جوشکاری التراسونیک (USW) | کابرد، مزایا و انواع جوشکاری فراصوتی

جوشکاری التراسونیک یکی از جدیدترین تکنیک‌های جوشکاری است که به کمک ارتعاشات با فرکانس بالا، دو فلز به هم متصل می‌شوند. این فرایند به دلیل کارایی بالا و دقت آن به طور گسترده در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. با استفاده از ارتعاشات فرا صوت، پیوندهای قوی ایجاد خواهد شد. در ادامه همراه ابزار جوش و برش وینر باشید، تا به صورت کامل با جوشکاری التراسونیک آشنا شویم.

جوشکاری التراسونیک یا فراصوتی چیست؟

جوشکاری التراسونیک Ultrasonic welding – USW یک فرایند جوشکاری حالت جامد است که به کمک انرژی ارتعاشی با فرکانس بالا، عمل جوش انجام می‌شود. جوشکاری فرا صوت موجب ایجاد یک پیوند متالوژیکی سالم بدون ذوب فلز پایه شده و به هیچ میخ، لحیم، چسب یا پیچی نیاز ندارد. برای اتصال قطعات غیرمشابه از این فرایند استفاده می‌شود. اگر از فرایند جوشکاری التراسونیک برای اتصال فلزات استفاده شود، دما پایین‌تر از نقطه ذوب مواد است، به همین دلیل ساختار شیمیایی فلز ثابت باقی می‌ماند و تغییر نمی‌کند. در فرایند جوشکاری التراسونیک از صداهایی با فرکانس بالا که توسط انسان شنیده نمی‌شود، استفاده می‌شود. این صداها به صورت ارتعاش قابل درک است. ارتعاشات موجب ساییدگی مواد روی یکدیگر و ایجاد اصطکاک می‌شود. اصطکاک هم به نوبه‌ی خود گرمای مورد نیاز در ناحیه تماس ایجاد کرده و موجب اتصال دو قطعه به هم می‌شود.

در این روش نوسان‌های فرکانس بالا سبب متلاشی شدن اتم‌های فلزی و یا مولکول‌ها و در نهایت دستیابی به یک اتصال مکانیکی می‌شود‌. قسمت‌هایی که باید به یکدیگر جوش داده شوند زیر فشار روی هم نگه داشته شده و تحت ارتعاشات التراسونیک با فرکانس ۲۰ تا ۷۰ کیلو هرتز قرار می‌گیرند‌. از آنجا که جوشکاری التراسونیک بسیار سریع است (کمتر از ۱ ثانیه‌) به طور وسیع از آن در صنعت استفاده می‌شود‌.

1. در این روش از روانساز یا فلز پر کننده استفاده نمی‌شود‌.
2. در خلال فرآیند فشار متوسطی برای در تماس قرار دادن قطعات اعمال می‌شود که تغییر شکل قابل ملاحظه‌ای را ایجاد نمی‌کند.
3. حداکثر میزان تغییر شکل پلاستیک به ندرت از ۱۰% تجاوز می‌کند.
4. انرژی فراصوتی از طریق یک مبدل‌ که کار تبدیل کردن نوسان‌های الکتریکی فرکانس بالا به نوسان‌های مکانیکی‌ را انجام می‌دهد.
5. فرکانس معمول در این فرآیند بیش از ۱۰ کیلو هرتز (فراتر از محدوده شنوایی انسان‌) است‌
6. قبل از جوشکاری یک تمیز کاری ساده ‌ضرورری است ولی بعد از جوشکاری تمیز کاری مورد نیاز نیست.

انرژی مورد نیاز برای جوشکاری

انرژی الکتریکی مورد نیاز برای ایجاد یک جوش فراصوتی به مقدار سختی قطعه کار و ضخامت ورق‌، بستگی دارد  و از رابطه زیر محاسبه می‌شود.

