جوشکاري با امواج مافوق صوت
  
انسان قادر است موج‌هاي صوتي با فرکانس 20 تا 20000 سيکل در ثانيه را بشنود که در اين ميان، موج‌هاي صوتي با فرکانس کمتر از 20 سيکل در ثانيه را اينفراسونيک (فرو صوت) و به دسته‌اي از امواج مکانيکي که فرکانس نوسان آنها بيش از محدوده شنوايي انسان يا 20‏KHz ‎‏ باشد، امواج اولتراسونيک (فرا صوت) گفته مي‌شود. اين امواج به دليل خواصشان، کاربردهاي متنوع و جالبي دارند. با محاسبه‌اي ساده مي‌توان دريافت که اگر نقطه‌اي با فرکانس 25 کيلوهرتز و دامنه 10 ميکرومتر نوسان کند، شتاب آن بالغ بر 25 هزار برابر شتاب ثقل مي‌شود. اين شتاب و به دنبال آن سرعت بالا در مايعات باعث ايجاد «کاويتاسيون» مي‌شود و هنگام انفجار حباب‌هاي ايجاد شده، فشاري در حدود 200 بار ايجاد مي‌کند. از طرف ديگر اگر حرکت نسبي با مشخصات فوق ميان دو سطح جامد برقرار شود، ازدياد دما باعث جوش خوردن دو سطح به يکديگر مي‌شود که‎ Ultrasonic Welding ‎‏ است. دانش اولتراسونيک يا امواج مافوق صوت در زمينه‌هاي مختلف صنعتي مانند ماشين کاري، جوشکاري، کنترل کيفيت، تميز کردن و ديگر فرآيند‌ها کاربرد زيادي پيدا کرده است.‏

امواج صوتي که کاربرد صنعتي دارند، حداکثر 100,000 سيکل در ثانيه است. موج اولتراسونيک با عبور يک جريان الکتريکي (معمولاً 60 سيکل متناوب) از يک ژنراتور مناسب که مبدل ‏Transducer‏ نام دارد ايجاد مي‌شود.‏

در اين ميان، جوشکاري اولتراسونيک يا جوشکاري با امواج مافوق صوت روشي متداول و فراگير در کشورهاي پيشرفته و صنعتي بيشتر براي جوشکاري قطعات پلاستيکي و گاهي قطعات فلزات است و در دسته‌بندي روش‌هاي جوشکاري زير مجموعه روش جوشکاري با گرم کردن داخلي مکانيکي است. همچون ساير روش‌هاي جوشکاري مراحل پنجگانه جوشکاري در اين روش نيز وجود دارد که در ادامه به آنها مي‌پردازيم.

آماده‌سازي سطح يا ‏Surface Preparation‏ ـ شامل تميزکاري و براده‌برداري ـ وجود آلودگي و لبه‌هاي اضافي باعث افت کيفيت جوشکاري خواهد شد. ‏

گرم کردن يا ‏Heating‏ ـ از انرژي امواج فراصوت با فرکانس‌هاي بالا 20 تا 70 کيلوهرتز براي اين منظور استفاده مي‌‌گيرد. ‏

فشردن يا ‏Pressing‏ ـ وقتي دو قطعه کار به قدر کافي گرم شوند بايد به يکديگر فشرده شوند. اين فشار با کمک سيستم پنوماتيک و هورن (شيپوره) دستگاه‌هاي جوشکاري فراهم مي‌شود. ‏

آميزش‌ بين‌مولکولي يا ‏Intermolecular Diffusion‏ ـ تماس دو قطعه کار گرم شده و در آستانه ذوب با يکديگر و فشار وارده بر آنها فرصت را براي آميزش مولکول‌هاي دو قطعه کار در يکديگر فراهم مي‌آورد. ‏

خنک کردن يا ‏Cooling‏ ـ انجماد و سرد شدن محل جوشکاري آخرين مرحله‌اي است که در آن پليمرهاي نيمه‌کريستالي، ساختار کريستالي خود را و پليمرهاي «آمورف» نيز ساختار خاص خود را در قبل از عمليات جوشکاري به دست خواهند آورد. در اين مرحله تنش‌هاي پسماند و اعوجاج در قطعه کار محتمل است.

