استفاده از امواج آلتراسونیک در تنش گیری قطعات صنعتی

در ویدئوی زیر چگونگی استفاده از امواج آلتراسونیک در تنش گیری  قطعات صنعتی و برخی از کاربردهای دیگر امواج آلتراسونیک نشان داده شده است.

آنالیز مودال ترانسدیوسر آلتراسونیک در نرم افزار آباکوس

در پست با عنوان مراحل طراحی و ساخت  ترانسدیوسر آلتراسونیک اشاره شد که پس از طراحی یک ترانسدیوسر و قبل از ورود به مرحله ساخت، باید ترانسدیوسر در یک نرم افزار المان محدود آنالیز مودال و آنالیز هارمونیک شود. در این قسمت نتایج آنالیز مودال یک ترانسدیوسر در نرم افزار آباکوس نشان داده شده است. یک ترانسدیوسر می تواند فرکانس های رزونانس مختلفی داشته باشد و در هر یک از این فرکانس ها با mode shape و یا به صورت ساده با شکل های مختلفی نوسان نماید. هدف از طراحی یک ترانسدیوسر این است که فرکانس طراحی یا کاری مد نظر که بعد از ساخت ترانسدیوسر  قرار است توسط ژنراتور به ترانسدیوسر اعمال شود یکی از فرکانس های رزونانس ترانسدیوسر باشد و ترانسدیوسر در این فرکانس در مد ارتعاشی طولی نوسان نماید. یعنی نحوه نوسان و تغییر شکل ترانسدیوسر در این فرکانس به صورت طولی باشد. در ویدیوی زیر نتایج آنالیز مودال یک ترانسدیوسر با جرم جلویی (front mass) از جنس آلیاژ تیتانیوم و جرم عقبی (back mass) از جنس فولاد و پیزوالکتریک از جنس P8 که برای فرکانس کاری 20 کیلوهرتز طراحی شده نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می شود ترانسدیوسر در فرکانس نزدیک به 20 کیلوهرتز دارای مد ارتعاشی طولی است که نشاندهنده درستی طراحی ترانسدیوسراز نظر ابعاد و مشخصات قسمت های مختلف آن است.

خاصیت پیزوالکتریسیته

اصلی ترین قسمت ترانسدیوسر یا مبدل آلتراسونیک، قطعه ای است که می تواند یک نیروی الکتریکی فرکانس بالا را به ارتعاش مکانیکی فرکانس بالا تبدیل کند. مواد دارای خاصیت پیزوالکتریسته این قابلیت را دارند که نیروی الکتریکی را به نیروی مکانیکی تبدیل کنند و امروزه نقش اساسی در ساخت ابزارهای آلتراسونیک دارند. اثر پیزوالکتریسیته در دهه 1880 میلادی توسط برادران کوری کشف شد. آنها کشف کردند که زمانیکه یک نیروی مکانیکی به بعضی از مواد مانند کریستال های کوارتز وارد می شود، این مواد از خود نیروی الکتریکی تولید می کنند.

 

به این پدیده واکنش مستقیم مواد پیزوالکتریسته می گویند. از طرفی این مواد واکنش معکوس نیز دارند. یعنی زمانیکه به این مواد نیروی الکتریکی وارد می شود، این مواد دچار تغییر شکل می شوند و می‌توانند نیروی مکانیکی ایجاد کنند.

اثر پیزوالکتریک در کریستال های طبیعی کوارتز مشاهده شده بودند ولی در دهه 1940 میلادی کشف شد که این اثر در سرامیک های قطبی شده باریوم تیتانات نیز می تواند ایجاد شود. به این صورت که با عبور دادن جریان مستقیم قوی از این کریستال ها و قطبی کردن آنها، این مواد تبدیل به مواد پیزوالکتریک می شوند و با توسعه این مواد، امروزه سرامیک های PZT ( سرب- زیرکونات-تیتانات) نقش اساسی را در توسعه تکنولوژی آلتراسونیک دارند.

برای تعریف دقیق خواص مواد پیزوالکتریک نیاز به کوپل کردن خواص مکانیکی با خواص الکتریکی این مواد می باشد. از طرفی این مواد ایزوتروپیک نیستند.  لذا برای مشخص کردن خواص یک ماده پیزو الکتریک در حالت کلی باید 45 پارامتر یا ضریب مشخص باشند که عبارتند از 21 ضریب الاستیک، 6 ضریب دی الکتریک و 18 ضریب پیزوالکتریک. مواد پیزو الکتریکی که در ساخت ابزارهای آلتراسونیک مورد استفاده قرار می گیرند عموماً دارای تقارن هندسی هستند. این تقارن هندسی تعداد ضرایب مورد نیاز برای تعریف خواص این مواد را به 15 ضریب کاهش می دهد که عبارتند از 10 ضریب الاستیک، 2 ضریب دی الکتریک و 3 ضریب پیزوالکتریک.

برای شبیه سازی عملکرد یک ترانسدیوسر آلتراسونیک در یک نرم افزار المان محدود مثل آباکوس، نیاز به تعریف خواص ماده پیزوالکتریک مورد استفاده در ساخت ترانسدیوسر برای نرم افزار می باشد. خواص کلی مواد پیزوالکتریک در کاتالوگ این مواد توسط شرکت های سازنده وجود دارد ولی تبدیل این اعداد به ماتریس های مورد نیاز نرم افزار آباکوس روابط خاص خود را دارد که این موضوع باید در شبیه سازی مد نظر قرار گیرد. 

هورن آلتراسونیک چیست؟

هورن آلتراسونیک یا سونوترود آلتراسونیک یکی از المان‌های اصلی سیستم‌های آلتراسونیک است که وظیفه انتقال و هدایت ارتعاشات آلتراسونیک را از انتهای بوستر (یا ترنسدیوسر) به محل اجرای فرآیند (جوشکاری، برشکاری، پینینگ، ماشینکاری، دوخت، همگن‌سازی و…) بر عهده دارد. در حین انتقال ارتعاشات، هورن یا همان سونوترود می‌تواند دامنه ارتعاشات آلتراسونیک را نیز تقویت نماید.هورن یا سونوترود آلتراسونیک قطعه ای است که وظیفه هدایت انرژی صوتی (آکوستیکی) به قطعه را به عهده دارد.ارتعاشات جلوی سونوترود به محیط گاز، مایع یا جامد منتقل می‌شود و در هر محیط اثر مخصوص به خود را دارد. 

براساس معیارهای مختلف مانند کاربرد، قیمت تمام شده و ... از جنس‌های متنوعی برای ساخت هورن آلتراسونیک استفاده می‌شود. برای کاربردهای معمولی از آلیاژ آلومینیوم و برای کاربردهای با فشار و سایش زیاد از آلیاژهای تیتانیوم استفاده می‌شود. در برخی از کاربردها که نیاز به استحکام زیاد وجود دارد اما قیمت پایین است از جنس انواع فولاد آلیاژی استفاده می‌شود. سونوترود آلتراسونیک باید از مقاومت خوبی دربرابر سایش برخوردار باشند همچنین باید دارای مقاومت خستگی بالا به دلیل وجود ارتعاشات در سیستم و خواص آکوستیک مناسب باشد.طراحی یک هورن اولتراسونیک فرآیند ساده‌ای نیست، انتخاب درست جنس، بالانس بودن هورن، طراحی برای دامنه مورد نظر و تنظیم آن بر روی یک فرکانس خاص از مواردی است که باید هنگام طراحی در نظر گرفته شود. طراحی نادرست سونوترود آلتراسونیک می‌تواند باعث آسیب به ژنراتور و ترنسدیوسر آلتراسونیک شود.

ترانسدیوسر یا مبدل آلتراسونیک چیست؟

 تارهای صوتی انسان و یا بلندگو یا اسپیکرها و ابزارهایی از این دست توانایی تولید امواج صوتی در محدوده شنوایی انسان را دارند. برای تولید امواج صوتی در محدوده آلتراسونیک نیز نیاز به ابزار مخصوص این کار وجود دارد. درگذشته ابزارهای مختلفی برای تولید امواج آلتراسونیک استفاده شده اند مانند سوت، آژیر و ژنراتورهای الکترودینامیک که اکثر آنها به تاریخ پیوسته اند. امروزه برای تولید امواج آلتراسونیک از ترانسدیوسر یا مبدل استفاده می شود که این مبدل ها توانایی این را دارند که انرژی الکتریکی را به امواج آلتراسونیک تبدیل کنند. ترانسدیوسر های مغناطیسی تا قبل از توسعه سرامیک های پیزوالکتریک نقش اساسی در این حوزه داشتند و امروزه نیز در بعضی از کاربردها مانند تمیزکاری هنوز مورد استفاده قرارمی گیرند. با معرفی سرامیک های باریوم تیتانات (barium titanate ceramics) در اواخر دهه 40 میلادی و متعاقب آن سرامیک های سرب زیرکونات تیتانات  (lead zirconate titanates) و کاربرد وسیع آنها، حوزه عمل آلتراسونیک به شدت به سمت استفاده از ترانسدیوسرهای پیزوالکتریک سوق پیداکرد. 

داستان کشف اثر پیزوالکتریک در کوارتز و سایر مواد توسط برادران کوری در سال 1880 و استفاده از این اثر توسط لانگوین و چیلووسکی در سال 1918 برای تولید پرتو موج صوتی در زیر آب با استفاده از ترانسدیوسرهای ساندویچی مشهور می باشد. استفاده از ژنراتورهای کوارتزی بوسیله وود و لومی در 1927 و دستاوردهای حیرت آورآنها در تحقیق در مورد امواج مافوق صوت نیز معروف می باشد. با وجود این آزمایشات پایه ای که منجر به گسترش سایر کاربردهای آلتراسونیک شد، استفاده از سیستم های بر پایه کوارتز در آن سال ها همواره با دو محدودیت شکنندگی و سایز سرامیک ها مواجه بود.

درپی ساخت اولین سری سرامیک های تیتانات باریوم در سال 1947 و بخصوص پس از معرفی سرامیک های سرب زیرکونات تیتانیوم در دهه 50 ، سرامیک های پیزوالکتریک در بسیاری از کاربردهای آلتراسونیک مورد استفاده قرارگرفتند . اگر چه در حال حاضر سرامیکهای جدید پیزو اکتیو در حال توسعه  هستند  و همچنین از متریال بدون سرب در ساخت سرامیک ها استفاده می شود ولی کلیه ترانسدیوسر های آلتراسونیک در کاربردهای مختلف از یکی از فرم های پیزوالکتریک های تیتانیوم زیرکونات استفاده می کنند.

در شکل زیر یک ترانسدیوسر پیزو الکتریک نشان داده شده است. به این نوع ترانسدیوسر، ترانسدیوسر لانگوین یا ساندویچی نیز گفته می شود.

ترانسدیوسر قلب و قطعه اصلی هر تجهیز آلتراسونیک است. هر ترانسدیوسر پیزوالکتریک از اجزای مختلفی تشکیل شده است که در شکل زیر نشان داده شده است.

همانطور که مشاهده می شود انرژی الکتریکی توسط الکترود های مسی با فرکانس مورد نظر به پیزوالکتریک ها وارد می شود و این پیزوالکتریک ها با داشتن خاصیت پیزوالکتریسته این امواج الکتریکی را تبدیل به نوسان های مکانیکی در همان فرکانس اعمال شده می کنند و این نوسان های مکانیکی با کمک قطعات فلزی جلو و عقب ترانسدیوسر تبدیل به یک موج آلتراسونیک می شود. اینکه برای هر کاربرد خاص چه فرکانسی مورد نیاز است و جنس و ابعاد اجزای مختلف ترانسدیوسر چگونه انتخاب شوند که ترانسدیوسر در فرکانس مورد نیاز به درستی عمل کند چالش اصلی طراحی یک ترانسدیوسر می باشد.