زمان اعمال انرژی فراصوتی از ۰/۰۱ ثانیه برای سیم‌های ظریف تا حدود ۱ ثانیه برای مقاطع سنگین تفییر می‌کند. جوش‌های ایجاد شده در زمان‌های کم و با توان‌های بالا معمولاً بهتر از جوش‌هایی هستند که در زمان‌های بالا و با توان‌های پایین ایجاد می‌شوند‌. سرعت ۵۰۰ فوت بر دقیقه برای فلزهای نازک و ۵ فوت بر دقیقه برای ورق‌های سنگین استفاده می‌شود.

• E=K(H.T)⅔  :H مقدار سختی قطعه برحسب ویکرز
• E : انرژی الکتیریکی برحسب ژول
• T : ضخامت ورق بر حسب میلی متر
• K : مقدار ثابت

تاریخچه جوشکاری التراسونیک

جوشکاری فراصوتی در سال 1960 و برای پلاستیک‌های سخت اختراع شد. در آن زمان از این روش فقط برای اتصال پلاستیک استفاده می‌شد. رابرت سولف و سیمو لینزلی 1965 حق اختراع این روش را برای پلاستیک دریافت کردند. آن‌ها به صورت اتفاقی متوجه شدند که امکان اتصال قطعات فلزی هم وجود دارد. کم کم اولین پرس التراسوین توسعه یافت و اکنون در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تجهیزات فرایند جوشکاری فراصوتی

تجهیزات فرایند جوشکاری فراصوتی | USW عبارتند از:
•    منبع تغذیه | Power Supply
•    مبدل | Converter
•    تقویت کننده | Booster
•    شیپوره | Horn

منبع تغذیه این فرایند، فرکانس برق شهر را از ۵۰ تا ۶۰ هرتز به ۲۰ تا ۵۰ و گاه تا ۷۰ کیلو هرتز می ر‌ساند، سپس در مبدل این موج الکتریکی با فرکانس بالا به ارتعاش مکانیکی (امواج فراصوتی) با فرکانس بالا تبدیل می شود. فرکانس اغلب دستگاه های فراصوت بیش از ۲۰ کیلو هرتز است و صدایی سوت مانند تولید کرده که می تواند برای متصدی دستگاه در بلند مدت ایجاد مزاحمت نماید، لذا توجه مداوم به میزان دسی بل صدای این دستگاه ها از اهمیت فراوانی برخوردار است. امروزه شرکت های معتبر اروپایی هزینه‌های زیادی را صرف تحقیق و توسعه محصولات خود نموده اند تا همزمان با افزایش راندمان و کیفیت جوشکاری دستگاه های خود، این صدای مزاحم را تا حد قابل ملاحظه ای کاهش دهند. در ادامه امواج تولید شده در مبدل به تقویت کننده (Booster) ارسال شده و دامنه آن تا حد دلخواه افزایش پیدا می کند. در این مرحله، شیپوره (Horn) که وسیله ای صوتی – مکانیکی است، امواج صوتی را به قطعه کار منتقل کرده  و نیز به منظور ایجاد اتصال بر قطعه کار فشار وارد می آورد.

پس از انتقال امواج صوت به منطقه اتصال، در اثر اصطکاک زیاد ناشی از جنبش مولکولی سطوح قطعات، این انرژی به گرما تبدیل شده و باعث نرم شدن و ذوب ماده و به وجود آمدن شرایط جوشکاری می شود.

مزایا و معایب جوشکاری التراسونیک

مانند همه انواع فرایندهای جوشکاری، این روش نیز دارای مزایا و معایب است که در ادامه هر کدام را بررسی می‌کنیم.

مزایای جوشکاری التراسونیک

• جوشکاری در دماهای پایین‌تری نسبت به سایر روش‌ها انجام می‌شود.
• یک فرایند اقتصادی است زیرا به حرارت کمتری نیاز داشته و سوخت کمتری مصرف می‌شود. همچنین نیازی به استفاده از مواد اضافی نیست.
• سریع است و جوش در کسری از ثانیه بوجود می‌آید. این مزیت موجب می‌شود در انجام پروژه‌های جوشکاری انبوه باعث کاهش هزینه‌های تمام شده شود.
• جوش ایجاد شده قوی و بادوام است.
• می‌توان برای اتصال مواد غیرمشابه از روش جوشکاری فراصوت استفاده کرد.
• در این فرایند نیازی به سوخت‌های قابل اشتعال، شعله‌ یا مواد مصرفی نیست، به همین دلیل تکنیسین و کارگران در معرض گازها یا حلال‌های خطرناک قرار نمی‌گیرند. به همین دلیل روشی ایمن محسوب می‌شود.
• عدم نیاز به ذوب و انجماد در نتیجه حذف مشکلات ناشی از این پدیده
• به خاطر حرارت کم ایجاد شده حین کار ماهیت مواد و ساختار عوض نمی‌شود‌.
• قطعات دستگاه به راحتی قابل تعویض و کار با آن برای اپراتور راحت است‌.

معایب جوشکاری التراسونیک:

• در این فرایند جوشکار صدا را نمی‌شنود و فقط صدا را به صورت ارتعاش حس می‌کند. این فرکانس بالا می‌تواند باعث آسیب به عصب شنوایی شود. مگر اینکه دستگاه جوش التراسونیک محصور شده باشد یا از محافظ شنوایی استفاده شود.
• عمق جوش کمتر از 1 میلی متر است؛ بنابراین برای فلزات یا پلاستیک نازک مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• اندازه جوش محدود است و برای اتصالات بزرگ‌تر از 150 میلی متر مناسب نیست.
• فقط برای موادی که روی یک سطح صاف قرار دارند مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ به همین دلیل مناسب جوش دادن اتصالات لبه، سه راهی یا گوشه نیست.
• ارتعاشات اولتراسونیک می تواند به قطعات الکتریکی آسیب برساند، اگرچه استفاده از تجهیزات فرکانس بالاتر می تواند این مشکل را کاهش دهد.
• عمر کاری قطعات کم است.

انواع روش‌های جوشکاری التراسونیک

4 نوع فرایند و روش بر اساس جوشکاری التراسونیک وجود دارد: جوش نقطه‌ای، حلقوی، خطی و درزی پیوسته. در ادامه به بررسی هر کدام از این روش‌ها می‌پردازیم.

1. جوش نقطه‌ای: جوشکاری نقطه ای یکی از فرایندهای جوشکاری التراسونیک است که موجب اتصال دائمی بین دو قطعه می‌شود. در این روش دو قطعه تحت فشار و ارتعاش قرار گرفته تا اتصال انجام شود. جوش‌های نقطه‌ای بین ورق‌ها تقریباً به شکل بیضوی در سطح مشترک هستند. همچنین برای ایجاد یک اتصال جوشی پیوسته روی هم قرار می‌گیرند. در این نوع جوشکاری، ممکن است حاوی 2 تا 4 جوش در سانتی‌متر باشد. به همین دلیل به آن جوش نقطه‌ای می‌گویند. در صورت نشتی فاصله جوش‌ها نزدیک‌تر است.
2. جوشکاری حلقوی: در جوشکاری حلقه‌ای، یک حلقه بسته جوشی ایجاد می‌شود که معمولاً به شکل دایره است اما ممکن است مربع، مستطیل یا بیضی هم باشد. در این روش جوش در یک چرخه جوش کوتاه و منفرد تکمیل می‌شود. درجوشکاری حلقوی، نوک جوش سونوترود توخالی است و نوک به شکل جوش مورد نظر منحرف می‌شود و حالت حلقوی می‌گیرد.
3. جوش خطی: جوش خطی به نوعی جوشکاری نقطه ای است که در آن قطعات کار بین یک سندان و نوک سونوترود بسته می‌شود. نوک آن موازی با صفحه بوده و جهت نیروی ساکن در نوسان است. یک جوش خطی باریک می‌تواند تا 150 میلی متر طول داشته باشد.
4. جوشکاری درزی پیوسته: در این روش بین قطعات کار اتصال ایجاد می‌شود. پیوندهای سطحی ممکن است توسط جوش های درز روی هم ایجاد شوند، به همین دلیل به آن جوشکاری درزی پیوسته می‌گویند.

کاربرد جوشکاری التراسونیک

جوشکاری التراسونیک به دلیل ارزان بودن، کاربردهای فراوانی داشته و مورد استفاده قرار می‌گیرد در ادامه به برخی از کاربردهای جوشکاری فراصوت می‌پردازیم:

مدارهای الکتریکی

جوشکاری التراسونیک در مدارهای گوشی‌های هوشمند و کامپیوترها مورد استفده قرار می‌گیرد. استفاده از شیوه‌های سنتی جوشکاری موجب از بین رفتن مدارهای ظریف می‌شود؛ درحالیکه جوشکاری التراسونیک موجب اتصالات بدون هیچ آسیبی می‌شود. میکرومدارد، خازن و درایوهای فلش همگی به کمک جوشکاری فراصوت متصل می‌شوند.

خودروسازی

یکی دیگر از کاربردهای جوشکاری التراسونیک در صنعت خودروسازی است. پانل‌های درب معمولاً توسط جوشکاری التراسونیک به هم متصل می‌شوند، زیرا در این فرایند ماهیت اصلی فلز تغییر نمی‌کند. بسیاری از اجزای دیگر خودرو نیز با این فناوری ساخته می‌شوند.

هوافضا

جوشکاری التراسونیک حتی در صنعت هوافضا هم کاربرد فراوانی دارد. به کمک این روش می‌تواند ورق‌های نازک پلاستیکی و سبک را به هم متصل کرد. ماهیت سبک وزن جوشکاری التراسونیک برای استفاده از صنعت هوافضا موجب افزایش بهره‌روی می‌شود.

پزشکی

جوشکاری فراصوت در صنایع بهداشتی، پزشکی و مراقبتی نیز کاربرد فراوانی دارد. این روش فوق العاده تمیز است و هیچ آلودگی خاصی ایجاد نمی‌کند، به همین دلیل برای مونتاژ موادی مانند فیلترها و پیپت ها در مصارف پزشکی عالی هستند. همچنین برای منسوجات پزشکی مانند آمپول مورد استفاده قرار می‌گیرند.

بسته بندی

جوشکاری التراسونیک در بسته بندی هم محبوبیت زیادی دارد. برای بسته بندی اجناسی که قادر به تحمل گرما نیستند از این روش استفاده می‌شود. بسته‌بندی آبنبات، مواد غذایی منجمد و به صورت کلی موادی که حساس به گرما هستند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

سخن پایانی

جوشکاری التراسونیک یک تکنیک جدید جوشکاری است که از انرژی ارتعاشی با فرکانس بالا استفاده می‌کند. این انرژی به قطعات اعمال شده و موجب می‌شود تحت فشار اتصال انجام شود. جوشکاری التراسونیک بهترین روش برای اتصال قطعات غیرمشابه است. همچنین می‌تواند برای اتصال فلزات نازک و نرم مانند آلومینیوم، برنج یا طلا مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد و یکی از تمیزترین و سریع‌ترین روش‌های جوشکاری است. از اینکه این مقاله را مطالعه نمودید متشکریم، اگر انتقاد و پیشنهادی در پیرامون این مقاله دارید در قسمت دیدگاه بنویسید.

سوالات متداول

در انتها به بررسی سوالات متداول پیرامون روش التراسونیک می پردازیم:

منابع

vernlewis – get-it-made – twi-global – weldcor.