لماذا لحام المعادن بالموجات فوق الصوتية هو ضرورة لمركبات الطاقة الجديدة

هناك العديد من العوامل التي يجب مراعاتها عند اتخاذ قرار بشأن طريقة ربط المعادن، بما في ذلك الخصائص الملموسة وغير الملموسة. اعتمادًا على التطبيق، ستختلف الاستثمارات بناءً على تصميم التوصيل ومواد اللحام والهندسة والحجم والأبعاد والأثر البيئي والسلامة الميكانيكية والكهربائية المطلوبة لمنتج معين. من المستحيل تغطية جميع طرق التوصيل في مقال واحد، لذلك سنركز على صناعة أحزمة أسلاك السيارات لتوضيح الاختلافات بين العقص واللحام واللحام بالموجات فوق الصوتية واللحام بالليزر واللحام بالمقاومة.

في بعض الحالات، قد يبدو اللحام بالموجات فوق الصوتية هو الحل الوحيد، أو قد لا يكون ممكنًا على الإطلاق. ومع ذلك، بغض النظر عن عدد المتغيرات التي يتم أخذها في الاعتبار عند اختيار طريقة الانضمام، يبدو أن اللحام بالموجات فوق الصوتية يوفر عوائد أفضل على المدى الطويل من جميع العمليات الأخرى القابلة للتطبيق.

يعد الاستثمار الأولي في معدات لحام المعادن بالموجات فوق الصوتية أعلى مقارنة بعمليات اللحام الأخرى مثل اللحام بالمقاومة، والعقص، والربط الميكانيكي، ولكنه أقل من معدات اللحام بالليزر. فلماذا تهيمن هذه التكنولوجيا على تصنيع أحزمة الأسلاك وتصبح ضرورة لبطاريات السيارات الكهربائية والهجينة وأنظمة توزيع الطاقة؟ لقد كان اللحام بالموجات فوق الصوتية للمعادن غير الحديدية تقنية مثبتة منذ عقود. ومع ذلك، سيطر لحام المعادن بالموجات فوق الصوتية على صناعة السيارات منذ أوائل الثمانينات، حيث كان مصنعو أسلاك أسلاك السيارات هم أكبر مستخدمي هذه التكنولوجيا (الشكل 1). نظرًا لكفاءته وجودته التي لا مثيل لها، فقد حل اللحام بالموجات فوق الصوتية محل العقص الميكانيكي واللحام بالمقاومة في جميع ماركات السيارات تقريبًا بمجرد ظهوره. شهد استخدام اللحام بالموجات فوق الصوتية في أحزمة أسلاك السيارات نموًا أسرع على مدار العقد الماضي بسبب الزيادة في السيارات الكهربائية (EVs).

يحتوي متوسط أسلاك السيارة على 180 وصلة ملحومة بالموجات فوق الصوتية، ويزداد هذا العدد مع سنوات الطراز. يقوم مصنعو المعدات الأصلية بإضافة المزيد من الميزات الإلكترونية للسيارات، الأمر الذي يتطلب المزيد من الموصلات. تشكل الموصلات وأطراف الأسلاك معًا مجموعة أسلاك طويلة ومعقدة وشديدة التحمل تتحكم في النظام الكهربائي بأكمله في جميع أنحاء السيارة. نظرًا لكثافة اليد العاملة المتأصلة في معالجة الأسلاك، فقد كان ربط الأسلاك هو التركيز الأساسي لتصنيع أحزمة الأسلاك. ومع ذلك، لا تزال صناعة أحزمة الأسلاك تستخدم العقص أو اللحام بالمقاومة لتطبيقات مثل تجعيد الأسلاك الصغيرة أو ربط أسلاك القصدير. بشكل عام، اللحام بالموجات فوق الصوتية غير ممكن للأجزاء المعلبة أو المواد الصلبة مثل الفولاذ. هذا هو المكان الذي تصبح فيه خيارات اللحام بالمقاومة أو اللحام بالليزر قابلة للتطبيق. ومع ذلك، عندما يتعلق الأمر بالألمنيوم، الذي يحظى بشعبية كبيرة هذه الأيام، وعندما يتعلق الأمر بلحام الألومنيوم بمعدن غير حديدي آخر، فإن اللحام بالموجات فوق الصوتية هو الخيار الأمثل. نظرًا لخصائص اللحام بالصهر البارد، يمكن لحام الألومنيوم بشكل آمن دون أن يذوب أو يتأثر بدرجة كبيرة بالحرارة. تنطبق فوائد اللحام بالموجات فوق الصوتية على المواد الموصلة حرارياً مثل الألومنيوم والنحاس والمغنيسيوم، والتي يمكن أن تكون مرهقة للحام باستخدام آلات اللحام المقاومة والليزر. تعد الموجات فوق الصوتية أيضًا مفيدة جدًا لربط المواد الرقيقة والسميكة.

غالبًا ما تكون الموجات فوق الصوتية أفضل عملية لحام عند الحاجة إلى تقليل التداخل الحراري مع خصائص المواد.

يعد ربط الأسلاك مثالاً ممتازًا لتقييم بعض عمليات الربط المستخدمة في تصنيع أحزمة الأسلاك اليوم. يستخدم المصنعون عملية العقص لسنوات قبل أن يصبح اللحام خيارًا قابلاً للتطبيق. تستخدم بعض الشركات المصنعة للمعدات الأصلية المشابك ببساطة لتجعيد السلك في الموصل. يتم أيضًا غمس بعضها في حمام من اللحام لضمان السلامة الكهربائية. تتمثل العيوب في الحاجة إلى إضافة مادة (العديد من المشابك ذات الأحجام المختلفة)، والمساحة المطلوبة لمكبس مخصص، ومهارات اللحام المطلوبة، والتأثير على مجموعة الأسلاك بسبب الضغط الميكانيكي والحرارة الناتجة عن المشابك واللحام.

لذلك، بدءًا من اللحام بالمقاومة ثم اللحام بالموجات فوق الصوتية، أصبح لحام الأسلاك ضروريًا للغاية. إن طبيعة الذوبان البارد لحام المعادن بالموجات فوق الصوتية، وقدرته على التخلص من الأكسدة قبل اللحام، وربط المعادن المتباينة، واستهلاك الطاقة المنخفض للغاية، والقدرة على استخدام آلة واحدة ونفس الأدوات العالمية لحام مجموعة متنوعة من أحجام المفاصل هي الأسباب. لماذا تصبح مفاصل الأسلاك المعدنية بالموجات فوق الصوتية عاملاً مقنعًا في الصنعة المقبولة عالميًا. لقد استغرق الأمر عدة سنوات حتى يتعرف مصنعو أحزمة الأسلاك على العملية ويعتمدون التكنولوجيا. يتحول البعض من اللحام بالموجات فوق الصوتية إلى اللحام بالموجات فوق الصوتية، ويستخدم البعض الآخر اللحام بالمقاومة قبل التحول إلى اللحام بالموجات فوق الصوتية. تتمتع معدات اللحام بالموجات فوق الصوتية بمزايا مقارنة بطرق الربط الأخرى التي لا تزال موجودة حتى اليوم.

ويجب التحقق من تكاليف التشغيل/الصيانة لكل مفصل في وقت واحد، ولكن الجودة هي الأولوية القصوى. فيما يلي بعض العوامل التي يجب مراعاتها عند اختيار طريقة الاتصال:

·الاستثمار الأولي والكمية

· معدل الإخراج

·مستهلكات

· استهلاك الطاقة - يتطلب اللحام بالموجات فوق الصوتية 5% من مقاومة اللحام

· البنية التحتية الإضافية مثل تبريد المياه والتهوية والتركيبات الكهربائية الإضافية

· المساحة الأرضية المطلوبة للمعدات

·التغيرات على مر الزمن

· وقت الإعداد لكل تطبيق

· حياة العفن وتأثيرها على الجودة (الشكل 2)

مزايا لحام المعادن بالموجات فوق الصوتية

· عملية درجة الحرارة المنخفضة لا تؤثر على خصائص المواد

· عامل ربط معدني نقي مناسب لمجموعة متنوعة من المواد المعدنية غير الحديدية

· القدرة على لحام المواد المتباينة

· لا توجد مواد استهلاكية مثل مقاطع الموصل أو اللحام

· تكنولوجيا صديقة للبيئة

· جودة اللحام المتسقة والأداء الميكانيكي والكهربائي

· أوقات دورة سريعة

· واجهة ودية بين الإنسان والحاسوب

· لا يوجد دخان أو مواد كيميائية مثل الرصاص لضمان سلامة المشغل

·عملية

هناك نوعان من طرق اللحام بالموجات فوق الصوتية: المعدن والبلاستيك. اللحام الخطي هو الأسلوب الأكثر شيوعًا الذي تستخدمه الشركات المصنعة للمعدات وهو المعيار القياسي لربط الأسلاك (الشكل 3). يمكن استخدام تقنية اللحام الملتوي في معظم تطبيقات اللحام الخطي الشائعة. ومع ذلك، نظرًا لميزاته الفريدة، فإنه يتمتع بمزايا معينة من حيث الهندسة التطبيقية والعملية اللطيفة، مما يؤدي إلى تطبيقات أوسع في السوق. في الواقع، أحيانًا ما تكون هذه التقنية هي الحل الوحيد لمصنعي بطاريات السيارات الكهربائية ولحام الكابلات ذات الجهد العالي (الشكل 4). تشمل الأمثلة الأخرى التي أثبت فيها اللحام الالتوائي بالموجات فوق الصوتية أنه طريقة متفوقة قضبان التوصيل والمحطات الطرفية ثلاثية الأبعاد والترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المتكاملة (IGBTs).

تكنولوجيا اللحام بالموجات فوق الصوتية

أمثلة على تطبيقات المركبات الكهربائية الحالية للحام بالموجات فوق الصوتية

مبدأ العمل:

يتم تكديس السلك بين أداة الاهتزاز/التذبذب (مولد الموجات فوق الصوتية) والسندان. فهي محصورة داخل مساحة محددة مسبقًا قبل تطبيق القوة الساكنة عبر السندان. ومع حدوث التذبذبات، يسخن السطح المعدني ويتحول إلى مادة بلاستيكية، وتترابط الخيوط معًا عن طريق الاختلاط مع بعضها البعض على المستوى الجزيئي (الشكل 6). والنتيجة هي لحام مستمر ببنية دقيقة الحبيبات، تشبه تلك الخاصة بالمعادن المعالجة على البارد. العملية برمتها سريعة جدًا، ويتم اللحام عادةً في أقل من ثانية

تعمل أدوات الربط الأكثر شيوعًا المستخدمة اليوم على اهتزاز ميكانيكي بتردد 20 كيلو هرتز. تعمل الاهتزازات تحت القوة على تبديد أي ملوثات وبدء اللحام بالاحتكاك البارد حتى يكتمل اللحام. بسبب الاحتكاك في واجهة اللحام، فإن ارتفاع درجة حرارة مادة اللحام أقل من 30%. لذلك، لا يوجد أي تصلب للأسلاك من شأنه أن يجعل الخيوط هشة في منطقة انتقال اللحام. وهذه واحدة من المزايا العديدة مقارنة باللحام بالمقاومة، والذي غالبًا ما يذيب المواد لتكوين كتلة صلبة.