روش های اتصال دهی بدون چسب (1)

مقدمه

پلاستیک ها، زیرلایه های متداولی هستند که در اکثر صنایع یافت می شوند. مواد پلاستیکی گونه های مختلفی داشته، برخی از آنها ارزان و برخی گران قیمت تر هستند. برخی از پلاستیک ها، به دلیل مقاومت مکانیکی، مقاومت شیمیایی و دوام قابل توجه، به پلاستیک های مهندسی، معروف شده اند. پلاستیک های مهندسی اغلب به عنوان یک جایگزین برای فلز در کاربردهایی استفاده می شوند که نیازمند استحکام ویژه، هزینه ی پایین و حجم تولید بالا می باشیم.
برای تولید قطعات پلاستیکی بزرگ، متداول ترین و ارزان قیمت ترین روش، قالب گیری این قطعه به صورت چندین قطعه و اتصال آنها پس از قالب گیری می باشد. در یک چنین مواردی، تولیدکننده، گزینه های اتصال دهی مختلفی پیش رو دارد. این گزینه ها، عبارتند از چسب ها، جوشکاری حرارتی، ثابت کردن با حلال و اتصال دهی مکانیکی.
اتصال های پلاستیکی نهایی به طور قابل توجهی به ویژگی های اتصال وابسته می باشند. در بیشتر کاربردها، اتصال باید به اندازه ی خود اتصال، مستحکم باشد و بتواند در طی کل عمر مفید قطعه، دوام لازمه را داشته باشد. روش مورد استفاده برای اتصال دهی پلاستیک ها، باید بوسیله ی طراح، در نظر گرفته شود. علاوه بر استحکام و کارایی، معیار انتخاب روش مونتاژ نیز باید بر اساس هزینه ی ابزاری، هزینه های مربوط به انرژی و نیروی کار، زمان تولید، ظاهر قطعه ی نهایی و الزامات مربوط به مونتاژ، تعیین شود.
یکی از ملاحظات مربوط به مونتاژ پلاستیک ها، سرعت عملیات اتصال دهی است. این معیار در مورد زیرلایه های دیگر، معمولا معیار غالب نیست. محصولات پلاستیکی عموماً نیازمند فرایند مونتاژ با حجم تولید بالا می باشند. این مسئله در صنایعی همچون محصولات خانگی، اتومبیل و بسته بندی، مشهود است. سرعت، سادگی اعمال، قابلیت اطمینان، دغدغه های اصلی در بیشتر این فرایندهای مونتاژ حجم بالاست. سرعت، سادگی اعمال و قابلیت اطمینان همچنین در انتخاب روش اعمال اتصال نیز دارای اولولیت می باشند. به دلیل طبیعت زیرلایه و کاربردها، استحکام و دوام بالا در محیط های نامتعارف، عموماً مورد نیاز نیست و این خواص عموماٌ به صورت کلی فدای سرعت و هزینه ی تولید پایین می شوند. به طور متداول، زمان کافی برای تمیزکاری سطحی و یا آزمون غیر مخرب برای هر قطعه، وجود ندارد. در صنایع خاصی همچون صنعت اتومبیل، مواد پلاستیکی ممکن است انتخاب شوند زیرا اتصال دهی آنها سریع است. بنابراین، ترموپلاست ها، اغلب نسبت به ترموست ها، ترجیح داده می شوند که علت این مسئله، این است که فرایند اتصال دهی ترموپلاست ها از طریق فرایندهای جوشکاری گرمایی، ساده تر است و در طی چند ثانیه قابل انجام می باشد.