در اين روش مراحل 2 و 3 و 4 تقريباً همزمان و در کسري از ثانيه صورت مي‌گيرد و قطعه کار بلافاصله سرد مي‌‌شود. موفقيت جوش به طراحي مناسب اجزا و مناسب بودن موادي که جوش داده مي‌‌شوند بستگي دارد. از آنجا که جوشکاري «اولتراسونيک» بسيار سريع و در کمتر از يك ثانيه صورت مي‌گيرد و قابليت اتوماسيون دارد، به طور وسيع از آن در صنعت استفاده مي‌‌شود. براي تضمين سلامت جوش طراحي مناسب اجزا به خصوص فيکسچرها لازم است. با طراحي مناسب از اين روش مي‌‌توان در توليد انبوه استفاده کرد.‏

اجزاي يک ماشين جوشکاري اولتراسونيک شامل يک منبع تغذيه، يک مبدل، يک آمپلي فاير تقويت‌کننده به نام بوستر، يک وسيله هدايت امواج فراصوت به نام شيپوره (‏horn‏) منبع تغذيه فرکانس برق شهر 60-50 هرتز را به 70-20 کيلو هرتز مي‌رساند. اين انرژي به مبدل مي‌‌رود و در مبدل ديسک پيزو الکتريک موج الکتريک با فرکانس بالا به ارتعاشات مکانيکي (امواج اولتراسونيک) با فرکانس بالا تبديل مي‌‌شود. اغلب ماشين‌هاي اولتراسونيک در فرکانسي بالاتر از 20 کيلو هرتز کار مي‌‌کنند و صدايي توليد مي‌کنند که شبيه يک سوت است که مي‌تواند براي اوپراتور در دراز مدت توليد مزاحمت و اذيت کند. بنابراين توجه به ميزان دسيبل صداي اين دستگاه‌ها بسيار مهم است. امروزه شرکت‌هاي معتبر اروپايي هزينه‌‌هاي بسيار زيادي را صرف پژوهش و توسعه محصولات خود کرده‌اند تا علاوه بر افزايش راندمان و کيفيت جوشکاري دستگاه‌هاي خود اين صداهاي مزاحم را در حد بسيار زيادي کاهش دهند. امواج توليد شده در مبدل به بوستر مي‌رود و دامنه آن تا حد دلخواه افزايش پيدا مي‌کند، سپس در شيپوره که يک وسيله صوتي مکانيکي است، امواج صوتي به طور مستقيم به قطعه کار منتقل مي‌‌شود. همچنين شيپوره نقش اعمال فشار روي قطعه را نيز بر عهده دارد. بعد از انتقال امواج صوت به قطعه کار در منطقه اتصال در اثر اصطکاک زياد ناشي از جنبش مولکولي سطوح دو قطعه کار اين انرژي تبديل به گرما شده و باعث نرم شدن و ذوب پلاستيک و به‌وجود آمدن شرايط جوشکاري مي‌‌شود.‏

به طور کلي، جوشكاري مافوق صوت يك فرآيند اتصال حالت جامد است كه در آن دو قطعه در نتيجه اعمال فشار و استفاده از ارتعاش صوتي بسامد بالا (مافوق صوت) به هم متصل مي‌شوند. در جوشکاري اولتراسونيک حرارت لازم براي ذوب سطوح اتصال توسط ‏ارتعاشات فراصوتي فراهم مي‌شود. روش کار به اين صورت است که ابتدا انرژي الکتريکي ‏در دستگاه مخصوصي به نوسانات مکانيکي با فرکانس زياد تبديل شده سپس اين نوسانات ‏توسط يک وسيله نوسان‌کننده به نام دماغه به جسم منتقل مي‌شود. انرژي نوساني فوق از ‏قشرهاي بالاي قطعه «ترموپلاستيکي» عبور مي‌کند و در سطح مشترک دو جسم متمرکز مي‌شود.‏

جوشكاري اولتراسونيك به طور عمده براي اتصال قطعات كوچك الكترونيكي، در وسائل ارتباط جمعي، ابزارهاي پزشكي، ساعت‌ها و صنعت اتومبيل استفاده مي‌شود.

راندمان بالا، توليد بالا با قيمت پايين (با توجه به سرعت زياد هر سيکل جوشکاري امکان افزايش توليدات به راحتي مهيا است)، سهولت در اتوماسيون، سرعت جوش بالا و تميز بودن از مزاياي اين روش است. در اين نوع جوشکاري، مواد را بدون عبور جريان الکتريکي و اضافه کردن فلاکس خارجي يا پرکننده‌ها جوش مي‌دهند. افزايش دما مي‌تواند به فصل مشترک اتصال متمرکز شود تا از استحاله حجمي مواد که خواصشان ممکن است حساس به دما باشد، جلوگيري کند.

مهم‌ترين محدوديت اين روش محدوديت در انرژي اعمالي و کوچک بودن عرض شيپوره کمتر از 250 ميلي‌متر) است و در نتيجه طول جوشي که به وجود مي‌آيد کوچک است. موارد استفاده از جوش اُلتراسونيک ترموپلاستيک‌ها در جوشکاري ساده يک اتصال، جاسازي يک قطعه در قطعه‌اي ديگر همراه اتصال بين آن دو، جوش نقطه‌اي ورق‌ها و صفحات پلاستيکي، کاشت مغزي‌‌هاي فلزي در داخل قطعات پلاستيکي، دوخت پارچه‌ها و فيلم‌هاي با پايه پلاستيکي است.‏

صنايعي که اين نوع جوشکاري در آن کاربرد دارد، شامل استفاده در صنعت الکتريک و الکترونيک، استفاده در صنعت بسته‌بندي، استفاده در صنعت اتومبيل‌سازي، استفاده در صنعت پزشکي و تجهيزات پزشکي، استفاده در صنعت اسباب‌بازي و صنايع مرتبط ديگر است.‏



جوشکاري فراصوتي پلاستيک‌ها

از حدود بيست سال قبل روش جوشکاري اُلتراسونيک علاوه بر اتصال قطعات پلاستيکي به ‏يکديگر براي اتصال فلزات به پلاستيک‌ها و نيز اتصال مواد نا همجنس به يکديگر که ‏در آن نوسانات اُلتراسونيک نقش تسريع کننده واکنش اتصال را دارد، مورد استفاده قرار ‏گرفته است. امروزه نيز اين روش خود يک روش اساسي براي اتصال قطعات به يکديگر به ‏حساب مي‌آيد. در جوشکاري اُلتراسونيک حرارت لازم براي ذوب سطوح اتصال توسط ‏ارتعاشات فراصوتي فراهم مي‌شود. روش کار به اين صورت است که ابتدا انرژي الکتريکي ‏در دستگاه مخصوصي به نوسانات مکانيکي با فرکانس زياد تبديل و سپس اين نوسانات ‏توسط يک وسيله نوسان‌کننده به نام دماغه به جسم منتقل مي‌شود. انرژي نوساني فوق از ‏قشرهاي بالاي قطعه ترموپلاستيکي عبور مي‌کند و در سطح مشترک دو جسم متمرکز مي‌شود. ‏در نتيجه اين عمل حرارت لازم براي ذوب پلاستيک به وسيله اصطکاک حاصل از نوسان يک ‏سطح در مقابل سطح ديگر در موضع اتصال ايجاد مي‌شود.‏ اين حرارت سبب گداخته شدن مرز برجسته‌اي که مي‌توان آن را عامل هدايت و تمرکز ‏انرژي ناميد و نفوذ آن به داخل سطحي که به آن فشرده مي‌شود.‏

بايد توجه داشت که حين عمليات به واسطه آن که آزاد شدن انرژي فقط در نقطه اصطکاک ‏ يا موضع اتصال صورت مي‌گيرد، خود قطعه به طور کامل سرد باقي مي‌ماند. جوشکاري ‏فراصوتي ترموپلاستيک‌ها با جوشکاري فراصوتي فلزات تفاوت دارد. ‏‏

اين تفاوت از آن جهت است که حرارت توليد شده در ترموپلاستيک براي رساندن آن به ‏دمايي بالاتر از نقطه ذوبش کافي است در صورتي که در فلزات چنين نيست. به همين علت ‏سطوح اتصال در اين حالت بسيار تميز و يکنواخت است و در عين حال از لحاظ استحکام ‏درست مانند ماده زمينه هستند. نظر به اين که نرخ انتقال نوسان در مواد مختلف متفاوت است، ‏موفقيت يا موفق نبودن در عمليات جوشکاري اُلتراسونيک به ميزان انتقال نوسان توسط ‏پلاستيک مورد اتصال بستگي زيادي دارد.‏‏

به طور کلي موادي که به طريقه اُلتراسونيک قابل جوشکاري‌اند، شامل آکريليک‌ها، استال‌ها، ‏پلي‌الفين‌ها، پلي‌آميده‌ها، پلي‌کربنات‌ها، پلي‌استيون، پلي‌سولفون، ‏ABS‏ و غيره هستند. شايان گفتن است که ضخامت مواد فوق بايد از 025/0 تا 254/0 ميليمتر باشد.‏‏

براي تنظيم قطعات مورد اتصال و پيشگيري از حرکت احتمالي آنها در حين ‏جوشکاري استفاده از گيره‌هاي نگهدارنده ضروري است. در صورتي که قطعات را با گيره ‏محکم نکنيم به واسطه حرکت احتمالي توسط دماغه آسيب مي‌بينند. بايد توجه داشت که فشار نامتوازن روي قطعات، مورد اتصال موجب ايجاد يک جوش نامطلوب خواهد شد.‏‏

دستگاهي که براي جوشکاري اُلتراسونيک ترموپلاستيک‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرد، ولتاژ 115 يا 220 ولت برق ‏‏AC‏ به 20 کيلو هرتز انرژي الکتريکي تبديل مي‌‏شود.‏ اين انرژي الکتريکي به کمک يک مبدل که داخل دستگاه تعبيه شده است به انرژي ‏نوسانات مکانيکي تبديل مي‌شود سپس انرژي نوساني قبل از آن که به سطوح مورد اتصال ‏منتقل شود به دماغه مي‌رسد و در آنجا تشديد مي‌شود. ‏ 

موضوع:جوشکاری با امواج مافوق صوت
سوالات گروه دهم
دانشجویان:غلامحسین صفاییان ، ایمان ضیایی هاشمیان ، رضا رحمتی ، محمنیا ، جلینی

1) مراحل جوشکاری با امواج مافوق صوت را توضیح دهید؟
الف- آماده سازی سطح شامل تمیزکاری و براده برداری  ب- گرم کردن: از انرژی امواج فراصوت با فرکانس های بالا 20 تا 70 هرتز برای این منظور استفاده میشود  ج- فشردن: وقتی دو قطعه به حد کافی گرم شوند باید به یکدیگر فشرده شوند این فشار با کمک سیستم پنوماتیک و شیپوره دستگاههای جوشکاری فراهم میشود  د- آمیزش بین ملکولی:تماس دو قطعه کار گرم شده و در آستانه ذوب با یکدیگر و فشار وارده بر آنها فرصت را برای آمیزش ملکولهای دو قطعه کار در یکدیگر فراهم می 
آورد  و- خنک کردن:انجماد محل جوشکاری آخرین مرحله ای است که در آن پلیمرهای نیمه کریستالی ساختار کریستالی خود را به دست خواهند آورد.

2)مزایا و محدودیتهای جوشکاری با امواج مافوق صوت را بنویسید؟
مزایا:راندمان بالا،تولید بالا با قیمت پایین،سهولت در اتوماسیون،سرعت جوش بالا و تمیز بودن
محدودیتها:مهمترین محدودیت این روش محدودیت در انرژی اعمالی و کوچک بودن عرض شیپوره (کمتر از 250 میلیمتر) و در نتیجه طول جوشی که به وجود می آید کوچک است.

3)روش جوشکاری با امواج مافوق صوت برای چه قطعاتی استغاده می شود؟
علاوه بر اتصال قطعات پلاستبکی به یکدیگر برای اتصال فلزات به پلاستیکها و نیز اتصال مواد ناهمجنس به یکدیگر که در آن نوسانات التراسونیک نقش تسریع کننده واکنش اتصال را دارند مورد استفاده قرار میگیرند.

4)تاریخچه سنسورهای التراسونیک را بنویسید؟
بعداز حادثه غرق شدن کشتی تایتانیک در سال 1912 میلادی دانشمندان به دنبال راه حلی برای تکرار نشدن این فاجعه افتادند . در سال 1912 آقای ریچاردسون با الهام از طبیعت و استفاده از مسیر یابی خفاشها موفق به ساخت سنسور فراصوتی شد.
5)کاربرد سنسورهای التراسونیک را بنویسید؟
الف- استفاده از آن در دزدگیر اتومبیل و وسایل هشداردهنده در اتومبیل  ب- استفاده در ثبت دقیق ترین زمان ممکنه در ورزش دومیدانی  ج-استفاده در باک هواپیما برای فهمیدن مقدار سوخت  د-استفاده در کنترل دور ماشینهای صنعتی  و-کاربرد در علم هواشناسی جدید

دانشجویان:غلامحسین صفاییان ، ایمان ضیایی هاشمیان ، رضا رحمتی ، محمنیا ، جلینی