مراحل فرایند جوشکاری فراصوتی

در سال 1982، خواننده معروف جولی اندروز به ما نشان داد که صداهای بسیار تیز یا با فرکانس بالا می توانند باعث شکست پیوند میانی مواد شوند.

در حین اجرای یک قطعه از کمدی موزیکال "ویکتوریای پیروز"، صدای این خواننده تا حدی اوج گرفت که تمامی لیوان های نوشیدنی در سراسر سالن نمایش شکستند.

با این حال، آبا میدانستید امواج فراصوت برای پیوند و اتصال مواد نیز مورد استفاده قرار می گیرند؟

فناوری جوشکاری فراصوتی روشی است که برای مونتاژ محصولات مختلف (از دستگاه های پزشکی گرفته تا کفش های ورزشی و اتومبیل) کاربرد دارد.

در این مقاله جزئیات بیشتری در خصوص نحوه کار جوشکاری فراصوتی و همچنین معایب و مزایای این روش را در اختیار شما قرار خواهیم داد.

جوشکاری فراصوتی چیست؟
معمولاً برای اتصال قطعات مختلف یک محصول از لوازمی چون میخ، پیچ و مهره یا نخ استفاده می شود. این لوازم برای مونتاژ محصولات فلزی، چوبی، پارچه ای و پلاستیکی بسیار مناسب هستند.

با این حال، یکی دیگر از روش های ساخت محصولات فلزی استفاده از فلزات دیگر به عنوان نوعی عامل پیوند است.

در این صورت، گرم شدن عامل پیوند (برای مثال استفاده از لحیم سرب در اتصالات الکتریکی) موجب ذوب عامل و ایجاد پیوند میان دو قطعه مورد نظر می شود.

متعاقباً، فلزات را می توان با ذوب مستقیم فلز (جوشکاری) به یکدیگر متصل کرد. پس از خنک شدن سطح ذوب شده، پیوند مستحکمی میان دو فلز شکل می گیرد.

معمولاً جوشکاری نیازمند نوعی شعله مخصوص است تا دمای مورد نیاز برای ذوب سطوح فلزی و اتصال آن ها به یکدیگر را فراهم کند.

از این رو، فرآیند جوشکاری برای برخی تولید کنندگان بسیار هزینه بر خواهد بود.

در سال 1940، جوشکاری فراصوتی به عنوان روشی جایگزین و مقرون به صرفه برای جوشکاری سنتی معرفی شد.

این تکنیک می تواند با استفاده از امواج فراصوت، فشار و انرژی کمتر، قطعات فلزی را به یکدیگر متصل کند.

پیچیدگی قطعات الکتریکی موجود در دستگاه های مختلف و استفاده از کامپیوتر برای کنترل فرآیند تولید باعث شدند جوشکاری فراصوتی از دهه 1950 تا 1990 میلادی پیشرفت چشمگیری داشته باشد.

در حال حاضر، از این تکنیک پیشرفته و فراگیر برای ساخت لوازم پلاستیکی نیز استفاده می شود.

فرایند جوشکاری فراصوتی:
دستان خود را چندین بار به یکدیگر بمالید. آیا تغییری احساس کردید؟ دستان شما گرم تر شدند، درست است؟

اگر یک چکش را به صورت مستمر به فلز بکوبید، خواهید دید که مکان برخورد چکش با فلز نیز گرم می شود.

این دو مثال هایی از گرمای تولید شده به واسطه اصطکاک هستند. اکنون تصور کنید این حرکت دستان و یا چکش هزاران بار در ثانیه تکرار شود.

گرمای اصطکاک تولید شده موجب افزایش قابل توجه دما در کمترین زمان می شود.

به طور اساسی، صوت های با فرکانس بالا (فراصوتی) نیز لرزش در زمان جوشکاری نوعی لرزش مستمر در مواد ایجاد می کنند.

این لرزش ها باعث ساییده شدن مواد به یکدیگر شده و اصطکاک میان این دو ماده باعث افزایش دمای سطح تماس آن ها می شود.

استمرار گرمای اصطکاک همان عاملی است که شرایط را برای اتصال و پیوند دو ماده مهیا می کند.

معمولاً دستگاه جوشکاری فراصوتی از چهار بخش تشکیل شده است.

منبع تغذیه دستگاه قادر است برق فرکانس پایین (50-60 هرتز) را به برق فرکانس بالا (20-40 کیلوهرتز؛ 1 کیلوهرتز = 1000 هرتز) تبدیل کند.

سپس یک ترانسفورماتور یا مبدل، برق فرکانس بالا را به صوت فرکانس بالا (فراصوت) تبدیل می کند. دستگاه تقویت کننده نیز وظیفه بزرگ تر کردن لرزش های فراصوت را بر عهده دارد.

در آخر، یک شیپور یا سونودرود با تمرکز بر لرزش های فراصوت، این لرزش ها را به مواد مورد نظر برای جوش منتقل می کند.

علاوه بر این قطعات اصلی، دستگاه مجهز به پایه ای است که برای انباشتن و نگهداشتن مواد مورد استفاده قرار می گیرد.

علاوه بر این، روش دیگری نیز برای نگهداری مواد وجود دارد که در طول فرآیند جوشکاری، مواد را با اعمال نیرو (معمولاً فشار هوای تولید شده توسط پیستون پنوماتیک) در جای خود نگه میدارد.

فرایند جوشکاری فراصوتی:
حال این سؤال پیش می آید که چه صنایعی بهترین بهره وری را از این روش دارند؟

جوشکاری فراصوتی مواد پلاستیکی به طور گسترده در ساخت محصولات الکتریکی، دستگاه های پزشکی یا قطعات خودرو کاربرد دارد.

برای مثال، از جوشکاری فراصوتی برای مونتاژ اجزای الکتریکی (مانند مبدل ها، موتورهای الکتریکی و خازن ها) و بردهای کامپیوتری استفاده می شود.

دستگاه های پزشکی، از جمله کاتتر، ولو، فیلتر و ماسک های صورت نیز با استفاده از جوشکاری فراصوتی تهیه می شوند.

صنعت بسته بندی نیز از این تکنیک برای ساخت بسته بندی های پلاستیکی، لوله های مونتاژ و بسته بندی های حبابی استفاده می کند.

حتی شرکت فورد موتور نیز کاربرد جوشکاری فراصوتی را در تولید شاسی آلومینیومی خودروها مورد بررسی و استفاده قرار داده است.

مراحل جوشکاری فراصوتی:
مراحل اصلی و اساسی جوشکاری فراصوتی را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:

• قطعات بر روی سندان یا پایه نگهدارنده قرار می گیرند.
• شیپور به قطعات مورد نظر برای جوش متصل می شود.
• جهت حفظ ارتباط شیپور با مواد مورد نظر برای جوش و نگهداشتن آن ها در موقعیت مورد نظر، فشار مناسب به اجزا وارد می شود.
• شیپور با انتقال لرزش های فراصوت به مواد موجب افزایش دما می شود. بازه حرکتی این لرزش ها به دو طرفین و از بالا به پایین، کمتر از یک میلیمتر است.
• مواد مورد نظر به یکدیگر جوش می خورند.
• شیپور به عقب کشیده می شود و مواد جوش خورده از پایه نگهدارنده جدا می شوند.

برای کنترل زمان، فشار و دمای فرآیند جوش از کامپیوتر یا میکرو پردازشگر موجود در دستگاه جوشکاری استفاده می شود.

هر آنچه در طی فرآیند جوشکاری رخ دهد مربوط به نوع و ویژگی های مواد مورد نظر است. برای جوشکاری قطعات فلزی، لرزش های فراصوت به صورت موازی به سطح مواد منتقل می گردند.

گرمای اصطکاک قادر است بدون ذوب کردن قطعات مورد نظر، دمای سطح فلز را به یک سوم دمای ذوب آن برساند.

در این صورت، گرما موجب از بین رفتن اکسیدهای سطحی از فلز می شود و موقعیت مناسبی برای حرکت اتم های فلز از یک سطح به سطح دیگر و تشکیل پیوند نگهدارنده میان دو جزء فراهم می شود.

در فرآیند جوشکاری فراصوتی مواد پلاستیکی، لرزش ها به صورت عمود به سطح مواد منتقل شده و گرمای اصطکاک موجب، دما را تا حدی افزایش می دهد که قطعات پلاستیکی ذوب شوند.

مولکول های پلاستیک با یکدیگر ترکیب شده و پیوند تشکیل می دهند. پس از خنک شدن، سطوح پلاستیکی به یکدیگر جوش می خورند.

زمان جوشکاری متفاوت است، لیکن این زمان را می توان تا حداقل 0.255 ثانیه کاهش داد.