روش های اتصال دهی بدون چسب (3)

جوشکاری با سیم مقاومتی
این روش جوشکاری از یک المان حرارت دهی سیمی استفاده می کند که به صورت الکتریکی گرم می شود. این المان در بین زیرلایه های ثابت حرکت کرده و موجب تولید حرارت مورد نیاز برای ذوب شدن، می شود. وقتی المان گرم می شود، پلاستیک اطراف را ذوب کرده و دو سطح زیرلایه به هم جوش می خورند. المان های حرارت دهی، می توانند از هر چیز رسانایی تولید شوند و می توانند از طریق حرارت دهی ژول، گرم شوند. این سیستم ها می توانند حاوی سیم نیکروم، الیاف کربنی، الیاف گرافیتی بافته شده و فویل های فولادی باشند. بعد از اتصال دهی، المان مقاومتی که وارد اتصال شدهش است، بریده می شود. مواد کاشتنی باید با کاربردهای مربوطه، تطابق داشته باشد زیرا این مواد در خط اتصال باقی می مانند (شکل 1). مشابه با جوشکاری صفحات گرم، جوشکاری مقاومتی نیز سه مرحله دارد: حرارت دهی، فشرده سازی و نگهداشتن فشار تماسی تا زمانی که اتصال به درستی تشکیل شود. کل سیکل 30 ثانیه تا چند دقیقه طول می کشد. جوشکاری مقاومتی می تواند به صورت دستی و یا اتوماتیک انجام شود. پارامترهای فرایندی شامل برق (ولتاژ و جریان)، فشار جوشکاری، دمای پیک، زمان توقف در دما و زمان سرد شدن، می باشد.
با استفاده از جوشکاری سیم مقاومتی، آماده سازی سطحی تنها زمانی ضروری است که یک زیرلایه نمی تواند ذوب شود (مثلا در مورد ترموست ها و فلزات). فرایندهای آماده سازی سطحی استاندارد و متداول برای این زیرلایه ها می توان استفاده کرد.
فرایند حرارت دهی مقاومتی می تواند در دما و یا ولتاژ و جریان ثابت انجام شود. وقتی از جریان و ولتاژ ثابت استفاده می شود، یک ولتاژ و جریات ثابت اعمال می شود و در یک دوره ی زمانی معین، نگه داشته می شود. دماهای واقعی کنترل نمی شود و پیش بینی آن نیز سخت است. در جوشکاری با سیم مقاومتی دما ثابت، سنسورهای دمایی، دمای جوش را ارزیابی کرده و به صورت اتوماتیک جریان و ولتاژ را تنظیم می کنند. بدین وسیله، دما در یک دمای مشخص، حفظ می شود. کنترل واقعی نرخ حرارت دهی و سرمایش، در زمانی مهم است که جوشکاری بر روی پلاستیک های خاص انجام می شود. البته زیرلایه های حساس به حرارت نیز از طریق این روش، قابلیت جوشکاری دارند. این کنترل حرارت دهی و سرمایش، می تواند برای مینیمم کردن تنش های داخلی در اتصال، استفاده شود.
جوشکاری با سیم مقاومتی، می تواند برای جوشکاری زیرلایه های نامتجانس، مانند ترموپلاست ها، کامپوزیت های ترموپلاست، ترموست ها و فلزات مورد استفاده قرار گیرد. وقتی یک زیرلایه نمی تواند ذوب شود مانند زمانی که دو نوار آلومینیومی را می خواهیم به هم متصل کنیم، فیلم ترموپلاست با یک المان حرارت دهی قرار داده شده در داخل گرم می شود. یک نوع مشابه از این فرایند می تواند برای عمل آوری چسب های ترموپلاست و زمانی استفاده شود که حرارت ایجاد شده بوسیله ی سیم مقاومتی، برای افزایش توان عمل آوری، استفاده می شود.
