Đặt vấn đề: Trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp, các thách thức lớn nhất của các nhà công nghệ và kỹ sư là sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ kỹ thuật. Những vật liệu mới ra đời với các chức năng đặc biệt áp dụng trong lĩnh vực công nghệ cao. Thông thường, các vật liệu đó bị hạn chế vì chi phí sản xuất, gia công quá đắt. Việc cần thiết là quy trình gia công vật liệu cần phải đảm bảo độ chính xác, tính công nghệ cao, tiết kiệm thời gian và chi phí nhưng vẫn phải an toàn cho môi trường.
Hàn siêu âm là một trong những kỹ thuật hàn phổ biến nhất được sử dụng trong ngành hàn. Nó nhanh chóng, tiết kiệm nguyên vật liệu, dễ dàng tự động hóa và rất thích hợp cho sản xuất hàng loạt, tăng năng suất sản xuất. Đặc biệt, hàn siêu âm có bản chất không sinh nhiệt quá cao nên không gây ứng suất trên bề mặt vật liệu, không thay đổi tính chất vật lý, hóa học của vật liệu. Hàn siêu âm áp dụng được cho các loại vật liệu khác nhau như nhôm (Al), đồng (Cu), niken (Ni), vàng (Au), bạc (Ag),… và nhựa nhiệt dẻo như ABS, Polystyrene, Noryl… Máy hàn siêu âm gồm bộ nguồn cung cấp điện (Generator), bộ chuyển đổi (Transducer), bộ khuếch đại (Booster), khuôn hàn (Horn/ Sonotrode).
Thiết kế khuôn hàn bị ảnh hưởng qua các thông số như tần số dao dộng, biên độ dao dộng, tải trọng tác dụng trong khu vực tác dụng áp lực, kích thước khuôn hàn để đạt cộng hưởng,… Trong đó, khuôn hàn là bộ phận quan trọng quyết định hiệu suất và chất lượng sản phẩm gia công [1]. Vật liệu chế tạo khuôn hàn phải được đảm bảo về cơ tính và hiệu suất truyền sóng âm. Khuôn hàn được làm từ vật liệu có độ bền mỏi cao và tổn thất âm thanh thấp [2]. Vật liệu chế tạo khuôn hàn thường được sử dụng là thép, hợp kim nhôm và titan.
Thép có cơ tính tổng hợp rất cao nhưng đa số thép đều phải qua quá trình nhiệt luyện. Titan truyền sóng âm cực kỳ tốt nhưng giá thành cao, khó sản xuất hàng loạt. Hợp kim nhôm, được biết đến là hợp kim nhẹ, bền, cơ tính cao và thường được sử dụng trong công nghệ hàng không, chế tạo ô tô,. 1 Sóng siêu âm, không giống như ánh sáng hoặc sóng điện từ, cần một môi trường đàn hồi như chất lỏng hoặc chất rắn để lan truyền.
Khi một sóng âm truyền qua một tập hợp đa tinh thể bao gồm các hạt rời rạc, nó bị mất một số năng lượng do suy giảm bao gồm tán xạ, hấp thụ ở các ranh giới hạt và tương tác với các bề mặt giao diện (phản xạ, truyền dẫn). Do đó, tìm hiểu về vật lý âm học và phân tích sóng siêu âm truyền vào kim loại hoặc hợp kim thông qua sự ảnh hưởng của các đặc điểm cấu trúc tế vi, tính chất cơ học vật liệu. Quy trình nhiệt luyện được coi là một công cụ hữu hiệu để cải thiện cơ tính của sản phẩm trong các ngành sản xuất. Quy trình nhiệt luyện đi kèm với sự thay đổi về cấu trúc tế vi tạo ra các đặc tính cụ thể cho thép thích ứng với mục đích sử dụng tốt nhất.
Điều này là để cải thiện các cơ tính thép, nhưng thông thường việc cải thiện một trong số chúng thường đi kèm với sự suy giảm các đặc tính chất lan truyền sóng âm qua thép đã nhiệt luyện. Khi chế tạo khuôn hàn, sự cân bằng tính chất cơ học và tính chất vật lý của vật liệu rất quan trọng. Nhưng chưa có nghiên cứu nào giải quyết được vấn đề như trên. Mâu thuẫn trong việc chế tạo khuôn hàn siêu âm là vấn đề mấu chốt cần giải quyết.
