کاربردهای دستگاه جوشکاری فلز التراسونیک
جوشکاری tab و buss-bar درون باتری‌های لیتیوم-یونی: با استفاده از این روش سه لایه ورق مسی به ضخامت 0/2 میلیمتر به یک ورق با ضخامت 0/8 میلیمتر متصل می‌شود. همچنین در اتصال ورق‌های نیکل و آلومینیوم به ضخامت 0/3 میلیمتر نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.
بسته‌بندی و آب‌بندی: از این سیستم می‌توان برای بسته‌بندی و آب‌بندی نیز استفاده کرد. به طور مثال در آب‌بندی محفظه‌های فلزی مواد غذایی، می‌توان از این روش استفاده کرد. همچنین برای آب‌بند کردن لوله‌های یخچال و کولر گازی که نباید گاز از درون لوله ها خارج شود، این روش می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد.
صنایع خودروسازی: علاوه بر قسمت‌های الکترونیکی وسایل نقلیه، این روش در جوشکاری ورق‌های بدنه‌ی اتومبیل به صورت همجنس و ناهمجنس نیز استفاده می‌شود.
جوشکاری سیم‌ها و کابلشو: از این دستگاه می‌توان برای اتصال‌دهی سیم‌های ورودی و خروجی باتری‌ها به ورق و یا اتصال دو یا چند رشته سیم به یکدیگر استفاده کرد. همچنین در قسمتهایی که نیاز به اتصال سیم به کابلشوهای فلزی باشد نیز می‌توان از این دستگاه استفاده کرد.
مشخصات دستگاه
کد دستگاه
مقطع جوشکاری
توان ژنراتور
فرکانس
ابعاد دستگاه (سانتی‌متر)
وزن دستگاه
برق مصرفی
فرایندهای جوشکاری به دو دسته‌ی کلی “جوشکاری ذوبی” همانند فرایند جوشکاری مقاومتی، جوشکاری لیزر و “جوشکاری حالت جامد” نظیر جوشکاری التراسونیک، جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، تقسیم‌بندی می‌شود.
در جوشکاری ذوبی به دلیل افزایش دمای محل جوش به بالای دمای ذوب، ماده ذوب می‌شود که در اثر آن ممکن است انواع عیوب درون محل جوش و اطراف آن (ناحیه متاثر از حرارت) ایجاد شود. از عیوب ایجاد شده در فرایندهای ذوبی می‌توان به ایجاد تخلخل، حفرات و ترک گرم درون حوضچه مذاب، افزایش ضخامت لایه ترکیبات بین فلزی در فصل مشترک اتصال، نرم شدگی منطقه متاثر از حرارت اشاره کرد. همچنین فرایندهای ذوبی برای جوشکاری فلزاتی مانند آلومینیوم و مس که ضریب انتقال حرارت بالا، مقاومت الکتریکی کم و سطح براقی دارند مناسب نیستند. چرا که عامل اصلی اتصال در فرایند مقاومتی، مقدار مقاومت الکتریکی ماده می‌باشد. همچنین در فرایند لیزر علاوه بر ضریب انتقال حرارت، براق بودن سطح نیز موجب بازتاب اشعه‌ی لیزر و برخورد آن با تفنگ جوش لیزر شده که می‌تواند به دستگاه آسیب برساند. همچنین این بازتاب انرژی از سطح قطعه کار موجب اتلاف شدید حرارتی می‌شود. فرایند جوشکاری التراسونیک می‌تواند ضخامتهای مختلفی از فلزات (آلومینیوم، مس، برنج، تیتانیوم، فولاد، نیکل و …) را تا سقف حداکثر ضخامت 3 میلیمتر به هم اتصال دهد. در این فرایند به دلیل اتصال به روش حالت جامد، هیچ ذوبی اتفاق نمی‌افتد. پس هیچ یک از عیوب یک اتصال ذوبی را نخواهد داشت. از طرفی برای تولید 1000 ژول انرژی در فرایند التراسونیک به 3/0 کیلووات توان نیاز است در حالی که در جوشکاری مقاومتی 20 کیلووات و در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی به 2 کیلووات توان نیاز است. پس نسبت به دیگر فرایندها چه ذوبی و چه حالت جامد بهینه‌تر می‌باشد.
فرآیند جوشکاری التراسونیک فلزات USMW
جوشکاری فراصوت فلزات Ultrasonic metal welding (USMW) بیش از نیم قرن است که اختراع شده و پس از آن سال‌های زیادی است که در صنعت مورد استفاده قرار گرفته است. جوشکاری فراصوت فلزات یک فرایند حالت جامد است که بوسیله‌ی اعمال نیروی نرمال و برشی انجام می‌شود. در واقع نیروی برشی حاصل از اعمال ارتعاشات فراصوت به محل اتصال بوده و اعمال نیروی نرمال و برشی موجب ایجاد تنش‌های فصل مشترکی دینامیکی در فصل‌مشترک اتصال می‌شود. این تنش‌ها باعث ترک خوردن و شکستن لایه‌های ترد اکسیدی در فصل مشترک اتصال شده و در اثر تغییر فرم پلاستیک ناشی از نوسانات سطح نازکی از فلز با اکسیدهای فلزی درهم آمیخته می‌شوند و بازهم اندازه‌ی ذرات اکسیدی را ریزتر می‌کند. در این مرحله از اتصال، در برخی نواحی پیوندی میان فصل‌مشترک‌ها صورت نگرفته و خط جدایش فصل‌مشترک‌ها مشاهده می‌شود. در ادامه‌ی فرایند منطقه‌ی ایجادشده در گام اول جوشکاری به کمک تغییرشکل پلاستیک و پدیده‌ی نفوذ گسترش می‌یابد. تغییرفرم پلاستیک باعث فشردگی بیشتر فلز نرم شده، و تزریق شدن آن به حفرات و مناطق خالی می‌شود. در ادامه نیز تکرار این مراحل موجب ایجاد یک اتصال با خواص مکانیکی و فیزیکی مناسب می‌شود.
شماتیک منطقه اتصال در جوش فراصوت
طبق بررسی‌های انجام شده فرایند جوشکاری فراصوت فلزات می‌تواند شامل تغییر شکل پلاستیک، کارسختی، شکستن لایه‌ی ناخالصی و آلودگی، ایجاد و رشد ترک، تولید حرارت با تغییر فرم پلاستیک و اصطکاک، تبلور مجدد ساختار و نفوذ داخلی باشد.
تحول در صنعت باتری سازی با جوشکاری التراسونیک
جوامع امروزی به دلیل گرانی و کم شدن منابع سوخت‌های فسیلی و آلودگی بیش از حد منابع زیست محیطی به سمت استفاده از انرژی‌های پاک و با آلودگی کمتر حرکت می‌کنند. طبق آمارهای بدست آمده در آمریکا مصرف 68 درصد از فرآورده‌های نفتی در بخش حمل و نقل بوده و همچنین 78-36 درصد آلودگی های زیست محیطی توسط همین بخش تولید می‌شود. همچنین 28 درصد از گازهای گلخانه‌ای و 34 درصد گاز دی‌اکسید کربن مربوط به بخش حمل و نقل می‌باشد. با این وجود لازم است یک منبع انرژی جایگزین که عاری از آلودگی‌های زیست محیطی است، برای وسایل نقلیه استفاده شود. شرکت جنرال موتور در سال 1996 میلادی، اولین وسیله نقلیه الکتریکی را ساخت و درحال حاضر باتری‌های لیتیوم-یونی به صورت گسترده به عنوان منبع انرژی در ماشین‌های الکتریکی (Electric vehicle) ، ماشین‌های هیبریدی (Hybrid electric vehicle) و ماشین‌های هیبریدی پلاگین (Plug-in hybrid electric vehicle) مورد استفاده قرار می‌گیرد. در ماشین‌های الکتریکی از باتری به عنوان یک منبع انرژی اولیه برای راه‌اندازی ابتدایی سیستم به جای سوخت احتراقی استفاده می‌شود. در ماشین‌های هیبریدی از نیروی الکتریکی برای بهینه کردن مصرف سوخت استفاده می‌شود و تفاوت آن با ماشین‌های هیبریدی پلاگینی در قابل شارژ بودن باتری آنها است.
باتری‌های لیتیوم-یونی از تعداد زیادی سلول تشکیل شده است که هر کدام دارای ولتاژ کاری 4 ولت میباشند، از اتصال این سلول‌ها یک واحد تشکیل دهنده باتری ایجاد می‌شود و با اتصال چندین واحد یک باتری ساخته می‌شود. باتری‌ها پس از نصب درون خودرو، به هنگام رانندگی تحت لرزش، تغییرات بار الکتریکی و نوسانات دمایی قرار می‌گیرند و از این رو اتصالات به کار رفته باید دارای استحکام کافی، مقاومت الکتریکی کم، استحکام خستگی مناسب و مقاومت خوردگی خوبی باشند. چنانچه تنها یک اتصال به کار رفته درون باتری جدا شود می‌تواند سبب از کار افتادگی باتری شود، پس باید فرایندی برای جوشکاری باتری ها مورد استفاده قرارگیرد که کاملا مورد اطمینان و دارای تکرارپذیری باشد.
جوشکاری آلومینیوم و مس
فلزات آلومینیوم و مس به خاطر مقاومت الکتریکی کم، هدایت حرارتی و الکتریکی بالا و قیمت مناسب به طور گستردهای در باتری‌های لیتیوم-یونی مورد استفاده قرار می‌گیرند. معمولا برای جوشکاری این دو فلز از فرایندهای جوشکاری نقطهای مقاومتی، جوشکاری نقطهای لیزر و جوشکاری نقطهای فراصوت استفاده می‌شود.
برتری جوشکاری التراسونیک بر فرآیندهای جوشکاری ذوبی
جوشکاری مقاومتی (Resistance spot welding) یک فرایند حرارتی-الکتریکی (Thermo-electrical) است بر پایهی مقاومت الکتریکی فصل مشترکها طراحی شدهاست، از اینرو این فرایند برای مواد با ضریب انتقال حرارت بالا مناسب نمیباشد. جوشکاری لیزر با وجود سرعت بالای فرایند و قابلیت کنترل مناسب حرارت ورودی، برای اتصال موادی با ضریب انتقال حرارتی بالا نیاز به تمرکز حرارتی بسیار بالایی خواهد داشت و همچنین در فلزات با سطح براق، مقدار تلفات حرارتی این فرایند بالا میرود. فرایند جوشکاری فراصوت یک فرایند حالت جامد بوده که می‌توان برای فلزات با ضخامتهای کم و ضریب انتقال حرارتی و الکتریکی بالا بدون آسیب دیدن خواص فیزیکی و مکانیکی در محل جوش، مورد استفاده قرار گیرد.
برتری جوشکاری التراسونیک بر سایر فرآیندهای جوشکاری حالت جامد
در مقایسه‌ی جوش‌های نقطهای حالت‌جامد، فرایند جوشکاری اصطکاکی‌اغتشاشی نسبت به جوشکاری فراصوت دارای مصرف انرژی بیشتر، زمان جوشکاری طولانی‌تر و کاهش ضخامت ورق، بدلیل فرو رفتن پین درون ورق رویین می‌باشد. همچنین فرایند فراصوت نیاز به انرژی و زمان کمتری برای جوشکاری دارد و مشکل اعوجاج و کشیدگی در جوش را ندارد. حین جوشکاری آلیاژهای آلومینیوم، انرژی مورد استفاده در فرایند فراصوت 3/0 کیلووات برای تولید 1000 ژول انرژی است درحالی که برای تولید همان مقدار انرژی در فرایند اصطکاکی‌اغتشاشی باید 2 کیلووات و در فرایند جوشکاری مقاومتی 20 کیلووات توان مورد نیاز است. همچنین در چندین پژوهش، اعلام شده که استحکام حاصل از اتصال بدست آمده از روش فراصوت بیشتر از استحکام اتصال به روش اصطکاکی‌اغتشاشی می‌باشد.