mối hàn chắc chắn và đáng tin cậy.

Hàn siêu âm kim loại yêu cầu bề mặt sạch và được chuẩn bị cẩn thận để tạo mối hàn hàn tốt. Các bề mặt kim loại cần được làm sạch, không có bụi bẩn, gỉ sét, dầu mỡ, oxit hoặc bất kỳ tạp chất nào khác có thể gây trở ngại cho quá trình hàn.

Căn chỉnh và gắn kẹp đúng vị trí của các bộ phận kim loại: các bộ phận cần được đặt đúng vị trí để đảm bảo tiếp xúc và không di chuyển trong quá trình hàn. Kẹp hoặc khóa được sử dụng để giữ các bộ phận chắc chắn, vị trí gắn kẹp phải đảm bảo cần thiết để ngăn chuyển động, nếu không thì có thể dẫn đến các mối hàn yếu hoặc lỗi.

Truyền sóng siêu âm

Truyền dẫn các rung động siêu âm từ bộ chuyển đổi đến mũi hàn liên quan đến việc sử dụng sự kết hợp âm thanh và tăng cường cơ học. Trong quá trình hàn, mũi hàn sẽ dao động theo phương thẳng đứng, tạo lực ép và ma sát mạnh ở bề mặt tiếp xúc của chi tiết.

Ảnh hưởng quan trọng của việc cài đặt biên độ phù hợp:

• Đảm bảo chất lượng mối hàn: Nếu biên độ quá thấp, có thể dẫn đến mối hàn yếu và không đáng tin cậy. Nếu biên độ quá cao, có thể gây ra hỏng hóc hoặc phá huỷ vật liệu hàn.

• Kiểm soát nhiệt độ: biên độ quá lớn có thể dẫn đến tăng nhiệt độ quá mức, gây chảy chất liệu hoặc hỏng hóc.

Ảnh hưởng quan trọng của việc cài đặt tần số phù hợp:

• Chiều sâu hàn: Tần số thấp hơn thường tạo ra độ sâu thấp, trong khi tần số cao hơn có thể xâm nhập sâu hơn.

• Tốc độ hàn: Tần số cao hơn cho phép tạo ra mối hàn nhanh hơn.

• Tương thích với vật liệu: Một số vật liệu kim loại có tính chất cơ học và cấu trúc phân tử đặc biệt, phải chọn tần số phù hợp.

• Tần số phù hợp giúp đạt được ổn định và kiểm soát tốt hơn trong quá trình hàn.

Quá trình hàn

Sử dụng áp lực và nhiệt thông qua sóng siêu âm cho phép hàn nhanh chóng và hiệu quả, tạo ra các liên kết luyện kim mạnh mẽ và đáng tin cậy, và tăng sự chính xác trong quá trình hàn. Ngoài ra, quá trình này làm sạch, thân thiện với môi trường và phù hợp để hàn các loại kim loại khác nhau.

Nhiệt độ tại vùng tiếp xúc có thể lên tới 1000 độ C, làm tan chảy một lớp mỏng kim loại ở bề mặt. Khi tắt sóng siêu âm, các nguyên tử kim loại nguội đi và liên kết với nhau tạo thành mối hàn.

Quá trình hàn siêu âm diễn ra rất nhanh chóng, chỉ trong vài giây đến vài phút. Đồng thời áp lực tác động lên chi tiết cũng khá nhỏ nên không làm biến dạng hay ảnh hưởng đến cấu trúc bên trong của kim loại.

Ưu điểm và hạn chế của máy hàn siêu âm kim loại

Ưu điểm:

• Tốc độ hàn nhanh

• Tiết kiệm năng lượng

• Mối hàn chất lượng cao

Hạn chế:

• Kích thước vật hàn hạn chế

• Hình dạng vật hàn đơn giản

Ứng dụng của máy hàn siêu âm kim loại

Ngành công nghiệp ô tô:

Máy hàn siêu âm kim loại được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô để hàn các bộ phận kim loại khác nhau. Đặc biệt, chúng thường được sử dụng để hàn các vật liệu như nhôm và đồng. Hiện nay, việc sử dụng các vật liệu nhẹ trong xây dựng các chi tiết của xe hơi hiện đại ngày càng được phổ biến.

Hàn siêu âm kim loại đảm bảo mối hàn chắc chắn giữa các vật liệu như nhôm và đồng, tạo điều kiện cho truyền tải điện hiệu quả và đáng tin cậy.

Máy hàn siêu âm kim loại góp phần giảm trọng lượng trong các ứng dụng ô tô. Bằng cách cho phép sử dụng các vật liệu nhẹ như nhôm, trọng lượng tổng thể của xe có thể giảm mà không ảnh hưởng đến độ bền và tính toàn vẹn cơ học, giúp cải thiện hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu.

Công nghiệp điện tử

Điện tử ngày càng yêu cầu các kết nối điện tốc độ cao và đáng tin cậy để chuyển dữ liệu và tín hiệu điện. Máy hàn siêu âm kim loại cho phép tạo ra các mối hàn chắc chắn giữa các dây đồng, đảm bảo truyền tải tín hiệu hiệu quả và giảm thiểu sự mất mát tín hiệu.

Trong công nghiệp điện tử, hàn tốc độ cao và đáng tin cậy là rất quan trọng. Các ứng dụng như mạng máy tính, viễn thông di động, thiết bị điện tử tiêu dùng và thiết bị y tế đòi hỏi truyền tải dữ liệu nhanh và chính xác.

Sản xuất các thiết bị y tế

Thiết bị y tế thường được làm từ các vật liệu khác nhau như kim loại, nhựa,.... Máy hàn siêu âm kim loại có thể được sử dụng để nối các thành phần kim loại với nhau hoặc nối kim loại với nhựa, tạo ra mối hàn vững chắc và không gây kích ứng cho cơ thể.

Máy hàn siêu âm kim loại thường hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn so với các phương pháp hàn truyền thống. Điều này giúp bảo quản được đặc tính vật liệu quan trọng trong các thiết bị y tế nhạy cảm như nhựa và cao su. Việc hàn ở nhiệt độ thấp giúp tránh hiện tượng biến dạng, đảm bảo tính chất của các vật liệu.

Những phát triển và đổi mới trong tương lai

Công nghệ hàn siêu âm kim loại đã được cải tiến đáng kể trong thời gian gần đây, bao gồm cải tiến về công suất và tần số của máy hàn, tăng cường khả năng kiểm soát và độ chính xác của quá trình hàn, cũng như tích hợp các công nghệ thông minh như nhận diện hình ảnh và điều khiển tự động.

Tiềm năng tích hợp tự động hóa trong công nghệ hàn siêu âm kim loại: các robot có thể thực hiện quá trình hàn một cách chính xác và liên tục trên nhiều sản phẩm, giúp tăng tốc độ sản xuất và giảm sự phụ thuộc vào lao động nhân công.

Công nghệ hàn siêu âm kim loại đã đóng góp vào việc nâng cao hiệu quả và hiệu quả chi phí trong quá trình sản xuất. Quá trình hàn siêu âm nhanh chóng và chính xác, giảm thiểu thời gian chờ đợi và tăng năng suất. Ngoài ra, việc hàn siêu âm không yêu cầu sử dụng chất kết dính hoặc hóa chất bổ sung, giảm tác động đến môi trường và chi phí vật liệu.

Tổng kết

Quá trình hàn siêu âm là phương pháp hàn không phá hủy, bảo toàn vẻ ngoài và chức năng của các vật được xử lý, đặc biệt quan trọng trong các ngành như điện tử và y tế. Sử dụng máy hàn siêu âm có thể tốn chi phí đầu tư ban đầu nhưng với độ hiệu quả và chất lượng của chúng, đây vẫn là sự đầu tư xứng đáng trên chặng đường dài.

Tương lai của máy hàn siêu âm đang là rất triển vọng và sẽ tiếp tục phát triển về công nghệ. Tiếp nối với việc các ngành công nghiệp ưu tiên về sự hiệu quả, bền vững, và chính xác, máy hàn siêu âm đáp ứng đúng với các tiêu chí đó.