Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho máy hàn nhựa

1 LỜI NÓI ĐẦU Máy hàn nhựa được dùng phổ biến trong các nhà máy sản xuất bao bì đóng gói, cũng như các đơn vị sử dụng bao bì đóng gói bảo quản như: Công ty sản xuất bao bì nhựa Yến Phát

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hà Nội - 2017

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ của giảng viên hướng dẫn TS Vũ Thị Thúy Nga Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình nào khác

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình Trường đại học Bách khoa Hà Nội không liên quan đến những

vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có)

Phạm Việt Cường

1.1 vai trò của công nghệ hàn nhựa trong thực tế 4

1.2 Nhiệm vụ của công nghệ hàn nhựa trong thực tế 5

2.1 Nhựa và nguyên tắc hàn nhựa 7

2.1.1 Nhựa 7

2.1.2 Nguyên tắc trong hàn nhựa 8

2.2 Các phương pháp hàn nhựa (Plastic Welding) 9

2.2.1 Hàn Siêu Âm 9

2.2.2 Hàn laser 15

2.2.3 Hàn ma sát 22

2.2.4 Hàn gia nhiệt 29

2.2.5 Nhận xét 31

3.1 Đặt vấn đề 33

3.2 Thuyết minh nguyên lý hoạt động 35

3.2.1 Chu kỳ hàn 36

3.2.2 Hệ thống gia nhiệt và khống chế nhiệt 37

3.2.3 Khi xảy ra sự cố và reset hệ thống: 37

3.2.4 Lưu đồ thuật toán 38

3.3 Giải pháp kỹ thuật 39

3.3.1 Xây dựng thuật toán điều khiển PID 39

3.3.2 Viết chương trình điều khiển PLC S7-1200 trên phần mềm TIA PORTAL 45 3.3.3 Thiết kế giao diện điều khiển trên WinCC 59

3.4 Chạy mô phỏng 63

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: VAI TRÒ, NHIỆM VỤ CÔNG NGHỆ HÀN NHỰA TRONG THỰC TẾ 4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN NHỰA 7

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CHO MÁY HÀN NHỰA 33

3.5.2 Túi nhựa PP 64

3.5.3 Túi màng phức hợp OPP 66

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

PHỤ LỤC 70

1

LỜI NÓI ĐẦU

Máy hàn nhựa được dùng phổ biến trong các nhà máy sản xuất bao bì đóng gói, cũng như các đơn vị sử dụng bao bì đóng gói bảo quản như: Công ty sản xuất bao bì nhựa Yến Phát, Công ty TNHH - SX Bao bì nhựa Vĩnh Phát, Công Ty TNHH Phân Bón Hàn - Việt, …

Việc ứng dụng các thuật toán điều khiển cho các máy hàn nhựa sẽ nâng cao được chất lượng và số lượng sản phẩm, đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt cho công nghiệp nước ta

1 Lý do chọn đề tài

Là một doanh nghiệp thường xuyên phải đóng gói bảo quản các loại sản phẩm khác nhau sau khi sản xuất với số lượng lớn Hiện tại việc đóng gói bảo quản sản phẩm của đơn vị được thực hiện bằng phương pháp hàn gia nhiệt Quá trình điều khiển khống chế nhiệt độ bằng cách điều khiển khởi động từ đóng/cắt nguồn cho bộ phận gia nhiệt (theo phương pháp ON/OFF) dựa trên nhiệt độ đặt trên “bộ khống chế nhiệt” và tín hiệu phản hồi về (nhiệt độ thực tế)

Cách thức sản xuất còn thực hiện khá thủ công Toàn bộ các thao tác sản phẩm vào túi, gá vào khuân rồi đưa vào vị trí hàn qua cửa chắn an toàn; tiếp đó cửa chắn an toàn được đóng lại và người vận hành dùng chân tác động lên bàn đạp, bàn đạp qua cơ cấu cơ khí ép bộ phận gia nhiệt xuống và tiến hành hàn theo thời gian công nghệ quy định; sau khi hết thời gian quy định, người công nhân mở cửa chắn an toàn và lấy sản phẩm ra chuyển chặng tiếp theo, tiếp đó lại cho sản phẩm khác và túi bảo quản mới và tiếp tự một chu trình mới đề được thực hiện thủ công

Vì vậy việc hiện đại hóa quá trình sản xuất, giảm giá thành sản phẩm, tăng năng suất lao động như vẫn phải đảm bảo đảm yêu cầu về chất lượng mối hàn tốt và an toàn cho người lao động của đợn vị là hết sức cần thiết

Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên, học viên đã đề xuất thực hiện Được sự chỉ bảo

của cô giáo TS Vũ Thị Thúy Nga, tác giả đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Thiết kế hệ

thống điều khiển tự động cho máy hàn nhựa”

2

2 Mục đích nghiên cứu

- Nghiêm cứu “Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho máy hàn nhựa”

- Xây dựng được đầy đủ phương pháp luận để phân tích, tổng hợp, thiết kế được hệ thống điều khiển tự động cho máy hàn nhựa

- Nghiên cứu sử dụng bộ phận điều khiển PID điều khiển bộ phận gia nhiệt của máy hàn nhựa

- Kiểm chứng kết quả bằng mô phỏng trên phần mềm

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

* Đối tương nghiêm cứu:

- Các phương pháp hàn nhựa trong công nghiệp hiện nay

- Ứng dụng lý thuyết điều khiển vào thực tế

* Phạm vi nghiêm cứu:

Luận văn thạc sĩ: “Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho máy hàn nhựa”

- Điều khiển nhiệt độ bộ phận gia nhiệt của máy hàn

- Mô phỏng bằng các phần mềm mô phỏng

4 Phương pháp nghiên cứu

- Gắn lý thuyết với đối tượng thực tế

- Dùng máy tính với các phần mêm mô phỏng

5 Cấu trúc Luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, danh mục tài liệu tham khảo và các phụ lục, nội dung chính của luận văn chia thành 3 chương:

Chương 1: Vai trò, nhiệm vụ công nghệ hàn nhựa trong thực tế

Chương 2: Tổng quan về công nghệ hàn nhựa

Chương 3: Thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển tự động cho máy hàn nhựa

Đề tài đã được hoàn thành đúng thời hạn dưới sự hướng dẫn tận tình của TS Vũ Thị Thúy Nga và các bạn đồng nghiệp cùng sự nỗ lực của bản thân Tác giả xin chân thành cám ơn cô giáo hướng dẫn, các thầy cô giáo thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp tác giả trong quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn

3

Vì điều kiện khách quan và khả năng của bản thân, luận văn hoàn thành chắc chắn còn nhiều thiếu sót Rất mong sự góp ý của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn!

