جوشکاری با امواج مافوق صوت

جوشکاری اولتراسونیک جوشکاری اولتراسونیک روشی متداول و فراگیر در کشورهای پیشرفته و صنعتی برای جوشکاری عمدتاً قطعات پلاستیکی و بعضاً قطعات فلزات بوده و در دسته‌بندی روشهای جوش کاری زیر مجموعه روش جوشکاری با گرم کردن داخلی مکانیکی می‌باشد. همچون سایر روشهای جوشکاری مراحل پنجگانه جوشکاری در اینجا نیز وجود دارد: ۱)آماده‌سازی سطح یا Surface Preparation شامل تمیز کاری و براده برداری: وجود آلودگی و لبه‌های اضافی باعث افت کیفیت جوشکاری خواهد شد. ۲) گرم کردن یا Heating: از انرژی امواج فراصوت با فرکانس‌های بالا ۲۰ تا ۷۰ کیلوهرتز برای این منظور استفاده می‌گیرد. ۳) فشردن یا Pressing: وقتی دو قطعه کار به قدر کافی گرم شوند باید به یکدیگر فشرده شوند. این فشار با کمک سیستم پنوماتیک و هورن (شیپوره) دستگاه‌های جوشکاری تأمین می‌شود. ۴) آمیزش بین مولکولی یا Intermolecular Diffusion: تماس دو قطعه کار گرم شده و در آستانه ذوب با یکدیگر و فشار وارده بر آنها فرصت را برای آمیزش مولکولهای دو قطعه کار در یکدیگر فراهم می‌آورد. ۵) خنک کردن یا Cooling: انجماد و سرد شدن محل جوشکاری آخرین مرحله بوده که در این مرحله پلیمرهای نیمه کریستالی ساختار کریستالی خود را و پلیمرهای آمورف نیز ساختار خاص خود را در قبل از عملیات جوشکاری به دست خواهند آورد. در این مرحله تنشهای پسماند و اعوجاج در قطعه کار محتمل است. در این روش مراحل ۲ و ۳ و ۴ تقریباً همزمان و در کسری از ثانیه صورت می‌گیرد و قطعه کار بلافاصله سرد می‌شود. موفقیت جوش به طراحی مناسب اجزا و مناسب بودن موادی که جوش داده می‌شوند بستگی دارد. از آنجا که جوشکاری اولتراسونیک بسیار سریع است (کمتر از ۱ ثانیه) و قابلیت اتوماسیون دارد به طور وسیع از آن در صنعت استفاده می‌شود. برای تضمین سلامت جوش طراحی مناسب اجزا بخصوص فیکسچرها لازم است. با طراحی مناسب از این روش می‌توان در تولید انبوه استفاده کرد.

تجهیزات

یک ماشین جوشکاری اولتراسونیک شامل اجزای زیر است: یک منبع تغذیه، یک مبدل فراصوت، یک آمپلی فایر تقویت کننده به نام بوستر، یک وسیله هدایت امواج فراصوت به نام شیپوره (horn) منبع تغذیه فرکانس برق شهر ۵۰–۶۰ هرتز را به ۲۰–۷۰ کیلو هرتز می‌رساند. این انرژی به مبدل می‌رود و در مبدل دیسک پیزو الکتریک موج الکتریک با فرکانس بالا به ارتعاشات مکانیکی (امواج اولتراسونیک) با فرکانس بالا تبدیل می‌شود. اغلب ماشین‌های اولتراسونیک در فرکانسی بالاتر از ۲۰ کیلو هرتز کار می‌کنند و صدایی تولید می‌کنند که شبیه یک سوت بوده که می‌تواند برای اوپراتور در دراز مدت تولید مزاحمت و اذیت کند لذا توجه به میزان دسی بل صدای این دستگاه‌ها بسیار مهم است. امروزه شرکتهای معتبر اروپایی هزینه‌های بسیار زیادی را صرف تحقیق و توسعه محصولات خود نموده‌اند تا علاوه بر افزایش راندمان و کیفیت جوشکاری دستگاه‌های خود این صداهای مزاحم را در حد بسیار زیادی کاهش دهند. امواج تولید شده در مبدل به بوستر رفته و دامنه آن تا حد دلخواه افزایش پیدا می‌کند و سپس در شیپوره (که یک وسیله صوتی مکانیکی است) امواج صوتی مستقیماً به قطعه کار منتقل می‌شود. همچنین شیپوره نقش اعمال فشار بر روی قطعه را نیز بر عهده دارد. بعد از انتقال امواج صوت به قطعه کار در منطقه اتصال در اثر اصطکاک زیاد ناشی از جنبش مولکولی سطوح دو قطعه کار این انرژی تبدیل به گرما شده و باعث نرم شدن و ذوب پلاستیک و به وجود آمدن شرایط جوشکاری می‌شود.

