روش های اتصال دهی بدون چسب (4)

عوامل اتصال دهنده معمولاً برای کاربردهای خاص طراحی و تولید می شوند تا بدین صورت اطمینان حاصل شود که ماده به خوبی به اتصال می چسبد. به هر حال، فروشنده های ادوات جوشکاری القایی همچنین ترکیباتی برای اتصال دهی مواد غیر متشابه نیز به فروش می رسانند. عوامل اتصال دهی اغلب به صورت پروفیل هایی طراحی می شوند که تطابق کامل با اتصال را داراست. فیلرهای مورد استفاده در این عوامل، باید پودرهای الکترومغناطیسی میکرونیزه باشند. این پودرها می توانند از فلزاتی مانند فولاد ضد زنگ یا آهن ساخته شوند و یا از مواد فریتی سرامیکی تولید شوند.
نرخ اتصال دهی سریع عموماً با این روش قابل حصول است زیرا حرارت دهی تنها در سطح مشترک ایجاد می شود. حرارت ایجاد شده از منبع تنها به نقطه ی مورد نظر، اعمال می شود. اتصال های پلی اتیلنی می توانند به سرعت و در طی 3 ثانیه، به هم متصل شوند. بسته به مساحت ناحیه ی جوشکاری، بیشتری پلاستیک ها، می توانند با استفاده از جوشکاری الکترومغناطیسی و در سیکل های زمانی 3 تا 12 ثانیه، اتصال پیدا کنند.
پلاستیک هایی که به سهولت با جوشکاری القایی اتصال پیدا می کنند، عبارتند از: تمام گریدهای ABS، نایلون، پلی استر، پلی اتیلن، پلی پروپیلن و پلی استایرن. همچنین موادی همچون استال، پلی فنیلن اصلاح شده و پلی کربنات نیز که موادی با مشکل جوشکاری هستند نیز با این روش، قابلیت جوشکاری دارند. ترموپلاست های تقویت شده با میزان پرکننده ی 65 % نیز به صورت موفقیت آمیز با این روش، اتصال پیدا کرده اند. بسیاری از ترکیبات تشکیل شده از مواد غیر مشابه نیز می توانند با استفاده از فرایند جوشکاری القایی، اتصال پیدا کنند. زیرلایه های ترموست و سایر زیرلایه های غیر فلزی نیز می توانند به صورت الکترومغناطیسی، اتصال پیدا کنند. در این کاربردها، عامل اتصال دهی، به عنوان یک چسب گرمایی عمل می کنند (جدول 1). مزیت های مربوط به جوشکاری القایی شامل فاکتورهای زیر می باشد.
• تخریب، اعوجاج و نرم شدگی قطعه کاهش می یابد.
• میزان فشار مورد نیاز برای اتصال دهی، محدود است.
• آب بندی مناسبی با این روش ایجاد می شود.
• کنترل بر میزان توان خروجی، قابل اعمال می باشد.
• هیچ عملیات اولیه ای برای زیرلایه مورد نیاز نیست.
• عوامل اتصال دهی عمر ذخیره سازی نامحدودی دارند.
قابلیت تولید بخش های آب بندی، یکی از مزیت های اصلی در کاربردهای خاص مانند ادوات پزشکی، می باشد. بخش جوشکاری شده می تواند جداسازی شود. این کار با قرارگیری قطعه ی جوش داده شده در داخل یک میدان الکتریکی و یا ذوب اتصال، مقدور می باشد. چندین محدودیت بر روی اندازه و هندسه ی اتصال های مورد استفاده، وجود دارد. تنها ابزاری که مورد نیاز است، پیچه های القایی است که باید به گونه ای طراحی شود که یک میدان یکنواخت بر روی نمونه اعمال شود. توسعه های قابل توجهی در زمینه ی هندسه ی پیچه ها در طی سال ها، رخ داده است.
محدودیت اصلی اتصال دهی با روش الکترومغناطیسی، این است که بخش فلزی وارد شده در محصول نهایی، مشکلاتی ایجاد می کند و هزینه های عملیاتی را افزایش می دهد. هزینه ی مربوط به ادوات جوشکاری القایی نیز بالاست. جوش عموماً به سختی جوش های ایجاد شده با روش های دیگر، نیست.
جوشکاری القایی به طور فراوان برای اتصال دهی با سرعت بالای بسیاری از قطعات پلاستیکی، استفاده می شود. این روش برای پلاستیک هایی مناسب است که دارای دمای ذوب بالایی هستند، مانند پلاستیک های مهندسی مدرن. بنابراین، جوشکاری القایی، در بسیاری از کاربردهای خانگی، مورد استفاده قرار می گیرند. این روش به طور متداول در جوشکاری قطعات با شکل نامنظم، استفاده می شود.
روش های القای الکترومغناطیسی نیز به طور فراوان برای عمل آوری چسب های ترموست مانند اپوکسی ها، استفاده می شوند. این سیستم ها عموماً باید به گونه ای فرموله شوند که حداقل میزان حرارت در طی کار ایجاد شود و حرارت بیش از حد، موجب تخریب زیرلایه ها، نشود.

حرارت دهی دی الکتریکی

حرارت دهی دی الکتریکی می تواند برای اتصال دهی بسیاری از ترموپلاست ها استفاده شود، به جز آنهایی که نسبتاً شفاف هستند و نسبت به میدان های الکتریکی فرکانس بالا، حساس می باشند. این روش بیشتر برای آب بندی صفحات وینیلی مانند پرده ی اتومبیل، عایق های رطوبتی استخرها و تن پوش های ضد آب استفاده می شود. یک میدان الکتریکی متغیر به اتصال اعمال می شود که موجب جهت گیری سریع مولکول های قطبی می شود. به عنوان یک نتیجه، حرارت ایجاد شده در داخل پلیمر، بواسطه ی اصطکاک های پلیمری ایجاد می شود. حرارت موجب می شود تا پلیمر ذوب شود و فشار اعمال شده نیز باعث اتصال بین زیرلایه ها می شود. میدان سپس حذف شده و اتصال تا زمان خنک شدن، ثابت باقی می ماند. مشکل لصلی در استفاده از حرارت دهی دی الکتریک به عنوان یک روش اتصال دهی، محدود بودن حرارت دهی به سطح مشترک است. عموماً حرارت دهی در کل حجم پلیمری رخ می دهد که در معرض میدان الکتریکی است.
متغیرهای مربوط به عملیات های اتصال عبارتند از فرکانس میدان، اتلاف دی الکتریک پلاستیک و توان اعمال شده، فشار و زمان. مواد متناسب برای جوشکاری دی الکتریک، آنهایی هستند که دارای دو قطبی های قوی هستند. موادی که به طور متداول با استفاده از این روش، جوشکاری می شوند، عبارتند از پلی وینیل کلراید، پلی یوریتان، پلی آمید و پلی استرهای ترموپلاست. از آنجایی که شدت با افزایش فاصله از منبع، کاهش می یابد، این فرایند به صورت نرمال، در مورد فیلم های پلیمری نازک، استفاده می شود.
حرارت دهی دی الکتریک می تواند همچنین برای تولید حرارت مورد نیاز برای عمل اوری دو قطبی ها و چسب های ترموست، استفاده شود. این روش همچنین برای تبخیر سریع آب از چسب های حاوی آب، استفاده می شود. چسب های بر پایه ی آب، عموماً در صتعت مبلمان مورد استفاده قرار می گیرند. چسب سفید مانند امولسیون های پلی وینیل استات، می توانند در طی چند ثانیه و با اعمال حرارت از طریق دی الکتریک، خشک شوند.
در اصل دو شکل از جوشکاری های دی الکتریکی وجود دارد: جوشکاری فرکانس رادیویی و جوش کاری میکروویو. جوشکاری فرکانس رادیویی از فرکانس های رادیویی برای تولید حرارت در مواد قطبی، استفاده می کند. این مسئله موجب ذوب شدن ماده ی پلیمری و اتصال دو زیرلایه می شود. الکترودها معمولاً به گونه ای طراحی می شوند که حالت غلطکی داشته باشند. جوشکاری میکروویو از میدان های الکترومغناطیسی بزرگ (2 تا 20 گیگا هرتز) برای حرارت دهی مواد مستعد، استفاده می کند. حرارت تولید شده موجب ذوب شدن مواد ترموپلاست در سطح مشترک اتصال می شود و موجب تولید یک جوش پس از فرایند خنک شدن، می شود. حرارت تولید شده در جوشکاری میکروویو، از طریق جذب الکتریکی ایجاد می شود.
پلی آنیلین دوپ شده با اسیدهای مایع مانند HCl، به عنوان یک فعال ساز در جوشکاری میکروویو، استفاده می شود. این ماده موجب می شود تا گروه های قطبی در ماده ایجاد شود و یک میزان از رسانایی در ساختار مولکولی پدید آید. وقتی این مواد در معرض انرژی میکروویو قرار گیرند،این گروه های قطبی به صورت ترجیحی موجب تولید حرارت می شوند. این مواد دوپ شده، برای تولید واشرهایی استفاده می شوند که می توانند به عنوان چسب در جوشکاری دی الکتریک، مورد استفاده قرار گیرند.
جوشکاری دی الکتریکی به طور متداول برای فیلم های نازک آب بندی مانند فیلم های پلی وینیل کلرید و به منظور تولید کیسه های زباله و ... استفاده می شوند. این روش برای تولید آیتم های ساکن با حجم بالا مانند کاورهای خاص، استفاده می شود. به دلیل هزینه های ادوات و طبیعت این فرایند، صنایع خانگی استفاده کننده ی عمده ی جوش های دی الکتریک هستند.