قطعات جوشکاری شده ی بزرگ که با این روش جوشکاری شده اند، باید بر اساس ملاحظات توان جوشکاری شوند. جوشکاری مقاومتی برای تولید اتصال های پیچیده ی اتومبیل مانند ضربه گیرها و پانل های وسایل نقلیه، اتصال های لوله های پلاستیکی و وسایل پزشکی، استفاده می شود. این نوع از جوشکاری، به سطوح مسطح محدود نمی باشد. اگر دسترسی به المان های حرارتی مقدور باشد، تعمیر اتصال های ایجاد شده، ممکن می باشد. همچنین امکان جداسازی مجدد اتصال ایجاد شده نیز مقدور می باشد.
جوشکاری لیزری
جوشکاری لیزری قطعات پلاستیکی بیش از 30 سال پیش ابداع شده است. به هرحال، تنها اخیراً این تکنولوژی به عنوان یک روش کاربردی مورد استفاده قرار گرفت. جوشکاری لیزری موجب تولید باریکه های کوچکی از فوتون و الکترون می شود. این باریکه ها، بر روی قطعه ی کاری متمرکز می شود. دانسیته ی توان از چند هزار وات بر میلیمتر مربع تا چند هزار متغیر است اما عموماً لیزرهای با توان پایین برای این کار استفاده می شود.
جوشکاری لیزری دارای سرعت بالایی است و یک فرایند غیر تماسی برای جوشکاری ترموپلاست ها محسوب می شود. این انتظار وجود دارد که این روش، کاربردهایی را در بسته بندی و تولید محصولات پزشکی پیدا کند. تابش گرمایی که بوسیله ی نمونه ی کاری جذب می شود، موجب ایجاد اتصال جوش می شود. لیزرهای حالت جامد دی اکسید کربن و Nd:YAG متداول ترین نوع لیزرهای مورد استفاده برای جوشکاری می باشد. لیزر در حالت عمل می کند که شدت و تمرکز باریکه ی لیزری به سرعت موجب ذوب شدن ماده ی ترموپلاست شود. به هر حال، این لیزرها برای جوشکاری پلی اتیلن مورد استفاده قرار می گیرد. این کار با فشردن قطعات جوشکاری نشده به همدیگر و برداشته شدن باریکه ی لیزر از ناحیه ی اتصال، انجام می شود. جوشکاری سریع با سرعت بالای فیلم های پلی اتیلنی می تواند تا سرعت 164 فوت بر دقیقه انجام شود. این کار با استفاده از لیزرهای دی اکسید کربن و Nd:YAG انجام می شود. استحکام جوشکاری به استحکام خود زیرلایه نزدیک می باشد.
پارامترهای فرایندی که در جوشکاری لیزر مورد استفاده قرار می گیرند، عبارتند از میزان توان اعمالی لیزر، نرخ جریان گاز محافظتی، فاصله ی باریکه ی لیزری از نقطه ی تمرکز نسبت به سطح و فشار جوشکاری. طراحی اتصال های لب به لب و لبه روی لبه از جمله متداول ترین طراحی ها در جوشکاری با این روش می باشد.
لیزرها در اصل برای جوشکاری پلی اتیلن و پلی پروپیلن مورد استفاده قرار گرفته اند. معمولاً جوشکاری لیزری تنها بر روی فیلم ها و اجزای خیلی نازک، اعمال می شوند. باریکه های با انرژی 50 وات بر میلی متر مربع برای انجام این کار مناسب می باشند. هدف اصلی در جوشکاری لیزری، رسیدن به دمای ذوبی است که قطعات بتوانند به سرعت به هم متصل شوند. برای جلوگیری از تخریب ماده، اندازه گیری دقیق دمای سطح جوش و کنترل دما، با تغییر توان لیزر، قابل انجام می باشد.
لیزرها در اصل برای اتصال دهی اجزایی استفاده می شوند که نمی توانند در برابر فشار و ابزارهای حرارت داده شده، مقاومت کنند. کاربردهای این نوع جوشکاری در پزشکی، اتومبیل و صنعت شیمیایی می باشد. مهم ترین فرصت برای این فرایند، اتصال دهی فیلم های نازک با سرعت بالا باشد.
جوشکاری لیزری همچنین برای جوش دادن فیلامنت های مورد استفاده در تقویت کامپوزیت ها، نیز استفاده می شوند. یک باریکه ی لیزری بر روی سطحی اعمال می شود و عمل اتصال سپس انجام می شود. با استفاده از کنترل مناسب بر روی سرعت، فشار و دمای لیزر، ساختار تقویت شده ای با شکل نسبتاً پیچیده تشکیل می شود.
جوشکاری لیزری نیازمند سرمایه گذاری قابل توجهی در زمینه ی ادوات می باشد و نیازمند یک سیستم تهویه برای حذف گازهای آلاینده می باشد. این مواد آلاینده، به دلیل تخریب پلیمر، تولید می شوند. البته دقت باید کرد تا از برخورد چشم با گازهای آلاینده، جلوگیری به عمل آید.
جوشکاری فروسرخ
جوشکاری فروسرخ یک روش غیر تماسی محسوب می شود. در این روش، پرتوی فروسرخ به طور خاص موجب ذوب شدن پلیمر می شود. در حقیقت به دلیل اینکه قطعه و بخش گرمایشی تماس ندارند، می توان پلیمر را به میزان قابل توجهی ذوب کرد. ناحیه ی مذاب پلیمری نیز به حدی محدود است که تنها اتصالی خوب فراهم آید.
جوشکاری فروسرخ حداقل 30 % سریع تر از روش جوشکاری با ابزار گرم است. قابلیت تولید بالا و کیفیت اتصال از ویژگی های این روش اتصال دهی می باشد. جوشکاری فروسرخ می تواند به سهولت اتوماتیک انجام شود و این روش در واقع یک روش پیوسته محسوب می شود. اغلب ادوات جوشکاری حرارتی می توانند اصلاح شوند و به المان های فروسرخ مجهز شوند.
تابش فروسرخ می تواند از طریق لامپ های کوارتز با شدت بالا ایجاد شود. این لامپ ها بعد از ذوب شدن پلیمر، حذف شده و قطعات به همدیگر فشرده می شوند. عمر ناحیه ی مذاب در این حالت، به فاکتورهای متعددی از جمله تغییرات اندک در فرمولاسیون پلیمری، حساس می باشد. برای مثال، مواد رنگی و پیگمنت ها، موجب تغییر در خواص جذب فروسرخ مواد پلیمری می شوند و بر روی کیفیت فرایند جوشکاری مؤثرند. عموماً پلیمرهای تیره تر، انرژی فروسرخ کمتری را از خود عبور می دهند و تخریب سطحی آن ها به دلیل اعمال حرارت بیش از حد، محتمل ترست.
حرارت دهی غیر مستقیم
بسیاری از قطعات پلاستیکی ممکن است با حرارت غیر مستقیم به هم اتصال یابند. با این روش، مواد با استفاده از منابع انرژی غیر مستقیم، حرارت داده می شوند. حرارت در خود پلیمر و یا در سطح آن القا می شود. روش های غیر مستقیم حرارت دهی شامل روش های جوشکاری القایی و دی الکتریک می باشد. برای جوشکاری القایی، منبع یک میدان الکترومغناطیس است و برای جوشکاری دی الکتریک، منبع یک میدان الکتریکی با فرکانس بالاست.
اتصال دهی با روش حرارت غیر مستقیم برای بیشتر ترموپلاست ها قابل استفاده می باشد. به هر حال، این روش اغلب برای ترموپلاست های مهندسی شده ی جدیدتر استفاده می شود. ترموپلاست های مهندسی عموماً دارای مقاومت شیمیایی و حرارتی بالاتری نسبت به پلاستیک های متداول است. در بسیاری از کاربردها، این مواد تقویت می شوند و ویژگی های ساختاری آناه بهبود می یابد. این مواد عموماً سخت تر هستند و نسبت استحکام به وزن آنها استثنایی است. به هر حال، بسیاری از این پلاستیک ها، برای اتصال دهی با حرارت مستیم مناسب نیستند. روش های حرارت دهی غیر مستقیم و روش حرارت دهی اصطکاکی، ممکن است برای ایجاد اتصال های با کیفیت بالا در محصولات پلاستیکی، مورد استفاده قرار گیرد.