مزایا و محدودیتها

مزایای این روش عبارت‌اند از:

- امکان جوشکاری قطعات بسیار پیچیده، ظریف و حساس - ناحیه متأثر از حرارت بسیار کوچک - زمان پایین جوشکاری (کسری از ثانیه تا چند ثانیه) - کیفیت و استحکام بالای جوش - عدم نیاز به ماده افزودنی - دقت بالای جوشکاری - هزینه پایین جوش - عدم ایجاد آلودگی و سازگاری با محیط زیست - راندمان بالا - سهولت در اتوماسیون

مهم‌ترین محدودیت این روش محدودیت در انرژی اعمالی و کوچک بودن عرض شیپوره (کمتر از ۲۵۰ میلی‌متر) است و در نتیجه طول جوشی که به وجود می‌آید کوچک است. موارد استفاده از جوش التراسونیک ترموپلاستیک‌ها: - جوشکاری ساده یک اتصال - جاسازی یک قطعه در قطعه‌ای دیگر همراه با اتصال بین آن دو - جوش نقطه‌ای ورق‌ها و صفحات پلاستیکی - کاشت مغزی‌های فلزی در داخل قطعات پلاستیکی - دوخت پارچه‌ها و فیلمهای با پایه پلاستیکی

صنایعی که این نوع جوشکاری در آن کاربرد دارد: - استفاده در صنعت الکتریک و الکترونیک - استفاده در صنعت بسته‌بندی - استفاده در صنعت اتومبیل سازی - استفاده در صنعت پزشکی و تجهیزات پزشکی - استفاده در صنعت اسباب بازی - صنایع مرتبط دیگر

کاربردها

اتصال قطعات پلیمری همجنس و غیر همجنس

اتصال قطعات فلزی نازک همجنس و غیر همجنس

اتصال قطعات فلزی به قطعات سرامیکی و شیشه

اتصال قطعات فلزی به قطعات پلیمری

جوشکاری التراسونیک ( فرا صوت )

التراسونیک چیست؟

کلمه التراسونیک Ultrasonic به معنای مافوق صوت است . محدوده فرکانس شنوایی انسان 10 تا 20 هرتز است .  محدودهفرکانسی امواج مافوق صوت 40 کیلوهرتز تا چندین مگاهرتز می باشد . امواج مافوق صوت کاربردهای فراوانی از جمله در لیزر، تخلیهالکتریکی برای بهبود خواص سطحی و افزایش نرخ باربرداری، سنجش فاصله، عمق مخزن، شستشوی دقیق ظروف آزمایشگاهی،تعیین فشار خون بیمار، همگن کردن مواد مذاب، جوشکاری مواد غیر هم جنس، ریخته گری، تراشکاری، فرزکاری، سوراخکاری و غیرهدارد.

تعریف جوشکاری التراسونیک

جوشکاری اولتراسونیک یا فراصوتی یک روش پیشرفته و پر کاربرد در کشورهای پیشرفته صنعتی برای جوشکاری اغلب قطعات پلاستیکی و بعضی قطعات فلزی می باشد. جوشکاری التراسونیک یک روش جوشکاری غیر ذوبی است و گرمای زیادی هم در این فرایند تولید نمی شود؛ از این تکنولوژی علاوه براتصال قطعات فلزی و پلاستیکی به یکدیگر، برای اتصال فلزات به پلاستیک ها و همچنین اتصال مواد ناهمجنس نیز استفاده می گردد. با استفاده از این روش جوشکاری می توان دو یا چند ماده را در درجه حرارت های بسیار کمتر از نقطه ذوبشان به یکدیگر متصل کرد .

