تستخدم تقنية التجميع البلاستيكية بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع في اتصال البلاستيك الحراري. المفاصل التي تنتجها ليست قوية ودائمة فحسب ، بل إنها جميلة أيضًا في المظهر. تغطي هذه التكنولوجيا أربع فئات رئيسية ، من بينها اللحام بالموجات فوق الصوتية هو محور البحث. يستخدم اللحام بالموجات فوق الصوتية الطاقة بالموجات فوق الصوتية عالية التردد (15-50 كيلو هرتز) لتوليد اهتزازات ميكانيكية منخفضة السعة (1-100μM). يعمل هذا الاهتزاز على مفاصل المكونات ، ويذوب المادة بالحرارة من خلال توليد الحرارة الاحتكاكية ، ثم تشكيل لحام. سرعة اللحام سريعة للغاية ، وعادة ما بين 0.1 ثانية و 1.0 ثانية.
خلال عملية اللحام بالموجات فوق الصوتية ، يتم إنشاء موجات الوقوف الجيبية في اللدائن الحرارية. بسبب الاحتكاك الجزيئي ، يتم تحويل جزء من الطاقة إلى طاقة حرارة ، مما يزيد من درجة حرارة المادة. يتركز جزء آخر من الطاقة ونقله إلى المفصل ، والذي يتم تسخينه محليًا عن طريق الاحتكاك الحدودي. لذلك ، يتأثر مسار انتقال الطاقة بالموجات فوق الصوتية وسلوك الذوبان للمادة بشكل مشترك بهندسة الجزء وخصائص امتصاص الموجات فوق الصوتية للمادة.
عندما يكون مصدر الاهتزاز قريبًا من مفصل اللحام ، فإن المادة لديها فقدان امتصاص الطاقة أقل. إذا كانت المسافة من مصدر الاهتزاز إلى المفصل أقل من 6.4 مم ، فإن العملية تسمى اللحام القريب من المجال ، وهو مناسب للمواد البلورية مع امتصاص الطاقة العالي ومواد الصلابة المنخفضة. إذا كانت المسافة أكبر من 6.4 مم ، فإنها تسمى اللحام بعيد المجال ، وهو مناسب للمواد غير المتبلورة مع امتصاص الطاقة المنخفضة ومواد الصلابة العالية.
نظرًا للخصائص "غير المتكافئة" لسطح المفصل ، من السهل توليد درجة حرارة عالية واحتكاك مرتفع ، وهو ما يفضي إلى تراكم الطاقة بالموجات فوق الصوتية. في العديد من تطبيقات اللحام بالموجات فوق الصوتية ، تم تصميم نتوء ثلاثي على سطح الجزء العلوي ، يسمى ضلع دليل الطاقة ، والذي يوجه طاقة الاهتزاز للتركيز في المفصل.
أثناء عملية اللحام بالموجات فوق الصوتية ، تعمل طاقة الاهتزاز رأسياً على سطح المفصل ، ويتصل طرف دليل الطاقة بأضلاع الطاقة في الجزء الملحوم تحت الضغط. بسبب توليد الحرارة الاحتكاكية ، يتم إنشاء كمية كبيرة من الحرارة عند الحافة ، مما يتسبب في بدء ضلع دليل الطاقة في الذوبان. يمكن تقسيم عملية اللحام بأكملها إلى أربع مراحل. أولاً ، يبدأ الجزء العلوي من ضلع دليل الطاقة في الذوبان ، ويزداد معدل الذوبان تدريجياً. مع انخفاض الفجوة على جانبي المفصل ، سينتشر ضلع دليل الطاقة المنصهر بالكامل ويتصل بالجزء أدناه ، وسوف ينخفض معدل الانصهار في هذا الوقت. ثانياً ، تكون الأجزاء العلوية والسفلية في ملامسة السطح ، ويتم توسيع منطقة الانصهار. بعد ذلك ، يدخل مرحلة ذوبان الحالة المستقرة ، في ذلك الوقت يتم تشكيل طبقة مصورة من سماكة معينة ، مصحوبة بحقل درجة حرارة مستقر. عندما يتم الوصول إلى طاقة اللحام مسبقًا أو الوقت أو ظروف التحكم الأخرى ، فإن الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية سيتوقف. أخيرًا ، يتم الحفاظ على الضغط ، وسيتم ضغط الذوبان الزائد من اللحام ، ويتم توصيل الأجزاء بواسطة الروابط الجزيئية وتبريدها تدريجياً.
مزايا وعيوب اللحام بالموجات فوق الصوتية
نظرًا لأن تقنية الانضمام إلى البلاستيك تستخدم على نطاق واسع في المجال الصناعي ، يبرز اللحام بالموجات فوق الصوتية بسبب تكامله الأتمتة السريع والاقتصادي والسهل للإنتاج الضخم. استقرار اللحام ممتاز ، والقوة مرتفعة أيضًا ، ووقت اللحام أقصر من العمليات الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، لا تتطلب هذه التكنولوجيا نظام تهوية معقد لإزالة الدخان أو نظام التبريد لإزالة الحرارة الزائدة ، مع استخدام الطاقة العالية ، وكفاءة إنتاج أعلى وتكلفة أقل. تصميم القالب بسيط نسبيًا وسرعة تغيير القالب سريعة ، مما يؤدي إلى تحسين معدل الاستخدام وتنوع المعدات. تجدر الإشارة إلى أنه نظرًا لعدم إدخال مواد لحام مساعدة أخرى في اللحام ، لا يزال اللحام نظيفًا وخاليًا من الشوائب ، لا يؤثر على التوافق الحيوي للمعدات ، وهو مناسب جدًا للاستخدام في صناعة الرعاية الصحية مع متطلبات أعلى للنظافة.
ومع ذلك ، فإن اللحام بالموجات فوق الصوتية يواجه أيضًا بعض القيود. بالنسبة للمنتجات التي يبلغ حجمها أكثر من 250 مم × 300 مم ، يصبح تصميم رأس اللحام صعبًا ، وغالبًا ما يكون من الضروري استخدام رؤوس لحام متعددة لللحام المتزامن أو رأس لحام واحد لإكمال اللحام المتعدد. بالإضافة إلى ذلك ، ترتبط نتائج اللحام بالموجات فوق الصوتية ارتباطًا وثيقًا بعوامل مثل تصميم بنية اللحام ، والخطأ في الجزء الأبعاد المُصبوغ بالحقن والتشوه. في الوقت نفسه ، قد تتسبب الاهتزازات بالموجات فوق الصوتية في تلف المكونات الإلكترونية الحساسة ، على الرغم من أنه يمكن تقليل هذه المخاطر عن طريق زيادة التردد وتقليل السعة.
حقول التطبيق
يستخدم اللحام بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع في العديد من الصناعات. على سبيل المثال ، في صناعة السيارات ، يتم استخدامه لتوصيل مكونات مثل المصابيح الأمامية ولوحات المعلومات والأزرار والمفاتيح ؛ في الصناعات الإلكترونيات والصناعات الكهربائية ، غالبًا ما تستخدم هذه التكنولوجيا لتوصيل مكونات مثل المفاتيح وأجهزة الاستشعار والمشغلات ؛ بالإضافة إلى ذلك ، لا غنى عن اللحام بالموجات فوق الصوتية في عملية تصنيع المنتجات مثل المرشحات والقسطرة والملابس الطبية والأقنعة في المجال الطبي. في الوقت نفسه ، يستفيد إنتاج منتجات مثل أكياس النفطة والأكياس وحاويات التخزين والفوهات في صناعة التغليف من كفاءة وراحة اللحام بالموجات فوق الصوتية.
يتكون فنجان القهوة من مواد PS ، وتصميم اللحام الخاص به يجمع بذكاء بين الأخدود والضلع المباشر للطاقة ، والذي لا يضمن استقرار الاتصال فحسب ، بل يعمل أيضًا على تحسين كفاءة الإنتاج.
المفتاح الإلكتروني مصنوع من البلاستيك ABS وصقله عن طريق التثبيت بالموجات فوق الصوتية.
يتكون العاكس من مادة مختلطة من ABS والكمبيوتر الشخصي ، ويجمع بين عملية اللحام للخطوات والأضلاع التي ترتدي الطاقة لإنشاء تصميم هيكلي فريد.
يستخدم المصباح الإلكتروني مادة مركبة من ABS و PMMA ، جنبًا إلى جنب مع عملية اللحام الرائعة للأضلاع التي ترتبط بالطاقة والطاقة ، مما يمثل أسلوبًا فريدًا للتصميم.
يجمع الموصل الكهربائي بين المواد الصلبة من ABS والمعادن ، ويضمن استقرار ومتانة اتصاله من خلال التثبيت بالموجات فوق الصوتية الدقيقة.
الزجاجة الطبية مصنوعة من مواد الكمبيوتر وتستخدم بذكاء تصميم الانصهار من اللحامات الأضلاع التي ترتدي الطاقة.
تتكون زجاجة مرشح الوقود من النايلون 6-6 ، وتصميمها يجمع بذكاء بين العمليات المزدوجة لقطاعات القص واللحامات.
يستخدم تجميع غشاء المرشح والقطن الممتص الصوت مادة مركبة من النايلون المخدر بألياف زجاجية بنسبة 30 ٪ ، ويتم تجميعها بدقة من خلال عملية لحام ثقب.
يستخدم الصندوق الكهربائي مادة مركبة من PS و Copper Nous ، ويتم صنعها بدقة من خلال تقنية البطانة بالموجات فوق الصوتية.
يستخدم الدوار مادة PS ويجمع بين التصميم الذكي للطائرة واللحامات الأضلاع التي تواجه الطاقة.
بنية البوليمر
يتم توزيع التركيب الجزيئي للبلاستيك غير المتبلور بشكل عشوائي ويفتقر إلى اتجاه الترتيب الثابت. خاصتها هي أنها تخفف تدريجيا مع نطاق درجة الحرارة. عندما يصل هذا النوع من المواد إلى درجة حرارة الانتقال الزجاجي ، فإنه يخفف تدريجياً ويدخل في النهاية إلى حالة سائلة منصهرة. عملية المادة من السائل إلى التصلب تدريجي. يمكن للمواد البلاستيكية غير المتبلورة نقل الاهتزازات بالموجات فوق الصوتية بشكل فعال ، وبسبب نطاق درجة حرارة التليين الواسع ، فهي أسهل في اللحام وتحقيق الختم.
من ناحية أخرى ، يتم ترتيب التركيب الجزيئي للمواد البلاستيكية شبه البلورية منظمة. الحرارة العالية هي مفتاح تفكيك الترتيب المنظم. هذه المواد البلاستيكية لها نقاط ذوبان حادة ، وبمجرد انخفاض درجة الحرارة قليلاً ، فإن الحالة السائلة ستصلب بسرعة. لذلك ، فإن الذوبان المتدفق من منطقة الذوبان الساخنة سوف يتصاعد بسرعة. عندما يكون الصلب ، فإن السلوك الجزيئي للمواد شبه البلورية يشبه الربيع ، ويمتص معظم الاهتزازات بالموجات فوق الصوتية بدلاً من نقلها إلى منطقة المفصل. لذلك ، بالنسبة للبلاستيك شبه البلورية ، يلزم وجود رأس لحام الإخراج عالي السعة لتوليد حرارة كافية.
درجة حرارة انتقال الزجاج TG ودرجة حرارة ذوبان TM
عند مناقشة بنية البوليمر ، ذكرنا مفهومين مهمان لدرجة الحرارة: درجة حرارة TG الزجاجية ودرجة حرارة ذوبان TM. TG هي درجة الحرارة التي تتغير فيها المادة من حالة زجاجية إلى حالة مرنة للغاية ، وفي الوقت الذي تبدأ فيه المادة في التليين تدريجياً. TM هي درجة الحرارة المطلوبة للمادة لتذوب تمامًا في سائل. هاتان خصائص درجة الحرارة أمران ضروريان لفهم معالجة وأداء مواد البوليمر.
يوضح الجانب الأيسر من الشكل أعلاه البلاستيك غير المتبلور ، بينما يظهر الجانب الأيمن البلاستيك شبه البلوري. في البلاستيك الحراري ، يمكن للمواد الحشو مثل الألياف الزجاجية والتلك والمعادن تعزيز أو تمنع تأثير اللحام بالموجات فوق الصوتية. بعض المواد ، مثل كربونات الكالسيوم ، الكاولين ، التلك ، الألومينا ، وكذلك الألياف العضوية ، السيليكا ، الكرات الزجاجية ، metasilicate الكالسيوم (Wollastonite) والميكا ، يمكن أن تزيد من صلابة الراتنج. أظهرت الدراسات أنه عندما يصل محتوى الحشو بنسبة 20 ٪ ، يمكن أن يعزز بشكل فعال كفاءة انتقال الاهتزازات بالموجات فوق الصوتية في المواد ، وخاصة بالنسبة للمواد شبه البلورية. ومع ذلك ، عندما يتجاوز محتوى الحشو 35 ٪ ، قد تتأثر موثوقية الختم بسبب عدم كفاية محتوى الراتنج في اللحام. عندما يصل محتوى الحشو إلى 40 ٪ ، ستجتمع الألياف الزجاجية في وضع المفصل ، مما يؤدي إلى عدم كفاية محتوى الراتنج عند اللحام ، والذي يؤثر بدوره على قوة اللحام. بالإضافة إلى ذلك ، أثناء عملية صب الحقن ، تميل الألياف الزجاجية الطويلة إلى التراكم على الأضلاع التي ترتدي الطاقة. الحل الفعال هو استخدام الألياف الزجاجية القصيرة بدلاً من الألياف الزجاجية الطويلة.
بالإضافة إلى ذلك ، عندما يتجاوز محتوى الحشو 10 ٪ ، قد تسبب الجزيئات الكاشطة في المادة تآكل رأس اللحام. لذلك ، يوصى باستخدام رأس اللحام الصلب كربيد أو رأس لحام سبيكة التيتانيوم مغطى بطبقة كربيد التنغستن. في الوقت نفسه ، قد يكون من الضروري اختيار جهاز بالموجات فوق الصوتية أعلى الطاقة لضمان توليد حرارة كافية في المفصل.
من ناحية أخرى ، في حين أن المضافات يمكنها تحسين الأداء الكلي أو خصائص صب الحقن للمادة ، فإنها غالبًا ما يكون لها تأثير مثبط على اللحام بالموجات فوق الصوتية. وتشمل الإضافات النموذجية مواد التشحيم ، والملدنات ، ومعدلات التأثير ، ومثبطات اللهب ، والتلوين ، وعوامل الرغوة ، والراتنجات المتوقفة. على سبيل المثال ، يقلل مواد التشحيم مثل الشمع ، والزنك ستيرات ، وحمض ستيريك ، وأمراض الأحماض الدهنية من معامل الاحتكاك بين جزيئات البوليمر ، وبالتالي تقليل توليد الحرارة. ومع ذلك ، عادة ما يكون هذا التأثير أصغر في المفصل لأن تركيز زيوت التشحيم منخفض وتفرق بالتساوي. من ناحية أخرى ، تزيد الملدنات مثل السوائل العضوية ذات درجة الحرارة العالية أو المواد الصلبة ذوبان درجات الحرارة المنخفضة من نعومة المادة وتقلل من الصلابة ، لكنها تقلل من الجاذبية بين الجزيئات الداخلية للبوليمر وتتداخل مع انتقال طاقة الاهتزاز. على وجه الخصوص ، فإن المواد البلاستيكية عالية مثل الفينيل غير مناسبة للغاية كمواد نقل للاهتزازات بالموجات فوق الصوتية. بالإضافة إلى ذلك ، قد تهاجر الملدنات كضافات داخلية إلى سطح البلاستيك مع مرور الوقت ، مما يؤثر بشكل أكبر على تأثير اللحام بالموجات فوق الصوتية. وبالمثل ، فإن معدلات التأثير مثل المطاط تقلل أيضًا من قدرة المادة على نقل الاهتزازات بالموجات فوق الصوتية ، مما يتطلب سعة أكبر لإذابة البلاستيك.
إن مثبطات اللهب ، أو أكاسيد غير عضوية أو عناصر عضوية مهللة (مثل الألومنيوم ، أو الأنتيمون ، والبورون ، والكلور ، أو البروم ، أو الكبريت ، أو النيتروجين أو الفوسفور) يمكن أن تقمع بفعالية نقطة حريق المادة أو تغيير خصائص الاحتراق. ومع ذلك ، فإن هذه المكونات غالبًا ما تجعل المادة غير قابلة للوصول ، خاصةً عندما يمثل مثبطات اللهب 50 ٪ أو أكثر ، مما سيقلل بشكل كبير من كمية المواد القابلة لحام. بالنسبة لمثل هذه المواد ، هناك حاجة إلى المعدات بالموجات فوق الصوتية عالية الطاقة ورؤوس اللحام ذات السعة الكبيرة ، ويتم تعديل تصميم المفصل لزيادة نسبة المواد القابلة لحام.
معظم التلوينات ، بما في ذلك الأصباغ والأصباغ ، لا تعيق انتقال الاهتزازات بالموجات فوق الصوتية. ومع ذلك ، فقد يقلل من كمية المواد القابلة لحام في منطقة المفصل. على وجه الخصوص ، عندما يتجاوز محتوى ثاني أكسيد التيتانيوم (TIO2) 5 ٪ ، سيصبح تأثير زيوت التشحيم واضحًا ، والذي سيكون له تأثير مثبط على اللحام بالموجات فوق الصوتية. في الوقت نفسه ، سوف يتداخل الكربون الأسود مع انتشار الطاقة بالموجات فوق الصوتية في المادة.
تقلل عوامل الرغوة من قدرة المادة على نقل الاهتزازات بالموجات فوق الصوتية لأن كثافتها المنخفضة وعدد كبير من المسام في الهيكل الجزيئي تمنع انتقال الطاقة الفعال.
عندما يتم خلط الراتنجات الأرضية (REGRIND) في المادة ، يجب تقييم الإضافة وحجمه بعناية والتحكم فيه لتحسين تأثير اللحام. في بعض الحالات ، لا يجوز استخدام إعادة التعديل على الإطلاق ، و 100 ٪ من المواد البكر مطلوبة.
بالإضافة إلى ذلك ، في حين أن عوامل إطلاق العفن مثل ستيرات الزنك ، والخطاة الألومنيوم ، والفلوروكربونات والسيليكونات يمكن أن تساعد في إطلاق أجزاء مقولبة الحقن ، فإنها قد تنتقل إلى سطح المفصل وتقليل معامل الاحتكاك للمادة ، وبالتالي تقليل توليد الحرارة وتمنع اللحام بالموجات فوق الصوتية. في الوقت نفسه ، قد تتسبب عوامل إطلاق العفن أيضًا في تلوث كيميائي للراتنج وتؤثر على تكوين الروابط الكيميائية المناسبة. السيليكونات ، على وجه الخصوص ، لها التأثير الأكثر أهمية. لذلك ، عند استخدام عوامل إطلاق العفن ، من الضروري تحديد الدرجة المناسبة بعناية واتخاذ تدابير لمنعها من الانتقال إلى سطح الجزء.
بالإضافة إلى ذلك ، قد يكون لدرجات مختلفة من المواد درجات حرارة ذوبان مختلفة ومؤشرات التدفق ، والتي يمكن أن تؤثر أيضًا على تأثير اللحام بالموجات فوق الصوتية. على سبيل المثال ، قد يكون من الصعب على درجات PMMA أكثر صعوبة من درجات الحقن/البثق بسبب ارتفاع وزنها الجزيئي ودرجة حرارة الانصهار. لذلك ، من أجل الحصول على أفضل تأثير لحام ، حاول اختيار مواد من نفس الدرجة للحام ، والتأكد من أن مؤشر تدفق المادتين متشابه وفرق درجة حرارة الانصهار في غضون 22 درجة.
محتوى الرطوبة للمادة له تأثير كبير على قوة اللحام. المواد المائية مثل PBT و PC و PSU والنايلون تمتص الرطوبة بسهولة من الهواء. أثناء عملية اللحام ، سوف تغلي هذه الرطوبة الممتصة في درجات حرارة عالية ، وسيشكل الغاز المولود ، إذا كان محاصرًا في اللحام ، مسامًا ويؤثر على البلاستيك ، مما يؤثر على جماليات وقوة وختم اللحام. لتجنب ذلك ، يجب اللحام المواد المائية بالمنظار مباشرة بعد صب الحقن. إذا لم يكن اللحام الفوري ممكنًا ، فيجب تخزين الأجزاء المجففة في حقيبة PE الجافة أو وضعها في فرن في 80 درجة لمدة 3 ساعات قبل اللحام.
بالإضافة إلى ذلك ، عند اللحام بأنواع مختلفة من المواد ، ينبغي إيلاء اهتمام خاص لدرجة حرارة الانصهار والبنية الجزيئية للمادة. حالة اللحام المثالية هي أن اختلاف درجة حرارة الانصهار للمادة لا يتجاوز 22 درجة وأن التركيب الجزيئي متشابه. إذا كان اختلاف درجة حرارة الانصهار أكبر من اللازم ، فإن المادة ذات نقطة انصهار أقل ستذوب وتتدفق أولاً ، ولن توفر حرارة كافية لإذابة المادة بنقطة انصهار أعلى. على سبيل المثال ، عند اللحام PMMA ذات النقطة العالية مع PMMA منخفضة النقل ، إذا كان موصل الطاقة موجودًا على PMMA ذات النقطة العالية ، فإن مفصل المواد المنخفضة النقطة سوف يذوب ويتدفق أولاً ، مما يتسبب في تليين موصل الطاقة ، مما يؤثر بدوره على قوة اللحام.
بالإضافة إلى ذلك ، يعد توافق المواد أيضًا عاملًا رئيسيًا في اللحام الناجح. فقط المواد المتوافقة كيميائيا ، أي المواد ذات هياكل جزيئية مماثلة ، يمكن لحامها. تجدر الإشارة إلى أن توافق المواد موجود بشكل أساسي بين المواد غير المتبلورة ، مثل ABS و PMMA ، PC و PMMA ، و PS و PPO المعدلة. ومع ذلك ، فإن البلاستيك شبه البلورية مثل PP و PE ، على الرغم من أن لها خصائص فيزيائية مماثلة ، لها هياكل جزيئية مختلفة وبالتالي لا تتمتع بتوافق مادي ولا يمكن لحامها.
