مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون

جوشکاری اولتراسونیک

این روش همچنین یک فرایند اصطکاکی است که می تواند برای بسیاری از قطعات ترموپلاست، مورد استفاده قرار گیرد. حرارت ناشی شده از اصطکاک در این شکل از جوشکاری، بوسیله ی نوسان خطی با فرکانس بالا، ایجاد می شود.
بخش های اساسی یک وسیله ی جوشکاری اولتراسونیک، در شکل 1 قابل مشاهده می باشند. در طی جوشکاری با این روش، یک میدان الکترودینامیکی فرکانس بالا ایجاد می شود که موجب نوسان یک قطعه ی فلزی می شود. این قطعه با یکی از زیرلایه ها در ارتباط است. این قطعه موجب می شود تا زیرلایه ی ثابت به میزان مناسبی گرم شود. با اعمال فشار و سرد شدن متعاقب، یک اتصال قوی می تواند بدست آید. مراحل فرایند جوشکاری التراسونیک در شکل 2 نشان داده شده است.

فرکانس ایجاد شده در این وسیله، در حدود 20 kHz می باشد. این فرکانس موجب می شود تا نوساناتی با انرژی کافی برای ذوب کردن ترموپلاستیک ها، پدید آید. به هر حال، این انرژی می تواند نوسانات مکانیکی قابل توجهی ایجاد کند که کنترل آن مشکل است. فرکانس بالا که در واقع موجب نوسانات کمتری است نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد. از این نوسانات با انرژی کمتر، برای جوشکاری ترموپلاست ها، استفاده می شود. فرکانس های بالاتر همچنین برای قطعات کوچکتر و قطعاتی مناسب تر است که تخریب در آنها دیرتر رخ می دهد.
جوشکاری التراسونیک، تمیز، سریع و معمولاً موجب ایجاد استحکام هایی بالا در اتصال می شود. ادوات مورد استفاده می تواند به سهولت با سیستم التراسونیک، تطابق یابند و بدین صورت سیستم بهبود می یابد. جوشکاری التراسونیک می تواند همچنین برای آب بندی اجزا مورد استفاده قرار گیرد. این روش موجب می شود تا کل بخش به صورت پیوسته، اتصال یابد و نیازی به جوش نقطه ای نیست.
پلاستیک های صلب با مدول بالا نیز بهترین پلاستیک ها برای جوش دادن با روش التراسونیک می باشند. پلاستیک های صلب به سهولت انرژی التراسونیک را انتقال می دهند، در حالی که پلاستیک های نرم تر انرژی را پیش از رسیدن به مکان های مورد نظر، جذب می کنند. جوش استثنایی عموماً با استفاده از پلی استایرن، SAN، ABS، پلی کربنات و پلاستیک های اکریلیکی، قابل حصول می باشد. PVC و سلولز نیز بر اثر انرژی تضعیف می شوند و تمایل به تخریب سطحی دارند. شکل 3 تصویری از یک قطعه است که با روش الکتراسونیک قابلیت جوشکاری دارد. پلاستیک های غیر مشابه نیز با این روش می توانند اتصال یابند اگر آنها دمای ذوب مشابهی داشته باشند و از لحاظ شیمیایی، بر هم منطبق باشند. نمودار پلاستیک های منطبق در جدول 1 آورده شده است. موادی همچون پلی کربنات و نایلون، باید پیش از جوشکاری خشک باشند، وگر نه، میزان بالا رطوبت داخلی آنها می تواند موجب تداخل در اتصال دهی شود.

طراحی اتصال های التراسونیک متداول در شکل 4 قابل مشاهده می باشند. مناسب ترین طراحی حالت لب به لب می باشد. این طراحی برای بیشتر پلاستیک های آمورف، مناسب است. طراحی گوه ای نیز موجب تمرکز انرژی نوسانی در لبه ی بخش پلاستیکی می شود. یک مذاب یکنواخت سپس از حجمی از ماده تشکیل می شود. این مسئله موجب می شود تا ماده در اتصال مصرف شود. بدون استفاده از این بخش ها، یک اتصال لب به لب موجب بوجود آمدن شکاف در سطح مشترک می شد و این مسئله موجب بروز تنش ها و افت استحکام می شد.اتصال های برشی و روسری مانند برای مواد پلیمری کریستالی استفاده می شود. این اتصال ها معمولاً بوسیله ی طراحی سطح مشترک، ایجاد می شوند.

جوشکاری التراسونیک می تواند همچنین برای چسباندن پلاستیک بر روی زیرلایه های دیگر نیز استفاده شود مثلا برای چسباندن پلاستیک بر روی قطعات فلزی و اتصال دهی دو جزء پلاستیکی. شکل 5 نشاندهنده ی بخش جوشکاری التراسونیک نقطه ای می باشد. در جوش کاری نقطه ای التراسونیک، سری شاخک از میان صفحه ای که باید جوش داده شود، عبور می کند. پلاستیک مذاب در اطراف این بخش تشکیل می شود و این بخش بوسیله ی شاخک، شکل دهی می شود. انرژی همچنین در سطح مشترک دو صفحه موجب تولید حرارت اصطکاکی می کند. وقتی نوک به عمق زیرلایه نفوذ می کند، جریان پلاستیک مذاب بین صفحات جایگزین شده و تشکیل یک باند دائم می دهد.

حرارت دهی الکتراسونیک همچنین می تواند برای چسب های حرارتی و ترموپلاست نیز مورد استفاده قرار گیرد. در این موارد، انرژی سایشی بوسیله ی زیرلایه های در تماس با فیلم چسبناک ایجاد می شود. این لایه در بین دو زیرلایه قرار دارد. انرژی سایشی به اندازه ی بزرگ است که می تواند چسب را ذوب کرده و عمل اوری کند.

جوشکاری نوسانی

جوشکاری نوسانی مشابه جوشکاری التراسونیک است و در آن، از حرارت ایجاد شده در سطح دو قطعه استفاده می شود. این حرارت که منشأ اصطکاکی دارد، موجب ذوب شدن سطح مشترک اتصال می شود. جوشکاری نوسانی نسبت به جوشکاری التراسونیک متفاوت است، به هر حال، تفاوت آن، فرکانس پایین تر نوسانات می باشد. این نوسانات در گستره ی 120 تا 240 هرتز هستند و نسبت به التراسونیک، بسیار پایین ترند. با فرکانس های پایین تر، بیشتر قطعات بزرگ می توانند به خوبی اتصال داده شوند، زیرا تکیه ی کمتری به توان برق خروجی، انجام شده است. شکل 6 نشاندهنده ی اتصال و آب بندی یک تانک پلاستیکی دو تکه می باشد که با استفاده از جوشکاری نوسانی، به هم متصل شده است.

دو نوع جوشکاری نوسانی وجود دارد، یکی خطی و دیگری محوری. جوشکاری خطی، روش متداول تر می باشد. اصطکاک در این حالت به صورت خطی ایجاد می شود و حرکت ها، رفت و برگشتی است. جوشکاری محوری اجازه ی اتصال دهی قطعات پلاستیکی با شکل نامنظم را مقدور می سازد. در روش محوری، یک جزء به صورت ثابت می باشد و جزء دیگر با استفاده از حرکت اربیتالی، نوسان می کند.
جوشکاری نوسانی موجب می شود تا یک طیف گسترده از فرایندهای اتصال ترموپلاست ها، انجام شود. این فرایندها شامل تولید قطعات بزرگ و اشکال بی نظم می باشد. جوشکاری نوسانی به طور موفقیت آمیز بر روی قطعات ترموپلاست مانند محفظه ها، قطعات لوله ای شکل و سایر اشکال انجام شده اند.
جوشکاری نوسانی همچنین قابلیت تولید اتصال های مستحکم را ایجاد می کند. این اتصال ها، دارای نرخ اتصال سریع می باشند. مزیت اصلی آنها قابلیت استفاده برای قطعات بزرگ می باشد.
معمولاً تولیدکننده های ادوات جوشکاری التراسونیک، ادوات جوشکاری نوسانی را نیز به فروش می رسانند. ادوات جوشکاری نوسانی می تواند هم به صورت برقی و هم به صورت هیدرولیک کار کنند. هزینه ی سرمایه گذاری این ادوات عموماً بیشتر از جوشکاری نوسانی است.
پارامترهای فرایندی اصلی برای کنترل جوشکاری نوسانی، عبارتند از دامنه و فرکانس حرکت، فشار جوشکاری و زمان جوشکاری. بیشتر ماشین های جوشکاری نوسانی صنعتی، در فرکانس هایی بین 120 تا 240 هرتز کار می کنند. دامنه ی نوسان معمولاٌ کمتر از 0.2 اینچ است. دامنه ی جوشکاری پایین تر با فرکانس های بالاتر استفاده می شود و در زمانی از این حالت استفاده می شود که قطعات جوشکاری شده در داخل حفرات با اندازه محدود، قرار داشته باشند. دامنه ی کوچکتر برای ترموپلاست های دما بالا، استفاده می شود. فشار اتصال در گستره ی 200 تا 250 psi است، اگر چه در زمان هایی فشارهای بالاتر نیز مورد نیاز می باشد. ادوات جوشکاری نوسانی به گونه ای طراحی شده اند که فشار می تواند در طی سیکل جوشکاری، تغییر کند و بدین صورت، کیفیت مربوط به جوش افزایش یابد و همچنین زمان سیکل، کاهش یابد. این مسئله موجب می شود تا پلیمر ذوب شده در ناحیه ی اتصال باقی بمانند و موجب ایجاد یک ناحیه ی جوش وسیع تر شود.
زمان نوسان به دمای ذوب رزین وابسته می باشد و در گستره ی 1 تا 10 ثانیه است. زمان های مربوط به انجماد معمولاً کمتر از چند ثانیه است. زمان کل سیکل به طور نمونه وار در گستره ی 3 تا 15 ثانیه است. این زمان اندکی طولانی تر از زمان مربوط به سیکل مربوط به جوشکاری چرخشی و التراسونیک است اما کوتاه تر از سیکل زمانی مربوط به جوشکاری صفحه ای و حلالی است.
یک تعداد از فاکتورها باید در زمانی در نظر گرفته شود که جوشکاری نوسانی بر روی قطعات بزرگ، انجام می شود. تمیز بودن قطعه ها باید به خوبی رعایت شود. اتصالات مربوط به دستگاه باید از کل سطح اتصال حمایت کند و قطعات نباید در طی جوشکاری، اعوجاج پیدا کنند. جوشکاری نوسانی برای انواع مختلفی از قطعات ترموپلاست، قابلیت استفاده دارد. اتصال های پایه در حقیقت از نوع لب به لب است اما در صورتی که نمونه دارای دیواره های ضخیمی باشد، یک فلنچ قوی عموماً برای ایجاد صلبیت مناسب ضروری است. طراحی نمونه وار اتصال های مورد استفاده برای جوش کاری نوسانی در شکل 7 آورده شده است.

جوشکاری نوسانی یک روش ایده آل برای قطعاتی است که از ترموپلاست های مهندس (استال، نایلون، پلی اتیلن، یونومر، و رزین اکریلیک) ساخته شده اند. تقریباً هر ماده ی ترموپلاستی می تواند با استفاده از روش نوسانی، جوش داده شود. برخلاف سایر روش های جوشکاری، جوشکاری نوسانی برای مواد آمورف و کریستالی و مواد حاوی تقویت کننده و پرکننده نیز قابل استفاده می باشد. جوشکاری نوسانی می تواند همچنین برای فلئوروکربن ها و الاستومرهای پلیمری نیز مورد استفاده قرار گیرد. این مواد قابلیت جوشکاری با روش التراسونیک را ندارند. با بهینه سازی پارامترهای جوشکاری و بارگذاری الیاف شیشه، اتصال های مناسبی از نایلون 6 و نایلون 66 می تواند ایجاد شود.
هر جفت از مواد نامتجانس که می تواند با روش التراسونیک به هم متصل شوند، می توانند همچنین با روش نوسانی نیز به هم متصل شوند.
روش جوشکاری نوسانی چندین کاربرد در زمینه ی صنعت اتومبیل پیدا کرده است. این کاربردها، شامل محفظه ی کنترل انتشار گازهای آلاینده، پمپ سوخت و محفظه ی سوخت، سری و دنباله ی مربوط به بخش های چراغ، ولو هیتر، فیلترهای خروجی هوا، بخش پمپ آب و بخش ضربه گیر می باشد. این روش همچنین برای اتصال دهی محفظه های تحت فشار و باتری ها، پوسته ی موتور و تانک های گاز بوتان، استفاده می شود.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie