اللحام بالترددات الراديوية

اللحام بترددات الراديو ، المعروف أيضًا باللحام العازل واللحام عالي التردد ، هو عملية لحام للبلاستيك تستخدم مجالات كهربائية عالية التردد لتسخين وصهر المواد البلاستيكية الحرارية . ^{[ 1 ]} يُطبَّق المجال الكهربائي بواسطة زوج من الأقطاب الكهربائية بعد تثبيت الأجزاء المراد لحامها معًا. وتُحافظ على قوة التثبيت حتى يتصلب اللحام. من مزايا هذه العملية سرعة دورة اللحام (في حدود ثوانٍ معدودة)، والتشغيل الآلي، وإمكانية التكرار، وجودة اللحام. لا يمكن تسخين جميع أنواع البلاستيك باستخدام موجات الراديو إلا في البلاستيك ثنائي القطب ، وبالتالي لا يمكن لحام جميع أنواع البلاستيك بهذه الطريقة. كما أن هذه العملية غير مناسبة للوصلات السميكة أو المعقدة للغاية. يُستخدم هذا النوع من اللحام بشكل شائع في وصلات التراكب أو الأختام على الصفائح أو الأجزاء البلاستيكية الرقيقة.

يمكن أن تحدث أربعة أنواع من الاستقطاب في المواد المعرضة لمجالات كهربائية متناوبة عالية التردد: ^{[ 2 ]}

• الاستقطاب الإلكتروني أو الكهربائي هو إعادة توزيع الإلكترونات
• الاستقطاب الأيوني هو إعادة توزيع الجسيمات المشحونة - الكاتيونات والأنيونات
• استقطاب ماكسويل-فاغنر هو تراكم للشحنات عند أسطح التماس بين المواد غير المتجانسة
• الاستقطاب ثنائي القطب هو إعادة تنظيم ثنائيات الأقطاب الدائمة

يُعدّ استقطاب ثنائي القطب الظاهرة المسؤولة عن آلية التسخين في لحام البلاستيك بترددات الراديو، أو ما يُعرف بالتسخين العازل . فعند تطبيق مجال كهربائي على جزيء ذي توزيع غير متماثل للشحنة، أو ثنائي القطب ، تتسبب القوى الكهربائية في اصطفاف الجزيء مع اتجاه المجال الكهربائي. ^{[ 1 ]} وعند تطبيق مجال كهربائي متناوب، ينعكس اصطفاف الجزيء باستمرار، مما يؤدي إلى دورانه. هذه العملية ليست فورية، لذا إذا كان التردد عاليًا بما يكفي، فلن يتمكن ثنائي القطب من الدوران بالسرعة الكافية للبقاء مصطفًا مع المجال الكهربائي، مما ينتج عنه حركة عشوائية في محاولة الجزيء لمواكبة المجال. تُسبب هذه الحركة احتكاكًا بين الجزيئات، مما يؤدي إلى توليد الحرارة. ^{[ 3 ]} وتعتمد كمية الحرارة المتولدة عن الاحتكاك في المادة على شدة المجال، والتردد، وقوة ثنائي القطب، والحجم الحر في المادة. ^{[ 1 ]} وبما أن القوة الدافعة الرئيسية للتسخين العازل هي تفاعل ثنائي قطب الجزيء مع المجال الكهربائي المُطبق، فلا يُمكن إجراء لحام ترددات الراديو إلا على جزيئات ثنائية القطب. يتراوح نطاق التردد النموذجي للتسخين العازل بين 10 و100  ميجاهرتز، ولكن عادةً ما تُجرى عملية اللحام بترددات الراديو عند حوالي 27  ميجاهرتز. ^{[ 3 ]} عند الترددات المنخفضة جدًا، تستطيع ثنائيات الأقطاب أن تصطف مع المجال الكهربائي وتبقى متوافقة في الطور مع التيار الكهربائي، مما يقلل الاحتكاك بين الجزيئات. ويمكن وصف ذلك أيضًا بأنه فقدان ضئيل للطاقة من المجال الكهربائي، حيث تبقى الجزيئات متوافقة في الطور وتمتص الحد الأدنى من الطاقة. مع ارتفاع الترددات، يبدأ فقدان الطاقة في الازدياد لأن ثنائيات الأقطاب لا تستطيع الاصطفاف بمعدل انعكاس المجال الكهربائي. فتصبح ثنائيات الأقطاب خارج الطور، فتمتص الطاقة، وهنا يحدث التسخين. عند تردد معين، يصل فقدان الطاقة إلى أقصى حد، حيث تقل الطاقة عند الترددات الأعلى، وينتج عن ذلك تسخين أقل. يعتمد الحد الأقصى لفقدان الطاقة العازلة على نوع المادة. ^{[ 4 ]}

تعتمد آلية التسخين بترددات الراديو على ثنائي قطب في الجزيء لتوليد الحرارة، ولذلك تقتصر أنواع البلاستيك المستخدمة في اللحام بترددات الراديو على تلك التي تحتوي جزيئاتها على ثنائي قطب كهربائي. ^{[ 5 ]} تتشكل ثنائيات أقطاب جزيئية دائمة نتيجةً لاختلافات الكهرسلبية بين ذرات الجزيء. تنتقل الشحنة السالبة نحو الذرات ذات الكهرسلبية الأعلى، مما ينتج عنه مناطق ذات شحنة سالبة أكبر تحيط بالذرات الأكثر كهرسلبية، ومناطق ذات شحنة موجبة تحيط بالذرات الأقل كهرسلبية. ^{[ 1 ]} ولأن البولي إيثيلين يتكون من مجموعات متماثلة ، فلا يتشكل ثنائي قطب، وبالتالي لا يمكن لحامه باستخدام لحام ترددات الراديو. ومثل الماء، يتكون كلوريد البولي فينيل (PVC) من ذرات موزعة بشكل غير متماثل ذات كهرسلبية مختلفة، مما ينتج عنه عزم ثنائي قطب. وبسبب عزمه ثنائي القطب القوي (وخصائص أخرى)، يُعتبر PVC مادة ممتازة للحام بترددات الراديو. إضافةً إلى القطبية، تشمل الخصائص التي تُسهم في جودة اللحام بترددات الراديو ما يلي: ثابت عزل كهربائي عالٍ، مما يقلل مقاومة تدفق التيار؛ وقوة عزل كهربائي عالية، مما يمنع حدوث شرارة كهربائية عبر أجزاء الوصلة أثناء اللحام؛ وفقد عزل كهربائي عالٍ، وهو عامل يصف كمية الحرارة المتولدة عن المجال الكهربائي. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

تشمل بعض أنواع البلاستيك التي يتم لحامها بشكل شائع باستخدام التسخين العازل ما يلي: ^{[ 1 ] [ 3 ] [ 6 ]}

• كلوريد البولي فينيل (PVC)

• كلوريد البولي فينيل المكلور (CPVC)
• البولي يوريثان

• النايلون
• أسيتات السليلوز
• أسيتات الإيثيلين-فينيل (EVA)
• كلوريد البولي فينيليدين (PVDC)
• بولي إيثيلين تيريفثالات (PET)

يمكن إضافة عناصر إضافية إلى الوصلة لأسباب متنوعة، منها تحسين العزل الحراري، ومنع التصاق الأجزاء بمعدات اللحام، ومنع حدوث الشرارة الكهربائية، وتخفيف ضغط التثبيت غير المنتظم أو المجال الكهربائي. ^{[ 2 ]} من الممكن لحام المواد البلاستيكية غير القطبية باستخدام غرسة مركبة موصلة لتحسين الفقد العازل. ^{[ 1 ]}

تتكون عملية اللحام بترددات الراديو من خمس خطوات: ^{[ 1 ]}

1. تحميل الأجزاء
2. تطبيق الضغط
3. تطبيق المجال الكهربائي
4. ضغط الثبات
5. تفريغ الأجزاء

تتضمن عملية التحميل وضع قطعة الوصل في آلة اللحام. تبدأ عملية اللحام بتطبيق ضغط من الأقطاب الكهربائية على القطع. عادةً، يكون القطب السفلي ثابتًا، ويقوم المشغل بدفع القطب العلوي لأسفل بقوة محددة. يُطبق المجال الكهربائي على القطع لفترة زمنية محددة مع الحفاظ على ضغط الأقطاب. يؤدي التسخين العازل إلى انصهار القطع المتلامسة، وتنتشر البوليمرات السائلة داخل بعضها البعض عند السطح الفاصل. يحدث الانتشار والتصلب للوصلة مع الحفاظ على الضغط لفترة زمنية محددة. بمجرد تبريد الوصلة وسحب القطب العلوي، يمكن إزالة القطعة. ^{[ 1 ]}

تتكون المعايير المستخدمة للتحكم في عملية اللحام مما يلي: ^{[ 1 ] [ 2 ]}

• زمن اللحام – مدة تطبيق المجال الكهربائي
• الطاقة – طاقة المجال الكهربائي في المفصل
• ضغط التثبيت (أو مسافة الانهيار) – حد ضغط الضغط (أو حد مسافة الضغط) يتم ضغط الأجزاء معًا
• مدة الضغط - المدة التي يتم فيها تطبيق الضغط بعد إيقاف تشغيل مصدر الطاقة
• درجة حرارة القالب - درجة حرارة القوالب
• عدد/تسلسل الدورات – تعديل عملية اللحام لتنفيذ دورات متعددة متسلسلة لتحقيق أقصى جودة للحام

غالباً ما تكون المعايير المذكورة مترابطة، ويجب تطوير نطاق تشغيلي لضبط العملية للحصول على جودة لحام مقبولة. ^{[ 2 ]}

تتكون معدات اللحام بترددات الراديو عمومًا من: مولد طاقة ترددات الراديو، ووحدة تحكم، ومكبس، وغطاء، وأقطاب كهربائية، وأحيانًا آلية مناولة. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} يقوم مولد طاقة ترددات الراديو بتحويل طاقة التيار الكهربائي إلى طاقة عالية التردد والجهد للحام. تتراوح الفولتية النموذجية بين 1 و1.5 كيلو فولت تيار متردد بتردد 27.12 ميجاهرتز. ^{[ 1 ]} تعتمد الطاقة اللازمة للحام على مساحة اللحام وسماكته ونوع المادة. ^{[ 2 ]} وحدة التحكم هي النظام المستخدم لتشغيل الماكينة. وهي مسؤولة عن معالجة معلومات مدخلات اللحام المطلوبة، مثل القوة والطاقة ووقت التسخين، وتوجيه مكونات الماكينة الأخرى لتلبية هذه المعايير. بعض وحدات التحكم قادرة على مراقبة المخرجات وضبط المعايير لضمان لحام مُرضٍ. ^{[ 1 ]} يوفر المكبس (أو المشغل) قوة التثبيت هوائيًا أو هيدروليكيًا. ^{[ ٢ ]} الأقطاب الكهربائية عبارة عن زوج من الهياكل الموصلة التي تنقل المجال الكهربائي عبر الأجزاء المراد وصلها. تتلامس الأقطاب مع الأجزاء وتطبق ضغط التثبيت قبل وأثناء اللحام، وحتى التصلب. عادةً، يبرز القطب العلوي من سطح التثبيت العلوي، بينما يكون القطب السفلي سطحًا موصلًا مستويًا. في بعض الحالات، يمكن أن يبرز القطب السفلي فوق سطح التثبيت السفلي، ليتوافق مع الشكل الهندسي أو لتحسين تركيز الانصهار من خلال تقليل المجال الكهربائي المتسرب. يمكن تصنيع كلا القطبين بميزات لتغيير مظهر سطح اللحام. وعادةً ما يُصنعان من النحاس الأصفر أو النحاس أو البرونز. ^{[ ١ ]} يُستخدم غلاف أو قفص للترددات الراديوية يحيط بالأقطاب والمناطق المفتوحة لحماية المشغل من الإصابة، بما في ذلك إشعاع الترددات الراديوية. ^{[ ١ ]} يمكن أن تكون الآلات المؤتمتة شبه مؤتمتة (تتطلب من المشغل التعامل مع الأجزاء) أو مؤتمتة بالكامل (حيث تكون الآلة مسؤولة عن تحميل الأجزاء ونقلها والتعامل معها). ^{[ ٢ ]}

يُعدّ لحام الترددات الراديوية التطبيق الأكثر شيوعًا لربط الصفائح الرقيقة من اللدائن الحرارية القطبية، مثل البولي فينيل كلوريد (PVC). تشمل بعض المنتجات التي تستخدم عادةً لحام الترددات الراديوية كرات الشاطئ، والمراتب الهوائية، وسترات النجاة، وأغلفة الكتب، والمجلدات ذات الأوراق المفكوكة. كما يُستخدم لحام الترددات الراديوية بشكل شائع في المستلزمات الطبية، مثل أكياس الدم، والملابس التي تُستعمل لمرة واحدة، وأجهزة قياس ضغط الدم، وتغليف بعض المنتجات. ^{[ 3 ]} يُستخدم لحام الترددات الراديوية بشكل أساسي في تصنيع المنتجات التي تتطلب إحكامًا تامًا ضد الماء أو الهواء. تُنتج عملية اللحام أو إحكام أنابيب الإدخال أختامًا قادرة على تحمّل متطلبات متنوعة لأنواع معينة من السوائل أو ضغوط الهواء. ومن الأمثلة على ذلك، الصناعة الطبية، حيث يُعدّ ضمان إحكام الإغلاق ضد الهواء والسوائل أمرًا بالغ الأهمية. ^{[ 7 ]}

• التسخين العازل
• اللحام بالميكروويف
• لحام البلاستيك