در این فرایند به کمک تغییر شکل مواد و یا از نفوذ همراه با تغییر شکل محدود مواد ، اتصال برقرار می شود . 

مزایا و معایب جوشکاری التراسونیک

در این نوع جوشکاری عمل ذوب اتفاق نمی افتد و حوضچه مذابی نیز شکل نمی گیرد، در نتیجه دیگر به محافظت از آن نیاز نمی باشد . هر کدام از حالتهای جوشکاری التراسونیک (حالت جامد )، نیاز به تجهیزات و امکانات مخصوص به خود دارد، بنابراین هزینه بالایی را به مصرف کننده تحمیل می کند .

همچنین به دلیل اینکه ساختار مولکولی فلزات مختلف یکسان نمی باشد درنتیجه این روش جوشکاری برای هر فلز و یا آلیاژی قابل استفاده نیست .

حرارت در جوشکاری التراسونیک چگونه ایجاد می شود؟

حرارت در جوشکاری التراسونیک از ارتعاشات تقویت شده ناشی می شود. در جوشکاری التراسونیک، با قرار دادن قطعات در معرض حرکت ارتعاشی با فرکانس ثابت در حدود 70-20 کیلوهرتز، حرارت تولید می شود. دامنه این حرکت ارتعاشی عموماً بین 40-20 میکرومتر تغییر می کند.

 این انرژی ارتعاشی در سطح مشترک قطعاتی که قرار است بهم جوش داده شوند متمرکز می شود. در نتیجه این کار، حرارت لازم برای ذوب پلاستیک یا فلز از طریق اصطکاک ناشی از ارتعاش یک سطح روی سطح دیگر در محل اتصال ایجاد می گردد؛ لذا حرارت تنها در موضع اتصال ایجاد شده و مابقی قسمت های قطعه سرد باقی می ماند .

روش جوشکاری التراسونیک همانند سایر روشهای جوشکاری شامل پنج مرحله می باشد :

1)آماده سازی سطح کار یا Surface Preparation : در مرحله اول با عمل تمیز کاری و براده برداری که موجب رفع آلودگی و لبه های اضافی می گردد کیفیت جوشکاری افزایش می یابد.

2) گرم کردن یا Heating : در این مرحله از انرژی امواج فراصوت با فرکانس‌های بالای ۲۰ تا ۷۰ کیلوهرتز برای تولید حرارت استفاده می‌گردد .

3) فشردن یا Pressing) ): دو قطعه کار پس از گرم شدن بایستی به یکدیگر فشرده شوند که فشار لازم برای این کار توسط سیستم پنوماتیک و هورن (شیپوره) دستگاه جوشکاری تامین می‌شود.

 4) آمیزش بین مولکولی یا Intermolecular Diffusion : با تماس دو قطعه کار گرم شده و در آستانه ذوب به یکدیگر و اعمال فشار بر آنها، عمل آمیزش مولکولهای دو قطعه کار در یکدیگر انجام می گیرد.

 5) خنک کردن یا Cooling : انجماد و سرد شدن محل جوشکاری آخرین مرحله بوده که مولکولهای دو قطعه ساختار مخصوص به خود در قبل جوشکاری را بدست می آورند.

در این فرایند جوشکاری، مراحل ۲ و ۳ و ۴ تقریبا همزمان و در کسری از ثانیه صورت می‌گیرد و قطعه کار بلافاصله سرد می‌شود.

موفقیت جوشکاری به طراحی مناسب اجزا و مناسب بودن کیفیت موادی که جوش داده می‌شوند بستگی دارد. با توجه به اینکه فرایند جوشکاری اولتراسونیک بسیار سریع است (کمتر از ۱ ثانیه) و قابلیت اتوماسیون دارد، از آن به طور وسیع در صنعت استفاده می‌شود. برای تضمین سلامت جوش طراحی مناسب اجزا بخصوص فیکسچرها لازم است. در صورت طراحی مناسب دستگاه، می توان از این روش جهت تولید انبوه محصولات استفاده کرد.

تجهیزات

 ماشین جوشکاری اولتراسونیک از چهار قسمت زیر تشکیل شده است :

الف) منبع تغذیه

 ب) مبدل

ج) آمپلی فایر تقویت کننده ( بوستر )

د) وسیله هدایت امواج فراصوت به سوی قطعه کار ( شیپوره )

نحوه عملکرد:

منبع تغذیه، فرکانس برق شهر که بین ۵۰ تا۶۰ هرتز می باشد را به ۲۰ تا۷۰ کیلو هرتز می‌رساند. سپس این انرژی به مبدل وارد می شود و در مبدل پیزو الکتریک، موج الکتریک با فرکانس بالا به ارتعاشات مکانیکی (امواج اولتراسونیک) با فرکانس بالا تبدیل می‌شود. معمولا کارکرد ماشین‌های اولتراسونیک در فرکانسی بالاتر از ۲۰ کیلوهرتز می‌ باشد و صدایی شبیه سوت تولید می کنند که می‌تواند برای اوپراتور در دراز مدت تولید مزاحمت کرده و آزار دهنده باشد .

امواج ایجاد شده در مبدل، به بوستر رفته و دامنه آن تا حد دلخواه افزایش پیدا می‌کند و سپس در شیپوره (که یک وسیله صوتی مکانیکی است) امواج صوتی مستقیماَ به قطعه کار منتقل می‌شود . همچنین شیپوره نقش اعمال فشار بر روی قطعه را نیز بر عهده دارد.

 بعد از انتقال امواج صوت به قطعه کار، انرژی نوسانی از لایه های بالایی قطعه ی مذکور عبور کرده و در سطح مشترک دو جسم متمرکز می شود. در نتیجه ی این عمل حرارت لازم برای ذوب جسم بوسیله ی اصطکاک حاصل از نوسان(جنبش مولکولی) یک سطح درمقابل سطح دیگر در موضع اتصال ایجاد می شود. این حرارت سبب گداخته شدن مرز برجسته و باعث نرم شدن و ذوب جسم و به وجود آمدن شرایط جوشکاری می‌شود. 

شکل زیر اتصال معمولی در جوشکاری التراسونیک را نشان می دهد :

مثال هایی از جوشکاری آلتراسونیک

شکل زیر یک نمونه از اشتباهاتی که در جوشکاری التراسونیک ممکن است پیش بیاید را نشان می دهد :

جوش نقطه ای التراسونیک

نوک مخصوص بوسیله ی انرژی نوسانی از میان لایه های بالایی ورقه ی جسم موردنظر به سمت لایه های پایینی آن هدایت می شود و این کار تا عمق 1/2ضخامت لایه ی پایینی ادامه می یابد .

کاربرد های جوشکاری التراسونیک

-         جوشکاری ورق های فلزی روکش شده ( مانند لوله کردن رول ورق آلومینیوم در تولید لوله پنج لایه )

-         جوشکاری پاکت های بسته بندی مایعات

-         جوشکاری قطعات توخالی ریخته شده مانند جعبه های کوچک، جا تخم مرغی ها و اسباب بازی ها

-         جاسازی یک قطعه مثل پلاستیک در قطعه ای دیگر مثل فولاد همراه با اتصال بین آن دو

مزایا

-         عدم نیاز به ذوب کامل

-         جوشکاری فلزات نرم نظیر آلومینیوم ، مس و فلزات گران قیمت

-         اتصال دادن فلزات غیرهم جنس و با اختلاف نقطه ذوب زیاد

-         حوضچه مذابی هم درست نمی شود در نتیجه محافظت از آن منتفی است.

-         جوشکاری ورقهای بسیار نازک

-         ماهیت و ساختار مواد به خاطر حرارت کم (35 تا 50 درصد نقطه ذوب) عوض نمی شود .

-         بالا بودن سرعت جوشکاری و در نتیجه تولید بالا با قیمت پایین

-         عدم تغییر رنگ در نقطه جوش

-         نیاز به حداقل تمیز کاری

-         سهولت در اتوماسیون

-         هیچ نقصی توسط گازها، قوس و فلزات پرکننده ایجاد نمی شود.

