فراصوت تجهیز ایرانیان

هر آنچه از التراسونیک می خواهید…

دستگاه جوش فلز التراسونیک

جوشکاری حالت جامد التراسونیک با خواص مکانیکی و فیزیکی بالاتر، جایگزین بسیار مناسبی برای روش های ذوبی مانند جوشکاری نقطه ای و لیزر می باشد. طبق تحقیقات انجام شده توسط شرکت فراصوت تجهیز ایرانیان خواص حاصل از اتصالات بدست آمده از جوش التراسونیک تا 80% نسبت به جوش های ذوبی افزایش یافته است. همچنین مقالات و پژوهش های روز دنیا نیز این مهم را تایید می کنند و برای کاربردهای مختلف به سمت روش التراسونیک حرکت کرده اند. به طور خلاصه جوشکاری التراسونیک در صنعت الکترونیک، صنایع حرارتی و برودتی و صنعت خودروسازی به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد.

‌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
USMW-Y01
مقطع جوشکاری
100-10 میلیمتر مربع
توان ژنراتور
4-3-2 کیلووات
فرکانس
20 کیلوهرتز
ابعاد دستگاه (سانتی‌متر)
30×40×50
وزن دستگاه
150 کیلوگرم
برق مصرفی
50-60 هرتز / 220 ولت

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.