جوش التراسونیک یا فراصوتی
استفاده از صوت در جوشکاری یکی از روش های بسیار مدرن و پیشرفته است که در سالهای اخیر مورد توجه قرار گرفته است. جوش التراسونیک یا فراصوتی از جمله روش های جوش است که با کمک آن می توان اتصال های دقیق و مستحکمی را با دقت بالا به وجود آورد. برای درک هر چه بهتر از جوش فراصوتی نیاز به این داریم که تمام پارامتر ها و المان هایی که در این روش از جوشکاری مورد نیاز است را بدانیم.
جوشکاری فراصوتی را در این مقاله به صورت کامل و جامع بررسی کرده و هر آنچه که در فهم کامل آن تاثیر گذار است را توضیح خواهیم داد تا بتوانیم به شناخت جامعی از جوشکاری التراسونیک برسیم. کاربرد ها، انواع و روش های جوش التراسونیک از جمله موارد مهمی است که درباره آن خواهیم نوشت، پس پیشنهاد می شود با آروا همراه باشید تا اطلاعات مفیدی را در این زمینه کسب کنید.
جوش التراسونیک یا فراصوت چیست؟ (Ultrasonic Welding)
در سال های اخیر روش های مختلف جوشکاری به وجود آمده که مورد استقبال کاربران قرار گرفته است، که یکی از آنها جوش التراسونیک است. جوش فراصوتی یک روش از جوشکاری جامد است که در آن هیچ گونه ذوبی به وجود نمی آید، بلکه بر اثر انرژی حاصل از صوت و اعمال فشار توسط دستگاه جوشکاری فراصوتی و با تغییر حالت در بافت اتمی مواد و جابجا شدن مولکول ها و اتم های آن فرایند اتصال به وجود می آید.
جوش التراسونیک یک روش مدرن و پیشرفته است که در آن انرژی الکتریکی با فرکانس بالا ،توسط مبدل دستگاه، به انرژی مکانیکی با صوت بالا تبدیل می شود. این تبدیل انرژی در مدت زمان بسیار کمی با توجه به وارد کردن فشار، حرکت و اصطکاک گرمای بالا به وجود می آورد و موجب تغییر حالت و تغییر مولکولی مواد می شود که با وارد کردن فشار توسط دستگاه به قطعات، جوش صورت می گیرد.
در این روش از جوش جامد مواد مختلف نظیر پلاستیک، فلز و سرامیک را می توان طی فرایند جوشکاری به یکدیگر متصل کرد. در جوشکاری التراسونیک دستگاه های مخصوص برای هر دسته از مواد نظیر فلز و ترموپلاستیک وجود دارد.
هنگام انجام فرایند جوشکاری با امواج فراصوت باید در نظر داشت که خواص شیمیایی مواد ترمو پلاستیک مشابه با یکدیگر باشد چرا که در غیر این صورت هیچ اتصال و پیوندی میان قطعات بر قرار نمی شود.
تاریخچه جوشکاری التراسونیک
در جوشکاری التراسونیک که در آن به روش جامد، مواد و قطعات را به یکدیگر متصل می کنیم و دارای سرعت عمل و دقت بالایی نیز است و استحکام خوبی را نیز در میان فلزات و ترمو پلاستیک به وجود می آورد ابتدا در سال ۱۹۴۰ برای اتصال دادن مواد ترموپلاستیک اختراع شد.
سپس در سال ۱۹۶۵ توسط رابرت سولوف و سیمور لینسلی این روش جوشکاری ثبت اختراع شد. طی تحقیقاتی که سولوف در آزمایشگاه خود انجام داد به این نتیجه رسید که امواج فراصوت می تواند از پلاستیک های نازک و ضخیم عبور کند و می توان در قسمت هایی که صوت عبور می کند با انجام دادن برخی مکانیزم ها برای جوش از جمله ایجاد اصطکاک، ذوب شدن و فشار ،کار جوشکاری را انجام داد.
اولین استفاده از روش جوشکاری فراصوتی در صنعت اسباب بازی اتفاق افتاد. در سال ۱۹۶۹ یک خودرو تمام پلاستیکی ساخته شد که در ساخت آن از جوش التراسونیک استفاده شد. این روش به مرور پیشرفت کرده و در حال حاضر از آن در زمینه های مختلف ساخت و ساز استفاده می شود و کاربرد های زیادی نیز دارد.
