جوشکاری التراسونیک یکی از سطح بالاترین و پیشرفته ترین روشهای اتصال فلزات به یکدیگر است. در این نوع جوشکاری بر خلاف روشهای دیگر، به جای استفاده از حرارت مستقیم و یا چسب و پیچ، از ارتعاشات فراصوتی جهت ایجاد گرمای مورد نیاز فرایند جوشکاری استفاده میشود. این فناوری به دلیل سرعت و دقت بالا، همچنین کیفیت و تمیزی زیاد در صنایع مهمی مانند خودرو، پزشکی، الکترونیک و بسیاری از صنایع دیگر کاربرد دارد.
جوشکاری اولتراسونیک در زمان کم، اتصالی بسیار محکم و ایمن ایجاد میکند. در ادامه این مقاله از شرکت پویا صنعت به طور کامل به این موضوع اشاره کردهایم.
جوشکاری التراسونیک چیست؟
جوشکاری التراسونیک (Ultrasonic Welding) یکی از روشهای اتصال پیشرفته مواد و قطعات است که در آن از ارتشاعات فرکانس بالای امواج فراصوت جهت ایجاد گرما و اتصال دو قطعه استفاده میشود. در این روش، انرژی مکانیکی با فرکانس بالا و دامنه کم، با اعمال فشار مناسب، باعث ذوب شدن سطح قطعات (پلاستیک ها و فلزات سبک) شده و موجب اتصالی پایدار، ایمن و محکم میشود.
در این روش بر خلاف جوشکاری های سنتی هیچ نوع جرقه، شعله، مصرف بالا یا استفاده از مواد مصرفی استفاده نمیشود. بنابراین از این روش در صنایع مختلف استفاده میشود که در ادامه این مطلب از مقالات پویا صنعت به طور کامل این صنایع را برایتان توضیح دادهایم.
تاریخچه جوشکاری التراسونیک
ریشه های این روش از جوشکاری به دهه 1940 و جنگ جهانی دوم بر میگردد. زمانی که دانشمندان آزمایش بدون تخریب و خسارت از امواج فراصوت استفاده میکردند.
اما این روش در صنعت جوشکاری، اولین بار توسط مهندس آمریکایی، S. E. Jones در دهه 1960 ابداع شد و ایشان مفهوم استفاده از امواج فراصوت برای اتصال پلاستیکها را مطرح کرد و اولین دستگاه جوش اولتراسونیک را اختراع کرد.
این روش برای صنایع بسیار کاربردی و محبوب یود و با پیشرفت علم، دستگاه هایی بسیار پیشرفته، سریع و دقیق ساخته شد.
اجزای اصلی جوشکاری التراسونیک
جوشکاری التراسونیک دارای چند بخش بسیار مهم و اصلی است که هر کدام نقش کلیدی در انجام فرایند جوشکاری بازی میکنند
ژنراتور (Ultrasonic Generator)
مغز سیستم است و وظیفه دارد برق AC معمولی را به فرکانس بالا (۲۰ تا ۷۰ کیلوهرتز) تبدیل کند.
مبدل (Transducer)
امواج الکتریکی تولید شده را به لرزش مکانیکی تبدیل میکند.
بوستر (Booster)
دامنه ارتعاشات را تقویت یا تضعیف کرده و همچنین بهعنوان نگهدارنده عمل میکند.
هورن یا سونوترود (Sonotrode / Horn)
مهمترین بخش عملیاتی است. ارتعاشات را مستقیم به قطعات منتقل کرده و باعث ذوب سطحی میشود.
فیکسچر (Fixture / Anvil)
قطعه زیرین روی آن قرار میگیرد تا فشار یکنواخت و مناسب ایجاد شود.
سیستم کنترل و فشار
تنظیمکننده نیرو، زمان، دامنه و توان است تا جوش دقیق، تکرارپذیر و استاندارد باشد.
6 مرحله جوشکاری التراسونیک
- آمادهسازی قطعات
- قرارگیری قطعات روی فیکسچر
- تولید امواج فراصوت
- انتقال ارتعاشات به قطعات
- ذوب شدن سطحی و اتصال
- خنکسازی و تثبیت
کاربرد جوشکاری اولتراسونیک در صنایع
از این روش جوشکاری به دلیل سرعت و دقت بالا و همچنین کیفیت جوش خوب، در صنایع مختلف جهت اتصال ورق های فلزی یا پلاستیکی استفاده میشود.
صنعت خودرو
تولید چراغها، داشبورد، سپرهای سبک، فریم قطعات الکترونیکی
پزشکی و بهداشت
ماسک N95، تیوبها، فیلترها، ابزار پزشکی استریل
بستهبندی
بستهبندی مواد غذایی، بستهبندی دارویی، بستهبندی وکیوم
الکترونیک و الکتریک
باتریها، قطعات کوچک، اتصال سیمها و ترمینالهای خاص
صنایع خانگی
بدنه قطعات پلاستیکی، فیلترهای هوا، لوازم آشپزخانه
مزایای جوشکاری التراسونیک (فراصوتی)
- سرعت بسیار بالا (در کمتر از 1 ثانیه)
- مصرف انرژی خیلی کم
- عدم نیاز به مواد مصرفی
- ایجاد اتصال تمیز، مقاوم و بدون اثر حرارتی رو ی کل قطعه
- امکان جوش اتصالات پیچیده
- مناسب برای جوشکاری در تیراژهای بالا و تولید انبوه
- تکرارپذیری زیاد
- ایمنتر نسبت به روش های حرارتی
- قابلیت کنترل شدن کامل توسط سیستم دیجیتال
- عدم تولید گاز، دود و آلودگی
معایب جوشکاری فراصوتی
- هزینه اولیه نسبتا زیاد
- عدم جوشکاری عمیق
- عدم ایجاد اتصال قوی در مواد سخت
- نیاز به طراحی دقیق قطعات
- احتمال آسیب به شنوایی در صورت نبود محافظ
- برخی مواد مانند پلیکربناتهای تقویتشده سختتر جوش میخورند
- نیاز به اپراتور آموزش دیده
انواع جوشکاری التراسونیک
جوشکاری اولتراسونیک با توجه به نوع ماده جوش و نحوه اتصال مواد به هم، به چند دسته تقسیم میشود که در ادامه اصلیترین آنها را برایتان نام بردهایم.
جوشکاری نقطهای (Spot Welding)
در جوشکاری نقطهای التراسونیک ارتعاشات فقط در یک نقطه کوچک از دو قطعه متمرکز میشود. این روش برای اتصال موعی قطعات نازک و سبک مانند ورق های پلاستیکی یا فلزات بسیار نازک کاربرد دارد.
این تکنیک زمانی مناسب است که نیاز به جوشکاری کل سطح نباشد و فقط با جوشکاری چند نقطه به استحکام لازم برسیم. مثال های رایج این نو جوشکاری شامل اتصال پارچههای فیلتر، برچسب ها، قطعات الکترونیکی سبک و برخی قطعات داخلی خودرو است.
جوشکاری خطی (Linear Welding)
در جوشکاری خطی ارتعاشات به صورت مستقیم و در یک خط بلند و طولانی اعمال میشود. معمولا از این روش در جوشکاری قطعاتی که طول زیادی دارند مانند جعبه های پلاستیکی، درب ظروف، محفظههای الکترونیکی، استفاده میشود.
مزیت این فرایند جوشکاری،ایجاد یک خط جوش تمیز و یکنواخت، و همچنین بدون نشتی است.
جوشکاری خمشی (Torsional Welding)
در این روش، ارتشاعات به شکل چرخشی یا پیچشی به قطعات وارد میشود (نه رفت و برگشتی).
در این الگوی خاص جوشکاری، انرژی به سمت لبه های قطعات هدایت میشود بدون اینکه کل قطعه تحت فشار یا حرارت باشد.
جوشکاری درونخطی (Embedded Welding)
در این نوع جوشکاری، هدف ما علاوه بر چسباندن دو قطعه به یکدیگر، جاسازی یک قطعه در قطعه دیگر نیز است.
معمولاً برای قرار دادن قطعات فلزی مانند مهره، بوش، پایه یا المانهای الکترونیکی داخل پلاستیک استفاده میشود.
به کمک ارتعاشات فراصوتی، پلاستیک اطراف قطعه فلزی نرم شده و قطعه در جای خود ثابت میشود.
برش التراسونیک
در برش التراسونیک هدف اتصال قطعات به یکدیگر نیستند، بلکه هدف ما برش نرم، دقیق و تمیز است. از این روش در برش قطعاتی استفاده میشود که با روش های معمولی دچار ریش ریش شدن، لبه های نامرتب یا کشیدگی میشود. در ادامه چند نمونه از موادی که مناسب این جوشکاری هستند را نام بردهایم
انواع پارچه و منسوجات
- فومها
- فیلمهای پلاستیکی
- کامپوزیتهای نازک
- الیاف صنعتی
مزیت مهم برش التراسونیک ایجاد لبهای صاف، بدون پرز، بدون سوختگی و بدون تغییر شکل است.
پارامتر های موثر در جوشکاری التراسونیک
فرکانس (20–70 kHz)
فرکانس یکی از مهمترین پارامتر های جوشکاری اولتراسونیک است که نرخ ارتعاشات و نوسانات را در ثانیه تعیین میکند. این پارامتر معمولا در بازهای بین 20 تا 70 کیلو هرتز قرار دارد.
فرکانس بالا (مانند 70 kHz) برای اتصال قطعات نازک که نیاز به عمق جوش ندارند بکار میرود. همچنین فرکانس پایین (مانند 20 kHz) برای قطعات ضخیمتر با سطح تماس بیشتر استفاده میشود.
فرکانس بالاتر منجر به جوشهای دقیقتر و تمیزتر میشود، اما قدرت نفوذ کمتری دارد.
دامنه ارتعاش
دامنه ارتعاش به مقدار تغییر مکان یا جابهجایی در نوسانات سیستم جوشکاری اطلاق میشود.
دامنه بیشتر منجر به افزایش قدرت انتقال انرژی و تولید گرمای بیشتر در محل اتصال میشود و همچنین دامنه کمتر برای قطعات حساس یا کوچک که نیاز به دقت بالا دارند، مناسب است.
فشار و نیرو
فشار یا نیرویی که در این روش از جوشکاری استفاده میشود، فشار فیزیکی است که جهت نگهداشتن دو قطعه در تماس و انتقال ارتعاشات به سطح جوش وارد میشود.
تنظیم فشار در کیفیت جوشکاری بسیار مهم است چرا که فشار بیش از حد باعث آسیب به قطعات میشود و همچنین فشار کم باعث ایجاد اتصال ضعیف میشود.
زمان اعمال ارتعاش و زمان نگهداری
زمان اعمال ارتعاش به زمانی گفته میشود که ارتعاشات فراصوتی به قطعات اعمال میشوند تا اتصال ایجاد شود.
زمان نگهداری بعد از پایان اعمال ارتعاشات است که قطعات تحت فشار نگه داشته میشوند تا عمل جوشکاری به طور کامل ثابت شوند.
جوشکاری التراسونیک فلزات
این نوع جوشکاری علاوه بر پلاستیک ها برای فلزات سبک هم بکار میرود. از جمله این فلزات میتوان به آلومینیوم، مس، نیکل، نقره و طلا اشاره کرد. این نوع جوشکاری برای صنایعی مانند باتریسازی، صنایع الکترونیک، خودروهای برقی و ساخت سلول های انرژی کاربرد دارد.
در جوشکاری فلزات، ذوب کامل انجام نمیشود بلکه اتصال به صورت جامد اتفاق می افتد. ارتعاشات، لایه های اکسید را حذف کرده و اتصال فلزی خالص برقرار میشود.
جوشکاری التراسونیک پلاستیک
بیشترین استفاده از جوشکاری التراسونیک در پلاستیکها است. در ادامه مواد پلاستیکی مناسب این جوشکاری را برایتان نام بردهایم:
- ABS
- PVC
- پلیپروپیلن
- پلیاتیلن
- پلیآمید (نایلون)
- پلیاستایرن
- آکریلیک
- PBT
- SAN
مقایسه جوشکاری التراسونیک با سایر روشهای جوشکاری پلاستیک
| روش جوش | سرعت | کیفیت | هزینه تجهیزات | نیاز به مواد مصرفی | آلودگی حرارتی |
| التراسونیک | بسیار بالا | بسیار خوب | نسبتاً بالا | ندارد | بسیار کم |
| حرارتی (هیتر) | متوسط | خوب | متوسط | دارد | متوسط |
| لیزری | بالا | عالی | بسیار بالا | ندارد | کم |
| چسب | پایین | متوسط | کم | دارد | ندارد |
سؤالات متداول جوشکاری التراسونیک (FAQ)
جوشکاری التراسونیک چیست؟
جوشکاری التراسونیک یک روش اتصال است که با استفاده از ارتعاشات با فرکانس بالا و اعمال فشار، دو قطعه را بدون نیاز به شعله، چسب یا پیچ به هم متصل میکند. این روش مخصوص مواد ترموپلاستیک و برخی فلزات نازک است.
آیا جوشکاری التراسونیک حرارت دارد؟
بله، اما حرارت بهصورت غیرمستقیم و موضعی تولید میشود. ارتعاشات باعث اصطکاک سریع در سطح تماس و در نتیجه ذوب لایههای نازک ماده میشوند؛ نه اینکه کل قطعه گرم شود.
چه موادی با روش التراسونیک قابل جوش هستند؟
بیشتر پلاستیکهای ترموپلاستیک مثل ABS، پلیپروپیلن، پلیاتیلن، پلیکربنات، اکریلیک و پلیآمید. بعضی فلزات نازک مثل مس، آلومینیوم و نیکل نیز در کاربردهای خاص قابل جوش هستند.
آیا جوشکاری التراسونیک برای لولههای پلیاتیلن یا پلیپروپیلن کاربرد دارد؟
خیر، برای لولهکشی استفاده نمیشود. این روش مختص قطعات کوچک صنعتی، الکترونیکی و قطعات تزریق پلاستیک است. جوش لولهها معمولاً باتفیوژن، الکتروفیوژن یا سوکت فیوژن است.
مهمترین مزیت جوشکاری التراسونیک چیست؟
سرعت بسیار بالا و کیفیت اتصال یکنواخت. زمان جوش معمولاً کمتر از یک ثانیه است و نیاز به چسب یا مواد مصرفی ندارد.
محدودیت اصلی جوشکاری التراسونیک چیست؟
مهمترین محدودیت، طراحی قطعه است. قطعه باید مناسب جوش التراسونیک طراحی شده باشد (مثل وجود انرژی دایرکت یا Energy Director). بدون طراحی درست، کیفیت جوش کاهش مییابد.
آیا دستگاه التراسونیک نیاز به تنظیمات دقیق دارد؟
بله. چهار پارامتر اصلی شامل فرکانس، دامنه، زمان جوش و فشار باید دقیق تنظیم شوند تا نتیجه مطلوب حاصل شود. کوچکترین خطا باعث کاهش استحکام جوش میشود.
عمر هورن یا سونوتورود در دستگاه التراسونیک چقدر است؟
به شدت وابسته به جنس، نوع کاربرد و فرکانس است. در کاربردهای سبک چند ماه تا یک سال و در تولیدات سنگین باید سریعتر تعویض شود. طراحی صحیح قالب و فشار مناسب باعث افزایش عمر آن میشود.
یا جوشکاری التراسونیک برای قطعات بزرگ مناسب است؟
معمولاً نه. التراسونیک برای قطعات کوچک و متوسط بهترین عملکرد را دارد. برای قطعات بزرگ معمولاً از ویبراسیون جوش (Vibration Welding) یا جوش حرارتی استفاده میشود.
آیا میتوان چند جوش التراسونیک را پشت سر هم انجام داد؟
بله، اما باید زمان خنکسازی رعایت شود. اگر قطعه هنوز داغ باشد، جوش دوم ممکن است باعث تغییر شکل یا کاهش استحکام بخشهای قبلی شود.
نظر بدهید