4

CHƯƠNG 1 VAI TRÒ, NHIỆM VỤ CÔNG NGHỆ HÀN NHỰA TRONG

THỰC TẾ

1.1 Vai trò của công nghệ hàn nhựa trong thực tế

Vật liệu dẻo nói chung hiện hữu hàng ngày trong cuộc sống con người Vật liệu dẻo

sử dụng trong sản xuất từ những vật dụng trong đời sống cho đến những sản phẩm công nghiệp, gắn liền với cuộc sống hiện đại của con người Chúng là những vật liệu có khả năng bị biến dạng khi chịu tác dụng của nhiệt, áp suất và vẫn giữ được sự biến dạng đó khi thôi tác dụng Vật liệu dẻo được sử dụng rộng rãi để thay thế cho các sản phẩm làm

từ vải, gỗ, da, kim loại, thủy tinh…v chúng có đặc tính bền, nhẹ, khó vỡ, dễ tạo hình và

đa dạng màu sắc

Mặc dù các mục tiêu của nhà thiết kế về việc đúc các nên các sảm phẩm đơn, nhưng

có rất nhiều sản phẩm quá phức tạp để tạo ra một khuôn duy nhất Do đó, việc sản xuất các chi tiết nhỏ để lắp ráp thành một sản phẩm là rất quan trọng cho việc sản xuất hàng loạt các sản phẩm Các phương pháp để kết hợp các thành phần nhựa có thể được chia thành ba loại chính: Gia công cơ khí, keo dính và hàn (xem Hình 1)

Hình 1.1 Các phương pháp lắp ráp chi tiết nhựa

5

Gia công cơ khí bao gồm việc sử dụng các ốc vít riêng biệt, chẳng hạn như ốc vít bằng kim loại hoặc ốc vít bằng nhựa cứng, hoặc dựa vào các bộ phận kết hợp được đúc thành các bộ phận, chẳng hạn như khớp nối hoặc khớp nối ép Trong mối liên kết dính, một vật liệu (keo dính) được đặt giữa các bộ phận (vật dính), nơi nó đóng vai trò là vật liệu nối các bộ phận và truyền tải qua khớp Trong hàn hoặc liên kết nhiệt hạch, nhiệt được sử dụng để làm tan hoặc làm mềm trên bề mặt cho phép sự khuếch tán liên phân tử giữa các bề mặt và liên kết để tạo nên sự chắc chắn tại khớp nối

Như chúng ta đã biết đầu ra chính của ngành nhựa là ngành bao bì đóng gói, vật liệu xây dựng và công nghiệp chế tạo Với những đặc tính hóa lý nổi trội (khả năng tái sử dụng) cũng như giá thành thấp hơn so với những loại chất dẻo khác, nhựa nhiệt dẻo chiếm lĩnh 75% trong cơ cấu sử dụng chất dẻo toàn cầu Nhựa nhiệt dẻo khi nung nóng sẽ chảy mềm ra và khi nguội sẽ đóng rắn lại, với mỗi loại nhựa nhiệt dẻo khác nhau sẽ có các điểm nóng chảy khác nhau Do vậy yêu cầu trong hàn nhựa cũng rất khắt khe Từ chất lượng mối hàn, độ kín của mối hàn, độ bền và cả độ thẩm mỹ của mối hàn ngày càng đòi hỏi cao do đó vai trò của công nghệ hàn ngày càng quan trọng trong ngành công nghiệp nhựa hiện nay

1.2 Nhiệm vụ của công nghệ hàn nhựa trong thực tế

Theo thống kê của VPA, hiện trong nước có khoảng 2.000 công ty tham gia hoạt động sản xuất kinh doanh nhựa, trong đó chủ yếu là các công ty nhỏ và vừa Số lượng công ty lớn cùng việc phân tán khiến gia tăng áp lực cạnh tranh trong ngành Bên cạnh đó giá nguyên liệu đầu vào phụ thuộc khá nhiều vào biến động giá thế giới nhưng đó là yếu

tố đầu vào tác động chung lên lợi nhuận của công ty Để đảm bảo mức sinh lời, nhiệm vụ đặt ra cho các công ty nhựa là duy trì và gia tăng thị phần đầu ra bằng cách nâng cao chất lượng và công suất, giảm chi phí đầu tư Để làm được điều này thì phải cải tiến nâng cao công nghệ sản xuất, một trong nhưng công nghệ đó chính là công nghệ hàn nhựa

Vậy nhiệm vụ đặt ra cho công nghệ hàn nhựa là: nâng cao chất lượng hàn, năng suất cũng như giảm chi phí tiêu thụ điện năng

Nâng cao chất lượng hàn: do nhựa có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiều so với kim loại, đồng thời kết cấu vật lý hóa học của nhựa cũng dễ bị biến đổi dưới nhiệt độ cao nên yêu cầu quá trình hàn cũng khắc khe hơn rất nhiều Vậy nhiệm vụ đặt ra ở đây là hệ

6

thống gia nhiệt và giám sát nhiệt phải có tính ổn định, tin cậy cao trong dải nhiệt đo cho phép của sản phẩm, mỗi sản phẩm có 1 chế độ gia nhiệt và điều khiển nhiệt khác nhau để đảm chất các mối hàn chắc ngấu, đẹp và ổn định

Nâng cao năng xuất hàn: một trong những yếu tố cơ bản để nâng cao năng lực sản xuất, giảm giá thành sản phẩm là nâng cao năng suất của thiết bị hàn Áp dụng các công nghệ hàn mới tiên tiến phù hợp với điều kiện sản xuất và yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm

để giảm thời gian sản xuất ra 1 sản phẩm, từ đó giảm chi phí sản xuất và tăng lợi nhuân cho doanh nghiệp

Giảm chi phí tiêu thụ điện năng: đó cũng là một bài toán kinh tế mà công nghệ hàn cần giải quyết Việc kết nối các vật liệu nhựa là một trong những công việc đòi hỏi tiêu tốn nhiều điện năng, vậy việc giảm thời gian gia nhiệt để tiết kiểm điện năng, giảm chi phí sản xuất ra sản phẩm hoặc giảm chi phí trong lắp đặt các công trình dùng các sản phẩm nhựa hàn như các đường ống dẫn, thoát nước…vv

7

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN NHỰA

2.1 Nhựa và nguyên tắc hàn nhựa

2.1.1 Nhựa

Nhựa (Plastic) có bản chất là polymer hay những sợi gắn chặt với nhau, có nguồn gốc hữu cơ, được tổng hợp hoặc bán tổng hợp bằng con đường hóa học, có khối lượng phân tử cao, có thể chứa thêm phụ gia để tăng các đặc tính của nhựa

Nhựa trong công nghiệp có 2 loại chính: nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo Nhựa nhiệt rắn là loại không thể tái sinh, đặc tính cứng, thường dùng làm các loại chén đĩa giả

sứ, meca …Nhựa nhiệt rắn không nóng chảy trở lại nên không thể hàn, do vậy trong phạm vị nghiêm cứu công nghệ hàn nhựa cứng sẽ không đề cập đến loại nhựa nhiệt rắn này

Nhựa nhiệt dẻo là loại nhựa khi nung nóng đến nhiệt độ chảy mềm Tm thì nó chảy mềm ra và khi hạ nhiệt xuống thì nó đóng rắn lại mà không bị thay đổi về cấu trúc nhựa

Một số loại nhựa nhiệt dẻo trong công nghiệp hay được sử dụng:

- Nhựa PE (polyethylene): mềm, dẻo làm túi xách các loại, thùng can thể tích nhỏ

phẩm

- Nhựa PVC (polyvinylchloride): Có tính dòn, không mềm dẻo như PE hoặc PP

để chế tạo PVC mềm dẻo dùng làm bao bì thì phải dùng thêm chất phụ gia Tuy nhiên

- Nhựa PC (Polycarbonat): tính bền cơ học và độ cứng vững rất cao, chịu nhiệt cao

- Nhựa PET (Polyethylene terephthalate): bền cơ học cao, có khả năng chịu lực xé

của PET vẫn được giữ nguyên

300

270

300

350

2.1.2 Nguyên tắc trong hàn nhựa

Hàn nhựa là quá trình sử dụng phương pháp nào đó làm cho vị trí hàn của hai chất liệu chảy ra thành một vùng nhựa lỏng mà không biến đổi đặc tính của nhựa, sau đó là quá trình đông nguội làm cho hai vật trở thành một chủ thể

Vì nhựa có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiều so với kim loại, đồng thời kết cấu vật lý hóa học của nhựa cũng dễ bị biến đổi dưới nhiệt độ cao nên yêu cầu về nhiệt độ của quá trình hàn nhựa khắt khe hơn rất nhiều Với mỗi lọa nhựa và phụ gia khác nhau, nhiệt độ nóng chảy của nhựa là rất khác nhau, do đó khi mà hàn nhựa phải nắm rõ được vật liệu hàn cũng như điều chỉnh các yêu tố hàn khá phức tạp

9

2.2 Các phương pháp hàn nhựa (Plastic Welding)

Hàn nhựa là quá trình sử dụng phương pháp nào đó làm cho vị trí hàn của hai chất liệu chảy ra thành một vùng nhựa lỏng mà không biến đổi về đặc tính của nhựa, sau đó là

quá trình đông nguội làm cho hai vật trở thành chủ thể

Dựa trên nguyên lý tạo nhiệt, hàn nhựa có thể được phân thành các phương pháp phổ biến như sau: Hàn siêu âm (Welding Ultrasonics), hàn Laser, Hàn gia nhiệt (Welding heat), Hàn ma sát (Welding friction)

2.2.1 Hàn Siêu Âm

2.2.1.1 Khái niệm hàn siêu âm

Hình 2.2 Hàn siêu âm

Hàn siêu âm là quá trình hàn áp lực, sử dụng năng lượng cơ học của dao động siêu

âm làm biến dạng dẻo cục bộ tại bề mặt mối ghép, làm cho các phần tử của chi tiết hàn khuếch tán, thẩm thấu lẫn nhau và liên kết với nhau tạo thành mối hàn Quá trình liên kết

hàn trong hàn siêu âm

10

2.2.1.2 Nguyên lý của hàn siêu âm

Một máy hàn siêu âm gồm có các bộ phận cơ bản như : nguồn cung cấp điện – power supply/generator (oscilator) , bộ chuyển đổi – tranducer, bộ khuếch đại – booster, dao cắt –horn (sonotrode) và giá đỡ (đe) – anvil

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hàn siêu âm

a Nguồn phát sóng siêu âm (generator)

Nguồn phát siêu âm công suất cao kết nối với bộ chuyển đổi bao gồm một mạch cầu công suất biến tần transistor, mạch đầu ra kết nối với một nguồn DC để tạo ra một dòng điện xoay chiều Một mạch tạo xung được sử dụng để tạo ra chuỗi xung lưỡng cực

để kiểm soát đóng/mở của transistor trong mạch biến tần Độ rộng xung được điều chỉnh

để tạo ra thời gian chết ít nhất bằng khoảng thời gian lưu trữ của những transistor để ngăn chặn sự chồng chéo trong sự truyền dẫn tín hiệu Kiểm soát quá tải của mạch bằng cách giảm độ rộng xung khi dòng ở đầu ra vượt quá mức xác định trước do đó dòng đầu ra được giảm xuống Một mạch khởi động trong mạch tạo xung tăng dần độ rộng xung trong quá trình khởi động generator và một mạch bảo vệ khác chống lại sự tăng lên quá tải của mạch trong quá trình hoạt động Mạch tạo xung cũng bao gồm một pha khoá vòng mạch dao động có một đầu kết nối vào bộ lọc khuếch đại với mạch công suất để đồng bộ hoá các mạch tạo xung với tần số hoạt động của thanh rung (tranducer + booster + horn) Các bộ khuếch đại mạch lọc có thể điều chỉnh để sử dụng với các horn khác nhau

b Bộ chuyển đổi (tranducer)

11

Bộ chuyển đổi có chức năng chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu cơ nhờ hiệu ứng áp điện của thạch anh Có nghĩa là khi tác động vào thạch anh một lực cơ học (âm thanh, sóng nước…) thì nó sẽ tạo ra một điện áp dao động có tần số tương đương với mức độ tác động vào chúng Và ngược lại, khi tác động vào chúng một tần số điện thì chúng sẽ tạo ra rung động cơ học có tần số tương đương

c Bộ khuếch đại (Booster)

Bộ khuếch đại là bộ phận khuếch đại biên độ dao động của sóng siêu âm, được ghép nối tiếp liền sau tranducer và truyền biên độ dao động này vào đầu cắt (horn) Bộ phận này còn được thiết kế nhằm phục vụ thêm một mục đích thứ hai đó là tạo ra vị trí để

gá đặt khuôn hàn Vật liệu chế tạo bộ khuếch đại thường được sử dụng là nhôm hợp kim hoặc titan

Để tạo ra được dao động cộng hưởng với bộ chuyển đổi, bộ khuếch đại phải có chiều dài là một nửa bước sóng siêu âm truyền trong vật liệu mà nó được chế tạo ở tần số dao động của tranducer truyền tới nó

Hệ số khuếch đại của booster tỉ lệ với tiết diện đầu vào và tiết diện đầu ra

12

2.2.1.3 Qua ́ trình hàn siêu âm

Hàn siêu âm là một kỹ thuật rất phổ biến để liên kết nhiệt của chất dẻo nhiệt và vật liệu nhựa nhiệt dẻo Hàn được thực hiện bằng cách sử dụng độ rung động cơ học cao từ thấp tới thấp (từ 1 đến 250 lm) (10 đến 70 kHz) cho các bộ phận Kết quả này làm thay đổi theo chu kỳ của các bộ phận, chủ yếu ở bề mặt kết nối và bề mặt gồ gề Năng lượng chu kỳ được biến đổi thành nhiệt thông qua ma sát liên phân tử Nhiệt độ cao nhất ở bề mặt, đủ để làm nóng chất dẻo nhiệt và để kết dính các bộ phận Hàn siêu âm thường được

sử dụng trong sản xuất hàng loạt vì thời gian hàn tương đối ngắn (thường ít hơn 1 giây)

Trong quá trình siêu âm, nhựa nhiê ̣t dẻo trải qua các pha biến đổi như sau:

+ Bắt đầu chảy (tương tác hai vâ ̣t liê ̣u)

+ Gia tăng chảy dẻo (tương tác vâ ̣t liê ̣u dẻo và vâ ̣t liê ̣u rắn)

+ Pha chảy châ ̣m (tương tác giữa các lớp nhựa chảy dẻo)

+ Hóa rắn mối hàn (sau khi hàn)

Hình 2.5 Quá trình hàn siêu âm

Hàn sóng siêu âm là kỹ thuâ ̣t khoa ho ̣c cao của sản phẩm hàn nhựa nhiê ̣t dẻo, các loa ̣i nhựa nhiê ̣t dẻo đều có thể sử du ̣ng sóng siêu âm để hàn mà không cần sử du ̣ng chất dung môi, chất kết dính hoă ̣c sản phẩm phu ̣ trợ khác, ưu điểm của nó là tăng năng suất sản xuất, giảm ma ̣nh giá thành, nâng cao chất lượng sản phẩm

Các vật liệu không giồng nhau nên khả năng hàn được với nhau cũng là không giồng nhau Dưới đây là bảng thể hiện hàn siêu âm

Trong bảng thể hiện khả năng hàn, đấu vuông đen là những vật liệu có khả năng hàn siêu âm tốt với nhau tốt nhất Dấu tròn trắng thể hiện khả năng hàn siêu âm hàn chế

13

Hình 2.6 Khả năng hàn siêu âm hai loại polymer

2.2.1.4 Những hạn chế của Hàn siêu âm

Phương pháp hàn siêu âm còn một số hạn chế là kích thước mối hàn còn hạn chế, điều này là do một phần thiết kế của đầu hàn Đầu hàn phải được thiết kế để phù hợp với cộng hưởng ở tần số hàn siêu âm, nên có những hạn chế vật lý với kích thước của nó, nếu như không xem xét những hạn chế này trong giai đoạn thiết kế của đầu hàn có thể gây ra các rung động không mong muốn dẫn đến hỏng hỏng hoặc làm giảm chất lượng hàn

Hàn polymer bằng phương pháp hàn siêu âm còn hàn chế bởi độ dày của vật liệu, tuy phương pháp này không những hàn được hai vật liệu giống nhau mà còn hàn được hai vật liệu khác nhau với độ dày của chúng nằm trong giới hạn cho phép, nếu chúng quá dày thì quá trình này sẽ không kết nối chúng Đối với các vật liệu được hàn là khác nhau

14

thì khả năng siêu âm cũng vị hạn chế Để đảm bảo chất lượng mối hàn thì cần thay đổi một số thông số công nghệ

2.2.1.5 Lĩnh vực ứng dụng của Hàn siêu âm

Hàn siêu âm là một kỹ thuật linh hoạt cũng có thể được sử dụng cho sản xuất kích thước nhỏ - miễn là các đồ đạc được thiết kế linh hoạt Nó có thể áp dụng cho cả chất dẻo nóng vô định hình và bán tinh thể Trong một số trường hợp, kỹ thuật này thậm chí có thể được sử dụng để liên kết các vật liệu không giống nhau Do những ưu điểm này, hàn siêu

âm là một trong những phương pháp tổng hợp nhất được sử dụng trong công nghiệp để kết hợp các chất dẻo

Do đó hàn siêu âm ứng dụng rất rộng và được tìm thấy trong nhiều ngành công nghiệp bao gồm điện và máy tính, ô tô và hàng không vũ trụ, y tế, và đóng gói lão hóa Hàn siêu âm là một kỹ thuật rất phổ biến để liên kết chất dẻo Nó nhanh và dễ dàng tự động với thời gian hàn thường dưới một giây và không có hệ thống thông gió cần thiết để tái chuyển nhiệt hoặc khí thải Loại hàn này thường được sử dụng để xây dựng các cụm quá nhỏ, quá phức tạp, hoặc quá tinh tế đối với những kỹ thuật hàn phổ biến hơn

Sau đây là một số ứng dụng của hàn siêu âm được sử dụng trong ngành công nghiệp:

tặng bằng nhựa và hệ thống khác;

đĩa, điện thoại di động tấm pin và bộ chỉnh lưu biến áp, công tắc và ổ điện, điều khiển từ xa, điện tử vỉ đập, mũ và các giả giả

nước bàn ủi hơi nước, ấm đun nước điện, máy tính

mục vỏ, bút đứng, hộp vỏ mỹ phẩm, vỏ hộp kem đánh răng, gương, cốc, bật lửa, đóng chai gia vị

tennis, câu lạc bộ golf, bàn bi, con lăn máy chạy bộ bỏ qua bước grip, các bộ

15

phận máy chạy bộ, vòm hộp, thể dục dụng cụ, găng tay boxing, bao cát boxing, bàn triển lãm và thiết bị thể thao khác được sử dụng nhiều bằng hàn điểm nhựa trong máy hàn nhựa siêu âm

2.2.1.6 Ưu điểm, nhược điểm của hàn siêu âm

+ Chất lượng mối hàn không thật sự ổn định

+ Giá thành thiết bị tương đối cao

2.2.2 Hàn laser

2.2.2.1 Khái niệm

Hàn laser (Laser welding/ Laser beam welding ) là quá trình hàn nóng chảy ,sử dụng năng lượng của chum tia ánh sáng đơn sắc hội tụ ở mật độ siêu cao để làm nóng chảy mép hàn và sau khi kết tinh ta được mối hàn

2.2.2.2 Nguyên lý cấu tạo của hàn laser

Laser có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp như: cắt, khoan, marking, quang khắc, hàn, … Tất cả các loại laser đều dựa trên nguyên lý cơ bản là bức xạ cưỡng bức, năng lượng chuyển hóa được quy định bằng cơ chế quang học từ nguồn cấp: quang học lượng tử Laser là viết tắt cuiar từ Light Amplication by the Stimulation Eminssion of Radiation (khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức) bằng cơ chế quang lượng tử bởi các photon có thể được tạo ra, thu gom, khuếch đại và khai thác để sử dụng

Tất cả các laser có 3 thành phần chính:

Lasing hay “gain” medium hay còn gọi là rod là môi trường kích hoạt laser

Nguồn năng lượng để kích thích các điện tử (electron) trong thanh rod (gain medium) để tạo ra năng lượng cao gọi là Pump hay là nguồn kích động

Gain Medium: gain medium của laser được sử dụng để kích năng lượng để

khuếch đại hay làm gia tăng công suất đầu ra của laser Gain medium có khả năng hấp thụ năng lượng từ pump và dự trữ nó dưới dạng các điện tử bị kích thích, và có khả năng truyền năng lượng được bức xạ ra có bước sóng mong muốn Gain medium có thể bằng khí, chất lỏng, chất rắn, chất bán dẫn, hay chất có không điện tử Hầu hết mọi trường hợp, tên của laser được đặt theo tên của gain medium, ví dụ: carbon dioxide, argon, Alexandrite, Neodymium: Yttrium-Aluminum-Garnet (Nd: YAG), v.v…

17

Pump: là bộ phận cung cấp năng lượng cho gain medium Nguồn của pump có thể

là ánh sáng quang phổ rộng hay hẹp được phát ra từ bóng đèn, điện áp cao, hóa chất có điện áp 1 chiều (DC), điện cao tần- radio frequency, hoặc ngay cả là loại laser khác

Gain medium là chất rắn (pha lê hay thủy tinh có thủ lớp các nguyên tử hiếm của

vỏ trái đất hoặc các ion kim loại truyền dẫn) như: ruby, alexandrite, Nd: YAG, v.v…) thì pump thường dùng là bóng đèn (flashlamps) cho năng lượng cao hơn

Laser khí thì thường dùng pump là điện áp cao hay điện cao tần-RF

Laser bán dẫn hay diode laser thì pump là dòng điện 1 chiều (DC)

Năng lượng của Diode lasers được pump bởi dòng điện 1 chiều có thể được sử dụng như là 1 pump cho rất nhiều loại gain medium như: gain medium rắn (DPSS – Diode Pumped Solid State lasers), fiber lasers,và laser dạng đĩa mỏng (thin disk lasers) Laser hóa học (chemical lasers) được pump bởi năng lượng của tương tác hóa học (HF/DF, COIL)

Resonator: buồng cộng hưởng là buồng quang học giúp phản xạ giúp ánh sáng

cộng hưởng, được gắn gain medium bên trong.Năng lượng của Pump duy trì sự đảo ngược của các điện tử bị kích thích, và ánh sáng dội ngược vào buồng cộng hưởng lại tạo

ra nhiều photon hơn Một đầu của resonator có gắn 1 kính phản xạ toàn phần (highly reflective -HR) hoặc 1 thiết bị phản xạ khác để phản xạ các ánh sáng phát ra từ gain medium vào lại chính nó; đầu kia gắn kính bán phần (partially reflective hay còn gọi output coupler- OC) cho phép ánh sáng laser thoát ra khỏi resonator

Trong công nghiệp có 2 loại nguồn Laser phổ biến là: Nguồn laser CO2 và Nguồn laser Nd:YAG

Nguồn Laser CO2

Là nguồn phát laser sử dụng hỗn hợp khí chủ yếu là CO2 ( CO2 + He + N2 có thể thêm một ít H2, hơi nước có hoặc không có Xenon ) làm môi trường kích hoạt laser Trong đó nguồn năng lượng kích thích các điện tử trong hỗn hợp khí ở đây có thể là nguồn DC hoặc AC có tần số biến thiên nằm trong dải sóng radio Các phân tử Nito trong hỗn hợp khí sẽ nhận các kích thích của điện trường dao động và chuyền các dao động này sang các phân tử CO2 khi chúng va chạm với nhau Các phân tử CO2 khi nhận được năng lượng dao động tích luy đến một mức nào đó sẽ phát ra các bức xạ

18

Heli trong hỗn hợp giúp làm nghèo hóa mức laser thấp và đảm nhiệm chức năng truyền nhiệt ra thành ống vì Heli có hệ số truyền nhiệt lớn Điều này sẽ giúp kéo dài tuổi thọ của ống phóng

Trong quá trình phóng điện CO2 thường bị phân rã thành Khí CO và O2 điều này làm cho thiết bị giảm dâng tuổi thọ do đó người ta cho thêm hydro hoặc hơi nước để giúp chuyển khi CO sinh ra về dạng khí CO2

Hình 2.8 Sơ đồ cấu tạo nguồn Laser CO2

Nguồn Laser Nd: YAG

Là loại Laser rắn sử dụng thể pha lê Yttrium-Aluminum-Garnet và phủ nguyên tố hiếm Neodymi của vỏ trái đất để làm môi trường kích hoạt (gain medium) Nó phát bước sóng 1064 nm thuộc phổ hồng ngoại gần Laser Nd: YAG có các chế độ làm việc liên tục – xung đơn – xung chuỗi – xung cực ngắn (cỡ 5ps) Nó có thể phát liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-10.000Hz

19

Hình 2.9 Nguồn phát Laser

Nd: YAG là dạng tinh thể pha lê của Yttrium Aluminium Garnet Y3Al5O12 trong

đó một số ion Y3+ được thay thế bởi Nd3+ Nd hay Neodymi (tên Latinh: Neodymium)

là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm Lantan, còn Y3Al5O12 là hợp chất của Ytri và nhôm oxit Nồng độ ion Nd3+ pha thêm thường chiếm khoảng 0.5% đến 2%

1 Môi trường kích hoạt tinh thể Nd:YAG

2 Hệ thống gương phản xạ đầu ra

3 Hệ thống gương phản xạ toàn phần

4 Nguồn kích thích (nguồn bơm)

5 Ánh sáng từ nguồn kích thích bơm vào tinh thể

nguồn kích thích phát tần số cao hoặc liên tục thì Laser sẽ phát ra liên tục

Hình 2.10 Sơ đồ cấu tạo đơn giản của nguồn phát laser Nd:YAG

20

2.2.2.3 Quy trình của hàn laser

Quá trình hàn trong hàn laser dựa trên sự chuyển đổi năng lượng bức xạ thành nhiệt qua sự hấp thụ của nó trong vật liệu, làm cho tan chảy cục bộ trong vùng nối (Hình 2.11) Yêu cầu cơ bản cho quá trình truyền dẫn là sự kết hợp phù hợp của vật liệu Các IR bước sóng ngắn là bước sóng được điều chỉnh để vượt qua hầu như không bị cản trở thông qua các thành phần truyền cao hơn và được hấp thụ hoàn toàn ở độ sâu từ 0,1 đến 0,5 mm trong thành phần nối ở dưới, chuyển thành nhiệt (1) Hợp chất này được nung nóng và tan trong vùng hấp thụ bằng năng lượng cung cấp (2) Sự nóng chảy làm tăng khối lượng và làm giảm khoảng cách chung Tại điểm tiếp xúc cho phép truyền nhiệt giữa hai thành phần nối (3) Thành phần truyền dẫn bằng tia laser cũng nóng chảy bởi nhiệt dồn (4)

Hình 2.11 Sơ đồ mô tả quá trình hàn truyền

a Hình thái học

Nhiệt dẻo vô định hình chỉ hấp thụ được một tỷ lệ nhỏ của chùm tia laser, và độ sâu thâm nhập lý thuyết từ 100 mm trở lên có thể đạt được Các tính chất quang học của chất nhiệt dẻo bán tinh thể khá khác nhau: các cấu trúc tinh thể thứ cấp có mặt (ví dụ: các spololit) tán xạ tia laser

quan trọng Độ sâu thâm nhập càng thấp, nguy cơ bị hư hỏng đối với vật liệu càng lớn Ở các thùng chứa chất màu thấp hơn, sự tan chảy tương đối sâu của phần khớp hấp thụ có thể xảy ra mà không gây tổn hại nhiệt cho vật liệu

Sự gia tăng khối lượng tăng lên làm kéo dài thời gian tiếp xúc tan và do đó làm tăng sức mạnh mối hàn Do đó, sự hấp thụ và truyền dẫn có thể được điều chỉnh bằng cách kết hợp các chất độn và / hoặc sắc tố - thậm chí với sự hấp thụ bề mặt trong một lớp dày chỉ vài µm

Sự kết hợp có kiểm soát của các chất phụ gia đặc biệt có thể sản xuất nhựa màu,

mà để mắt xuất hiện giống hệt nhau nhưng thực sự có hành vi hấp thụ khác nhau cần thiết cho hàn truyền dẫn

c Thông số quá trình

Để đạt được một mối hàn chất lượng tốt, cần phải vận hành trong giới hạn tối đa

và tối thiểu cho tốc độ cấp liệu và công suất laser Do quá trình khuếch tán yêu cầu cho việc hàn đòi hỏi một khoảng thời gian nhất định để hoạt động ở nhiệt độ cao, sẽ có vấn đề nếu tốc độ thức ăn quá cao hoặc lượng laser quá thấp Mặt khác, sự phân hủy của vật liệu

có thể xảy ra nếu tốc độ thức ăn quá thấp hoặc lượng laser quá cao

2.2.2.4 Các ứng dụng của hàn laser

Hàn lazer được sử dụng trong công nghiệp điện tử, hàn các thiết bị y tế, đồ trang sức, trong các hệ thống tự động sản xuất ô tô

- Là phương pháp hàn tiến, rất có triển vọng, ứng dụng đa dạng

- Được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo yêu cầu chất lượng cao ,độ chính xác cao như công nghiệp vũ trụ, quân sự, y tế…

- Hàn các chi tiết phức tạp: vành bánh răng với thân bánh răng, đồ trang sức, trục bậc, thiết bị chính xác, giáp mối ống,linh kiện điện tử, kim loại màu

22

2.2.2.5 Ưu điểm, nhược điểm của hàn laser

- Ưu điểm:

+ Quá trình hàn không cần vật liệu bổ xung

+ Có thể hàn liên tục hoặc hàn xung, tốc độ hàn nhanh mà cẫn đảm bảo chất lượng mối hàn

+ Hàn được nhiều loại vật phi kim như chất dẻo, gốm…

+ Liên kết hàn có biến dạng cực nhỏ do năng lượng được tập trung, tổn hao năng lượng thấp

+ Vùng ảnh hưởng nhiệt, bề rộng mối hàn cực nhỏ do năng lượng tập trung cao (tỷ

lệ chiều sâu ngấu và bề rộng mối hàn đến 10:1)

+ Tốc độ hàn rất cao và dễ cơ khí hóa, tự động hóa (CNC)

+ Có thể hàn 1 lượt với chiều dày vật liệu đến 30 mm

+ Có thể hàn tấm rất mỏng đến tấm rất dày trên cùng một thiết bị nhờ điều chỉnh tiêu cự của hệ thống laser

+ Có thể hàn các tấm vật liệu kim loại, hợp kim khác nhau

+Có thể hàn trong các điều kiện có từ trường cao

- Nhược điểm:

+ Vật liệu có khả năng phản xạ ánh sáng cao sẽ làm lệch chùn tia laser và làm giảm hiệu quả hàn

+ Tốc độ nguội nhanh làm mối hàn có nguy cơ rổ khí và bị dòn

+ Bức xạ nhiệt, bức xạ tử ngoại , lớn gây nguy hiểm cho người đứng gần thiết bị + Thiết bị đắt tiền

+ Đầu tư đào tạo thợ vận hành, cũng như người bao dưỡng thiết bị cao, chi phí sửa chữa là cao do đó cũng hạn chế việc công nghệ này được phổ biến rộng

2.2.3 Hàn ma sát

2.2.3.1 Khái niệm

Hàn ma sát là quá trình hàn áp lực ,sử dụng nhiệt ma sát sinh ra tại bề mặt tiếp xúc giửa hai chi tiết chuyển động tương đối với nhau để nung mép hàn đến trạng thái chảy dẻo, sau đó dùng lực ép để ép hai chi tiết lại với nhau làm cho kim loại mép hàn khuếch tán sang nhau tạo thành mối hàn

23

Hình 2.12 Hàn ma sát

2.2.3.2 Nguyên lý hoạt động của hàn ma sát

+ Hàn ma sát thẳng (linear friction welding) :

Hai chi tiết hàn chuyển động tương đối với nhau theo phương của bề mặt tiếp xúc sinh ra nhiệt ma sát làm vật liệu bề mặt tiếp xúc nóng chảy, hai chi tiết được ép vào nhau tạo mối hàn

Hàn ma sát thẳng được ứng dụng hàn các chi tiết khối đặc đặt biệt các chi tiết có tiết diện ngang hình chữ nhất

+ Hàn ma sát đảo (friction stir welding):

Hai bề mặt hàn được đặt tiếp xúc với nhau, dao sẽ chạy giữa hai bề mặt hàn, nhiệt

ma sát sẽ làm nóng chảy vật liệu tại vùng tiếp xúc, phoi nóng chảy được ép xuống mối hàn nhờ vai của dao

Hàn ma sát đảo được ứng dụng hàn các hai tấm phẳng hoặc đường ống, tuy nhiên phương pháp này giới hạn mặt cắt chi tiết tại mối hàn phải đạt chiều dày nhất định và bề mặt tại mối hàn của hai chi tiết phải nằm trên một mặt phẳng

24

+ Hàn ma sát xoay (rotative friction welding):

Hai chi tiết quay tương đối với nhau sinh ra nhiệt ma sát làm nóng chảy vật liệu tại vùng tiếp xúc, hai chi tiết được ép vào nhau tạo mối hàn

Hàn ma sát xoay được ứng dụng hàn các chi tiết dạng trụ

Tuy công nghệ và đặc tính khác nhau nhưng các phương pháp hàn ma sát đều có điểm chung là sử dụng nhiệt năng sinh ra từ cơ năng làm dẻo vùng vật liệu cần hàn Dưới đây là nguyên lý hàn ma sát :

2.2.3.3 Quy trình của hàn ma sát

Có bốn biến thể chính của mối hàn ma sát: tuyến tính, hàn điện xoay chiều, spin

và góc Tuyến hàn quỹ đạo và quỹ đạo tương tự nhau trong trường hợp chúng tương thích với nhiều dạng hình học khác nhau, trong khi ngược lại, spin và hàn góc lại chủ yếu phù hợp với hình học đường tròn Tất cả bốn quy trình này đều dựa vào sự chuyển động giữa hai phần để nối lại, mà lại có ý nghĩa về sưởi ấm ma sát Sự khác biệt duy nhất giữa các quá trình này là hình học của chuyển động tương đối Sung 6 chi tiết các chuyển động khác nhau và vận tốc tương ứng Điều quan trọng cần lưu ý là trong mọi trường hợp, vận tốc góc (x) của độ dịch chuyển theo radian / s [20] Ngoài ra, trong trường hợp hàn góc, góc quay được định nghĩa bằng radian Với vận tốc, có thể ước tính lượng tiêu tán điện dựa trên giả thiết cơ bản rằng công suất bằng với nơ-ron nhân với lực ma sát như đã trình bày chi tiết trong các nghiên cứu trước [1, 21]

Cơ năng chuyển

thành nhiệt năng

Vật liệu vùng hàn

dẻo

Vật liệu tại vùng hàn khuyết tán vào nhau dưới lực ép

25

Hình 2.13 Chi tiết các chế độ hàn ma sát khác nhau

Hình 2.14 Ví dụ về hai tấm nhựa chuyển động theo hướng song song và ngang Hàn rung động tuyến tính cho phép hàn các bề mặt có thể di chuyển theo một hướng Tuy nhiên, với sự hàn rung tuyến tính có nguy cơ các mối hàn tương đối yếu có thể tái kết hợp với các tấm nhựa được sắp thẳng theo chiều ngang với độ rung, như thể hiện trong hình 2.14 Điều này là do thực tế rằng nếu không có hỗ trợ trực tiếp, hoặc nội

bộ với bộ đồ gá cứng hoặc bên ngoài với tính năng tích hợp sẵn trong các đồ đạc, các các tấm nhựa có thể làm lệch hướng và giảm chuyển động tương đối của các bề mặt tiếp xúc Việc quay vòng quỹ đạo, bởi chuyển động hình elip hoặc vòng tròn của nó, tạo ra vận tốc liên tục tương đối (giả sử các biên độ ở cả hai hướng bằng nhau) Vận tốc không đổi này

26

giải phóng năng lượng nhiều hơn tại mối nối cho một thời gian và biên độ hàn nhất định

so với rung động tuyến tính Ngoài ra, chuyển động đều ở tất cả các hướng sẽ rất ít ảnh hưởng, nếu như các biên độ bằng nhau trong trục x và y, độ lệch của tấm nhựa và không phụ thuộc vào hướng

Bảng 2.2 Tham số trong quy trình hàn ma sát

thời gian, tan chảy

Điều này cho thấy rằng ma sát có bốn giai đoạn đặc biệt:

+ Trong giai đoạn đầu tiên, nhiệt hàn được tạo ra bởi sự gia nhiệt ma sát rắn / rắn Điều này làm cho một số vật liệu nhiệt dẻo có hệ số ma sát thấp chẳng hạn như các polyme fluoro không hàn với các quy trình này Các vật liệu khác như PE (polyethylene) đòi hỏi lực kẹp tương đối cao để tạo ra các lực ma sát lớn

+ Giai đoạn thứ hai là giai đoạn chuyển tiếp, nơi nóng chảy ma sát rắn được thay thế bằng cách gia nhiệt nhầy qua sự biến dạng cắt của lớp tan chảy mỏng được hình thành tại bề mặt Trong giai đoạn chuyển tiếp độ dày của lớp tan chảy tăng lên cho đến khi đạt đến giai đoạn thứ ba, còn gọi là pha trạng thái ổn định

27

Hình 2.15 Mối quan hệ giữa sự nóng chảy và thời gian trong hàn ma sát

Hình 2.16 Lắp giáp ống nạp nhiên liệu với phương pháp hàn ma sát

+ Giai đoạn thứ ba thường được coi là giai đoạn tối ưu để dừng chuyển động bởi

vì tốc độ tạo ra băng tan bằng tốc độ dòng chảy của băng tan và do đó sự tan chảy thêm ít làm tăng sức mạnh mối hàn và chỉ tạo ra quá nhiều bavia hàn

+ Giai đoạn cuối cùng (giai đoạn bốn) là sau khi chuyển động được ngưng và vật liệu được cho phép rắn lại dưới áp lực kẹp Các giai đoạn có thể dễ dàng được bảo tồn bằng cách đo lường sự tan chảy tan chảy) như là một chức năng của thời gian, như trong hình 2.15

28

Sử dụng vận tốc chi tiết trong hình 2.13, có thể ước tính lượng tiêu tán điện cho một hệ số ma sát không đổi dựa trên giả thiết cơ bản rằng công suất bằng với vận tốc nhân với lực ma sát như đã trình bày chi tiết trong công trình trước khi xảy ra

2.2.3.4 Các ứng dụng của hàn ma sát

Một trong những sản phẩm quen thuộc nhất được lắp ráp với hàn ma sát là các ống hút nạp nhiên liệu trong ngành công nghiệp ô tô, xem hình 2.16 Mặc dù quá trình này tốn kém, nhưng nó hấp dẫn đối với ngành công nghiệp vì chất liệu PA (polyamide) chứa thủy tinh cho phép trọng lượng và tiết kiệm chi phí so với các thành phần nhôm Bằng cách đúc khuôn thành phần thành hai phần và nối hai nửa, công nghệ hư hỏng đã được thay thế bằng việc đúc khuôn và hàn rung động tuyến tính Một trong những thách thức chính trong quá trình phát triển này là thiết kế máy móc và dụng cụ cho phép các ống nạp khí nạp cho động cơ lớn hơn (V-8) được sản xuất Ngày nay, việc hàn các chi tiết lớn này đòi hỏi phải có hệ thống hàn rung lớn nhất hiện có trên thị trường

Các ứng dụng khác bao gồm hàng gia dụng, chẳng hạn như các thiết bị gia dụng nhỏ, các bộ phận máy giặt và cụm bumper cho ngành công nghiệp ô tô Ngoài ra, các ứng dụng không cứng, ví dụ như thảm, thường được rung hàn với các chất nền nhựa nhiệt dẻo bằng cách sử dụng một cái chổi giống như chiếc lược Một số lợi ích quảng cáo của công việc dẫn dắt các nhà thiết kế lựa chọn nó để gia nhập là tốc độ hoạt động (thường là dưới

10 giây chu kỳ thời gian), khả năng hàn các bức tường bên trong và khả năng hàn các thành phần lớn lại trôi nổi (không nhất thiết Đúng đối với hàn quay) Hạn chế thường gắn với quy trình hàn ma sát, đặc biệt đối với các hệ thống lớn, là đầu tư vốn cho thiết bị và dụng cụ Ngoài ra, một số vật liệu, chẳng hạn như máy PC, có thể tạo ra bụi giống các hạt

có thể xuất hiện prob-lems trong một số ứng dụng

2.2.3.5 Ưu điểm, nhược điểm của hàn gia nhiệt

- Ưu điểm:

+ Ít hao phí vật liệu

+ Hàn được với các loại tiết diện khác nhau

+ Cơ tính mối hàn tốt

+ Khuyết tật của mối hàn hầu như không có

+ Môi trường sản xuất sạch

29

- Nhược điểm:

+ Mối hàn có lồi bavia nên cần công cắt bỏ

+ Chiều dài chi tiết hàn bị giảm

Hình 2.20 Hàn gia nhiệt

2.2.4.2 Nguyên lý và quá trình hàn gia nhiệt

Từ rất lâu thì phương pháp hàn gia nhiệt đã được xuất hiện để hàn lại các miệng túi nilon gói đồ, nguồn nhiệt được lấy từ ngọn lửa; hai miếng nilon được ghép lại với nhau và được giữ căng bởi một vật thẳng, cứng rồi hơ trên ngon lửa Dưới tắc dụng nhiệt của ngon lửa thì hai miếng nilon đó được dính chặt với nhau Phương pháp thủ công trước đây nông dân tự đóng gói các sản phẩm của mình hoặc những thứ cần được bảo quản Tuy nhiên cách hàn túi “nguyên thủy” này mang lại rất nhiều nhược điểm như:

30

nhiệt không đều nên chất lượng mối hàn rất kém, rất khó để giữ được kín khí, mối hàn thường bị biến dạng lớn và rất giòn do không kiểm soát được nhiệt độ hàn, cấu trúc hóa học của vật liệu chỗ hàn bị biến đổi rất nhiều

Ngày nay thì phương pháp hàn gia nhiệt được đưa và trong công nghiệp hàn nhựa

đã tiến bộ hơn rất nhiều với các máy hàn nhiệt Sử dụng năng lượng điện hoặc gas là nóng thanh ép để chất lượng mối hàn được cải thiện

Vẫn trên nguyên tắc dùng nhiệt làm nóng chảy vị trí hàn sau đó kết nối với nhau tạo thành một mối đồng nhất Phương pháp này vẫn dựa trên việc làm và căn giờ bởi người thực hiện Sau khi là phẳng và vệ sinh bề mặt, tiến hành gia nhiệt cho vật liệu Bên cạnh việc vệ sinh sạch và nhẵn bề mặt trong một số trường hợp còn cần thêm sử dụng lực

ép thì mới hàn được, như việc hàn nối ống nhựa HDPE Việc hàn này ảnh hưởng bởi các yếu tố: độ sâu hàn nhiệt, thời gian gia công, thời gian làm lạnh, và nhiệt độ môi trường

Bảng 2.3 Thời gian kỹ thuật trong hàn ống nhựa PPR

Do với vật liệu dày, sự nguội không đều giữa các phần nên thời gian ổn định mối hàn lớn hơn rất nhiều so với các vật liệu và phương pháp khác

31

Bảng 2.4 Thời gian ổn định mối hàn cho ống nhựa PPR

2.2.4.3 Các ứng dụng của hàn gia nhiệt

Phương pháp hàn gia nhiệt được sử dụng nhiều trong đời sống hàng ngày cũng như trong sản xuất công nghiệp vì giá thành rẻ, dễ tự động hóa Một trong những ứng dụng nhiều nhất là hàn đóng gói bao bì bằng túi PE, màng phức hợp …; trong xây lắp hàn gia nhiệt dùng để hàn liên kết các đường ống, đặt biệt là các ống có đường kính lớn

…

2.2.4.4 Ưu điểm, nhược điểm của hàn gia nhiệt

- Ưu điểm:

+ Thực hiện hầu hết trên các vật liệu nhựa

+ Cơ động và đơn giản

+ Phương pháp hàn laser có vùng ảnh hưởng nhiệt, bề rộng mối hàn cực nhỏ do năng lượng tập trung cao, do đó tốc hàn nhanh và chất lượng mối hàn tốt Nhưng một lý

do mà phương pháp hàn này chưa được áp dụng trong nghành công nghiệp đóng gói là

với hàn các bao bì mỏng trong công nghiệp đóng bao bì

+ Phương pháp hàn gia nhiệt là phương pháp được áp dụng phổ biến trong nghành công nghiệp đóng gói, phương pháp thực hiện được hầu hết các vật liệu nhựa hàn đóng gói, vận hành đơn giản, giá thành rẻ, có thể tự động hóa Một nhược điểm dẫn tới chất lượng mối hàn sản phẩm không đồng đều là do nhiệt độ không ổn định, nhược điểm này hiện nay đã được khắc phục bằng thuật toán điều khiển PID thích hợp sẵn có trên các thiết bị điều khiển có trên thị trường

33

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

TỰ ĐỘNG CHO MÁY HÀN NHỰA

3.1 Đặt vấn đề

Là một doanh nghiệp thường xuyên phải đóng gói bảo quản các loại sản phẩm khác nhau sau khi sản xuất với số lượng lớn Với mục tiêu hiện đại hóa sản xuất, giảm giá thành sản phẩm, tăng năng suất lao động như vẫn phải đảm bảo đảm yêu cầu về chất lượng mối hàn tốt và an toàn cho người lao động tại đợn vị

Phương pháp bảo quản đóng gói hiện tại của đơn vị:

+ Phương pháp hàn: hiện tại đơn vị đang áp dụng phương pháp hàn gia nhiệt Hình thức gia nhiệt bằng cách: điện áp cấp cho “bộ phận gia nhiệt” (thanh điện trở) được lấy từ biến áp 220/48VAC qua khởi động từ Hệ thống gia nhiệt được giám sát và điều khiển bởi “bộ khống chế nhiệt” (đặt trên tủ điều khiển) và “can nhiệt” (gắn trên bộ phận gia nhiệt); trong quá trình gia nhiệt, nhiệt độ qua “can nhiệt” được phản hồi tín hiệu về “bộ khống chế nhiệt”, từ đó “ bộ khống chế nhiệt” sẽ xử lý tính hiệu và điều khiển khởi động

từ đóng/cắt nguồn cho bộ phận gia nhiệt (theo phương pháp ON/OFF) dựa trên nhiệt độ đặt trên “bộ khống chế nhiệt” và tín hiệu phản hồi về (nhiệt độ thực tế)

+ Cách thức sản xuất: sau khi sản phẩm được hoàn thiện được chuyển tời chặng đóng gói Người công nhân cho sản phẩm vào túi, gá vào khuân rồi đưa vào vị trí hàn qua cửa chắn an toàn; tiếp đó cửa chắn an toàn được đóng lại và người vận hành dùng chân tác động lên bàn đạp, bàn đạp qua cơ cấu cơ khí ép bộ phận gia nhiệt xuống và tiến hành hàn theo thời gian quy định; sau khi hết thời gian quy định, người công nhân mở cửa chắn an toàn và lấy sản phẩm ra chuyển chặng tiếp theo, tiếp đó lại cho sản phẩm khác và túi bảo quản mới và tiếp tự một chu trình mới

34

Nhận xét:

Với phương pháp hàn như trên việc ổn định nhiệt là khó khăn do phương pháp điều khiển cấp nguồn cho bộ phận gia nhiệt là ON/OFF không khử nhanh được quán tính gia nhiệt của thiết bị dẫn tới chất lượng mối hàn sẽ không ổn định Bên cạnh đó, với cách thức sản xuất thủ công như trên thì việc sẽ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm (dùng chân tác động và duy trì thời gian hàn bằng bàn đạp) là không tránh khỏi, ngoài ra người công nhân công phải mất thời gian chờ lấy sản phẩm ra và chuyển đến chặng tiếp theo

Đề giải quyết các vấn đề đã nêu ở trên thì ta sẽ phải làm ra sao? Đó cũng chính yêu cầu công nghệ đặt ra cho máy hàn nhựa tự động được tính toán thiết kế trong luận văn này

35

3.2 Thuyết minh nguyên lý hoạt động

Vị trí ban đầu (khi hệ thống chưa hoạt động): Cửa ra vào của sản phẩm ở trạng thái đóng, còn các xi lanh ở trạng thái như trên Hình 3.1

Hình 3.1 Mô hình máy hàn nhựa tự động