-         فلزات غیرمشابه که تفاوت زیادی بین نقطه ذوب انها وجود دارد را می توان به هم متصل کرد.

-         حداقل تغییر شکل در صفحات ایجاد می شود.

-         مقاطع نازک و ضخیم را می توان به هم جوش داد.

-         به علت دمای کم ایجاد شده لایهHAZ  بسیار کوچک است.

-         جوش دادن شیشه ها توسط روش های دیگر غیر ممکن است.

محدودیت ها

-         هزینه بالا

-         ضخامت یکی از قطعات از حد مشخصی بالاتر نمی تواند باشد.

-         در صورت عدم کنترل صحیح متغیرها ،ممکن است دو قطعه به سندان جوش بخورد .

-         با توجه به تنش های خستگی شدید اعمالی ،عمرکاری قطعات دستگاه کم است

-         مهم‌ترین محدودیت این روش محدودیت در انرژی اعمالی و کوچک بودن عرض شیپوره (کمتر از ۲۵۰ میلی متر) است و در نتیجه طول جوشی که به وجود می‌آید کوچک است .

فرآیند جوشکاری فراصوتی (Ultrasonic Welding) به طور موثر برای جوشکاری فلزات هم جنس و غیر هم جنس و همچنین غیر فلزات با طرح اتصال روی هم (Lap) استفاده می شود. در این روش نوسانهای فرکانس بالا سبب متلاشی شدن اتمهای فلزی و یا مولکولها در محل اتصال شده و قفل شدگی داخلی ناشی از این اتمها یا مولکولها سبب دستیابی به یک اتصال مکانیکی مطلوب خواهد شد. در این فرآیند هیچگونه حرارت قابل ملاحظه ای ایجاد نمی شود و درجه حرارت تنها در موضع فصل مشترک حداکثر در محدوده 35 تا 50 درصد نقطه ذوب قطعه بر حسب کلوین تغییر می کند. بنابراین چون عمل ذوب در فلز پایه رخ نمی دهد, ساختار ریختگی ترد مشابه آنچه در روشهای جوشکاری ذوبی در فلز جوش ایجاد می شود تشکیل نخواهد شد. در خلال فرآیند جوشکاری, فشار متوسطی برای در تماس قرار دادن قطعات اعمال می شود که تغییر شکل قابل ملاحظه ای را ایجاد نمی کند. حداکثر میزان تغییر شکل پلاستیک به ندرت از 10% تجاوز نمی کند. قبل از جوشکاری یک تمیزکاری ساده ضروری است ولی بعد از جوشکاری یا عملیات حرارتی تمیزکاری مورد نیاز نمی باشد. همچنین در این روش از روانساز یا فلز پرکننده استفاده نمی شود. جوشکاری التراسونیک (Ultrasonic Welding) علاوه بر اتصال قطعات پلاستیکی، به منظور اتصال فلزات به پلاستیک ها و مغزی دادن فلز در داخل پلاستیک پس از قالب گیری و اتصال مواد غیر همجنس به یکدیگر، مورد استفاده قرار می گیرد. در جوشکاری التراسونیک، با قرار دادن قطعات در معرض حرکت ارتعاشی با فرکانس ثابت در حدود 40-10 کیلوهرتز، حرارت تولید می شود. دامنه این حرکت ارتعاشی عموماً بین 40-20 میکرومتر تغییر می کند. حرارت در جوشکاری التراسونیک از ارتعاشات تقویت شده ناشی می شود. این انرژی ارتعاشی در سطح مشترک قطعاتی که قرار است بهم جوش داده شوند متمرکز می شود. در نتیجه این کار، حرارت لازم برای ذوب پلاستیک از طریق اصطکاک ناشی از ارتعاش یک سطح روی سطح دیگر در محل اتصال ایجاد می شود. لذا حرارت تنها در موضع اتصال ایجاد می شود و مابقی قسمت های قطعه سرد باقی می ماند.

جوشکاری فراصوتی و   ایمنی جوشكاري