.





لحامُ الزجاج بالمعادن – Glass-Metal Welding 

لحامُ الزجاج بالمعادن – Glass-Metal Welding 

من المعلوم أنه من الصعب جدًا لحامُ مادّتين غير متشابهتين كالزجاج والمعدن؛ وذلك بسبب الاختلافات الكبيرة في الخصائص الحراريّة لكلّ منهما؛ فدرجات الحرارة المرتفعة للّحام والتفاوت الكبير في مستويات التمدّد الحراري الحاصلة ستؤدي إلى تحطّم الزجاج أثناء عملية اللحام.

ونتيجةً لذلك، غالبًاً ما يتمّ اللّجوء إلى استخدام المواد اللاصقة لربط الزجاج بالمعدن رغم المشاكل التي من الممكن أن تنجم عن هذا الربط؛ فكثيرًاً ما تبدأ الأجزاء الملصوقة بالتحرّك تدريجيًاً والانزياح عن مكانها، هذا بالإضافة إلى أن المواد الكيميائيّة العضويّة الموجودة في المواد اللاصقة تتطاير تدريجيًاً؛ وبالتالي تفقد الطبقةُ اللاصقةُ وظيفتَها بمرور الزمن؛ ممّا يؤثّر سلبًا على حياة المنتج في نهاية المطاف.

مؤخّرًاً، استطاع مجموعة من العلماء من جامعة Heriot-Watt بقيادة البروفيسور Duncan Hand من إيجاد طريقة لربط الزجاج بالمعدن باللحام عن طريق تقنية تدعى اللّحام المايكرويّ باستخدام الليزر فائق السرعة Ultrafast Laser Microwelding، وتقوم هذه التقنية على تصويب نبضات ليزريّة Pulses على منطقة التماسّ السطحيّ بين المادّتين بتعاقب سريع بحيث تتجمّع الحرارة عند سطح التماسّ في مكان مرور النبضات اللّيزريّة ممّا يؤدّي إلى إحداث انصهارات موضعيّة، وعندما يتم إيقاف إرسال النبضات اللّيزريّة ومن ثمّ تصلّب المادة عند سطح التماسّ، فإنّه يتشكل رباط قويّ ومتين بين المادتين على طول مسار النبضات اللّيزريّة.فيما مضى، كانت أغلب الأبحاث المتعلّقة بموضوع اللّحام المايكرويّ باستخدام اللّيزر فائق السرعة تتركّز على المواد المتشابهة من حيث الخصائص الحراريّة أو ذات الاختلاف البسيط، في حين أنّ الأبحاث في هذا الموضوع والمتعلّقة بالمواد المتفاوتة من حيث الخصائص الحراريّة اقتصرت على دراسة الربط بين الزجاج والسيليكون فقط.
أمّا فيما يتعلق بالأبحاث المتعلّقة بلحام الزجاج مع المعدن، فقد أوضح البروفيسور Hand وفريقه أن الدراسات السابقة لم ترقَ إلى مستوى إثبات تعميم الفكرة والمبدأ؛ إذ اقتصرت على جملة محددّة من المواد وبناءً على دراسات منهجيّة محدودة. لذلك كان هدف البروفسور Hand ومن معه من الباحثين هو الانتقالَ بتقنية اللّحام المايكرويّ باستخدام اللّيزر فائق السرعة إلى مستوًى يجعل منها تقنية صناعيّة واعدة عبر دراسة ممنهجة لفضاء بارامترات اللّحام لإثبات ديمومة اللّحم بهذه الطريقة.

و لكن بسبب الطبيعة الهشّة للزجاج، كان إيجاد عددٍ كافٍ من العيّنات بهدف إجراء الاختبارات الإحصائية لبرامترات اللّحام أمرًاً غيرَ علميّ؛ لذلك قرّر الباحثون في دراستهم التركيز فقط على طاقة النبضة Pulse Energy والمستوى المحرقي للّيزر Focal Plane.
وحتّى بالاعتماد فقط على طاقة النبضة وعلى المستوى المحرقي للّيزر، فإنّ ذلك يتطلّب إجراء أكثر من 1000 عملية لحم منفصلة، وبهدف تقليل العيّنات اللّازمة لذلك؛ قام الباحثون بإجراء اختبارين لكل زوجٍ من البارامترات من أجل إيجاد خريطة البارامترات Parameter Map. ومن ثمّ، اعتمدوا على هذه الخريطة لتحديد الأماكن ذات الاهتمام Regions of Interest لجميع الاختبارات التي تمّ إجراؤها على 20 عيّنة فقط. وبعد ذلك، قاموا بتحديد مجموعة البارامترات المُثلى لإجراء اللّحم والتي تضمن ديمومة أفضل وعمرًا أطول للّحام.

وبالفعل، صرّحت جامعة Heriot-Watt أنّهم تمكّنوا بنجاح من لحام العديد من المواد البصرية كالكوارتز Quartz والزجاج البوروسيلكاتي Borosilicate Glass و الياقوت الأزرق Sapphire بجملة من المعادن كالألومينيوم والتيتانيوم والفولاذ غير القابل للصدأ.
(رابط الورقة العلميّة المعنيّة بدراسة لحام نوعين من الزجاج Spectrosil 2000 SiO2 و Schott N-BK7 بخليطة الألمينيوم AL6082 )

وأحد الملاحظات البارزة والمهمّة عند مناقشة النتائج هي أنّ التشقّقات الثانويّة الحاصلة حول منطقة اللحام (وخصوصاً في الزجاج) تشير إلى جودة عمليّة اللّحم؛ حيث تحدث هذه التشقّقات نتيجة الاختلاف الكبير بين الزجاج والمعدن من ناحية التمدّد الحراريّ، وبسبب هذه التشقّقات يتخلّص الزجاج ويتحرّر من الإجهادات الحراريّة الحادثة أثناء التبريد، ممّا يعني أن هذه التشقّقات لا تقلّل من قوّة الوصلة اللّحميّة على عكس ما كان متوقعًاً.
وصرّح الباحثون أنّه سيتمّ العمل مستقبلاً على موضوع التعويض الحراريّ Thermal Compansation وذلك من خلال دراسة هندسة سطح التماسّ بما يضمن موثوقيّة أعلى لعمليّة اللحام.

 

المصدر:

الجمعية الأمريكية للسيراميك The American Ceramic Socity

https://ceramics.org/ceramic-tech-today/materials-innovations/welding-glass-to-metal-breakthrough-expands-realm-of-manufacturing-possibilities


لا توجد تعليقات

اكتب تعليق