المعالجة بالموجات فوق الصوتية

المعالجة بالصدمات فوق الصوتية ( UIT ) هي تقنية معالجة معدنية ، تشبه التصليد بالتشكيل ، حيث تُطبَّق طاقة فوق صوتية على جسم معدني. تُعد هذه التقنية جزءًا من عمليات الصدم الميكانيكي عالي التردد (HFMI). وهناك اختصارات أخرى مكافئة لها: الصقل بالإبرة فوق الصوتية (UNP) والصقل فوق الصوتي (UP). تُؤدي المعالجة بالصدمات فوق الصوتية إلى تحكم دقيق في إجهاد الضغط المتبقي ، وتحسين بنية الحبيبات ، وتقليل حجمها . كما تُحسِّن هذه التقنية مقاومة التعب في الدورات المنخفضة والعالية ، وقد وُثِّقت زيادات تصل إلى عشرة أضعاف مقارنةً بالعينات غير المعالجة بالصدمات فوق الصوتية.

في تقنية المعالجة بالموجات فوق الصوتية (UIT)، تُنتج الموجات فوق الصوتية بواسطة محول طاقة كهروميكانيكي ، وتُطبق على قطعة العمل. يُحفز قضيب الرنين المُضبوط صوتيًا على الاهتزاز عن طريق تنشيطه بمحول طاقة مغناطيسي انضغاطي أو كهرضغطي . تُنقل الطاقة المتولدة من هذه النبضات عالية التردد إلى السطح المُعالج عبر تلامس دبابيس فولاذية مصممة خصيصًا . تتحرك هذه الدبابيس بحرية محوريًا بين جسم الرنين والسطح المُعالج.

عندما تتلامس الأداة، المكونة من محول الطاقة فوق الصوتي والدبابيس والمكونات الأخرى، مع قطعة العمل، فإنها تقترن بها صوتيًا، مما يُحدث رنينًا توافقيًا . يتم هذا الرنين التوافقي بتردد مُعاير بدقة ، تستجيب له المعادن بشكل إيجابي للغاية، مما يؤدي إلى تقليل الإجهاد المتبقي الانضغاطي، وتخفيف الإجهاد، وتحسين بنية الحبيبات.

يتم تطبيق مزيج من الترددات المختلفة وسعات الإزاحة، وذلك حسب التأثيرات العلاجية المطلوبة. وتتراوح هذه الترددات، بحسب الأداة والشركة المصنعة الأصلية، بين 15 و55 كيلوهرتز ، ^{[ 1 ]} بينما تتراوح سعة إزاحة الجسم الرنان بين 20 و80 ميكرومتر (0.00079 و0.00315 بوصة) .   

تتميز تقنية الموجات فوق الصوتية (UIT) بسهولة التحكم. فباستخدام وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC) أو مولد موجات فوق صوتية رقمي، يُمكن ضبط تردد وسعة الموجات فوق الصوتية والحفاظ عليهما بسهولة، مما يُقلل بشكل كبير من اعتمادها على المُشغل. كما يُمكن التحكم بها ميكانيكيًا، مما يُوفر إمكانية تكرار النتائج من تطبيق لآخر. ومن أمثلة التحكم الميكانيكي المُستخدم مع تقنية الموجات فوق الصوتية:

• ماكينات التفريز CNC
• المخارط
• التحكم الآلي
• لحام الجرارات

مع هذه الأنواع من التطبيقات الخاضعة للتحكم، يمكن التحكم بدرجة عالية في تشطيب سطح قطعة العمل.

في العديد من التطبيقات، يُعدّ استخدام نظام UIT يدويًا أكثر فعالية. وتتيح سهولة نقل هذا النظام الوصول إلى المواقع النائية والأماكن التي يصعب الوصول إليها. كما تضمن المرونة التي توفرها خيارات تكوين الأداة (مثل رأس التشكيل بالدق الزاوي) إمكانية الوصول إلى الأماكن الضيقة جدًا.

