بخشی از مقاله
چکیده
جوشکاري پلیمر هاي ترموپلاستیک به کمک لیزر شامل فرایندهاي ترمودینامیکی است، لذا ارائه یک الگو براي توصیف انتقال حرارت در این تکنیک، لازم خواهد بود. در این مقاله یک الگوي تئوري ساده براي توصیف پخش گرما در اتصال رویهم فیلم هاي ترموپلاستیک داده شده است. سپس معادله رسانش گرما به کمک رهیافت تابع گرین ، حل شده است. در نهایت توزیع گرما بر حسب پارامترهاي موثر بر روي آن که بر اساس این الگو پیش بینی شده اند ، براي جوشکاري رویهم - overlap - دو نمونه پلیمر پر کاربرد ، یعنی پلی اتیلن با چگالی بالا و پلی پروپیلن با ضخامت بین 10 تا 100 میکرومتر، بدست آمده است.
مقدمه
بر اساس پژوهشهاي به عمل آمده تا کنون در جهان بیش از پانزده روش مختلف ، براي اتصال و جوشکاري پلیمرهاي ترموپلاستیک ابداع و در زمینه هاي گوناگون به کار گرفته شده است. با این
وجود در کشور ما تا به امروز فقط تعداد محدودي از این روشها مورد استفاده قرار گرفته اند که مهمترین آنها عبارتند از: جوشکاري با گاز داغ ، جوشکاري اولتراسونیک ، جوشکاري با صفحات گرم وغیره.[1] کاربرد لیزر در اتصال پلیمرها به همدیگر از سال1972 میلادي توسط رافلر و همکارانش مورد بررسی فرار گرفت و پس از آن پژوهش هاي متعددي در زمینه رفع محدودیت ها و شناخت مزایاي این روش و کاربرد هاي مختلف آن صورت گرفته است.[2] در سال هاي اولیه ابداع این روش عمدتا از لیزر CO2 و از روش اتصال لب به لب - Butt Welding - جهت اتصال پلیمرها استفاده می شد. در این روش دو قطعه را تحت فشار در تماس با هم قرار می دهند. سپس پرتو لیزر از بالا و به طور عمودي بر روي محل تماس تابیده و در سرتاسر تماسطولناحیه با سرعت معین و یکنواخت حرکت می کند. با جذب پرتو لیزر توسط هر دو نمونه، دماي آنها افزایش یافته و سرانجام به دماي ذوب خود می رسند. هنگامی که ضخامت لایه ذوب شده در هر دو قطعه به حد کافی رسید ،فشار را افزایش داده و سرانجام پس از سرد شدن محل اتصال ، دطعات اصطلاحا به هم به هم جوش می خورند.[3] اما به دلیل وجود جذب شدید پرتو لیزر CO2 در سطح پلیمرها، این روش کاربرد چندانی نیافته است .
امروزه عمدتا از آرایش دیگري استفاده می شود که روش جوش یا اتصال رویهم نام دارد. در این روش دو نمونه بر روي همدیگر قرار می گیرند و معمولا قطعه بالایی شفاف و قطعه زیرین جاذب پرتو لیزر است. پرتو لیزر پس از گذشتن از لایه شفاف بنا به نوع ماده جاذب، در حجم یا سطح قطعه زیرین جذب می شود و سبب بالا رفتن دماي آن تا حد دماي ذوب می شود. پس از آن حجم لایه مذاب افزایش یافته و با قطعه بالایی تماساثر پیدا می کند. بر رسانش گرما به لایه بالایی اآنکهینلایه نیز ذوب می شود. پس از ضخامت لایه مذاب بین دو قطعه به حداعمالکافی رسید ، با فشار بیشترفاصله - گاف - بین دو قطعه کاملا بسته شده و دو قطعه پس از سرد شدن به هم جوش می خورند.[2]
فرایند، کاربردهاي آن نیز در زمینه هاي گوناگون افزایش یافته است. این روش در طراحی و ساخت وسایل و ادوات بسیار حساس الکترونیکی و الکترواپتیکی و صنایع هوافضا جایگاه ویژه اي را به خود اختصاص داده است.[4] در این مقاله یک حل تحلیلی براي معادله انتقال حرارت در فرایند جوش لیزري پلیمرها به کمک رهیافت تابع گرین ارائه شده که در بررسی توزیع دما در فرایند جوش لیزري رویهم براي پلیمرهاي پر کاربرد صنعتی مانند PE , PP, HDPE , LDPE با ضخامت کمتر از 100 میکرومتر مناسب است. مقادیر عددي کمیت هاي مورد نیاز در جدول 1 آورده شده است.[5] امروزه با ساخت لیزرهاي گوناگون و شناسایی مواد افزودنی جاذب و ارائه الگوهاي مختلف براي بررسی انتقال حرارت در این
الگوي گرمایی
تکنیک جوشکاري لیزر ي پلیمرهاي ترموپلاستیکشامل فرایندهاي ترمودینامیکی است. لذا ارائه نمودن یک الگو براي انتقال حرارت در این روش لازم و سودمند خواهد بود .[5] میدانیم که انرژي گرمایی در فرایند رسانش گرما پایسته می ماند. اگر چگالی نمونه را با ρ و گرماي ویژه در فشار ثابت را با CP نمایش دهیم ، آنگاه چگالی انرژي گرمایی بر واحد جرم با رابطه
ρ.∫CP dT داده می شود. بر اساس رابطه پایستگی انرژي گرمایی در این فرایند، معادله رسانش گرما به صورت زیر خواهد