کاربرد جوش اولتراسونیک
صنایع مختلفی وجود دارند که برای اتصال قطعات نیاز به جوشکاری با کیفیت بالایی دارند که در عین حال از استحکام و ظرافت بالایی نیز برخوردار باشد. جوش فراصوتی یک مدل پیشرفته از جوشکاری است که در صنایع مختلفی کاربرد دارد. برای شناخت کاربرد این جوش به نمونه کاربرد های آن اشاره می کنیم.
- صنعت الکترونیک: در صنایع الکترونیکی برای اینکه بتوان مدارهای کوچک، دیسک های کامپیوتر، درایو های فن، خازن و سیم های کوچک را به یکدیگر متصل کرد از روش جوشکاری فراصوتی استفاده می شود.
- صنعت اتومبیل سازی: جوش التراسونیک یک روش جوشکاری دقیق است که از آن در صنایع خودرو سازی برای اتصال قطعات پلاستیکی، اجزاء موتور، دربها و مواردی مشابه آن استفاده می شود.
- صنعت هوا فضا: برای جوشکاری ورق های آلومینیوم و صنایع هوا و فضا از جوش التراسونیک استفاده می شود که جوش به وجود آمده در این روش دارای استحکام بالایی است.
- صنعت اسباب بازی: با توجه به اینکه یکی از مواد هایی که در جوشکاری فراصوت متصل می شوند پلاستیک و ترمو پلاستیک می باشند، در ساخت اسباب بازی هایی با مقاومت بالا از این روش جوش استفاده می شود.
- صنعت بسته بندی: در صنایع غذایی و برای ماندگاری بالای مواد مصرفی از روش جوشکاری التراسونیک استفاده می شود. این اتصال ها در ظروف نوشیدنی، ظروف غذای منجمد و … مورد استفاده قرار می گیرد.
تجهیزات و اجرای اصلی جوش التراسونیک
برای انجام فرایند جوشکاری نیاز به دستگاه جوش است و هر دستگاه هم دارای بخش ها و قطعات است که طی یک سیستم پیوسته به هم، فرایند جوشکاری را تکمیل می کنند. دستگاه جوش التراسونیک دارای اجزا و قطعاتی است که روی دستگاه وجود دارند و هر کدام یک وظیفه خاص را انجام می دهند که در کل موجب شکل گیری و به وجود آمدن اتصال می شوند. برای شناخت هرچه بهتر اجزا جوش فراصوتی در زیر هر کدام را معرفی کرده و وظیفه ای را که انجام می دهد را بیان می کنیم.
- منبع تغذیه: برای جوش التراسونیک نیاز به فرکانس بالا داریم و منبع تغذیه در این دستگاه، برق تک فاز شهری را به فرکانس های بالا تبدیل می کند تا بتوانیم انژی الکتریکی را به انرژی صوتی مکانیکی تبدیل کرده و فرایند جوش را به وجود بیاوریم.
- مبدل: برای اینکه جوش فراصوت شکل بگیرد نیاز به تبدیل انرژی داریم و این وظیفه بر عهده مبدل در دستگاه التراسونیک است و کار آن نیز به این صورت است که امواج الکتریکی با فرکانس بالا را به امواج صوتی مکانیکی تبدیل می کند تا انرژی لازم برای جوش دادن فلز و پلاستیک فراهم شود. درباره مبدل دانستن این موضوع مهم است که این قطعه دارای حساسیت بالایی است و هنگام جابجایی نباید به آن ضربه شدید بخورد چونکه دیگر عمل نخواهد کرد.
- بوستر: از بوستر یا تقویت برای این استفاده می شود که ابتدا بتوانیم ارتعاشات به وجود آمده را بزرگتر و تقویت کنیم و بعد از اینکه ارتعاشات بزرگتر شدند، آنها را به هورن یا شیپوره در دستگاه منتقل می کند. تقویت کننده ها دارای شکل های مختلفی هستند. در واقع می توان گفت بوستر برای این است که لرزش های مکانیکی برای فرایند جوش را تقویت کند.
