فرایند جوشکاری فراصوتی | Ultrasonic welding – USW روشی متداول و فراگیر در کشورهای پیشرفته و صنعتی برای جوشکاری قطعات پلاستیکی و فلزی بوده و در گروه فرایندهای جوشکاری حالت جامد (Solid State Welding) قرار می گیرد. این فرایند مانند سایر روش های جوشکاری در پنج مرحله به شرح ذیل انجام می شود:
- آماده سازی سطح | Surface Preparation : شامل تمیز کاری و براده برداری، وجود آلودگی و لبه‌های اضافی باعث افت کیفیت جوشکاری خواهد شد.
- گرم کردن | Heating : انرژی امواج فراصوت با فرکانس‌های بالا ۲۰ تا ۷۰ کیلوهرتز برای این منظور استفاده می‌گیرد.
- فشردن | Pressing : پس از گرمایش، قطعات می بایست به یکدیگر فشرده شوند. این فشار به کمک عملگرهای فشار باد (Pneumatic Actuator) و سایر تجهیزات مربوطه صورت می گیرد.
- امتزاج بین مولکولی | Intermolecular Diffusion : فشردن دو قطعه کار گرم شده و در آستانه ذوب به یکدیگر موجب امتزاج موضعی آنها می گردد.
- سرد کردن | Cooling : سرد کردن محل جوشکاری آخرین مرحله فرایند است که در آن دمای محل اتصال کاهش یافته و ساختار کریستالی آن بازیابی می شود. در این مرحله ایجاد تنشهای پسماند و رخداد اعوجاج در اتصال محتمل است.
در این فرایند، موفقیت جوش به طراحی مناسب اجزا و مشخصات مناسب موادی که جوش داده می شوند، بستگی دارد. سرعت بالا و قابلیت خودکارسازی (Automation) فرایند جوشکاری فراصوتی | USW ، موجب شده است تا به طور وسیعی در صنعت مورد استفاده قرار گیرد. جهت تضمین سلامت جوش، طراحی مناسب اجزای فرایند به خصوص قید و بست ها (Jigs and Fixtures) ضروری است.
اصول 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.
مزیت ها، محدودیت ها و کاربردهای فرایند جوشکاری فرصوتی | USW
مزیت های فرایند جوشکاری فراصوتی | USW عبارتند از:
• کارآیی بالا
• هزینه پایین واحد اتصال در تولید انبوه
• خودکارسازی آسان
• سرعت پیشروی بالا
• فاقد آلایندگی
محدودیت های فرایند جوشکاری فراصوتی | USW عبارتند از:
• انرژی اعمالی پایین
• عرض شیپوره کم
موارد کاربری فرایند جوشکاری فراصوتی | USW پلیمرها عبارتند از:
• جوشکاری ساده یک اتصال
• جاسازی یک قطعه در قطعه‌ای دیگر همراه با اتصال بین آن دو
• جوش نقطه ای ورق ها و صفحات پلاستیکی
• کاشت مغزی های فلزی در داخل قطعات پلاستیکی
• دوخت پارچه ها و فیلم های با پایه پلاستیکی
عمده کاربردهای فرآیند جوشکاری فراصوتی | USW عبارتند از:
• صنعت خودرو سازی
• صنعت بسته بندی
• صنعت الکتریک و الکترونیک
• صنعت ساخت تجهیزات پزشکی
• صنعت ساخت اسباب بازی
جوشکاری فراصوتی
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.
- در این روش از روانساز یا فلز پر کننده استفاده نمی‌شود.
- در خلال فرآیند فشار متوسطی برای در تماس قرار دادن قطعات اعمال می‌شود که تغییر شکل قابل ملاحظه‌ای را ایجاد نمی‌کند.
- حداکثر میزان تغییر شکل پلاستیک به ندرت از ۱۰% تجاوز می‌کند.
- انرژی فراصوتی از طریق یک مبدل که کار تبدیل کردن نوسان‌های الکتریکی فرکانس بالا به نوسان‌های مکانیکی را انجام می‌دهد.
- فرکانس معمول در این فرآیند بیش از ۱۰ کیلو هرتز (فراتر از محدوده شنوایی انسان) است
- قبل از جوشکاری یک تمیز کاری ساده ضرورری است ولی بعد از جوشکاری تمیز کاری مودر نیاز نیست.
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.
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
انرژی مورد نیاز برای جوشکاری
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.
انواع فرآیندهای فراصوتی
- جوشکاری نقطه‌ای
- جوشکاری حلقوی
- جوشکاری خطی
- جوشکاری درزی پیوسته
مزایا
- 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.
- تغییر شکل قابل توجهی در قطعه رخ نمی‌دهد.
- ضریب ایمنی در این روش بسیار بالاست.
- سرعت جوشکاری در این روش بالاست.
- دو قطعه با اختلاف ضخامت زیاد می‌توانند با این روش به هم متصل شوند .
- عدم تغییر رنگ در منطقه جوش و اطراف آن
از دیگر مزایا می‌توان به راندمان و کیفیت جوش عالی، حذف سوختنی‌ها، طول عمر زیاد قطعه و… اشاره کرد.
- هزینه این روش نسبت روش‌های دیگر بالاست.
- ضخامت یکی از قطعات نمی‌تواند از حد مشخصی بالاتر باشد این حد بالای ضخامت به جنس قطعه و توان دستگاه بستگی دارد.
- عمر کاری قطعات کم است.
معایب
- اتصالات لب رو لب باشد و نه لب به لب
- ابزار و وسایل سیمی الکتریکی برای صنایع خودرو
- ورق‌های نازک باتری‌ها، خازن‌ها
- آلیاژهای غیر آهنی نتایج بهتری بدست می‌دهند
کاربردها
- استفاده در صنعت الکتریک و الکترونیک
- استفاده در صنعت بسته بندی
- استفاده در صنعت اتومبیل سازی
- استفاده در صنعت پزشکی و تجهیزات پزشکی
- استفاده در صنعت اسباب بازی
از اینکه این مقاله را مطالعه نمودید متشکریم، اگر انتقاد و پیشنهادی در پیرامون این مقاله دارید در قسمت دیدگاه بنویسید.