اصول جوشکاری فراصوتی
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 .