- شیپوره: پس از اینکه ارتعاشات تقویت شد در داخل قطعه ای به نام شیپوره متمرکز می شوند تا به قطعه کار منتقل شوند.
- پرس: از پرس در دستگاه التراسونیک برای اعمال فشار استفاده می شود و پس از آنکه ارتعاشات فراصوت مواد را آماده اتصال کرد با کمک پرس به قطعه کار فشار وارد می شود تا فرایند جوش کامل شود.
- فیکسچر: فیکسچر یا همان سندان قسمتی است که قطعات آماده جوشکاری را در آن نگه می دارند تا عملیات جوش روی فلزات و یا پلاستیک ها انجام شود. در اصل می توان گفت فیکسچر نگهدارنده قطعات است.
انواع جوشکاری التراسونیک
انواع جوشکاری التراسونیک را می توان با توجه به نوع دستگاه هایی که دارند تقسیم بندی کرد و از هر کدام از آنها در مواردی که نیاز داریم استفاد کنیم. در زیر به دو نمونه از انواع جوشکاری التراسونیک اشاره می کنیم.
- جوشکاری خطی: با کمک این دستگاه از جوش التراسونیک می توان به صورت پیوسته و خطی فرایند جوش را انجام داد.
- جوشکاری نقطه ای: جوشکاری التراسونیک نقطه ای با کمک دستگاهی تنفگی و به منظور ایجاد جوش های نقطه ای انجام می شود.
روش جوشکاری التراسونیک
روش و فرایند اصلی در جوشکاری التراسونیک ایجاد حرارت از طریق صوت است و نحوه کار به این صورت است که برای ایجاد فرایند ابتدا قطعه کار را در داخل دستگاه جوش و قسمت پایه و یا نگهدارنده (فیکسچر) قرار می دهیم. سپس لرزش های فراتر از صوت به صورت موازی به قطعه کار منتقل می شوند که در اثر اصطکاک بسیار بالا گرما تولید می کنند. اصطکاک به قدری گرما تولید می کند که دمای فلز به یک سوم دمای ذوب خود می رسد. در این مرحله زمان آن است که فشار را به قطعات وارد کنیم تا اینکه فرایند اتصال نهایی شود.
میزان فرکانس در روش و نحوه جوش التراسونیک بسیار مهم است و باید مقدار صوتی که به قطعه کار وارد میشود مشخص و متناسب با نوع موادی باشد که قرار است در فرایند جوش مورد اتصال قرار گیرد باشد. یعنی اینکه اگر بیشتر از حد باشد ممکن است باعث ذوب شدن قطعات شود و اگر کمتر از آن باشد اتصال بر قرار نمی شود. برای انجام دادن نحوه جوش فراصوتی رعایت ۵ مرحله ضروری است که در زیر به این مراحل اشاره می کنیم.
- آماده سازی سطوح: قبل از شروع فرایند جوش ابتدا شروع به تمیز کاری، پاک کردن آلودگی ها و ناصافی ها می کنیم چرا که در کیفیت و استحکام جوش تاثیر گذار است.
- گرم کردن: در این مرحله از جوش التراسونیک از فرکانس های بالای صوت برای ایجاد انرژی جهت گرم کردن قطعه کار استفاده می شود.
- پیوند بین مولوکولی: پس از گرم شدن و نرم شدن قطعات، مولوکول های دو قطعه با یکدیگر تماس پیدا می کنند که با اعمال فشار به قطعات و فرو رفتن آنها در یکدیگر اتصال رخ می دهد.
- ایجاد فشار: زمانی که گرما به قطعات منتقل شد و شرایط جوش به وجود آمد با ایجاد فشار در این مرحله اتصال بر قرار می شود.
- سرد کردن: در آخرین مرحله و پس از اینکه فرایند اتصال انجام شد دمای اتصال را پایین می آوریم. پایین آوردن دما برای این است که جوش شکل بگیرد.
