تطبيق مبدأ قطع ولحام الأشرطة بالموجات فوق الصوتية
مبدأ القطع واللحام بالموجات فوق الصوتية
يُعد القطع واللحام بالموجات فوق الصوتية مجالاً فرعياً من تطبيقات الموجات فوق الصوتية في الصناعة، وقد ازداد استخدامه على نطاق واسع نظراً لخصائصه الصديقة للبيئة والفعالة والجمالية.
مبدأ القطع واللحام بالموجات فوق الصوتية
تعتمد عملية قطع ولحام الأشرطة بالموجات فوق الصوتية على اهتزاز ميكانيكي عالي التردد يتراوح بين 20 و40 كيلوهرتز، حيث يتم نقل الطاقة إلى سطح تلامس الشريط عبر رأس اللحام. 1. تحويل الطاقة: يقوم مولد الموجات فوق الصوتية بتحويل الطاقة الكهربائية إلى اهتزاز ميكانيكي عالي التردد، والذي يتم تضخيمه بواسطة محول السعة ثم نقله إلى رأس اللحام. 2. توليد الحرارة الاحتكاكية: يضغط رأس اللحام على الشريط، مما يُحدث احتكاكًا عالي التردد بين الألياف داخل الشريط، مُولِّدًا على الفور درجات حرارة موضعية عالية تتراوح بين 500 و1000 درجة مئوية. 3. اللحام والقطع المتزامنان: تعمل درجة الحرارة العالية على صهر ألياف الشريط (مثل النايلون والبوليستر)، بينما يقوم رأس اللحام بضغط الجزء المنصهر، مُشكِّلًا طبقة لحام قوية. عند استخدام رأس لحام ذي حافة قطع مُخصصة، يُمكن لدرجة الحرارة العالية قطع الشريط في الوقت نفسه، مُحققًا بذلك عملية "القطع + اللحام" المتكاملة. ٤. التبريد والتشكيل: بعد توقف الاهتزاز، يُحافظ على الضغط لمدة تتراوح بين ٠.١ و٠.٥ ثانية، مما يسمح لمنطقة اللحام بالتبريد والتصلب بسرعة، وبذلك تكتمل عملية القطع واللحام. (توفر الأنظمة الهوائية التخميد، كما تضمن التبريد والتشكيل أثناء عملية القطع واللحام).
مكونات نظام القطع واللحام بالموجات فوق الصوتية
يتكون نظام اللحام البلاستيكي بالموجات فوق الصوتية الشائع الاستخدام من ثلاثة مكونات رئيسية: مولد الموجات فوق الصوتية (صندوق كهربائي)، محول طاقة فوق صوتي (مُهتز)، وقالب فوق صوتي (رأس القالب، رأس اللحام، البوق).
مولد الموجات فوق الصوتية (صندوق كهربائي) محولات الطاقة فوق الصوتية (مُهتزات)، قوالب الموجات فوق الصوتية (رؤوس القوالب، رؤوس اللحام، أبواق)
1. مولد الموجات فوق الصوتية (صندوق كهربائي): يحول الطاقة الكهربائية الرئيسية إلى خرج مستقر عالي التردد وعالي الجهد.
2. محول الطاقة فوق الصوتي (المذبذب): جهاز صوتي يحول الطاقة، محولاً الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية.
3. مكبر الصوت: يتم تغيير سعة الاهتزاز الميكانيكي للمحول من خلال نسبة كسب مصممة مسبقًا.
4. القوالب (رؤوس اللحام، الأبواق): مصممة خصيصًا بأبعاد محددة وفقًا لاحتياجات تطبيقات اللحام والقطع، ومصممة بخصائص صوتية لتلبية متطلبات الرنين لنظام الموجات فوق الصوتية. سأستخدم فيما يلي عدة معادلات لشرح ظاهرة ضبط المعلمات في التطبيقات.
الطاقة = السعة × الضغط × الزمن × الثابت K = القدرة × الزمن
تُظهر المعادلات المذكورة أعلاه أنه في عمليات اللحام والقطع، يرتبط كل من سعة الموجة فوق الصوتية (التي يمكن ضبطها على المولد)، والضغط (ضغط الهواء أو عزم دوران الأسطوانة الكهربائية، بالإضافة إلى صلابة الهيكل ومتانته)، وزمن انبعاث الموجة ارتباطًا طرديًا بجودة اللحام والقطع. بعبارة أخرى، إذا لم يتم قطع المنتج بشكل جيد، يمكن تحسين هذه المعايير. هل يعني هذا أنه كلما ارتفعت هذه المعايير كان ذلك أفضل؟ بالطبع لا!
P = K∗A∗f∗δ، حيث P يمثل طاقة اللحام، بالواط؛
ك هو ثابت ترتبط قيمته بمعامل توصيل الصوت وتبديد الطاقة في المادة. وهذا يعني أننا نقول عادةً إن المواد المختلفة تحتاج إلى ضبط دقيق لمعاملاتها لتلبية المتطلبات.
أ تمثل هذه المساحة منطقة قطع اللحام، مقاسة بالمتر المربع (م²). وهي سطح التلامس لقطع اللحام، لذا فإن طول وزاوية حافة القطع هما ما يحددان هذه المساحة عادةً.
و التردد فوق الصوتي هو التردد الذي يُقاس به الصوت، مما يعني نظرياً أن الترددات الأعلى أسهل في اللحام. ومع ذلك، صوتياً، كلما زاد التردد، زادت صعوبة تحقيق سعة كبيرة؛ ووحدته هي هرتز (Hz).
د يمثل هذا المقدار السعة، مقاسة بالمتر (م). نظريًا، تؤدي السعة الأكبر إلى لحام وقطع أفضل. مع ذلك، يرتبط عمر الإجهاد للمواد المعدنية بالتردد، وخواص المادة، والإجهاد، والزمن، والضغط، والصلابة، وبالتالي يتأثر بعوامل أخرى.
ستة عوامل تؤثر على نتائج القطع واللحام بالموجات فوق الصوتية:
الضغط + الوقت + الهيكل الميكانيكي + مواد المنتج + تصحيح الأخطاء
1. ضغط اللحام بالموجات فوق الصوتية
يؤدي تطبيق ضغط مناسب على سطح اللحام إلى تحويل مادة اللحام من الحالة المرنة إلى الحالة اللدنة، ويعزز الانتشار الجزيئي، ويطرد الهواء المتبقي من منطقة اللحام، مما يزيد من كفاءة إحكام سطح اللحام. ولا يتجاوز الضغط عادةً 0.5 ميجا باسكال.
2. وقت اللحام/القطع بالموجات فوق الصوتية (وقت انبعاث الموجة)
يُعدّ وقت الانصهار المناسب ووقت التبريد الكافي عنصرين أساسيين. فمع ثبات كمية الحرارة الناتجة، يؤدي الوقت غير الكافي إلى لحام غير مكتمل، بينما يؤدي الوقت الزائد إلى تشوه اللحام، وتدفق الخبث، وأحيانًا ظهور بقع ساخنة (تغير اللون) في المناطق غير الملحومة. من الضروري التأكد من امتصاص سطح اللحام كمية كافية من الحرارة للوصول إلى حالة انصهار كاملة لضمان الانتشار الجزيئي والانصهار الكافيين. في الوقت نفسه، يُعدّ وقت التبريد الكافي ضروريًا لاكتساب اللحام القوة المطلوبة.
3. سعة الموجات فوق الصوتية
4. الهيكل الميكانيكي
تؤثر دقة واستقرار تصنيع الإطار بشكل مباشر على تأثير اللحام، خاصة بالنسبة لبعض المنتجات الدقيقة، حيث يجب أن يتطابق الهيكل الميكانيكي مع دقة المنتج.
5. مواد المنتج
تؤثر عوامل مثل مادة الأجزاء الملحومة، وهيكلها، وسمكها، ومقاومتها للضغط بشكل مباشر على تأثير اللحام.
6. تصحيح أخطاء المعدات
ختاماً، لتحقيق أفضل نتائج في القطع واللحام بالموجات فوق الصوتية، يُعدّ ضبط المعدات ضمانةً أساسية. ويلعب التوافق المرن وتعديل مختلف المعايير، بالإضافة إلى الضبط الميداني من قِبل المهندسين، دوراً هاماً في ذلك.