جوشکاری با امواج مافوق صوت (اولتراسونیک)

جوشکاری اولتراسونیک یا فراصوتی لوله‌ی پلاستیکی عبارت است از اتصال یا ترمیم ترموپلاستیکها (گرمانرم) با استفاده از گرمای ایجادشده از حرکت مکانیکی فرکانس بالا (ارتعاش). این کار با تبدیل کردن انرژی الکتریکی فرکانس بالا به حرکت مکانیکی فرکانس بالا صورت می‌گیرد. این حرکت مکانیکی، همراه با نیروی اعمال‌شده، گرمای ناشی از اصطکاکی را در سطوح مشترک اجزای پلاستیکی (نواحی اتصال) ایجاد می‌کند که ماده‌ی پلاستیکی را ذوب و پیوند مولکولی را میان اجزا ایجاد می‌کند.
با استفاده از جوش اولتراسونیک، می‌توان لوله‌ها را بدون نیاز به پیچ، مهره یا هرگونه وسایل جانبی دیگر به هم متصل کرد، همچنین جوش اولتراسونیک برای لوله‌های فلزی نیز کاربرد دارد.

جوشکاری پلاستیک

جوشکاری اولتراسونیک، لیزری، ارتعاشی، چرخشی و جوشکاری با صفحه‌ی داغ، یک تکنولوژی برای جوش دادن انواع مواد پلاستیکی می‌باشد ازجمله HDPE بکار رفته در قطعات تعبیه‌ای مانند چهارچوب سازی، قفسه‌بندی، اجزای قالب‌گیری شده (اکسترود) یا ذوب‌شده ولوله‌ها.

جوشکاری فلز

جوشکاری درزی اولتراسونیک لوله‌های سردکننده و نیز جوشکاری فلزی، روشی خوب برای نصب و مونتاژ مهارهای سیم‌کشی، اجاق‌ها، دستگاه‌ها و حسگرهای مقاومتی دما، اتصالات باطری، لوله‌ها و غیره می‌باشد.

چرا از روش‌های جوشکاری اولتراسونیک استفاده می‌کنند؟

در این روش، نسبت به روش‌های دیگر، جوشکاری در دماهای پایین‌تری انجام می‌شود؛ بنابراین، سازنده برای داشتن دمایی بالا برای جوشکاری، نیازی به صرف مقادیر بسیار هنگفتی از سوخت یا انرژی‌های دیگر ندارد. این امر باعث ارزان‌تر بودن این روش می‌شود. این همچنین این روش سریع‌تر و ایمن‌تر می‌باشد. فرایند جوشکاری التراسونیک در کسری از ثانیه صورت می‌گیرد. ازاین‌رو سریع‌تر از روش‌های دیگر انجام می‌گیرد. درواقع، مواد پلاستیکی با این روش بهتر و سریع‌تر از چسب به یکدیگر می‌چسبند. به‌طور مثال، کلیدهای هوشمند جدید در خودروها دارای یک تراشه ترانسپوندر می‌باشند. خودرو می‌تواند تنها هنگامی روشن شود که تراشه را احساس کند. برای ساخت این کلید، سر فلزی کلید خالی است و تراشه در آن نیمه‌ی بالایی کلید، یعنی سری پلاستیکی قرار می‌گیرد. نیمه‌ی دیگر سری پلاستیکی روی آن‌ها قرار می‌گیرد و به قسمت پایه (نیمه‌ی فلزی کلید) متصل می‌شود. این اتصال معمولاً با چسب انجام می‌شود که برای سخت شدن به زمان نیاز دارد. همین کار را می‌توان با جوش اولتراسونیک در کمتر از یک ثانیه انجام داد.