وقد تم توضيح فعالية تقنية UIT على المعادن التالية، من بين معادن أخرى:

• الألومنيوم (بما في ذلك الألومنيوم المحسس)
• البرونز
• سبائك الكوبالت
• سبائك النيكل
• الصلب
  • الفولاذ الكربوني
  • الفولاذ المقاوم للصدأ
  • فولاذ عالي القوة منخفض السبائك
  • فولاذ المنغنيز
• التيتانيوم

طُوِّرت تقنية UIT في الأصل عام 1972، ومنذ ذلك الحين، جرى تطويرها وتحسينها على يد فريق من العلماء الروس بقيادة الدكتور إيفيم ستاتنيكوف . وقد طُوِّرت هذه التقنية في البداية لتحسين مقاومة هياكل السفن والغواصات للإجهاد والتآكل، ثم استُخدمت في مجالات الطيران والفضاء، والتعدين، والحفر البحري، وبناء السفن، والبنية التحتية، وصناعة السيارات، وإنتاج الطاقة، وغيرها من الصناعات. ^{[ 2 ]} وتتوفر اليوم حلول صناعية متنوعة لهذه التقنية، ويتم تسويقها من قِبَل عدد محدود من مُصنِّعي المعدات الأصلية حول العالم.

تُتيح تقنية UIT إطالة عمر الجسور الفولاذية. ^{[ 3 ]} وقد استُخدمت هذه التقنية في العديد من الولايات الأمريكية، بالإضافة إلى دول أخرى. والنتيجة هي انخفاض كبير في تكلفة البنية التحتية. وقد حصلت تقنية UIT على شهادة اعتماد من الجمعية الأمريكية لمسؤولي الطرق السريعة والنقل (AASHTO) لهذا الاستخدام .

أدى استخدام تقنية UIT على الحفارات الجرافة وغيرها من المعدات الثقيلة في صناعة التعدين إلى زيادة الإنتاج وانخفاض وقت التوقف وتكاليف الصيانة.

تُستخدم تقنية UIT على أعمدة الدوران وأعمدة المرفق في العديد من الصناعات. وتُظهر النتائج أن تقنية UIT تزيد من عمر العمود بأكثر من ثلاثة أضعاف. ^{[ 3 ]}

تستخدم البحرية الأمريكية تقنية المعالجة الحرارية الموحدة (UIT) لمعالجة الشقوق في بعض أسطح السفن المصنوعة من الألومنيوم. فبدون هذه التقنية، كانت عمليات إصلاح الشقوق تؤدي إلى ظهورها مجدداً على الفور تقريباً. أما مع تقنية المعالجة الحرارية الموحدة، فقد أثبتت الدراسات أن عمليات الإصلاح تدوم لأكثر من ثمانية أشهر دون ظهور شقوق.

• معالجة الصدمات عالية التردد
• إجهاد التآكل
• تشقق التآكل الناتج عن الإجهاد
• اللحام

• هاجنسن، بي جيه، أساليب تحسين اللحام - التطبيقات والتنفيذات في قوانين التصميم، ورقة بحثية مدعوة في مؤتمر إجهاد الهياكل الملحومة، سينليس، باريس، فرنسا، 12-14 يونيو 1996.
• بروكوبينكو، جي آي، تي إيه لياتون، دراسة ظروف تصلب السطح بواسطة الموجات فوق الصوتية، في: فيزياء وكيمياء معالجة المواد، العدد 3، ص 91، 1977.
• Blaha, F., B.Langenecker."Dehnung von Zink-Kristallen unter Ultraschalleinwirkung"، Zeitschrift die Naturwissenschaften، 20، 556، 1955.
• كونوفالوف، إي جي، في إم دروزدوف، إم دي تيافلوفسكي، القوة الديناميكية للمعادن (باللغة الروسية)، ناوكا آي تيكنيكا، مينسك، 1969.
• كازانتسيف، ف.ف.، الفيزياء الأساسية لتأثير الموجات فوق الصوتية على معالجة الأجسام الصلبة (باللغة الروسية). أطروحة دكتوراه، أكين، موسكو، 1980، ص  12-44.
• ستاتنيكوف، إي إس، تطوير ودراسة الأجهزة ذات الأغراض الخاصة بالموجات فوق الصوتية، أطروحة، معهد الأكاديمي إن إن أندرييف الصوتي، أكاديمية العلوم في الاتحاد السوفيتي، 1982.
• Severdenko, VP, EG Konovalov, E.Sh. Statnikov et al., دراسة الخواص الميكانيكية للمواد الجديدة تحت تأثير التذبذبات فوق الصوتية، التقرير رقم 21-971، FTI Acad. Nauk of BSSR، مينسك (1966).
• ستاتنيكوف، إي. ش.، تنشيط عملية التشوه تحت تأثير الموجات فوق الصوتية، المؤتمر العلمي والتقني "قراءات لومونوسوف الثلاثين"، سيفماشفتوز، سيفيرودفينسك (2001).

منشورات IIW:

• زيادة مقاومة الإجهاد للوصلات الملحومة تحت الضغط الدوري. الاجتماع السنوي السابع والأربعون للمعهد الدولي للحام. وثيقة المعهد الدولي للحام رقم XIII-1569-94، بكين، 1994. ي. كودريافتسيف، ف. إ. تريوفياكوف، ب. ب. ميخيف، إ. س. ستاتنيكوف.
• تحسين مقاومة الإجهاد للوصلات الملحومة (في الفولاذ عالي المقاومة وسبائك الألومنيوم) باستخدام التصليد بالدق بالموجات فوق الصوتية. المؤتمر السنوي الثامن والأربعون للمعهد الدولي للحام. وثيقة المعهد الدولي للحام رقم XIII-1594-95، ستوكهولم، 1995. جيه جيه يانوش، إتش كونيتشني، إس ديبيز، إي إس ستاتنيكوف، في آي تريوفياكوف، بي بي ميخيف.
• المعالجة بالموجات فوق الصوتية للوصلات الملحومة. الاجتماع السنوي الثامن والأربعون للمعهد الدولي للحام. وثيقة المعهد الدولي للحام رقم XIII-1609-95، ستوكهولم، 1995. في. آي. تروفياكوف، ب. ب. ميخيف، يو. كودريافتسيف، إي. إس. ستاتنيكوف.
• مواصفات تحسين حافة اللحام باستخدام المعالجة بالصدمات فوق الصوتية. الاجتماع السنوي التاسع والأربعون للمعهد الدولي للحام. وثيقة المعهد الدولي للحام رقم XIII-1617-96، بودابست، 1996. إعداد: إي إس ستاتنيكوف، في آي تروفياكوف، بي بي ميخيف، يو. كودريافتسيف.
• المعالجة بالموجات فوق الصوتية للوصلات الملحومة. الاجتماع السنوي التاسع والأربعون للمعهد الدولي للحام، بودابست، 1996، إي إس ستاتنيكوف.
• تطبيقات تقنية المعالجة بالصدمات فوق الصوتية التشغيلية (UIT) في إنتاج الوصلات الملحومة. الاجتماع السنوي الخمسون للمعهد الدولي للحام. وثيقة IIW رقم XIII-1667-97، سان فرانسيسكو، 1997. إي إس ستاتنيكوف.
• مقارنة كفاءة وسهولة معالجة طرق التشكيل بعد اللحام لزيادة مقاومة الإجهاد في الوصلات الملحومة. المؤتمر السنوي الخمسون للمعهد الدولي للحام. وثيقة المعهد الدولي للحام رقم XIII-1668-97، سان فرانسيسكو، 1997. إي إس ستاتنيكوف.
• كفاءة المعالجة بالصدمات فوق الصوتية (UIT) لتحسين مقاومة الإجهاد للوصلات الملحومة. الاجتماع السنوي الحادي والخمسون للمعهد الدولي للحام. وثيقة IIW رقم XIII-1745-98، هامبورغ، 1998. في. آي. تروفياكوف، إي. إس. ستاتنيكوف، بي. بي. ميخيف، إيه. زد. كوزمينكو.
• اختبارات الإجهاد التمهيدية على الوصلات الملحومة في الفولاذ والألومنيوم عالي المقاومة المعالج بطرق تحسين مختلفة، بما في ذلك المعالجة بالصدمات فوق الصوتية. المؤتمر السنوي الحادي والخمسون للمعهد الدولي للحام. وثيقة المعهد الدولي للحام رقم XIII-1748-98، هامبورغ، 1998. بي جيه هاغنسن، إي إس ستاتنيكوف، إل لوبيز مارتينيز.
• إصلاح شقوق الإجهاد. فريق العمل 5. الجمعية السنوية الحادية والخمسون للمعهد الدولي للحام. وثيقة المعهد الدولي للحام رقم XIII-WG5-18-98، هامبورغ، 1998. إي إس ستاتنيكوف، إل كيلنر، جيه بيكر، إتش كروفت، في آي دفوريتسكي، في أو موكتيبافيل.
• دليل تطبيق المعالجة بالصدمات فوق الصوتية لتحسين عمر الإجهاد للهياكل الملحومة. الاجتماع السنوي الثاني والخمسون للمعهد الدولي للحام. وثيقة المعهد الدولي للحام رقم XIII-1757-99، لشبونة، 1999. إي إس ستاتنيكوف.
• مقارنة بين المعالجة بالصدمات فوق الصوتية (UIT) وطرق تحسين عمر الإجهاد الأخرى. الاجتماع السنوي الثالث والخمسون للمعهد الدولي للحام. IIW-Doc. XIII-1817-00، فلورنسا، 2000. إي إس ستاتنيكوف، في أو موكتيبافيل، أ. بلومكفيست.
• إصلاح الهياكل الملحومة المعرضة للإجهاد: دراسة حالة. فريق العمل 5. الجمعية السنوية الرابعة والخمسون للمعهد الدولي للحام. وثيقة المعهد الدولي للحام رقم XIII-WG5-1873-01، سلوفينيا، 2001. إعداد: إي إس ستاتنيكوف، إل تيهيني.
• تحسين مقاومة الإجهاد لجسور العوارض باستخدام المعالجة بالصدمات فوق الصوتية (UIT). الاجتماع السنوي الخامس والخمسون للمعهد الدولي للحام. IIW Doc.XIII-1916-02، كوبنهاغن، 2002. جيه دبليو فيشر، إي إس ستاتنيكوف، إل تيهيني.
• مقارنة تحسين مقاومة التآكل والإجهاد لمراوح برونزية نحاسية بحرية من الدرجة الثالثة تم إصلاحها باللحام، وذلك باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية أو المعالجة الحرارية. الاجتماع السنوي السادس والخمسون للمعهد الدولي للحام. IIW. الوثيقة رقم XIII-1964-03، بوخارست، 2003. إي إس ستاتنيكوف، في أو موكتيبافيل، في إن فيتيازيف، في آي تروفياكوف، في إس كوفالتشوك، بي هاجنسن.
• تأثير المعالجة بالصدمات فوق الصوتية على سلوك التعب في الوصلات الملحومة في الفولاذ عالي المقاومة. المؤتمر السنوي السادس والخمسون للمعهد الدولي للحام، IIW-Doc. XIII-1976-03، بوخارست، 2003. أندريه غالتير، إي إس ستاتنيكوف.
• تحسين مقاومة الإجهاد لملحق طولي بواسطة المعالجة بالصدمات فوق الصوتية. الاجتماع السنوي السادس والخمسون للمعهد الدولي للحام. IIW. Doc.XIII-1990-03، بوخارست، 2003. فيلي-ماتي ليهافاينن، غاري ماركيز، إي إس ستاتنيكوف.
• فيزياء وآلية المعالجة بالصدمات فوق الصوتية. الاجتماع السنوي السابع والخمسون للمعهد الدولي للحام. وثيقة المعهد الدولي للحام رقم XIII-2004-04، أوساكا، 2004، إي إس ستاتنيكوف.
• مقارنة كفاءة  أدوات اللحام بترددات 27 و36 و44 كيلوهرتز. المؤتمر السنوي السابع والخمسون للمعهد الدولي للحام. وثيقة المعهد الدولي للحام رقم XIII-2005، أوساكا، 2004. إعداد: إي إس ستاتنيكوف، في إن فيتيازيف، أو في كورولكوف.
• تحسين جودة وموثوقية الهياكل باستخدام برنامج UIT Esonix. الاجتماع السنوي الثامن والخمسون للمعهد الدولي للحام. وثيقة IIW رقم XIII-2049-05، براغ، 2005. إي إس ستاتنيكوف.
• المعالجة بالصدمات فوق الصوتية مقابل التشكيل بالدق فوق الصوتي. الاجتماع السنوي الثامن والخمسون للمعهد الدولي للحام. وثيقة المعهد الدولي للحام رقم XIII-2050-05. براغ، 2005. إي إس ستاتنيكوف.
• فيزياء وآلية التأثير فوق الصوتي. الاجتماع السنوي التاسع والخمسون للمعهد الدولي للحام. وثيقة المعهد الدولي للحام رقم XIII-2096-06، كيبيك، 2006. إي. إس. ستاتنيكوف، أو. في. كورولكوف، في. إن. فيتيازيف.
• حول تقييم تأثير المعالجة بالصدمات فوق الصوتية على الإجهاد (مناقشة بعض النتائج التجريبية). الاجتماع السنوي التاسع والخمسون للمعهد الدولي للحام. وثيقة المعهد الدولي للحام رقم XIII-2097-06، كيبيك، 2006. إي إس ستاتنيكوف، في واي كوروستيل.
• تطوير تقنيات معالجة الصدمات بالموجات فوق الصوتية من إيسونيكس. الاجتماع السنوي التاسع والخمسون للمعهد الدولي للحام. وثيقة المعهد الدولي للحام رقم XIII-2098-06، كيبيك، 2006. إي إس ستاتنيكوف، في واي كوروستيل، إن فيكشين، جي ماركيز.
• تحسين مقاومة التعب لعينات الفولاذ المقاوم للصدأ الرقيقة بواسطة UIT. الاجتماع السنوي التاسع والخمسون للمعهد الدولي للحام. وثيقة IIW رقم XIII-2104-06، كيبيك، 2006. ل. هوهتالا، ف.م. ليهافاينن، ج. ماركيز، إ.س. ستاتنيكوف، ف.ي. كوروستيل، س.ج. مادكس.
• حول استخدام الموجات فوق الصوتية لتسريع اختبارات الإجهاد. الجمعية السنوية التاسعة والخمسون للمعهد الدولي للحام. وثيقة المعهد الدولي للحام رقم XIII-2106-06، كيبيك، 2006. إي إس ستاتنيكوف، في واي كوروستيل.
• تطبيق UIT لتعويض التشوه الزاوي في وصلات T الملحومة. الاجتماع السنوي التاسع والخمسون للمعهد الدولي للحام. وثيقة IIW رقم XIII-2107-06، كيبيك، 2006. إي إس ستاتنيكوف، في واي كوروستيل، دبليو فريكه.
• حول تحديد الهوية في إعداد وحدة اختبار اللحام للاختبار المقارن والتطبيق الميداني. الاجتماع السنوي الستون للمعهد الدولي للحام. وثيقة المعهد الدولي للحام رقم XIII-2180-07، دوبروفنيك، 2007. إعداد: إي إس ستاتنيكوف، في واي كوروستيل، إيه دي مانليك.
• استخدام الموجات فوق الصوتية لتسريع اختبارات الإجهاد أثناء تقييم فعالية اختبار الشد بالموجات فوق الصوتية. الاجتماع السنوي الستون للمعهد الدولي للحام. وثيقة المعهد الدولي للحام رقم XIII-2182-07، دوبروفنيك، 2007. إي إس ستاتنيكوف، في واي كوروستيل.
• تطبيق UIT لتعويض التشوه الزاوي في وصلات T الملحومة. الاجتماع السنوي الستون للمعهد الدولي للحام. وثيقة IIW رقم X-1603-07، دوبروفنيك، 2007. إي إس ستاتنيكوف، وولفغانغ فريكه.
• ابتكار تقنية الصدمات فوق الصوتية وتأثيرها على الصناعة. الاجتماع السنوي الثالث والستون للمعهد الدولي للحام، وثيقة IIW رقم XIII-2320-10، إسطنبول، 2010. ل. كيلنر، د. شارمان.

• https://www.appliedultrasonics.com/
• http://www.sonats-et.com/page_23-needle-peening.html