جوشکاری اصطکاکی

در جوشکاری اصطکاکی، سطح مشترک به تنهایی حرارت داده می شود. این حرارت بوسیله ی سایش مکانیکی ایجاد می شود. این سایش بوسیله ی تماس و لغزش یک زیرلایه بر روی زیرلایه ی دیگر، ایجاد می شود. حرارت اصطکاکی ایجاد شده به اندازه ی کافی بالاست و می تواند ناحیه ی مذابی در سطح مشترک ایجاد کند. وقتی یک ناحیه ی مذاب ایجاد می شود، حرکت دیگر ادامه نمی یابد و قطعات به هم فشرده می شوند تا به خوبی در هم نفوذ کرده و موجب تشکیل یک اتصال مناسب شود. فرایندهای جوشکاری اصطکاکی متداول، عبارتند از:
• جوشکاری اصطکاکی چرخشی
• جوشکاری اصطکاکی التراسونیک
• جوشکاری اصطکاکی نوسانی

جوشکاری اصطکاکی چرخشی

این روش از حرارتی ناشی از اصطکاک برای ذوب کردن سطح مشترک، استفاده می کند. یک زیرلایه به سرعت می چرخند، در حالی که زیرلایه ی دیگر، ثابت می باشد و این دو زیرلایه بر روی هم قرار دارند. سطوح بواسطه ی حرارت اصطکاکی، ذوب می شوند بدون آنکه تخریب های ناشی از حرارت بیش از حد، ایجاد شود. فشار مناسب در طی فرایند اعمال می شود تا بدین صورت تراکم خوبی در سطح مشترک، ایجاد گردد. وقتی چرخش متوقف شود، موقعیت و فشار تا زمان گیرش جوش، حفظ می شود. سرعت چرخش و فشار اعمالی، به نوع ماده ی ترموپلاست مورد استفاده، وابسته می باشد.
جوش اصطکاکی چرخشی یک روش بدون پیچیدگی و قدیمی است. ادوات مورد نیاز می تواند به سادگی با استفاده از یک چرخ خراطی و یا یک دریل اصلاح شده، ساخته شود. جوش اصطکاکی چرخشی نیازمند هزینه ی سرمایه گذاری پایینی نسبت به سایر روش های جوشکاری می باشد. ادوات مورد نیاز ارزان قیمت و ساده هستند و این مسئله موجب کاهش هزینه های کل فرایند می شود. بسته به هندسه و اندازه ی قطعه، بخشی که قطعه ی جوش داده شده را نگه می دارد، ممکن است ساختاری پیچیده داشته باشد. نرخ تولید 300 قطعه بر دقیقه، برای اتصال دهی قطعات با شکل مدور و ساده، مقدور می باشد.
مزیت های اصلی جوشکاری اصطکاکی چرخشی، سادگی، کیفیت بالای جوش و گستره ی وسیع مواد با قابلیت جوشکاری با این روش می باشد. این روش بازده بالایی دارد. جوشکاری محکمی از طریق جوشکاری چرخشی قابل انجام می باشد. زمان جوشکاری واقعی برای بیشتر قطعات تنها چند ثانیه می باشد. با استفاده از این روش، آب بندی خوبی در قطعه ایجاد می شود. مواد خارجی نیز وارد بخش جوش نمی شود و از این رو، ملاحظات محیطی خاصی نیز نباید در نظر گرفته شود. محدودیت اصلی این فرایند این است که جوشکاری چرخشی در اصل بر روی قطعاتی قابل استفاده می باشند که حداقل، یکی از زیرلایه ها، مدور باشد.