اگر چه اتصال دهی چسب ها اغلب روشی مؤثر است، روش های اتصال دهی دیگری برای پلاستیک ها وجود دارد روش های اصلی برای اتصال دهی پلاستیک ها، استفاده از چسب، جوشکاری گرمایی، ثابت کردن با حلال و اتصال دهی مکانیکی می باشند. روش های غیر مخرب برای اتصال دهی در این مقاله مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در ادامه در مورد این روش های اتصال دهی مختلف، توضیح داده می شود. اطلاعاتی در مورد نحوه ی انتخاب مناسب ترین روش برای اتصال دهی زیرلایه های خاص و کاربردهای مختلف آنها، آورده شده است. مواد پلاستیکی مناسب تر برای هر روش نیز آورده شده است. پارامترهای فرایند مهم و نتایج آزمون های انجام شده نیز مورد بررسی قرار گرفته است.

مواد پلاستیکی

انواع مختلفی از مواد پلاستیکی وجود دارد که هر کدام خواص مختلفی دارند. این خاصیت ها به نوع پلیمر و افزودنی های مورد استفاده در تولید آن، بستگی دارد. منابع مناسبی از اطلاعات موجود می باشند که بوسیله ی آنها می توان در مورد مواد پلاستیکی، روش های طراحی، روش های تولید و کاربردهای خاص، اطلاع کسب کرد. پلاستیک ها در بسیاری از کاربردها مانند بسته بندی، لوله کشی، صنعت لباس، لوازم خانگی و الکترونیک، مورد استفاده قرار می گیرند. این مواد در بسیاری از کاربردهای ساختاری و مهندسی مانند هوافضا، ساختمان و خودروسازی، استفاده می شوند.
تمام پلاستیک ها را می تواند به دو گروه طبقه بندی کرد: گروه اول، پلاستیک های ترموپلاست و دیگری، پلاستیک های ترموست. ترموپلاست ها در حقیقت پیوند عرضی ندارند و مولکول های پلیمری در آنها به سهولت بر روی هم می لغزند. این لغزش و یا جریان یافتن، می تواند بوسیله ی انرژی گرمایی، حلال و یا سایر مواد شیمیایی و یا اعمال تنش های پیوسته، ایجاد شود. ترموپلاست ها می توانند به تعداد نامحدود گرم شده و نرم شوند و یا دوباره سرد شده و به حالت سخت در آیند. از این رو، این مواد را می توان با اعمال حرارت، جوشکاری کرد. ترموپلاست ها می توانند همچنین در حلال های مختلف حل شوند به نحوی که می توان با استفاده از این حلال ها، قطعات ترموپلاست را به هم متصل نمود. ترموپلاست های نمونه وار، عبارتند از پلی اتیلن، پلی وینیل کلرید، پلی استایرن، پلی پروپیلن، نایلون و آکریلیک ها.
ترموپلاست های مهندسی در حقیقت یک گروه از مواد ترموپلاست هستند که دارای مقاومت به دما و مواد شیمیایی بالایی هستند. آنها خواصی مشابه پلاستیک های ترموست و فلزات دارند. به عنوان یک نتیجه، آنها را نمی توان به سهولت با روش جوشکاری حرارتی و یا استفاده از حلال، به هم اتصال داد. ترموپلاست های مهندسی نمونه وار، عبارتند از پلی سولفون، استال، آمید- ایمیدها و پلی ایمیدهای ترموپلاست، می باشند.
پلاستیک های ترموست در حقیقت با استفاده از واکنش های شیمیایی، پیوند عرضی ایجاد می کنند به نحوی که مولکول های آنها نمی توانند بر روی هم بلغزند. وقتی سرد می شوند، آنها صلب شده و دیگر با حرارت، نرم نمی شوند. اگر حرارت زیاد به این مواد اعمال شود، تخریب خواهند شد. در نتیجه، آنها با اعمال حرارت، قابلیت جوشکاری ندارند. به دلیل مقاومت شیمیایی بالا، این ترموست ها همچنین قابلیت اتصال با حلال را ندارند. پلاستیک های ترموست معمولاً با استفاده از چسب یا اتصال مکانیکی، به هم متصل می شوند. پلاستیک های ترموست نمونه وار، عبارتند از اپوکسی، یوریتان ها، فنولیک ها و ملامین فرمالدهید.
