استفاده از صوت در جوشكاري يكي از روش هاي بسيار مدرن و پيشرفته است كه در سالهاي اخير مورد توجه قرار گرفته است. جوش التراسونيك يا فراصوتي از جمله روش هاي جوش است كه با كمك آن مي توان اتصال هاي دقيق و مستحكمي را با دقت بالا به وجود آورد. براي درك هر چه بهتر از جوش فراصوتي نياز به اين داريم كه تمام پارامتر ها و المان هايي كه در اين روش از جوشكاري مورد نياز است را بدانيم.

جوشكاري فراصوتي را در اين مقاله به صورت كامل و جامع بررسي كرده و هر آنچه كه در فهم كامل آن تاثير گذار است را توضيح خواهيم داد تا بتوانيم به شناخت جامعي از جوشكاري التراسونيك برسيم. كاربرد ها، انواع و روش هاي جوش التراسونيك از جمله موارد مهمي است كه درباره آن خواهيم نوشت، پس پيشنهاد مي شود با آروا همراه باشيد تا اطلاعات مفيدي را در اين زمينه كسب كنيد.

جوش التراسونيك يا فراصوت چيست؟ (Ultrasonic Welding)

در سال هاي اخير روش هاي مختلف جوشكاري به وجود آمده كه مورد استقبال كاربران قرار گرفته است، كه يكي از آنها جوش التراسونيك است. جوش فراصوتي يك روش از جوشكاري جامد است كه در آن هيچ گونه ذوبي به وجود نمي آيد، بلكه بر اثر انرژي حاصل از صوت و اعمال فشار توسط دستگاه جوشكاري فراصوتي و با تغيير حالت در بافت اتمي مواد و جابجا شدن مولكول ها و اتم هاي آن فرايند اتصال به وجود مي آيد.

جوش التراسونيك يك روش مدرن و پيشرفته است كه در آن انرژي الكتريكي با فركانس بالا ،توسط مبدل دستگاه، به انرژي مكانيكي با صوت بالا تبديل مي شود. اين تبديل انرژي در مدت زمان بسيار كمي با توجه به وارد كردن فشار، حركت و اصطكاك گرماي بالا به وجود مي آورد و موجب تغيير حالت و تغيير مولكولي مواد مي شود كه با وارد كردن فشار توسط دستگاه به قطعات، جوش صورت مي گيرد.

در اين روش از جوش جامد مواد مختلف نظير پلاستيك، فلز و سراميك را مي توان طي فرايند جوشكاري به يكديگر متصل كرد. در جوشكاري التراسونيك دستگاه هاي مخصوص براي هر دسته از مواد نظير فلز و ترموپلاستيك وجود دارد.

هنگام انجام فرايند جوشكاري با امواج فراصوت بايد در نظر داشت كه خواص شيميايي مواد ترمو پلاستيك مشابه با يكديگر باشد چرا كه در غير اين صورت هيچ اتصال و پيوندي ميان قطعات بر قرار نمي شود.

تاريخچه جوشكاري التراسونيك

در جوشكاري التراسونيك كه در آن به روش جامد، مواد و قطعات را به يكديگر متصل مي كنيم و داراي سرعت عمل و دقت بالايي نيز است و استحكام خوبي را نيز در ميان فلزات و ترمو پلاستيك به وجود مي آورد ابتدا در سال ۱۹۴۰ براي اتصال دادن مواد ترموپلاستيك اختراع شد.

سپس در سال ۱۹۶۵ توسط رابرت سولوف و سيمور لينسلي اين روش جوشكاري ثبت اختراع شد. طي تحقيقاتي كه سولوف در آزمايشگاه خود انجام داد به اين نتيجه رسيد كه امواج فراصوت مي تواند از پلاستيك هاي نازك و ضخيم عبور كند و مي توان در قسمت هايي كه صوت عبور مي كند با انجام دادن برخي مكانيزم ها براي جوش از جمله ايجاد اصطكاك، ذوب شدن و فشار ،كار جوشكاري را انجام داد.

اولين استفاده از روش جوشكاري فراصوتي در صنعت اسباب بازي اتفاق افتاد. در سال ۱۹۶۹ يك خودرو تمام پلاستيكي ساخته شد كه در ساخت آن از جوش التراسونيك استفاده شد. اين روش به مرور پيشرفت كرده و در حال حاضر از آن در زمينه هاي مختلف ساخت و ساز استفاده مي شود و كاربرد هاي زيادي نيز دارد.

كاربرد جوش اولتراسونيك

صنايع مختلفي وجود دارند كه براي اتصال قطعات نياز به جوشكاري با كيفيت بالايي دارند كه در عين حال از استحكام و ظرافت بالايي نيز برخوردار باشد. جوش فراصوتي يك مدل پيشرفته از جوشكاري است كه در صنايع مختلفي كاربرد دارد. براي شناخت كاربرد اين جوش به نمونه كاربرد هاي آن اشاره مي كنيم.

• صنعت الكترونيك: در صنايع الكترونيكي براي اينكه بتوان مدارهاي كوچك، ديسك هاي كامپيوتر، درايو هاي فن، خازن و سيم هاي كوچك را به يكديگر متصل كرد از روش جوشكاري فراصوتي استفاده مي شود.
• صنعت اتومبيل سازي: جوش التراسونيك يك روش جوشكاري دقيق است كه از آن در صنايع خودرو سازي براي اتصال قطعات پلاستيكي، اجزاء موتور، دربها و مواردي مشابه آن استفاده مي شود.
• صنعت هوا فضا: براي جوشكاري ورق هاي آلومينيوم  و صنايع هوا و فضا از جوش التراسونيك استفاده مي شود كه جوش به وجود آمده در اين روش داراي استحكام بالايي است.
• صنعت اسباب بازي: با توجه به اينكه يكي از مواد هايي كه در جوشكاري فراصوت متصل مي شوند پلاستيك و ترمو پلاستيك مي باشند، در ساخت اسباب بازي هايي با مقاومت بالا از اين روش جوش استفاده مي شود.
• صنعت بسته بندي: در صنايع غذايي و براي ماندگاري بالاي مواد مصرفي از روش جوشكاري التراسونيك استفاده مي شود. اين اتصال ها در ظروف نوشيدني، ظروف غذاي منجمد و … مورد استفاده قرار مي گيرد.

تجهيزات و اجراي اصلي جوش التراسونيك

براي انجام فرايند جوشكاري نياز به دستگاه جوش است و هر دستگاه هم داراي بخش ها و قطعات است كه طي يك سيستم پيوسته به هم، فرايند جوشكاري را تكميل مي كنند. دستگاه جوش التراسونيك داراي اجزا و قطعاتي است كه روي دستگاه وجود دارند و هر كدام يك وظيفه خاص را انجام مي دهند كه در كل موجب شكل گيري و به وجود آمدن اتصال مي شوند. براي شناخت هرچه بهتر اجزا جوش فراصوتي در زير هر كدام را معرفي كرده و وظيفه اي را كه انجام مي دهد را بيان مي كنيم.

• منبع تغذيه: براي جوش التراسونيك نياز به فركانس بالا داريم و منبع تغذيه در اين دستگاه، برق تك فاز شهري را به فركانس هاي بالا تبديل مي كند تا بتوانيم انژي الكتريكي را به انرژي صوتي مكانيكي تبديل كرده و فرايند جوش را به وجود بياوريم.
• مبدل: براي اينكه جوش فراصوت شكل بگيرد نياز به تبديل انرژي داريم و اين وظيفه بر عهده مبدل در دستگاه التراسونيك است و كار آن نيز به اين صورت است كه امواج الكتريكي با فركانس بالا را به امواج صوتي مكانيكي تبديل مي كند تا انرژي لازم براي جوش دادن فلز و پلاستيك فراهم شود. درباره مبدل دانستن اين موضوع مهم است كه اين قطعه داراي حساسيت بالايي است و هنگام جابجايي نبايد به آن ضربه شديد بخورد چونكه ديگر عمل نخواهد كرد.
• بوستر: از بوستر يا تقويت براي اين استفاده مي شود كه ابتدا بتوانيم ارتعاشات به وجود آمده را بزرگتر و تقويت كنيم و بعد از اينكه ارتعاشات بزرگتر شدند، آنها را به هورن يا شيپوره در دستگاه منتقل مي كند. تقويت كننده ها داراي شكل هاي مختلفي هستند. در واقع مي توان گفت بوستر براي اين است كه لرزش هاي مكانيكي براي فرايند جوش را تقويت كند.
• شيپوره: پس از اينكه ارتعاشات تقويت شد در داخل قطعه اي به نام شيپوره متمركز مي شوند تا به قطعه كار منتقل شوند.
• پرس: از پرس در دستگاه التراسونيك براي اعمال فشار استفاده مي شود و پس از آنكه ارتعاشات فراصوت مواد را آماده اتصال كرد با كمك پرس به قطعه كار فشار وارد مي شود تا فرايند جوش كامل شود.
• فيكسچر: فيكسچر يا همان سندان قسمتي است كه قطعات آماده جوشكاري را در آن نگه مي دارند تا عمليات جوش روي فلزات و يا پلاستيك ها انجام شود. در اصل مي توان گفت فيكسچر نگهدارنده قطعات است.

انواع جوشكاري التراسونيك

انواع جوشكاري التراسونيك را مي توان با توجه به نوع دستگاه هايي كه دارند تقسيم بندي كرد و از هر كدام از آنها در مواردي كه نياز داريم استفاد كنيم. در زير به دو نمونه از انواع جوشكاري التراسونيك اشاره مي كنيم.

• جوشكاري خطي: با كمك اين دستگاه از جوش التراسونيك مي توان به صورت پيوسته و خطي فرايند جوش را انجام داد.

• جوشكاري نقطه اي: جوشكاري التراسونيك نقطه اي با كمك دستگاهي تنفگي و به منظور ايجاد جوش هاي نقطه اي انجام مي شود.

روش جوشكاري التراسونيك

روش و فرايند اصلي در جوشكاري التراسونيك ايجاد حرارت از طريق صوت است و نحوه كار به اين صورت است كه براي ايجاد فرايند ابتدا قطعه كار را در داخل دستگاه جوش و قسمت پايه و يا نگهدارنده (فيكسچر) قرار مي دهيم. سپس لرزش هاي فراتر از صوت به صورت موازي به قطعه كار منتقل مي شوند كه در اثر اصطكاك بسيار بالا گرما توليد مي كنند. اصطكاك به قدري گرما توليد مي كند كه دماي فلز به يك سوم دماي ذوب خود مي رسد. در اين مرحله زمان آن است كه فشار را به قطعات وارد كنيم تا اينكه فرايند اتصال نهايي شود.

ميزان فركانس در روش و نحوه جوش التراسونيك بسيار مهم است و بايد مقدار صوتي كه به قطعه كار وارد ميشود مشخص و متناسب با نوع موادي باشد كه قرار است در فرايند جوش مورد اتصال قرار گيرد باشد. يعني اينكه اگر بيشتر از حد باشد ممكن است باعث ذوب شدن قطعات شود و اگر كمتر از آن باشد اتصال بر قرار نمي شود. براي انجام دادن نحوه جوش فراصوتي رعايت ۵ مرحله ضروري است كه در زير به اين مراحل اشاره مي كنيم.

1. آماده سازي سطوح: قبل از شروع فرايند جوش ابتدا شروع به تميز كاري، پاك كردن آلودگي ها و ناصافي ها مي كنيم چرا كه در كيفيت و استحكام جوش تاثير گذار است.
2. گرم كردن: در اين مرحله از جوش التراسونيك از فركانس هاي بالاي صوت براي ايجاد انرژي جهت گرم كردن قطعه كار استفاده مي شود.
3. پيوند بين مولوكولي: پس از گرم شدن و نرم شدن قطعات، مولوكول هاي دو قطعه با يكديگر تماس پيدا مي كنند كه با اعمال فشار به قطعات و فرو رفتن آنها در يكديگر اتصال رخ مي دهد.
4. ايجاد فشار: زماني كه گرما به قطعات منتقل شد و شرايط جوش به وجود آمد با ايجاد فشار در اين مرحله اتصال بر قرار مي شود.
5. سرد كردن: در آخرين مرحله و پس از اينكه فرايند اتصال انجام شد دماي اتصال را پايين مي آوريم. پايين آوردن دما براي اين است كه جوش شكل بگيرد.

مزاياي جوشكاري فراصوتي

مقاومت و تميزي جوش هميشه مورد توجه قرار گرفته و علاقه مندان زيادي دارد. اين عواملي كه نام برديم (مقاومت و تميزي) از جمله مهم ترين مزاياي جوشكاري التراسونيك هستند و با توجه به اينكه هر روش جوشكاري كه مزيت ها و ويژگي هاي زياد و كاربردي داشته باشد مورد توجه قرار مي گيرد، جوش فراصوت نيز در همين زمره است و در ادامه اين مطلب به مهم ترين مزاياي اين روش جوشكاري اشاره مي كنيم.

• عدم نياز به ذوب و انجماد
• عدم تغيرساختار مواد
• راحتي كار با دستگاه جوش التراسونيك
• ضريب ايمني بالا
• سرعت جوشكاري بالا
• عدم تغيير رنگ در منطقه جوش
• كيفيت جوش عالي
• طول عمر بالاي قطعه جوشكاري شده

معايب جوش التراسونيك

پس از دانستن مزاياي جوش فراصوت نياز است كه درباره معايب اين روش نيز بدانيم. معايب جوشكاري فراصوت براي ما محدوديت هايي را به وجود مي آورد كه ممكن است هنگام كار با سختي مواجه شويم و يا زمان زيادي را بگيرد. در ادامه به اين محدوديت ها به صورت تيتر وار اشاره مي كنيم.

• عمق جوش كم
• فلزات جوش خورده نبايد ضخيم باشند
• محل جوشكاري نبايد بزرگ باشد
• جوش حتما تحت فشار باشد

جوشكاري التراسونيك فلزات

جوشكاري فلزات با روش التراسونيك يك روش پيشرفته و همراه با فناوري هاي جديد است كه با كمك آن مي توان يك جوشكاري دقيق را به وجود آورد. فلزاتي كه با كمك جوش التراسونيك به هم متصل مي شوند داراي يك همجوشي كاملي هستند و نكته مهم اينكه بعد از جوش ما فوق صوت، اكسيد فلز در اطراف محل جوش ظاهر نمي شود. اين موارد باعث شده است كه جوشكاري فراصوت فلزات داراي محبوبيت بالايي در ميان كاربران باشد زيرا مي توان تمام فلزات هم جنس و غير همچنس را با اين روش از جوش جامد به يكديگر متصل كرد.

با كمك دستگاه جوش التراسونيك و تجهيزات آن مي توان فلزات را در مدت زمان كمي جوشكاري كرد و اين قابليت موجب شده است كه كاربر هنگام كار با دستگاه جوش فراصوت بتواند در زمان صرفه جويي كرده و فلزات بيشتري را به هم متصل كند.

جوشكاري التراسونيك فلزات يك مزيت مهم ديگر نيز دارد و آن هم اينكه هنگام جوش جرقه اي به وجود نمي آيد و عدم ايجاد جرقه امنيت كاربر را نيز بالاتر مي برد و انواع فلز را مي توان بدون هيچ جرقه اي به هم متصل كرد. از نكات قابل توجه در جوشكاري با امواج فراصوت اين است كه الزامات در اين روش بسيار كم است و همين امر باعث اين شده است كه بتوان انواع فلز را با دقت بالا به هم متصل كرد.

جوشكاري التراسونيك پلاستيك

همانطور كه متوجه شديم جوشكاري التراسونيك اولين بار براي جوشكاري مواد پلاستيكي ضخيم و نازك و ترموپلاستيك اختراع شد و با كمك اين روش مي توان به راحتي انواع مواد پلاستيكي را جوشكاري كرد. در اين روش ديگر نيازي نيست كه به مواد گرماي بيش از حد وارد شوند بلكه با كمك امواج فراصوت و حركت طولي و مكانيكي آنها مي توان در ناحيه اي كه اتصال مد نظر است امكان جوش و اتصال را فراهم كرد.

با كمك دستگاه هاي جوش مخصوص پلاستيك مي توان در زمان كمي با بالاترين كيفيت ممكن انواع مواد پلاتستيكي ضخيم و غير ضخيم را به يكديگر متصل كرد كه داراي استحكام بالايي نيز هستند. براي جوشكاري فراصوت پلاستيك دستگاه هاي مختلف جوش وجود دارند كه با كمك آنها مي توان پلاستيك هايي با ضخامت و طول مختلف را با بالاترين دقت و كيفيت به يكديگر متصل كرد.