مزایای جوشکاری فراصوتی
مقاومت و تمیزی جوش همیشه مورد توجه قرار گرفته و علاقه مندان زیادی دارد. این عواملی که نام بردیم (مقاومت و تمیزی) از جمله مهم ترین مزایای جوشکاری التراسونیک هستند و با توجه به اینکه هر روش جوشکاری که مزیت ها و ویژگی های زیاد و کاربردی داشته باشد مورد توجه قرار می گیرد، جوش فراصوت نیز در همین زمره است و در ادامه این مطلب به مهم ترین مزایای این روش جوشکاری اشاره می کنیم.
- عدم نیاز به ذوب و انجماد
- عدم تغیرساختار مواد
- راحتی کار با دستگاه جوش التراسونیک
- ضریب ایمنی بالا
- سرعت جوشکاری بالا
- عدم تغییر رنگ در منطقه جوش
- کیفیت جوش عالی
- طول عمر بالای قطعه جوشکاری شده
معایب جوش التراسونیک
پس از دانستن مزایای جوش فراصوت نیاز است که درباره معایب این روش نیز بدانیم. معایب جوشکاری فراصوت برای ما محدودیت هایی را به وجود می آورد که ممکن است هنگام کار با سختی مواجه شویم و یا زمان زیادی را بگیرد. در ادامه به این محدودیت ها به صورت تیتر وار اشاره می کنیم.
- عمق جوش کم
- فلزات جوش خورده نباید ضخیم باشند
- محل جوشکاری نباید بزرگ باشد
- جوش حتما تحت فشار باشد
جوشکاری التراسونیک فلزات
جوشکاری فلزات با روش التراسونیک یک روش پیشرفته و همراه با فناوری های جدید است که با کمک آن می توان یک جوشکاری دقیق را به وجود آورد. فلزاتی که با کمک جوش التراسونیک به هم متصل می شوند دارای یک همجوشی کاملی هستند و نکته مهم اینکه بعد از جوش ما فوق صوت، اکسید فلز در اطراف محل جوش ظاهر نمی شود. این موارد باعث شده است که جوشکاری فراصوت فلزات دارای محبوبیت بالایی در میان کاربران باشد زیرا می توان تمام فلزات هم جنس و غیر همچنس را با این روش از جوش جامد به یکدیگر متصل کرد.
با کمک دستگاه جوش التراسونیک و تجهیزات آن می توان فلزات را در مدت زمان کمی جوشکاری کرد و این قابلیت موجب شده است که کاربر هنگام کار با دستگاه جوش فراصوت بتواند در زمان صرفه جویی کرده و فلزات بیشتری را به هم متصل کند.
جوشکاری التراسونیک فلزات یک مزیت مهم دیگر نیز دارد و آن هم اینکه هنگام جوش جرقه ای به وجود نمی آید و عدم ایجاد جرقه امنیت کاربر را نیز بالاتر می برد و انواع فلز را می توان بدون هیچ جرقه ای به هم متصل کرد. از نکات قابل توجه در جوشکاری با امواج فراصوت این است که الزامات در این روش بسیار کم است و همین امر باعث این شده است که بتوان انواع فلز را با دقت بالا به هم متصل کرد.
جوشکاری التراسونیک پلاستیک
همانطور که متوجه شدیم جوشکاری التراسونیک اولین بار برای جوشکاری مواد پلاستیکی ضخیم و نازک و ترموپلاستیک اختراع شد و با کمک این روش می توان به راحتی انواع مواد پلاستیکی را جوشکاری کرد. در این روش دیگر نیازی نیست که به مواد گرمای بیش از حد وارد شوند بلکه با کمک امواج فراصوت و حرکت طولی و مکانیکی آنها می توان در ناحیه ای که اتصال مد نظر است امکان جوش و اتصال را فراهم کرد.
با کمک دستگاه های جوش مخصوص پلاستیک می توان در زمان کمی با بالاترین کیفیت ممکن انواع مواد پلاتستیکی ضخیم و غیر ضخیم را به یکدیگر متصل کرد که دارای استحکام بالایی نیز هستند. برای جوشکاری فراصوت پلاستیک دستگاه های مختلف جوش وجود دارند که با کمک آنها می توان پلاستیک هایی با ضخامت و طول مختلف را با بالاترین دقت و کیفیت به یکدیگر متصل کرد.