جوشکاری القایی
جوشکاری القایی، مشابه جوشکاری سیم مقامتی است. یک امپلنت حرارت داده می شود و پلیمر اطراف آن، ذوب می شود. به جای حرارت دهی مقاومتی امپلنت، یک جوشکاری القایی امپلنت با استفاده از میدان الکترومغناطیسی، انجام می شود.
میدان القای الکترومغناطیسی می تواند برای حرارت دهی یک شبکه ی فلزی مورد استفاده قرار گیرد که در بین زیرلایه های ترموپلاست ثابت، استفاده می شوند. انرژی از میدان الکترومغناطیسی و بواسطه ی جریان های ادی در مواد رسانا، ایجاد می شوند. در این حالت مقاومت ماده موجب تولید حرارت می شود. وقتی اتصال در بین کوئل های القایی قرار گیرند، حرارت ایجاد شده موجب ذوب شدن و نفوذ پلاستیک در هم می شود. فشار اندکی در میزان القایی بر روی زیرلایه ها اعمال می شود تا بدین صورت، زیرلایه ها به هم متصل شوند. مزیت اصلی جوشکاری القایی این است که حرارت دهی تنها در جایی ایجاد می شود که قطعه ی فلزی وجود دارد. زیرلایه ی بالک در این حالت در دمای محیط قرار می گیرد و از تخریب پلیمر، جلوگیری می شود.
اشکال متداول تر القاگرهایی که برای جوشکاری استفاده می شود نیز توسعه یافته اند که در آنها از یک عامل اتصال دهی شامل رزین ترموپلاست به همراه ذرات فلزی و یا فرومغناطیس، استفاده می شود. این عوامل اتصال دهی در میدان القایی ذوب شده و موجب تشکیل اتصال می شوند. مزیت این روش، این است که تنش های ایجاد شده بوسیله ی قطعه ی فلزی، کاهش می یابد.
برای مثال، در زمان اتصال دهی پلی اتیلن، عامل اتصال دهی، رزین پلی اتیلن است که حاوی 0.5 تا 0.6 % حجمی اکسید آهن می باشد. چسب های الکترومغناطیس نیز می تواند از بسیاری از رزین های ترموپلاست حاوی پرکننده، تولید شود. این چسب ها، عموماً به صورت واشر و یا فیلم تهیه می شوند و در هنگام قرار گیری در داخل میدان القایی، ذوب می شوند. جوشکاری القایی یک نازل پلاستیکی به یک لوله ی پلاستیکی بوسیله ی یک واشر چسبی، در شکل 2 نشان داده شده است. 4 جزءاصلی از فرایند جوشکاری الکترومغناطیسی، به صورت زیر می باشد:
• یک ژنراتور القایی که می تواند برق الکتریکی 60 Hz را به فرکانس خروجی 3- 40 MHz تبدیل کند. توان خروجی این قطعه، یک تا 5 کیلووات است.
• کویل حرارتی القایی شامل لوله ی مسی آب گرد است که معمولاً به صورت حلقه ای شکل تولید می شود.
• اتصالات مورد استفاده برای نگهداری قطعات در مکان مورد نظر
• مواد اتصال دهنده که در شکل اکسترودی یا قالب گیری شده موجود می باشند. این مواد به عنوان بخشی از قطعه ی جوشکاری شده، محسوب می شوند.
کویل حرارت دهی القایی تا حد ممکنه در نزدیکی اتصال قرار می گیرد. برای طراحی های پیچیده، کویل ها می توانند با توجه به هندسه ی شکل ایجاد شوند. سیستم های جوشکاری الکترومغناطیسی می توانند برای عملیات های نیمه اتوماتیک و اتوماتیک، طراحی شوند. با استفاده از ادوات اتوماتیک، یک نرخ آب بندی تا 150 قطعه بر دقیقه نیز قابل حصول می باشد. هزینه ی ادوات مربوطه نیز به میزان اتوماتیک بودن، وابسته می باشد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie