اللحام الفوق صوتي للعناصر البلاستيكية

اللحام الفوق صوتي للعناصر البلاستيكية

أولا- التجهيزات و طريقة العمل:
• نظرة عامة:
تستخدم طريقة اللحام الفوق صوتية للحام عناصرالبلاستيك الحراري, حيث تعتمد على استخدام إهتزازات ميكانيكية فوق المدى المسموع. حيث يتم إصدار هذه الإهتزازات بواسطة رأس اللحام أو بوق اللحام, و تكون الغاية منها هي صهر المادة البلاستيكية عند خط اللحام.
يتم ربط العناصر المراد لحامها مع بعضها البعض عن طريق تطبيق ضغط معين, و تعرّض هذه العناصر إلى الإهتزازات التي يكون ترددها عادة 20 - 40 KHz.
إن جودة عملية اللحام و نجاحها تتوقف على تصميم المعدات المستخدمة, الخواص الميكانيكية للمادة المراد لحامها, و شكل هذه العناصر و الوصلة. إن الزمن في عملية اللحام هذه قصير جدا (عمليا أقل من ثانية واحدة) , و هو ما يعتبر جيدا من أجل الإنتاج الكمي. إن عملية اللحام بالأمواج الفوق صوتية تستخدم في الكثير من التطبيقات العملية من المجموعات الآلية الخفيفة إلى المنتجات الإلكترونية الإستهلاكية, مثل غطاء أجهزة الهاتف النقال.

شكل (1) جهاز اللحام بالأمواج فوق صوتية.
• مكونات أجهزة اللحام فوق صوتية:
تتألف أجهزة اللحام الفوق صوتية من: ضاغط, مولد, محولة, جهاز رافع للإشارة, رأس اللحام أو البوق, مثبتات و أجهزة دعم. و الشكل (2) يوضح أجزاء آلة اللحام.

شكل (2) المخطط الكينيماتيكي لآلة اللحام الفوق صوتية.
1. المولد:
يقوم المولد بتحويل الطاقة الكهربائية أحادية الطور إلى القيم المناسبة من الجهد و التردد و يغذي المحول الذي يعمل على تحويل الطاقة الكهربائية إلى إهتزازات ميكانيكية. تقوم وحدة المعالجة الميكروية بالتحكم بدورة عملية اللحام و تزود العامل بمعلومات عن العملية الجارية ( Feed back) عن طريق شاشة موجودة في اللوحة الأمامية, كما يمكن عن طريقها إدخال بارامترات اللحام المطلوبة.
2. حامل الآلة ( الهيكل):
يتم تصميم الآلة بحيث تؤمن المسك المحكم لمجموعة اللحام أو التثبيت و تطبيق القوة اللازمة لعملية اللحام. حيث تتألف من صفيحة أساسية تتوضع عليها أدلة الآلة و من أسطوانة هوائية لتطبيق القوة اللازمة لعملية اللحام.
كما يوجد في الآلة مقياس معايرة للضغط و منظم لضبط قوة اللحام. يجب ملاحظة أن قوة الضغط اللازمة لتثبيت قطعة معينة على آلة اللحام الفوق صوتي سوف تختلف من آلة لأخرى من أجل نفس القطعة المشغلة. يجب أن تتم موازنة قوة اللحام باستخدام حمل صغير و ذلك عن طريق موازنة قوى اللحام بميكانيزم آخر.
كما تحتوي الآلة على صمام تحكم بالتدفق للسماح بتعديل السرعة عندما يقترب رأس اللحام من المنطقة المراد لحامها.
قدم بعض مصنعي أجهزة اللحام نظام تطبيق قوة كهرومغناطيسي بدلا من الإسطوانة الهوائية التقليدية . وهذا يعطي تحكم أفضل من حيث درجة الإقتراب, كما أنه ذو فعالية كبيرة عند لحام القطع الصغيرة و الحساسة.

3. مجموعة اللحام:
و هي المجموعة التي تزود الآلة بالإهتزازات الميكانيكية الفوق صوتية. و تتالف عادة من ثلاثة أجزاء هي: محولة, جهاز رافع للإشارة, رأس ( بوق) اللحام و الذي يتوضع على حامل المجموعة في النقطة المركزية لجهاز المقوي. إن مجموعة اللحام تشبه إلى حد بعيد جهاز الطنان الموسيقي الذي يصدر الألحان الموسيقية. يجب أن يكون تردد الأمواج الفوق صوتية الصادرة عن المجموعة يوافق تردد الإشارة الكهربائية الصادرة عن المولد ( حتى 30Hz ).
4. المحولة:
و هو يقوم بتحويل الطاقة الكهربائية القادمة من المولد إلى إهتزازات ميكانيكية تستخدم في عملية اللحام. و هي تتألف من عدد من الأقراص الخزفية الكهربائية المضغوطة و التي تتوضع بين كتلتين معدنيتين تكونان عادة من التيتانيوم.
يوجد بين كل من هذه الأقراص صفائح معدنية رقيقة بحيث تشكل أقطاب. عندما يتم تغذية المحولة بالموجة الكهربائية الجيبية عن طريق هذه الأقطاب, تتمدد الأقراص و تتقلص منتجة حركة محورية سعتها العظمى تصل بحدود 15 - 20 µm.
إن هذه المحولات عبارة عن أجهزة حساسة, لذا يجب التعامل معها بعناية حيث أي كسر صغير سوف يؤدي إلى عطب المحولة.
5. جهاز التضخيم ( المقوي):
يقوم المقوي بأداء وظيفتين هما: الوظيفة الأساسية و هي تضخيم الإهتزازات الميكانيكية المنتجة على رأس المحولة و نقلها إلى بوق اللحام, أما الوظيفة الثانية فهي تأمين ربط مجموعة اللحام على هيكل الآلة. الأمواج الفوق صوتية الصادرة عن المحولة تؤدي إلى تمدد و تقلص المقوي. يبين الشكل (3) أحجام أجهزة التضخيم.

الشكل (3) مجال مقويات أجهزة اللحام الفوق صوتية.

إن هذه المضخمات كباقي عناصر مجموعة اللحام عبارة عن أجهزة قابلة للمعايرة, لذا يجب أن يتم ضبطها على تردد معين من أجل تحويل الطاقة الفوق صوتية من المحولة إلى بوق اللحام. و لكي يعمل المضخم بنجاح, يجب أن تكون المادة المصنوعة منه قادرة على إنفاذ ما لا يقل عن نصف طول موجة الأمواج الفوق صوتية, أو أضعاف هذا الطول. عادة يكون نصف طول موجة.
6. بوق اللحام:
و هو العنصر من مجموعة اللحام الذي يطبق الأمواج الفوق صوتية على القطعة المطلوب لحامها. يبين الشكل (4) نموذج عن رأس اللحام. إن تصميم بوق اللحام عامل هام في نجاح عملية اللحام, لذا يوصى بقوة بأن يتم تصنيعه بإشراف شركات متخصصة في اللحام الفوق صوتي.

الشكل (4) بوق اللحام الفوق صوتي.
و هو مثل جهاز التضخيم يمكن معايرته, حيث في معظم التطبيقات يمكن أن يؤدي إلى ربح ميكانيكي. يصنع قرن اللحام عادة من معدن الألمنيوم أو التيتانيوم. تستخدم الرؤوس المصنوعة من الألمنيوم في حالة الإنتاج المنخفض, حيث يكون الإهتراء هو المشكلة الرئيسية التي تواجهنا عند استخدام مثل هذه الرؤوس. بعض رؤوس اللحام يتم تقسية أطرافها لتقليل الإهتراء أثناء عملية اللحام.
يجب أن يكون بوق اللحام قادر على إنفاذ نصف طول موجة الأمواج الفوق صوتية أو أضعافها, هذا يضمن بإمرار غزارة كافية في نهاية قرن اللحام لإحداث التأثير المطلوب. إن الغزارة النموذجية تقع بين 30 - 120 µm .
إن تصميم شكل بوق اللحام في غاية الأهمية من حيث الإجهاد الذي سببه التمدد و التقلص المحوري للبوق, الأمر الذي قد يسبب تصدعه في الحالات التي تتطلب غزارات عالية للأمواج الفوق صوتية. في بعض التطبيقات يصنع البوق بفتحة في الإتجاه المحوري, و بهذا نضمن بأن التدفق الأعظمي للإهتزازات سوف تكون بالإتجاه الطولي.
تنتقل الأمواج الفوق صوتية من رأس البوق إلى العناصر المطلوب لحامها, لذا يصمم رأس البوق بحيث يكون مطابقا لهذه العناصر, و بذلك تنتقل الطاقة العظمى بين بوق اللحام و العناصر الملحومة.

7. أجهزة الدعم و التثبيت:
تقوم قاعدة الآلة بتثبيت المعدات و الأجهزة التي تثبت المشغولات أثناء عملية اللحام. تمنع ميكانيزمات التثبيت القطعة السفلية من الحركة خلال تطبيق الأمواج الفوق صوتية. و هي تصمم في الغالب بحيث تكون مطابقة لبروفيل السطح الخارجي للقطعة.
ثانيا- أشكال القطع الملحومة و بارامترات اللحام:
• مقدمة:
إن أحد أهم العوامل تأثيرا في نجاح عملية اللحام بالأمواج الفوق صوتية هو التصميم الجيد للعناصر المطلوب لحامها, و بشكل خاص شكل السطح الخارجي لهذه العناصر. يوجد العديد من تصاميم وصلات اللحام المحتملة, تتميز كل منها بخواص و ميزات معينة. يعتمد إختيار تصميم الوصلة على العوامل التالية:
1. نوع المادة البلاستيكية و خواصها.
2. الشكل الهندسي للقطعة المراد لحامها.
3. متطلبات عملية اللحام.
4. جمالية القطعة.
إن تصميم وصلة اللحام بالأمواج الفوق صوتية يتطلب في البداية وجود منطقة إتصال أولي صغيرة بين القطعتين , و هذا يمكن تحقيقه عن طريق الإتصال النقطي أو بانطباق السطوح.
1. الإتصال النقطي:
يوضح الشكل (5) المبدأ الأساسي للنتوء الذي تتركز عنده الطاقة. يتألف هذا النوع من الوصل من نتوء مثلثي صغير يتم تشكيله على العنصر و بشكل نموذجي على طول الحافة المشتركة للوصلة. الغاية من وجود هذا النتوء هو تركيز الطاقة الفوق صوتية في قمة النتوء, و بالنتيجة إرتفاع سريع في الحرارة. هذا يؤدي إلى إنصهار النتوء و انسيابه عبر الوصلة المشتركة مشكلا اللحام.

الشكل (5) وصلة النتوء.
يتعلق شكل هذا النتوء بنوعية البلاستيك الحراري المطلوب لحامه حيث تتطلب المواد البلاستيكية ذات البنية العشوائية (الأمورفية) نتوءا قائم الزاوية بزاوية رأس90º, أما بالنسبة للمواد ذات البنية البلورية (الكريستالية) يستخدم مثلث 60ºمتساوي الأضلاع. و يكون البعد بين القطعتين بين 0.2 - 1 mm حسب نوع المادة.
يفضل استخدام مثل هذه الطريقة من الوصل للمواد البلاستيكية ذات البنية المنتظمة (الأمورفية) مثل PC, ABS, PS حيث لا حاجة لوجود مانع تسرب.
يوضح الشكل (6) نموذجا آخر للوصل بطريقة النتوء, و هو تصميم على شكل ثلم و لسان. إن فائدة هذا التصميم هي إخفاء الوميض الناتج عن اللحام كما يتم توضع القطعتين توضعا ذاتيا. على كل حال تكون قوة الوصلة ضعيفة نسبيا إذا كان عرض اللحام أقل من نصف عرض الوصلة.

الشكل (6) وصلة الثلم و اللسان. نوع آخر من وصلة النتوء.
2. الوصل بالإنطباق (الشطفة):
من أجل بعض التطبيقات لا تؤمن وصلة النتوء القوة الكافية, لذا يتم استخدام وصلة الإنطباق (أو وصلة الشطف). يوضح الشكل (7) تصميم وصلة الشطف. تسمح هذه الوصلة لأحد العناصر بالإنطباق على العنصر الآخر شريطة أن تتوضع العناصر ذاتيا.

الشكل (7) التصميم النموذجي لوصلة الشطف.
تتم عملية اللحام بالإنصهار الصغير الأولي للسطوح المتلامسة و بعد ذلك يستمر الإنصهار بتداخل متحكم به على طول الجدار العامودي حيث يتم تداخل السطوح مع بعضها البعض. إن طبقة اللحام الناتجة بين السطحين المصهورين مفيدة لسببين:
الأول هو التخلص من الشقوق و الفراغات, و بالتالي إنتاج وصلة محكمة الربط. و الثاني عدم التعرض للوسط المحيط, و بالتالي يمنع التصلب السريع لوصلة اللحام. هذا الأمر مفيد من أجل المواد البلاستيكية ذات البنية الكريستالية و التي تتغير بسرعة من الحالة المنصهرة إلى الحالة الصلبة, لذا يفضل استخدام هذه الطريقة من الوصل في الحام الفوق صوتي لهذه المواد. يقع البعد الشاقولي النموذجي بين 1 - 1.5 mm, هذا يؤدي إلى تحكم أفضل في قوة الوصلة كما يمكن تعديلها لتلائم متطلبات العمل لاحقا.
يؤخذ في عين الإعتبار عند تصميم هذا النوع من الوصلات سماكة جدار القطعة السفلية التي يجب أن تمنع الحركة الخارجية بشكل تام أثناء اللحام. كما يجب أن يكون الجدار الجانبي مقاوما للإهتزازات.
إعتبارات أخرى في التصميم:
بالإضافة إلى تصميم الوصلة, هناك اعتبارات أخرى تتعلق بالعناصر المطلوب لحامها يجب مراعاتها إذا أردنا أن تكون وصلة اللحام بالأمواج الفوق صوتية فعالة.
إن البعد بين خط الإتصال و سطح التلامس حيث يطبق قرن اللحام يمكن أن يكون حرجا. يوضح الشكل (8) مجال اللحام البعيد حيث البعد أكبر من 6 mm. هذا الترتيب هو الأكثر مناسبة للحام المواد البلاستيكية الأمورفية القاسية مثل PS, ABS, PMMA و التي لها خواص إيصال الأمواج الفوق صوتية بشكل جيد. العديد من المواد الكريستالية مثل PP لها خواص ضعيفة في إيصال الأمواج الفوق صوتية, لذا فهي تتطلب وصلة تكون فيها أقرب ما يكون إلى منطقة قرن اللحام, و هذا ما يوضحه الشكل (9).

الشكل (8) مجال اللحام البعيد.

الشكل (9) مجال اللحام القريب.
يفضل أن يستخدم مجال اللحام القريب من أجل جميع المواد لأنها تتطلب زمن لحام أقل و ضغوطا أقل.
يجب تلافي تشكل الزوايا الحادة في القطع المقولبة لأنها تشكل أماكن تتركز فيها الإجهادات, كما من الممكن أن تتحطم بفعل إهتزازات طاقة الأمواج الفوق صوتية. لذا يقترح أن تكون أنصاف أقطار استدارتها بين 0.2 - 0.5 mm على الأقل.
• بارامترات اللحام:
هناك العديد من البارامترت التي يجب إختيارها بشكل صحيح حتى يتم إنجاز وصلة اللحام بالأمواج الفوق صوتية بشكل جيد. و هي: سعة الإهتزاز, طريقة اللحام, السرعة, ضغط الرأس, زمن اللحام, زمن التوقف. سندرس في هذه المقالة تأثير سعة الإهتزاز و طرق اللحام.
1. سعة الإهتزاز:
تعتمد جودة اللحام على سعة الإهتزاز المناسبة التي تحدث عند رأس القرن. من أجل مجموعة القرن- المقوي تكون سعة الإهتزاز ثابتة. يتم اختيار سعة الإهتزاز إعتمادا على نوع البلاستيك الحراري المطلوب لحامه بالإضافة إلى درجة الإنصهار المناسبة. عموما تتطلب المواد الكريستالية طاقة أكبر, لذا تكون سعة الإهتزاز عند رأس القرن أكبر بالمقارنة مع المواد ذات التركيب العشوائي.
في آلات اللحام بالأمواج الفوق صوتية الحديثة يمكن التحكم بسعة الإهتزاز و تعديلها. تستخدم سعة الإهتزاز العالية من أجل تحقيق الذوبان الأولي, ثم يتبع بسعة أقل للتحكم بلزوجة المادة المصهورة.
2. طرق اللحام:
• إن عملية اللحام المتعلقة بالزمن تدعى عملية مفتوحة. تجمع القطع المراد لحامها في المثبت قبل أن يهبط قرن اللحام و يلامس القطعة. بعدها يتم تطبيق الأمواج الفوق صوتية على المجموعة لفترة زمنية ثابتة, عادة تكون بين 0.2 – 1 second. و بهذا لا يترك أي أثر للحام مما يدل على جودة العملية.
يفترض هنا أثناء عملية اللحام أن زمن اللحام الثابت سوف يؤدي إلى ثبات كمية الطاقة المقدمة إلى الوصلة, و بالتالي التحكم في كمية البلاستيك المذاب. في الواقع تختلف كمية الطاقة المسحوبة للمحافظة على ثبات السعة من دورة إلى أخرى, هذا بسبب عدة عوامل مثل ملاءمة العناصر للحام.
إن العلاقة بين الطاقة و الزمن ليست واحدة من أجل كل العناصر, فمن أجل ثبات الزمن مثلا سوف تختلف كمية الطاقة المقدمة من عنصر لآخر. و هذا غير مرغوب فيه من أجل الإنتاج الكمي, حيث يتطلب ثبات في الطاقة.
• أما اللحام كتابع للطاقة فهي عملية مغلقة متكررة, معطية إمكانية التحكم بمعلومات العملية الحالية. يقيس برنامج آلة اللحام الفوق صوتية مقدار الطاقة المسحوبة و يمكننا من تعديل وقت تطبيق الأمواج الفوق صوتية على القطعة وبالتالي إيصال كمية الطاقة المطلوبة إلى الوصلة.
في عملية اللحام هذه يفترض أنه إذا كانت الطاقة المسحوبة هي واحدة من أجل كل عمليات اللحام, فإن كمية المادة المذابة في منطقة الوصل سوف تكون نفسها في كل مرة. في الواقع يوجد هناك ضياع في الطاقة في مجموعة اللحام, و خاصة في الفراغ بين بوق اللحام و سطح القطعة الملحومة, و نتيجة لذلك تتلقى بعض العناصر كمية من الطاقة أكبر من البعض الآخر, مع إمكانية تناقص قوة اللحام.
• أما عملية اللحام كتابع للمسافة تسمح بربط العناصر عن طريق التحكم بعمق اللحام. هذه العملية تأخذ منحى مستقلا عن الزمن و الطاقة المسحوبة, و بهذا يمكن أن تتجاوز قيم التفاوتات المختلفة للعناصر المشغلة. و بالتالي نضمن أن كمية المادة المنصهرة في منطقة الوصل هي نفسها في كل مرة. يمكن ضبط حدود اللحام حسب كمية الطاقة المستخدمة أو الزمن الذي تستغرقه عملية اللحام, و ذلك لأغراض مراقبة الجودة.