چندین پلاستیک ترموست متداول، نام تجاری و فروشنده های اصلی آنها در جدول 1 آورده شده است. اطلاعات مشابهی برای پلاستیک های ترموپلاست در جدول 2 آورده شده است. علاوه بر این، شرکت های زیادی وجود دارند که سیستم های پلاستیکی کاملی را با استفاده از رزین های مختلف، فرموله کردند. این شرکت های کوچک اغلب فروشنده های نهایی هستند که محصولات خود را به طور مستقیم به تولیدکننده های قطعات می فروشند. هم تولیدکننده های رزین و هم شرکت های فرموله کننده، اثر قابل توجهی بر روی قابلیت اتصال محصول نهایی دارند. پلاستیک ها چندین مزیت مهم در مقایسه با سایر مواد سنتی دارند. یکی از این مزیت ها، فرایند اتصال دهی آنهاست. بزرگترین مزیت این مواد هزینه های فرآوری پایین آنهاست. وزن پایین همچنین مزیت دیگر این محصولات است. دانسیته های نسبی بیشتر مواد پلاستیکی بدون پرکننده، در گستره ی 0.9 تا 1.4 است (در مقایسه با آلومینیوم که دانسیته ی 2.7 و فولاد که 7.8 دارند). دانسیته های نسبی مربوط به ترکیبات همراه با پرکننده، می تواند تا 3.5 افزایش یابد.
سایر مزیت های مواد پلاستیکی، مقاومت به سایش پایین، مقاومت به خوردگی خوب، خواص عایق کاری و سهولت تولید آنها در اشکال مختلف می باشد. مقاومت شیمیایی پلاستیک ها، به نوع پلاستیک وابسته است. برخی از پلاستیک ها، دارای مقاومت شیمیایی قابل مقایسه با فلزات می باشند در حالی که برخی دیگر بوسیله ی اسیدها و سایر عوامل خورنده، مورد حمله قرار می گیرند. پلاستیک های خاص همچنین در دماهای نسبتا بالا، بوسیله ی رطوبت مورد حمله قرار می گیرند. طبیعت این حمله ها، عموماً بوسیله ی تورم زیرلایه شروع و با انحلال ماده ی پلیمری، به پایان می رسد. برخی از پلاستیک ها شفاف هستند در حالی که برخی دیگر، ترانسلوسنت هستند. این پلاستیک ها می توانند تابش UV را از خود عبور دهند به نحوی که چسب یا اتصال تحت تأثیر UV است. مقاومت به تخریب می تواند همچنین با افزودن مواد جاذب UV مانند کربن بلک، بهبود یابد. تمام پلاستیک ها می توانند با افزودن مواد پیگمنت، رنگی شوند. این مسئله عموماً موجب از بین رفتن نیاز به رنگ آمیزی می شود.
محدودیت اصلی پلاستیک ها این است که در مقایسه با فلزها، این مواد دارای سفتی و استحکام پایینی هستند و برای استفاده در دماهای بالا مناسب نیستند. برخی از پلاستیک ها، در دماهای بالاتر از 120 فارنهایت، قابلیت استفاده ندارند. سایر پلاستیک ها، قادر به مقاومت در برابر دماهایی تا 600 فارنهایت را دارند. سختی سطحی پلاستیک ها عموماً پایین است. این مسئله می تواند منجر به ایجاد خراش و سوراخ سطحی تحت تنش های محلی می شود. مدول الاستیک مربوط به مواد پلاستیکی در مقایسه با فلزات پایین است. آنها می توانند ازدیاد طول قابل توجهی داشته باشند و میزان این ازدیاد طول در مقایسه با سایر فلزات بسیار زیاد است. ضریب انبساط حرارتی پلاستیک ها عموماً یک واحد بزرگتر از فلزات است. این مسئله منجر به ایجاد تنش های داخلی در زمان اتصال دهی یک زیرلایه ی با ضریب انبساط بالا به یک زیرلایه ی با ضریب انبساط پایین است.

