ما هو اللحام بالموجات فوق الصوتية؟

مرجع

اللحام بالموجات فوق الصوتية (USW) عبارة عن عملية لحام في الحالة الصلبة حيث يتم ربط مكونين من خلال تطبيق ضغوط القص التذبذبية عالية التردد أثناء وجود قوة تثبيت متواضعة. هذا الإجراء، الذي يتم استخدامه بشكل متكرر في اللحام اللفة (كما هو موضح في الشكل أدناه)، يكسر طبقات الطلاء السطحية ويسمح بالاتصال الوثيق بين المكونات، مما يشكل رابطة معدنية قوية. يتم إنتاج الحرارة عند السطح البيني عن طريق الاحتكاك وتشوه البلاستيك، لكن درجات الحرارة تظل أقل بكثير من نقطة الانصهار، مما يلغي الحاجة إلى حماية الغازات أو التدفقات أو معادن الحشو.

في USW، ينقل sonotrode المتصل بمحول الطاقة بالموجات فوق الصوتية الحركة التذبذبية إلى قطعة العمل العلوية. يحول هذا الجهاز الطاقة الكهربائية إلى حركة اهتزازية عالية التردد، بسعات تتراوح من 0.018 إلى 0.13 ملم (0.0007-0.005 بوصة)، ونطاق تردد يتراوح عادةً بين 15 إلى 75 كيلو هرتز. لا تتشوه الأسطح بشكل كبير من الناحية البلاستيكية نظرًا لأن ضغوط التثبيت المستخدمة أقل بكثير من اللحام البارد. أوقات اللحام عادة ما تكون أقل من ثانية.

يعد النحاس والألمنيوم من المواد الأكثر ليونة التي يعمل عليها اللحام بالموجات فوق الصوتية بشكل أفضل. تؤدي المواد الأكثر صلابة إلى تآكل السونوترودي بسرعة أكبر. أفضل قطع العمل تكون صغيرة الحجم، وعادةً ما يكون سمك اللحام أقل من 3 مم (1/8 بوصة). اللحام غير مطلوب عند استخدام هذه التقنية لإنهاء الأسلاك والربط في قطاعي الكهرباء والإلكترونيات. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدامه في لحام أنابيب الألواح الشمسية إلى الصفائح، وتجميع الأجزاء الصغيرة، وتجميع ألواح صفائح الألمنيوم المعدنية.

عملية اللحام

فيما يلي وصف التشغيل العام لعملية اللحام بالموجات فوق الصوتية:

- تحضير المواد: ضع المكونات البلاستيكية على كومة اللحام الخاصة بالجهاز في تكوين مفصل اللفة.

- إنتاج الكهرباء عالية التردد: يتم تحويل الكهرباء القياسية (50-60 هرتز) إلى كهرباء عالية التردد (20-40 كيلو هرتز) بواسطة المولد.

- التحويل إلى الموجات فوق الصوتية: يتم تضخيم الاهتزازات بواسطة المعزز بعد أن يقوم محول الطاقة بتحويل الكهرباء عالية التردد إلى موجات فوق صوتية.

- اللحام: يتم توجيه الاهتزازات فوق الصوتية إلى الأجزاء المجمعة بواسطة بوق اللحام، المعروف أيضًا باسم سونوترود. يتم استخدام الصحافة من قبل المشغل لتوفير الضغط. يقوم المشغل باستخراج المكونات الملحومة وسحب البوق بعد اللحام.

مكونات ماكينة اللحام بالموجات فوق الصوتية

تتكون آلات اللحام بالموجات فوق الصوتية من أجزاء مختلفة، لكل منها وظيفة محددة. فيما يلي بعض الأجزاء الرئيسية الموجودة في جميع أنواع آلات اللحام بالموجات فوق الصوتية:

مولد كهرباء

يقوم المولد بتحويل الطاقة الكهربائية إلى التردد العالي والجهد المطلوب عند تردد الرنين. يعد المعالج الدقيق الذي يدير دورة اللحام ويتيح الاتصال الأساسي عبر واجهة المستخدم جزءًا منها أيضًا.

آلة الصحافة

تقوم ماكينة الضغط بتأمين مجموعة اللحام وتطبيق القوة اللازمة للحفاظ على المفصل. وهي مجهزة بمقياس ضغط ومنظم، مما يتيح للمشغل ضبط القوة المطبقة على النظام.

كومة اللحام

محول الطاقة، المعزز، وقرن اللحام كلها جزء من كومة اللحام ويتم تثبيتها على المكبس في منتصف المعزز. يتم إنتاج اهتزازات الموجات فوق الصوتية بواسطة هذا التجميع، ومن أجل ضمان طبقات ملحومة ممتازة، يجب أن يتطابق ترددها تقريبًا مع تردد المولد.

محول الطاقة

يقوم محول الطاقة، الذي يشار إليه أحيانًا بالمحول، بتحويل الطاقة الكهربائية ذات التردد العالي إلى اهتزازات ميكانيكية. وهي مكونة من العديد من الأقراص الخزفية الكهرضغطية المحصورة بين كتلتين من التيتانيوم. بالإضافة إلى ذلك، يتم وضع قطب كهربائي رفيع مصنوع من المعدن بين الأقراص الكهرضغطية.

معزز

الداعم له غرضين رئيسيين. يقوم بتوصيل الاهتزازات إلى بوق اللحام بعد تضخيمها من خلال الانكماش والتمدد. كما أنه بمثابة الأساس لمكدس اللحام في مكبس اللحام.

بوق اللحام

ينقل بوق اللحام، المصنوع عادة من الألومنيوم أو التيتانيوم، الاهتزاز إلى الجزء الملحوم. على الرغم من أن الألومنيوم يعمل بشكل جيد في التطبيقات ذات الحجم المنخفض، إلا أنه يتآكل بسرعة. ولمواجهة ذلك، تتضمن غالبية أبواق اللحام أطرافًا صلبة، مما يعمل على تحسين الأداء وطول العمر في ظل الاستخدام المكثف.

أدوات الدعم

تعمل أداة الدعم كأساس للآلة من خلال دعم مكونها السفلي أثناء اللحام. ولتوفير الاستقرار والدقة، يتم تصنيعها لتناسب منحنيات قطع العمل.

معلمات اللحام

اللحام بالموجات فوق الصوتية هو وسيلة فعالة للغاية لربط المواد، عادة المعادن أو البوليمرات، باستخدام اهتزازات عالية التردد. القوة المطبقة بشكل عمودي على اتجاه الاهتزاز، وسعة الاهتزاز، ومدة الاهتزاز هي العوامل التكنولوجية الرئيسية الثلاثة التي تؤثر على فعالية وجودة اللحام بالموجات فوق الصوتية. يعد فهم هذه المتغيرات وإدارتها أمرًا ضروريًا لتحقيق اللحامات المثالية.

مدة الاهتزاز

يُعرف الوقت الذي يتم فيه تطبيق الاهتزازات فوق الصوتية على المواد المراد توصيلها بمدة الاهتزاز أو وقت اللحام. عادة ما يكون هذا الطول أقل من ثانية واحدة بالنسبة لغالبية عمليات اللحام. ومع ذلك، إذا كان اللحام يتطلب المزيد من الطاقة، فيجب رفع طول الاهتزاز مع الحفاظ على نفس القيم للمعلمات الأخرى. تحدد الصيغة التالية الطاقة اللازمة لدورة اللحام:

حيث �� هي الطاقة بالجول، �� هي القدرة بالواط، F هي القوة بالنيوتن، �� هي السعة بالميكرومتر، �� هي التردد بالهرتز، و Δ هي زمن الدورة بالثواني .

سعة الاهتزاز

يتم قياس الامتداد والانكماش الطولي لأداة اللحام من خلال سعة الاهتزازات فوق الصوتية، والتي تتراوح بين 5 و35 ميكرومترًا. هذه سعة مهمة لأنها تطابق مسافة احتكاك سطح اللحام. يستغرق إدخال نفس كمية الطاقة وقتًا أقل عند زيادة السعة لأن هناك حاجة إلى المزيد من الطاقة للحفاظ على استمرار الاهتزاز. يتم تمكين تحديد السعة أو الخطوة، كما يطلق عليه، من خلال أحدث معدات الموجات فوق الصوتية أثناء دورة اللحام. نظرًا لأنه يقوي الرابطة ويتجنب احتجاز الأداة، فإن هذه الطريقة مفيدة جدًا في لحام السبائك مثل الألومنيوم.

القوة المتعامدة مع اتجاه الاهتزاز

العامل الرئيسي في عملية اللحام بالموجات فوق الصوتية هو القوة المطبقة بشكل عمودي على اتجاه الاهتزاز. يتم إنشاء الضغط الميكانيكي المطلوب على منطقة اللحام من خلال هذه القوة، والتي يتم إنتاجها بواسطة أسطوانة هوائية. فيما يلي وصف لمعايير الأداء لإنشاء الاهتزاز وصيانته:

اين_mh هي مساحة المقطع العرضي للأسطوانة الهوائية بالمتر المربع، ص_ℓ​ هو ضغط الهواء المضغوط بالباسكال، و η هي الكفاءة الميكانيكية. مع زيادة الضغط، يزداد الحمل الميكانيكي، مما يتطلب المزيد من الطاقة للحفاظ على الاهتزاز.

متغيرات العملية

في اللحام النقطي بالموجات فوق الصوتية، تنتقل الحركة المتذبذبة من الإدخالات المتداخلة إلى المواد الأرق (تتراوح من 0.005 إلى 3 مم). يعمل السونوترويد، الذي يطبق القوة لضغط القطع، على إنشاء رابطة ملحومة تهتز مع قطعة العمل. من الأهمية بمكان أن تكون هناك حركة نسبية بين قطع العمل، وليس بين السونوترويد وقطعة العمل العلوية. يمكن لهذه الطريقة توصيل صفائح أو أسلاك ذات جودة مواد مختلفة. ينتج اللحام بالموجات فوق الصوتية، وهو شكل من أشكال اللحام النقطي المستمر، وصلات ملحومة بين صفائح رقيقة متداخلة موضوعة بين السونوترويد والسندان. أثناء العملية، توفر ثلاث وحدات اهتزاز حركة متناوبة حول محور السونوترويد الأنبوبي، وتشكل خطًا من الحجم والشكل المتناسقين مع سطحه الأمامي الأنبوبي.

أنواع اللحام بالموجات فوق الصوتية

يتم في كثير من الأحيان ربط كل من المعادن والبوليمرات، التي لها توافقات مختلفة مع المواد، عن طريق اللحام بالموجات فوق الصوتية.

لحام البلاستيك بالموجات فوق الصوتية: بالنسبة للمواد البلاستيكية الحرارية مثل البوليستر، وABS، والبولي كربونات، فإن لحام البلاستيك بالموجات فوق الصوتية هو أفضل طريقة. يجب أخذ خصائص مثل الصلابة ومحتوى الرطوبة في الاعتبار. لكنها ليست مناسبة للبوليمرات البلاستيكية مثل البولي أميد والبولي فينيل كلوريد.

لحام المعادن بالموجات فوق الصوتية: هذه التقنية فعالة لربط المعادن، بما في ذلك السبائك المصنوعة من النحاس والفضة والنحاس والنيكل والذهب والألمنيوم. تعمل هذه الطريقة بشكل أفضل مع المعادن الرقيقة ذات القطر الصغير، مما يجعلها مثالية للاستخدامات الحساسة.

مزايا اللحام بالموجات فوق الصوتية

لأن اللحام بالموجات فوق الصوتية يستخدم تقنيات التسخين غير المباشرة، فإنه يحسن المظهر الجمالي دون التضحية بالوظيفة، مما يميزه عن لحام الصفائح المعدنية التقليدية وطرق غير اللحام. وهذه هي فوائدها الرئيسية:

السرعة: تعمل اهتزازات الموجات فوق الصوتية عالية التردد الناتجة عن اللحام بالموجات فوق الصوتية على لحام القطع المناسبة بسرعة، مما يضمن عملية إنتاج سريعة. فترات زمنية قصيرة وإنتاجية عالية هي نتائج ذلك.

مستوى عالٍ من الأمان: يتم إنشاء مخاطر تشغيلية أقل من خلال تطبيق الحرارة غير المباشرة. يتم حماية الوصلات الملحومة والمواد المحيطة بها من التلف عن طريق التبديد الموضعي والسريع للحرارة المتولدة.

الموثوقية: الآلة يمكن الاعتماد عليها ولديها عدد قليل من الأعطال والفشل. تعمل الأتمتة أيضًا على تقليل الأخطاء التشغيلية والبشرية، وتوفير نفقات التشغيل، وتحسين جودة الوصلات الملحومة.

مناسبة للمواد المتباينة: جانب آخر مهم من اللحام البلاستيكي هو أن هذا الإجراء يعمل بشكل جيد لربط المواد المتباينة معًا. عند ربط مواد بلاستيكية مختلفة، لا يحتاج اللحام بالموجات فوق الصوتية إلى تطوير روابط جزيئية، على عكس تقنيات اللحام البلاستيكية الأخرى.

عيوب اللحام بالموجات فوق الصوتية

هناك عدد من العيوب في اللحام بالموجات فوق الصوتية. فهي غير مناسبة للبلاستيك الصلب الذي يحتوي على الرطوبة، في البداية. تواجه هذه الطريقة مشاكل مع البلاستيك الحراري الذي يحتوي على نسبة عالية من الرطوبة والبوليمرات القوية مثل البولي بروبلين. وعلاوة على ذلك، فإن النطاق المحدود للمحول الذي يتراوح بين 100 و150 مم يعني أنه غير قادر على لحام قطع ذات وصلات أكبر من 150 مم. ويشكل حجم القطعة قيدًا آخر. وحقيقة أن صهر المواد السميكة يتطلب قدرًا كبيرًا من الطاقة يجعلها مزعجة أيضًا.

إن التكلفة الأولية الباهظة هي عيب رئيسي آخر. بالنسبة للمؤسسات، تتطلب معدات اللحام بالموجات فوق الصوتية استثمارًا ماليًا كبيرًا بسبب تكلفتها العالية، والتي ترتفع مع التشغيل الآلي. بالإضافة إلى ذلك، تقتصر هذه الطريقة على الوصلات المتداخلة، والتي تتكون من أقسام تتداخل مع بعضها البعض على سطح مستوٍ. لا ينبغي لأنواع الوصلات الأخرى، مثل الوصلات الزاوية، والوصلات الطرفية، والوصلات الثلاثية، والوصلات الحافة، أن تستخدمها. عند اختيار ما إذا كانت اللحام بالموجات فوق الصوتية هي أفضل تقنية لتطبيقك، ضع في اعتبارك أن هذه العيوب تحد من تنوعها مقارنة بتقنيات اللحام الأخرى.

تطبيقات اللحام بالموجات فوق الصوتية

اللحام بالموجات فوق الصوتية هو تقنية قيمة تستخدم في مجموعة واسعة من الصناعات، وخاصة في تصنيع السلع الاستهلاكية والصناعية. يتم استخدامها لصنع اللوازم الطبية الحيوية مثل مرشحات التخدير ومرشحات الدم والغاز وأقنعة الوجه. هذه الطريقة مثالية للأجهزة الطبية لأنها تضمن وصلات منخفضة التكلفة وعالية الجودة في الأجزاء المكونة من بوليمرات طبية مختلفة، مثل ABS والبولي إيثيلين.

لإنشاء مكونات مثل لوحات العدادات، وألواح الأبواب، وعجلات القيادة، تستخدم صناعة السيارات اللحام بالموجات فوق الصوتية لصهر البلاستيك. بالإضافة إلى انخفاض تكاليفها الرأسمالية، والأتمتة، وأوقات الدورة السريعة، والمرونة، فإن العملية مفضلة لأنها تستخدم الحرارة غير المباشرة، والتي لا تسبب ضررا لقطعة العمل.

ونظرًا لدقته وسرعته ومفاصله عالية الجودة، فإن اللحام بالموجات فوق الصوتية يساعد أيضًا قطاع الطائرات.

وبنفس الطريقة، يستخدم قطاع الإلكترونيات اللحام بالموجات فوق الصوتية لربط الأسلاك وتجميع المحركات الكهربائية والمكثفات ووسائط التخزين والدوائر الدقيقة. نظرًا لدقته وموثوقيته، فهو مثالي لإنشاء مكونات كهربائية صغيرة ومعقدة.

مراجع حسابات

Groover، MP، 2010. أساسيات التصنيع الحديث: المواد والعمليات والأنظمة. الطبعة الرابعة. هوبوكين، نيوجيرسي: شركة John Wiley & Sons, Inc.