مزایای جوشکاری اولتراسونیک

• جوشکاری اولتراسونیک را می‌توان برای انواع ترکیبات جوشکاری مواد بکار برد. از این روش نمی‌توان برای مواد نیمه‌رسانا ازجمله دمای بالای ناشی از آلودگی و عملیات استفاده کرد، جوشکاری مواد رسانای گرمایی و موادی با رسانایی بالا مانند طلا، نقره، مس، آلومینیوم و غیره کاری آسان است.
• مصرف نیرو بسیار پایین است؛ برای جوشکاری نقطه‌ای مقاومتی، تنها 5% در سمت چپ و راست، برای کرنش یا تغییر شکل جوش کمتر از 3-5%، استحکام جوش لحیم و تقویت پایداری با مصرف میانگین 15- 20% است و در سطح تمیزکاری تجهیزات، مقدار بالایی مصرف نمی‌شود.
• فرآیند جوشکاری اولتراسونیک، کاربرد گسترده‌ای در دستگاه‌های میکروالکترونیکی و تکنولوژی تکمیل کاری دارد، موفق‌ترین کاربرد این روش، استفاده از آن برای اجزاء مدار مجتمع در اتصال داخلی می‌باشد و از آن در صنایع پلاستیک بسته‌بندی‌های الکتریکی و صنایع الکترونیکی هوا و فضا استفاده می‌شود.
• فرایند جوشکاری اولتراسونیک، همه ترکیبات نازک و ضخیم از مواد را جوش می‌کند. این فرآیند، روشی عالی برای آلومینیوم، مس و موادی دیگری با رسانایی گرمایی بسیار بالا می‌باشد که اتصال آن‌ها از طریق فرآیندهای ذوب‌کاری دشوار است، از این روش می‌توان برای اتصال سیم‌ها و مدارها استفاده کرد؛ ازاین‌رو کاربردی بسیار عالی در صنایع تولیدکننده‌ی کامپیوتر و قطعات الکترونیکی دارد.
• فرآیند جوشکاری اولتراسونیک، روشی موفق برای جوش دادن بسیاری از ترکیبات مواد ناهم‌جنس است، بدون نیاز به فلزات یا گازهای فیلر (پرکننده)؛ این روش بسیار سریع و خودکار است. ازآنجایی‌که در جوشکاری اولتراسونیک به پیچ‌های اتصال‌دهنده یا مواد لحیم‌کاری برای متصل کردن دو قطعه به هم نیازی نیست، می‌تواند در هزینه‌ی ساخت و تولید صرفه‌جویی کند.
• جوشکاری اولتراسونیک ازلحاظ ظاهری نیز موردتوجه قرارگرفته شده است زیرا هیچ درز قابل‌رؤیتی که ظاهر قطعه‌ی کارشده را به هم بزند، باقی نخواهد گذاشت. فرآیند جوشکاری اولتراسونیک یک روش خودکار است که برای ایجاد جوش اولتراسونیک، تنها نیاز است که جوشکار اهرم دستگاه را بکشد یا دکمه‌ی آن را فشار دهد.
• جوشکاری اولتراسونیک، روشی ایدئال است زیرا اتصالات قابل‌اطمینانی را ایجاد می‌کند بدون آنکه هیچ اثری از آلودگی یا شکستگی گرمایی در قطعاتی که جوش‌خورده شده‌اند باقی بگذارد. جوش اولتراسونیک خیلی سریع خشک می‌شود زیرا هیچ چسب یا محلولی برای خشک شدن وجود ندارد و هیچ نیازی به سخت شدن مواد نیست.
• اگرچه در فرآیند جوشکاری اولتراسونیک از ارتعاش برای ایجاد جوش استفاده می‌شود، اما جوش اولتراسونیک روشی متفاوت از جوشکاری ارتعاشی» (همچنین تحت عنوان جوشکاری اصطکاکی شناخته می‌شود) می‌باشد. انرژی صوتی سبب ایجاد اصطکاک می‌شود، این اصطکاک گرما تولید می‌کند و قطعات در کمتر از یک ثانیه به هم جوش داده می‌شوند و این ویژگی این روش را امروزه به سریع‌ترین روش مورداستفاده در جوشکاری تبدیل کرده است.

جوش اولتراسونیک لوله‌های پلاستیکی با استفاده از ارتعاش پیچشی

در این روش از ارتعاشات پیچشی برای جوشکاری لوله از جهت پیرامونی (عرضی) با شیپوره‌های واقع در نزدیکی سطح جوش استفاده می‌شود. یک فشار استاتیک به‌طور جداگانه از این ارتعاشات به سطح جوش اعمال می‌شود. گزارش‌شده است که لوله‌های رزین آکریلیکی می‌توانند با این روش به‌خوبی جوش داده شوند.

اصول پایه‌ی جوش اولتراسونیک

قطعات اتصالی در فیکسچر

دو قطعه‌ی پلاستیکی که قرار است به هم متصل شوند، در کنار هم یکی در بالای دیگری، در سطح نگه‌دارنده ثابتی بنام فیکسچر قرار می‌گیرند.

اتصال شیپوره

یک مؤلفه‌ی تیتانیومی یا آلومینیومی بنام شیپوره (horn) در اتصال با قطعه‌ی پلاستیکی بالایی قرار می‌گیرد.

فشار اعمال‌شده

یک فشار کنترل‌شده‌ای به قطعات وارد می‌شود، آن‌ها را روی‌هم و به طرف فیکسچر فشرده می‌کند.

زمان جوش دادن

شیپوره، به‌طور افقی 20000 (20kHz) یا 40000(40kHz) بار در ثانیه، در فواصل اندازه‌گیری شده در هزارم اینچ (میکرون)، ارتعاش می‌یابد، این مقدار از پیش تعیین‌شده‌ای از زمان است که به آن زمان جوش میگویند. با یک طراحی دقیق قطعات، این انرژی مکانیکی ارتعاش دهنده به نقاط مشخصی از اتصال بین دو قطعه منتقل می‌شود.
ارتعاشات مکانیکی از طریق مواد ترموپلاستیکی به سطح مشترک قطعات منتقل می‌شوند و گرمای اصطکاکی را تولید می‌کنند. وقتی دما در سطح مشترک به نقطه ذوب برسد، پلاستیک ذوب و روان می‌شود و سپس ارتعاش متوقف می‌گردد. سپس پلاستیک ذوب‌شده شروع به سرد شدن می‌کند.

زمان وقفه

نیروی فشرده کننده برای یک مقدار زمان از پیش تعیین‌شده‌ای باقی می‌ماند تا در حینی که پلاستیک ذوب‌شده سرد و سخت می‌شود قطعات به هم جوش‌خورده شوند. این مرحله را زمان وقفه یا نگهداری می‌گویند.(نکته: با اعمال نیروی بیشتر در طی زمان وقفه، استحکام اتصال بهتر می‌شود و درزبندی کاملی حاصل خواهد شد. این کار با استفاده از فشار دو برابر انجام‌پذیر خواهد بود).

جمع شدن شیپوره

هرگاه پلاستیک ذوب‌شده سخت و جامد شد، نیروی فشرده کننده برداشته می‌شود و شیپوره جمع می‌شود و عقب برمی‌گردد. دو قطعه‌ی پلاستیکی اکنون به هم متصل هستند به‌گونه‌ای در هم ذوب‌شده‌اند و به‌صورت یک قطعه‌ی یکدست، از روی فیکسچر برداشته می‌شوند. این اتصال پلاستیک، روشی سریع، تمیز، کارآمد و قابل تکرار است که انرژی بسیار اندکی را صرف می‌کند. به هیچ حلال، چسب، تسریع‌کننده‌ی مکانیکی یا مواد مصرفی دیگر نیازی نیست و محصول مونتاژ شده، محکم و تمیز خواهد بود.

پایان مقاله “آشنایی با جوش پلاستیک با استفاده از دستگاه جوش التراسونیک”. امیدواریم مورد توجه شما قرار گرفته باشد.