page contents
صدر عن المركز العلمي للترجمةمبادئ فيزيائية

كيف تعمل تقنية اللحام بالأمواج فوق الصوتية ultrasonic welding

كيف تعمل تقنية اللحام بالأمواج فوق الصوتية ultrasonic welding

تهشم زجاج قاعة موسيقية تحت تأثير صوت مطربة في أحد القاعات عندما اختتمت مقطوعتها الفنية بنغمة حادة وقوية حدث هذا في العام 1982. منذ ذلك الوقت بدأ العلماء بالتفكير في قوة الامواج الصوتية ذات الترددات العالية والتي يمكنها ان تكسر المواد وتفككها. وقد استخدمت الامواج فوق الصوتية في التصوير الطبي والكشف عن المواد في اعماق الأرض وفي اجهزة الرادار في اعماق البحار والمحيطات وفي رفع الاجسام وغيرها.

هل يمكن ان تتخيل ان قوة الامواج الصوتية التي تحطم الزجاج وتكسر المواد يمكن ان تستخدم ايضا في لصق المواد ولحمها مع بعضها البعض؟ هذه تقنية تسمى اللحام بالأمواج فوق الصوتية (الامواج الفوق صوتية هي امواج صوتية بترددات عالية لا تسمعها اذن الانسان) وتستخدم الان في العديد من الصناعات لتجميع المواد والمنتجات مع بعضها البعض. وتتنوع تطبيقات اللحام بالأمواج فوق الصوتية من الاجهزة الطبية وحتى الاحذية الرياضية والسيارات.

هل فكرت يوما كيف تم وضع القطعة البلاستيكية التي تعكس شعار موديل السيارة على مفتاح سيارتك؟ انها تمت باستخدام اللحام بالأمواج فوق الصوتية كما هو موضح في هذا المقطع.

في العادة نقوم بربط المواد المختلفة وتثبيتها باستخدام المسامير او البراغي او الخياطة. وهذه الطرق مناسبة جدا للحديد والخشب والبلاستيك. كما يستخدم الصمغ مع البلاستيك في كثير من الاحيان حيث يشكل الصمغ روابط كيميائية بين سطح الصمغ وسطح المواد البلاستيكية. يمكن تثبيت الحديد مع بعضه البعض بتسخين معدن اخر ليكون مادة رابطة مثل استخدام لحام القصدير في الوصلات الكهربية. كما يمكن صهر المعدنين مع بعضهما البعض مباشرة في عملية تعرف باسم اللحام، وبمجرد ان يبرد سطح المعدن فانهما يرتبطان مع بعضهما البعض. تتطلب عملية اللحام لهب او مصدر حراري للوصول إلى درجات حرارة عالية لإذابة سطح المعدنين مع بعضهما البعض. وهذا قد تكون عملية مكلفة وخطرة في نفس الوقت للعاملين بها.

في مطلع الاربعينيات من القرن العشرين اكتشفت طريقة لحام جديدة واكثر فعالية تعرف بطريقة اللحام بالأمواج فوق الصوتية تستخدم امواج صوتية عند ترددات عالية تربط المعادن مع بعضها البعض بقوة وتطلب طاقة اقل من طرق اللحام التقليدية. تطورت تقنية اللحام بالأمواج فوق الصوتية الخمسينات من القرن العشرين حيث تم التحكم في عملية اللحام للدوائر الالكترونية باستخدام الكمبيوتر. منذ ذلك الوقت تطورت هذه التقنية واستخدمت ايضا في لحام البلاستيك وانتشرت بشكل كبير.

 في هذا المقال من كيف تعمل الاشياء سوف نقوم بشرح المعدات المستخدمة في اللحام بالأمواج فوق الصوتية ultrasonic welding والتعرف على العملية الفيزيائية، والتعرف على مزايا وعيوب هذه التقنية. في البداية دعونا نلقى نظرة عن قرب على تأثير الامواج الصوتية على المواد وكيف تقوم بلحم المواد المعدنية والبلاستيكية معا.

اللحام بالأمواج الفوق صوتية والاحتكاك

كيف تعمل تقنية اللحام بالأمواج فوق الصوتية ultrasonic welding
مخطط يوضح آلية اللحام بالأمواج فوق الصوتية

قم بحك يديك مع بعضها البعض بسرعة ماذا تلاحظ؟ تجد انها تسخن! استخدم مطرقة للطرق على سطح معدني بسرعة وبشكل متكرر سوف تجد ان المنطقة التي تعرضت للطرق قد ارتفعت درجة حرارتها. في كلا هذين المثالين نجد ان الاحتكاك قد ادى إلى ارتفاع درجة الحرارة. الان تخيل انك زدت سرعة حك يديك او الطرق بالمطرقة لدرجة وصلت إلى الاف المرات في الثانية الواحدة. ستجد ان ارتفاع درجة الحرارة قد ازداد بشكل كبير وفي فترة زمنية قصيرة. ببساطة فان الترددات العالية للأمواج الصوتية والتي تعرف باسم الامواج فوق الصوتية أو الالتراساوند ultrasound تتسبب في اهتزازات سريعة جدا داخل المادة التي نريد لحامها. تؤدي هذه الاهتزازات إلى حك المادتين مقابل بعضهما البعض ويعمل الاحتكاك على رفع درجة حرارة الاسطح المتصلة. الحرارة الناتجة عن الاحتكاك السريع هي التي تتسبب في لحم المواد مع بعضها البعض.

مكونات اللحام بالأمواج فوق الصوتية

يمكن ان نقسم معدات اللحام بالأمواج فوق الصوتية إلى اربعة اجزاء رئيسية. محول مصدر التغذية الكهربية الذي يعمل على تحويل تردد الكهرباء المنخفض (50-60 Hz) إلى كهرباء بتردد عالي في حدود 20-40kHz. يأتي بعد ذلك الترانسديوسر transducer او المحول الذي يقوم بتحويل الكهرباء ذات التردد العالي إلى امواج فوق صوتية (التراساوند ultrasound). والجزء الثالث هو مضخم الاشارة booster الذي يعمل على تقوية الامواج فوق الصوتية. والجزء الاخير هو البوق ويعرف باسم sonotrode الذي يعمل على تركيز الاهتزازات فوق الصوتية ويوجهها إلى المواد المراد لحمها. بجانب هذه الاجزاء الاربعة الرئيسية يوجد السندان الذي توضع عليه المواد المراد لحمها مع بعضها البعض. كما يوجد بعض الطرق المستخدمة لتسليط قوة على الاجزاء المراد لحمها لجعلها ثابتة لا تتحرك اثناء عملية اللحام وفي اغلب الاحيان يستخدم هواء مضغوط.

اين تستخدم هذه تقنية اللحام بالأمواج فوق الصوتية؟

اللحام بالأمواج فوق الصوتية تقنية ذكية وتستخدم بشكل واسع في المواد البلاستيكية المستخدمة في صناعة الاجهزة الالكترونية، والاجهزة الطبية واجزاء السيارات. على سبيل المثال تستخدم تقنية اللحام بالأمواج فوق الصوتية في الوصلات الكهربية على لوحات دوائر الكمبيوتر وفي تجميع الاجزاء الالكترونية مثل المحولات والمواتير الكهربية والمكثفات. كما تستخدم في الاجهزة الطبية بمختلف انواعها مثل صمامات القلب ومعدات القسطرة والفلاتر واقنعة الوجه. كما تستخدمها مصانع التغليف.

خطوات اللحام بالأمواج فوق الصوتية

سوف نلخص العملية الاساسية للحام بالامواج فوق الصوتية من خلال الخطوات التالية:

  1. توضع الاجزاء المراد لحمها على السندان
  2. يثبت البوق على الاجزاء المراد لحمها
  3. يطبق ضغط على البوق للحفاظ على الاجزاء ثابتة لا تتحرك
  4. يوجه البوق الامواج فوق الصوتية لتسخين المواد. تتحرك الاهتزازات في مسافة لا تتجاوز المليمتر اما للأعلى والاسفل او على الجانبين.
  5. تلتحم المواد مع بعضها البعض

يتم التحكم في مرات اللحام والضغط المطبق ودرجات الحرارة بواسطة كمبيوتر داخل جهاز اللحام. وما يحدث اثناء عملية اللحام يعتمد على طبيعة المواد. في حالة المعادن فان الاهتزازات فوق الصوتية تكون موازية لأسطح المواد. تعمل حرارة الاحتكاك على رفع درجات حرارة اسطح المعدنين لحوالي ثلث درجة الانصهار لكنها لا تقوم باذابة المعدن. عوضا عن صهر المعدنين تعمل الحرارة على ازالة طبقة رقيقة من اكسيد المعدن عن سطحه. هذا يسمح لذرات المعدن ان تتحرك بين السطحين لتشكل رابطة تثبت المعدنين وتلحمهما مع بعضهما البعض.

كيف تعمل تقنية اللحام بالأمواج فوق الصوتية ultrasonic welding
مخطط يوضح عملية اللحام بالأمواج فوق الصوتية

 

 اما في حالة المواد البلاستيكية تكون الاهتزازات فوق الصوتية عمودية على مستوى سطح المواد وتعمل حرارة الاحتكاك على زيادة درجة حرارة بما فيه الكفاية لإذابة البلاستيك. تندمج جزيئات البلاستيك مع بعضها البعض وتشكل رابطة تلحم المادتين معا. مع التبريد نحصل على أسطح بلاستيكية ملتحمة مع بعضها البعض. يمكن ان يتغير زمن اللحام لكن في المجمل تتطلب العملية زمنا قد يصل إلى 0.25 ثانية في بعض الاحيان.

كيف تعمل تقنية اللحام بالأمواج فوق الصوتية ultrasonic welding
تم تجميع المواد في الجزء العلوي لهذا الحذاء الرياضي باستخدام اللحام بالأمواج فوق الصوتية وليس بالخياطة التقليدية.

من العوامل التي يمكن التحكم فيها في عملية اللحام بالأمواج فوق الصوتية هي تردد الامواج فوق الصوتية والتي تكون في المدى من 20 إلى 40 كيلو هيرتز، وكذلك الضغط المطبق لتثبيت المواد مع بعضها البعض، وزمن تطبيق الامواج فوق الصوتية من اجزاء من الثانية إلى أكثر من ثانية.

تعتبر تقنية اللحام بالأمواج فوق الصوتية حتى الان مناسبة للمواد المعدنية والبلاستيكية وما شابهها.

مزايا وعيوب تقنية اللحام بالأمواج فوق الصوتية

  • لتقنية اللحام بالامواج فوق الصوتية العديد من المزايا بالمقارنة مع الطرق التقليدية للحام. حيث ان هذه التقنية تعمل عند درجات حرارة منخفضة نسبيا وهذا يجعلها اقتصادية أكثر بالمقارنة مع الطرق الاخرى التي تتطلب وقود لتوفير الطاقة اللازمة للوصول إلى درجات حرارة عالية.
  • تحدث عملية اللحام في جزء من الثانية وقد تصل إلى ثانية واحدة، لذا فهي تتم بسرعة كبيرة بالمقارنة بالطرق الاخرى.
  • لا تتطلب عملية اللحام بالأمواج فوق الصوتية وجود لهب للتسخين لهذا فيه اكثر امنا حيث لا يتعرض العاملون إلى اللهب والغازات او المحاليل السامة.
  • من العيوب القليلة لهذه التقنية هو ان عمق اللحام لا يتجاوز المليمتر لذا فان هذه التقنية تستخدم بشكل كبير في المواد الرقيقة مثل البلاستيك والاسلاك والاسطح المعدنية الرقيقة. كما ان هذه التقنية تعتبر غير مناسبة للحام المواد المتشابهة مثل البلاستيك مع البلاستيك او المعدن مع المعدن لذا فإنها تستخدم بشكل واسع في لحام المواد المختلفة مع بعضها البعض ولهذا تستخدم طبقة وسط بين المواد المتشابهة للتغلب على هذا الامر.

بالرغم من هذه العيوب البسيطة فان شعبية وانتشار اللحام بالأمواج الفوق صوتية يزدهر ويستخدم في الكثير من التطبيقات.

بعض تطبيقات اللحام بالأمواج فوق الصوتية

مزيد من المقالات حول الامواج فوق الصوتية وتطبيقاتها

كيف تعمل اجهزة التصوير بالامواج فوق الصوتية

كيف يعمل الرادار

كيف ترفع الامواج الصوتية الاجسام

تعليقات

تعليقات

الوسوم

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر - غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي | ومركز الترجمة العلمي | وقناة الفيزياء التعليمي على اليوتيوب | ورئيس تحرير مجلة الفيزياء العصرية | Email skhazem@gmail.com

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

إغلاق