Vấn đề này được đề cập qua luận văn đại học và qua bài báo khoa học công bố “Analysis of process parameters of hypoeutectoid steel ultrasonic horns with different heat treatment processes” [3]. Bài báo đề cập tới khảo sát các thông số thực nghiệm ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng truyền sóng siêu âm của khuôn hàn 20CrMo. Nhiệt độ ram càng cao, thời gian giữ nhiệt trong nguyên công ram càng lâu thì hệ số chất lượng cơ học Qm càng cao nên khả năng chuyển đổi dao động điện thành cơ hiệu quả và mất mát nhiệt do ma sát thấp. Hạn chế của bài báo này, kết quả thu được chỉ được thực hiện trên một số quy trình ram, chưa khảo sát được toàn diện hết tất cả quy trình ram khác, cụ thể quy trình nhiệt luyện này chỉ dùng cho mác thép 20CrMo.
Vì thế, chưa thể kết luận mối liên hệ giữa hiệu suất truyền âm qua giá trị Qm với chế độ ram khác nhau. 2 Trong luận văn thạc sĩ này, nghiên cứu chuyên sâu về chế độ ram khuôn hàn siêu âm bằng thép SCM440. Mối quan hệ giữa cơ tính, đặc điểm của pha riêng biệt, hình thái hạt với sự suy giảm và vận tốc truyền âm trong thép cần tìm hiểu và xác định. Dựa trên điều kiện làm việc của khuôn hàn, lựa chọn cấu trúc pha phù hợp để quyết định cơ tính cần thiết và tăng hiệu suất truyền sóng âm.
Thiết lập quy hoạch thực nghiệm khảo sát tính tương tác của yếu tố nhiệt độ ram và thời gian giữ nhiệt trong nguyên công ram để tìm ra nhiệt độ, thời gian giữ nhiệt tối ưu của thép SCM440 trong nguyên công ram nhằm đạt được hiệu suất truyền sóng tốt nhất. Ứng dụng sự nghiên cứu này trên chi tiết khuôn hàn với tần số xác định để cải thiện năng suất làm việc và sản xuất trong công nghiệp.2 Tổng quan những nghiên cứu liên quan: Thép được khai thác về tính chất vật lý, sự kết hợp vật lý âm học và thép đã đưa ra nhiều ứng dụng hữu ích và tăng tính toàn diện trong việc cải tiến vật liệu. Sự tương tác giữa vật liệu dạng khối và sóng siêu âm đã thu hút được sự chú ý đáng kể trong những năm qua. Các bài báo đề cập đến vấn đề trên được công bố ở nước ngoài.
Khi một sóng siêu âm truyền trong vật liệu đa tinh thể, nó sẽ phân tán trên các ranh giới của hạt do sự định hướng sai tinh thể của các hạt lân cận và sự tán xạ, phản xạ,. trên đường truyền sóng âm. Điều này này dẫn đến mất mát năng lượng của sóng âm và sự suy giảm sóng phụ thuộc vào tần số, bước sóng, cấu trúc tế vi của vật liệu đa tinh thể. Các nghiên cứu liên quan đến vấn đề trên như sau: - “Ultrasonic Attenuation and Velocity in Three Transformation Products in Steel” của tác giả Emmanuel P.
Papadakis [4], nghiên cứu sự suy giảm và tốc độ truyền sóng của ba pha chuyển biến của thép là pearlite - ferrite, bainite, và martensite. Kết quả đã tìm ra được là tốc độ truyền sóng giảm dần từ pearlite - ferrite, bainite, martensite. - “Ultrasonic attenuation and velocity in SAE 52100 steel quenched from various temperatures” của tác giả Emmanuel P. Papadakis [5], vận tốc âm thanh trong thép đã tôi và ram giảm khi tăng nhiệt độ austenite hóa, tức là tăng kích thước hạt austenite.
3 - “Physical acoustics and microstructure of iron alloys” của tác giả Emmanuel P. Papadakis [6], tác giả nêu mối quan hệ giữa âm học vật lý và cấu trúc tế vi của hợp kim sắt. Tác giả dùng âm học vật lý để khảo sát cơ chế tán xạ, hấp thụ của sóng đàn hồi và tần số hoạt động khi sóng siêu âm truyền qua vật liệu. - “Prediction of Grain Size in Copper Using Acoustic Attenuation Measurements” của N.
Grayeli và các cộng sự [7] giải thích điều kiện xảy ra các cơ chế tán xạ khác nhau dựa trên bước sóng và đường kính hạt trung bình, mối quan hệ giữa hệ số suy giảm và tần số của sóng siêu âm - “Ultrasonic testing of grain distortion direction in cold formed aluminium profile” của Z. Keran và các cộng sự [8] nghiên cứu mối quan hệ giữa phương truyền sóng và định hướng của hạt sau khi được biến dạng nguội. Cấu trúc hạt thon dài gây ra sự ức chế đối với sự truyền sóng siêu âm. Sự kéo dài của hạt xảy ra theo hướng tác dụng lực biến dạng.
Kích thước hạt lớn hơn cho thấy vận tốc siêu âm cao hơn, kích thước hạt nhỏ hơn cho thấy vận tốc siêu âm thấp hơn. Các nhà nghiên cứu khảo sát đặc tính lan truyền sóng âm trên các mác thép sau khi áp dụng các phương pháp biến dạng dẻo với mức biến dạng, quy trình nhiệt luyện khác nhau. - “Study of the influence of deformation and thermal treatment on the ultrasonic behaviour of steel” của tác giả R. Kumar [9], nghiên cứu về vận tốc sóng siêu âm bị ảnh hưởng bởi mức độ biến dạng của quá trình biến dạng dẻo và quá trình nhiệt luyện.
Vận tốc sóng siêu âm là lớn nhất trong trường hợp rèn - thường hóa và nhỏ nhất trong trường hợp rèn - tôi, đối với cùng một mức độ biến dạng. - “Ultrasonic characterisation of hot-rolled and heat-treated plain carbon steels” của tác giả C H Gür and Y Keleş [10], nghiên cứu đặc điểm của thép cán nóng và nhiệt luyện với mác thép SAE 1020 và 1050 bằng cách thay đổi nhiệt độ austenite hóa và tốc độ làm nguội để phân biệt ảnh hưởng của kích thước hạt và các tổ chức pha trong cấu trúc tế vi các đặc tính siêu âm. 4 - “Ultrasonic Behavior Of Plastically Deformed And Heat Treated Steel” của tác giả S. Sinha [11] nghiên cứu về sự tương quan của những thay đổi cấu trúc tế vi sau khi biến dạng dẻo với mức độ biến dạng khác nhau và sau nhiệt luyện với vận tốc siêu âm và các đặc tính suy giảm trong thép rèn cacbon trung bình.
Tốc độ sóng siêu âm trong thép cacbon trung bình giảm đáng kể theo độ nhỏ mịn của hạt cũng như giảm khoảng cách giữa các tấm trong pearlite. Và tốc độ siêu âm cao nhất ở mẫu thép thường hóa và thấp nhất ở mẫu tôi. Nghiên cứu của các tài liệu tham khảo trên cung cấp cái nhìn chuyên sâu hơn về sự tương tác của sóng siêu âm qua vật liệu đa tinh thể, cụ thể là thép. Phần lớn các nghiên cứu chỉ ra rằng sự thay đổi của sóng siêu âm chủ yếu là do phần lớn sự thay đổi của cấu trúc tế vi, hình thái của hạt, modulus đàn hồi của vật liệu.
Tuy nhiên, các nghiên cứu trên sẽ mang tính chất nhỏ lẻ nếu như không thể áp dụng lý thuyết vào thực tiễn. Để theo kịp với sự tiến bộ của thiết bị và phương pháp siêu âm, cần nghiên cứu vật liệu chế tạo khuôn hàn theo hướng giải bài toán đa mục tiêu giữa cơ tính và hiệu suất truyền âm.