روش های اتصال دهی پلاستیک ها

اتصال دهی پلاستیک ها با استفاده از چسب ها، عموماً مشکلاتی ایجاد می کند. علت این مسئله انرژی سطح پایین، قابلیت ترشوندگی ضعیف و وجود لایه های مرزی تضعیف شده در این مواد می باشد. اتصال دهی با چسب ها، فرایند آهسته ای است که می تواند گلوگاه های کاری را در بسیاری از صنایع ایجاد کند. در واقع سرعت فرایند مونتاژ بواسطه ی این سرعت آهسته، تحت تأثیر قرار می گیرد. به هر حال، در مورد زیرلایه های پلاستیکی، طراحان دارای انتخاب گسترده ای در زمینه ی روش های اتصال دهی هستند. پلاستیک های ترموست عموماً باید با استفاده از چسب و یا با استفاده از بست های مکانیکی، به هم متصل شوند اما بسیاری از ترموپلاست ها می توانند با استفاده از روش جوشکاری و یا استفاده از حلال، چسب و یا اتصال مکانیکی به هم متصل شوند.
در فرایندهای جوشکاری گرمایی و جوشکاری با حلال، رزین پلاستیکی که تشکیل دهنده ی زیرلایه هستند، به خودی خود به عنوان چسب، عمل می کند. این فرایندها، نیازمند این هستند که ناحیه ی سطحی زیرلایه به صورت سیال شود به نحوی که بتوانند در هم نفوذ کنند. این ناحیه ی سطح مشترک سیال عموماً با استفاده از حرارت دهی گرمایی و یا حل کردن سطحی با استفاده از حلال مناسب، ایجاد می شود. وقتی سطح زیرلایه ها در شرایط سیال قرار دارد، به هم نزدیک می شوند و با فشاری مناسب بر روی هم قرار می گیرند. در این مکان، مولکول های زیرلایه ی A و زیرلایه ی B در هم نفوذ خواهند کرد و تشکیل اتصال قوی می دهند. مخلوط پلیمری سیال سپس به حالت جامد بر می گردد و توده ای جامد را تشکیل می دهد.
جوشکاری گرمایی می تواند همچنین برای اتصال دهی یک زیرلایه ی پلیمری به زیرلایه ی پلیمری دیگر که پلیمری نیست، استفاده شود. در این موارد، سطح پلیمر مذاب موجب تر شدن سایر زیرلایه ها شود و به عنوان یک چسب حرارتی، مورد استفاده قرار گیرد. تنش های داخلی که در هنگام سرد شدن سطح مشترک مذاب ایجاد می شود. بزرگترین عامل تعیین کننده در روش اتصال دهی می باشد. جوشکاری حلالی نیز در زمانی مناسب است که زیرلایه ی غیر پلیمری، حالت متخلخل دارد. اگر زیرلایه تخلخل نداشت، حلال ممکن بود در داخل سطح مشترک به دام افتد و موجب تضعیف اتصال شود.
جدول 3 نشاندهنده ی روش های اتصال دهی متداول تر برای مواد پلاستیکی مختلف است. توصیف این روش های اتصال دهی در جدول 4 به طور خلاصه آورده شده است. در ادامه نیز در مورد این روش ها، صحبت می کنیم. عموماً روش های اتصال دهی پلاستیک ها، می توانند به صورت زیر طبقه بندی شوند:
1. جوشکاری با حرارت مستقیم (ابزار حرارت دهی، گاز گرم، سیم مقاومتی، گرم کردن با فروسرخ، لیزر و اکستروژن)
2. حرارت دهی القایی (القایی، الکتروفیوژن، دی الکتریک)
3. حرارت دهی اصطکاکی (التراسونیک، لرزشی، چرخشی)
4. جوشکاری با حلال
5. اتصال دهی مکانیکی هزینه ی ادوات مورد نیاز برای هر روش، بسیار متغیر است. همچنین نیروی کار مورد نیاز و سرعت عملیات در هر مورد، فرق دارد. بیشتر روش ها دارای محدودیت هایی مربوط به طراحی اتصال و نوع ماده ی مورد استفاده می باشند.

جوشکاری حرارت مستقیم

این جوشکاری با اعمال حرارت مستقیم انجام می شود و روشی مناسب برای اتصال دهی بسیاری از مواد ترموپلاستی می باشد که در زمان حرارت دهی، تخریب نمی شوند. روش های اساسی برای جوشکاری مستقیم، عبارتند از:
• ابزار حرارت داده شده
• گاز گرم
• سیم مقاومتی
• لیزر
• فروسرخ
این روش ها عموماً قادر به اتصال دهی ترموپلاست ها به خودشان و همچنین سایر مواد ترموپلاست، می باشد. در برخی موارد، آنها همچنین برای اتصال دهی ترموپلاست ها به زیرلایه های غیر پلاستیکی نیز استفاده می شوند.
جوشکاری با ابزار حرارت داده شده
این نوع جوشکاری یک روش مناسب برای اتصال دهی بسیاری از مواد ترموپلاست می باشد. در این روش، سطوح با استفاده از نگهداشتن آنها در برابر یک سطح گرم، حرارت داده می شوند. وقتی سطح پلاستیک به خوبی ذوب شد، قطعات از ابزار جدا شده و به هم متصل می شوند. این اتصال دهی در فشاری نسبتاً پایین (5 -15 psi) انجام می شود. سپس اجازه داده می شود که قطعات سرد و سخت شوند. پلیمر مذاب در اینجا، نقش چسب را دارد و موجب ایجاد اتصال بین زیرلایه ها می شود.
این روش اغلب در عملیات های با حجم تولید بالا و در جاهایی استفاده می شود که اتصال دهی با چسب مقدور نباشد. این روش اغلب برای اتصال دهی مواد با انرژی سطحی پایین مانند پلی پروپیلن استفاده می شود. در این روش، هزینه و پیچیدگی عملیات های انجام شده بر روی زیرلایه پایین است و همچنین روش تمیزکاری ساده ای برای اتصال دهی، ضروری است. جوشکاری با ابزار حرارت داده شده، یک روش ساده و اقتصادی است که بوسیله ی آن اتصالی با استحکام بالا می تواند تولید شود. در این روش، لحیم کاری به صورت مناسب و با ایجاد خاصیت آب بندی می تواند انجام شود. جوشکاری با ابزار حرارت داده شده، موجب می شود تا مواد خارجی وارد اتصال نشود و قطعات اتصال یافته به خوبی قابلیت بازیافت داشته باشند.
موفقیت روش جوشکاری با ابزار حرارت داده شده، در اصل ایجاد دمای مناسب در سطح حرارت دهی شده و ایجاد زمان مناسب برای اتصال دهی خوب بین دو زیرلایه، می باشد. ابزار مورد استفاده نیز باید انرژی مناسبی برای ایجاد یک سطح مذاب را داشته باشد. قطعات بر روی سطح ابزار حرارت داده شده، فشار داده می شود تا عملیات ذوب به خوبی انجام شود. برای جلوگیری از بوجود آمدن کرنش، فشار اعمال شده بر روی قطعات باید برای یک دوره ی زمانی پیش از حذف اتصال، رهاسازی شود. در این حالت، زمان حرارت دهی و سرد شدن، در نظر گرفته شود. تنظیم بخش ها نیز باید پیش از سرد شدن مذاب پلاستیکی، انجام شود. ضخامت لایه ی مذاب نیز یک عامل تعیین کننده در استحکام جوشکاری است. ابعاد نیز معمولاً از طریق استفاده از بخش های خاصی بر روی بخش حرارت دهی و ثابت کردن، کنترل می شود. در صورتی که اتصال پهن تر از یک چهارم اینچ، باشد، قطعات حرارت داده شده باید در طی فرایند ثابت کردن بر روی هم لغزانیده شود تا بدین صورت از خروج هوا از دخل اتصال، اطمینان حاصل شود.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie