کاربرد اصلی برش و جوشکاری نوار التراسونیک
اصل برش و جوشکاری اولتراسونیک
برش و جوشکاری اولتراسونیک زیرشاخهای از کاربردهای اولتراسونیک در صنعت است و به دلیل ویژگیهای سازگار با محیط زیست، کارآمد و از نظر زیباییشناسی، به طور فزایندهای مورد استفاده قرار گرفته است.
اصول برش و جوشکاری اولتراسونیک
برش و جوشکاری تسمه التراسونیک از ارتعاش مکانیکی فرکانس بالا با فرکانس 20 تا 40 کیلوهرتز استفاده میکند و انرژی را از طریق سر جوش به سطح تماس تسمه منتقل میکند. 1. تبدیل انرژی: مولد اولتراسونیک انرژی الکتریکی را به ارتعاش مکانیکی فرکانس بالا تبدیل میکند که توسط ترانسفورماتور دامنه تقویت شده و سپس به سر جوش منتقل میشود. 2. تولید گرمای اصطکاکی: سر جوش به تسمه فشار میآورد و باعث اصطکاک فرکانس بالا بین الیاف داخل تسمه میشود و فوراً دمای بالای موضعی 500 تا 1000 درجه سانتیگراد ایجاد میکند. 3. جوشکاری و برش همزمان: دمای بالا الیاف تسمه (مانند نایلون و پلیاستر) را ذوب میکند، در حالی که فشار سر جوش قسمت ذوب شده را فشرده میکند و یک لایه جوش قوی تشکیل میدهد. در صورت استفاده از سر جوش لبه برش خاص، دمای بالا میتواند به طور همزمان تسمه را برش دهد و "برش + جوشکاری" یکپارچه را به دست آورد. 4. خنککننده و شکلدهی: پس از توقف ارتعاش، فشار به مدت 0.1 تا 0.5 ثانیه حفظ میشود و به ناحیه جوش داده شده اجازه میدهد تا به سرعت خنک و جامد شود و فرآیند برش و جوشکاری تکمیل شود. (سیستمهای پنوماتیک، ضربهگیری را فراهم میکنند و همچنین خنکسازی و شکلدهی را در طول فرآیند برش و جوشکاری تضمین میکنند.)
ترکیب سیستم برش و جوشکاری اولتراسونیک
سیستم جوشکاری پلاستیک اولتراسونیک که معمولاً مورد استفاده قرار میگیرد از سه جزء اصلی تشکیل شده است: یک ژنراتور اولتراسونیک (جعبه الکتریکی)، یک مبدل اولتراسونیک (ویبراتور) و یک قالب اولتراسونیک (سر قالب، سر جوش، بوق).
مولد اولتراسونیک (جعبه برق) مبدلهای اولتراسونیک (ویبراتورها)، قالبهای اولتراسونیک (سر قالب، سر جوش، بوق)
۱. مولد اولتراسونیک (جعبه برق): برق شهری را به یک خروجی پایدار با فرکانس بالا و ولتاژ بالا تبدیل میکند.
۲. مبدل اولتراسونیک (نوسانساز): دستگاهی صوتی که انرژی را تبدیل میکند و انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل میکند.
۳. تقویتکننده: دامنه ارتعاش مکانیکی مبدل از طریق یک نسبت بهره از پیش طراحی شده تغییر میکند.
۴. قالبها (سرهای جوشکاری، شاخکها): با توجه به نیازهای کاربردهای جوشکاری و برش، در ابعاد خاص سفارشیسازی شده و با ویژگیهای صوتی طراحی شده تا الزامات رزونانس سیستم اولتراسونیک را برآورده کند. در زیر، از چندین فرمول برای توضیح پدیده تنظیم پارامتر در کاربردها استفاده خواهم کرد.
انرژی = دامنه * فشار * زمان * ثابت K = توان * زمان
فرمولهای بالا نشان میدهند که در جوشکاری و برش، دامنه موج اولتراسونیک (که میتوان آن را روی ژنراتور تنظیم کرد)، فشار (فشار هوا یا گشتاور سیلندر الکتریکی، و همچنین استحکام و سختی سازه) و زمان انتشار موج با اثر جوشکاری و برش همبستگی مثبت دارند. به عبارت دیگر، اگر محصول به خوبی بریده نشود، میتوان این پارامترها را به طور مثبت تنظیم کرد. آیا این به این معنی است که هر چه این پارامترها بالاتر باشند، بهتر است؟ البته که نه!
پ = K∗A∗f∗δ، که در آن P نشان دهنده توان جوشکاری بر حسب W است؛
ک ثابتی است که مقدار آن به رسانایی صدا و اتلاف انرژی ماده مربوط میشود. این بدان معناست که ما معمولاً میگوییم که مواد مختلف برای برآورده کردن الزامات، به تنظیم دقیق پارامترهای متفاوتی نیاز دارند.
الف نشان دهنده مساحت برش جوش است که بر حسب متر مربع (㎡) اندازهگیری میشود. این سطح تماس برش جوش است، بنابراین طول و زاویه لبه برش معمولاً این مساحت را تعیین میکند.
ف فرکانس اولتراسونیک است، به این معنی که از نظر تئوری، جوشکاری فرکانسهای بالاتر آسانتر است. با این حال، از نظر آکوستیک، هر چه فرکانس بالاتر باشد، دستیابی به دامنه بزرگ دشوارتر است؛ واحد آن هرتز است.
د نشان دهنده دامنه است که بر حسب متر (m) اندازهگیری میشود. از لحاظ تئوری، دامنه بزرگتر منجر به جوشکاری و برش بهتر میشود. با این حال، عمر خستگی مواد فلزی به فرکانس، خواص مواد، تنش، زمان، فشار و سختی مربوط میشود و بنابراین تحت تأثیر پارامترهای دیگری قرار میگیرد.
شش عامل مؤثر بر نتایج برش و جوشکاری اولتراسونیک:
فشار + زمان + ساختار مکانیکی + مواد محصول + اشکالزدایی
1. فشار جوشکاری اولتراسونیک
اعمال فشار مناسب به سطح جوش باعث میشود که ماده جوش از حالت الاستیک به پلاستیک تغییر حالت دهد، نفوذ متقابل مولکولی را افزایش دهد و هوای باقیمانده را از جوش خارج کند و در نتیجه عملکرد آببندی سطح جوش را افزایش دهد. فشار معمولاً از 0.5 مگاپاسکال تجاوز نمیکند.
۲. زمان جوشکاری/برش اولتراسونیک (زمان انتشار موج)
زمان ذوب مناسب و زمان خنک شدن کافی ضروری است. با خروجی حرارت ثابت، زمان ناکافی منجر به جوشکاری ناقص میشود، در حالی که زمان بیش از حد باعث تغییر شکل جوش، سرریز سرباره و گاهی اوقات نقاط داغ (تغییر رنگ) در نواحی غیر جوش داده شده میشود. اطمینان از اینکه سطح جوش گرمای کافی را برای رسیدن به حالت کاملاً مذاب جذب میکند تا انتشار و همجوشی مولکولی کافی تضمین شود، بسیار مهم است. همزمان، زمان خنک شدن کافی برای دستیابی جوش به استحکام کافی ضروری است.
۳. دامنه فراصوت
۴. ساختار مکانیکی
دقت و پایداری ساخت قاب مستقیماً بر اثر جوشکاری تأثیر میگذارد، به خصوص برای برخی از محصولات دقیق، که در آن ساختار مکانیکی باید با دقت محصول مطابقت داشته باشد.
۵. مواد اولیه محصول
عواملی مانند جنس قطعات جوش داده شده، ساختار آنها، ضخامت و مقاومت در برابر فشار نیز مستقیماً بر اثر جوشکاری تأثیر میگذارند.
۶. اشکالزدایی تجهیزات
در نتیجه، برای دستیابی به بهترین نتایج برش و جوشکاری اولتراسونیک، اشکالزدایی تجهیزات نیز یک تضمین مهم است. تطبیق و تنظیم انعطافپذیر پارامترهای مختلف و اشکالزدایی در محل توسط مهندسان نقش مهمی ایفا میکند.