وقتی یک قطعه را به برای جوش کاری چرخشی، بررسی می کنیم، چندین فاکتور وجود دارد که باید در نظر گرفته شود: نوع ماده و دمایی که در آن ماده به حالت چسبنده تبدیل می شود، قطر قطعات و نحوه ی شروع اتصال، از جمله فاکتورهای مهم می باشد. قطعاتی که به هم جوش داده می شوند، باید از لحاظ ساختاری استحکام مناسبی داشته باشند به نحوی که بتوانند در برابر فشار اعمالی، مقاومت کنند. ناحیه ی اتصال نیز باید مدور باشد. شکل 1 نشاندهنده ی اتصال های متداولی است که در جوشکاری چرخشی، مورد استفاده قرار می گیرند. از آنجایی که حرارتی که در سطح مشترک ایجاد می شود، به سرعت نسبی سطوح وابسته می باشد، لبه های خارجی اجزای مدور، دمای بیشتری دریافت می کنند که علت آن، قطر بزرگتر و سرعت سطحی بیشتر می باشد. این مسئله موجب ایجاد یک گرادیان دمایی می شود که ممکن است موجب پدید آمدن تنش های داخلی در اتصال شود. برای از بین بردن این اثر، اتصال با سطح توخالی و با دیواره ی نازک، ترجیح داده می شوند.
برای قطعات بزرگتر، نیاز به موتور بزرگتری است. این موتور باید بتواند گشتاور مورد نیاز برای چرخش را فراهم آورد. قطعات با قطر یک تا 15 اینچ را می توان با موتوری با توان یک چهارم تا 3 اسب بخار، جوشکاری کرد. خواص جوش می تواند بوسیله ی میزان دور بر دقیقه ی موتور و فشار اعمالی بر روی قطعه، تعیین شود. همچنین زمان اعمال چرخش و زمان سرد شدن و فشار اعمالی در حین سرد شدن، از جمله عوامل مؤثر بر جوش تشکیل شده، می باشد. در ماشین های جوشکاری چرخشی، سرعت می تواند در گستره ی 200 تا 14000 دور بر دقیقه باشد. زمان جوشکاری نیز در گستره ی ده ها ثانیه و یا چند دقیقه است. زمان سرد شدن نیز در گستره ی یک دوم ثانیه می باشد. زمان فرایندی به طور نمونه وار دو ثانیه است. فشار محوری اعمالی نیز در گستره ی 150 تا 1000 psi است. استفاده از یک نمونه ی آزمایشی، می تواند موجب تعیین حالت بهینه ی پارامترهای فرایندی برای یک ماده ی خاص، شود.
جدول 2 نشاندهنده ی دمایی است که در آن، اکثر ترمولاست ها، شروع به نرم شدن، می کنند. این داده ها، برای تمامل انواع جوشکاری های گرمایی مناسب می باشند. دمای چسبندگی می تواند به عنوان یک راهنما برای تعیین سرعت بر اساس دور بر دقیقه و یا مساحت بر دقیقه، استفاده شود. یک قطعه ی پلی اتیلنی یک اینچی، ممکن است با سرعت 1000 دور بر دقیقه بچرخد تا بدین صورت بتواند به دمای 280 فارنهایت، برسد. وقتی میزان پرکننده ی مورد استفاده در ماده ی پلاستیکی، افزایش می یابد، میزان سرعت باید افزایش یابد. اثر افزایش دما، مشابه اثر افزایش فشار می باشد. کاربردهای نمونه وار مربوط به این نوع از جوشکاری، در تولید فیلترهای سوخت، ولوهای بررسی، سیلندرهای ایروسل، تیوب ها و ظروف نگهداری می باشد. جوشکاری چرخشی همچنین یک روش متدوال برای اتصال دهی حجم بالای مانند اتصال دهی وسایل بسته بندی و اسباب بازی است. جوشکاری چرخشی می تواند همچنین برای اتصال دهی دکمه به قطعات پلاستیکی، استفاده شود.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie