أظهرت دراسة CIQTEK SEM أن الأقطاب الكهربائية ذات الحلقات المرتفعة تعمل على تحسين لحام النقاط في سبائك الألومنيوم وعمر القطب الكهربائي

تُعدّ سبائك الألومنيوم، التي تُقدّر لنسبتها الاستثنائية من القوة إلى الوزن، مواد مثالية لتخفيف وزن السيارات. ولا يزال اللحام النقطي بالمقاومة (RSW) هو الأسلوب السائد في تصنيع هياكل السيارات. ومع ذلك، فإن الموصلية الحرارية والكهربائية العالية للألومنيوم، بالإضافة إلى طبقة أكسيده السطحية، تتطلب تيارات لحام تفوق بكثير تلك المستخدمة في الفولاذ. وهذا يُسرّع من تآكل أقطاب النحاس، مما يؤدي إلى عدم استقرار جودة اللحام، وتكرار صيانة الأقطاب، وزيادة تكاليف الإنتاج. إطالة عمر القطب الكهربائي في حين أن ضمان جودة اللحام أصبح يشكل عنق زجاجة تكنولوجيًا بالغ الأهمية في الصناعة.

ولمعالجة هذا التحدي، أجرى فريق الدكتور يانغ شانجلو في معهد شنغهاي للبصريات والميكانيكا الدقيقة دراسة متعمقة باستخدام CIQTEK FESEM SEM5000 قاموا بتصميم قطب كهربائي ذو حلقة مرتفعة بطريقة مبتكرة وقاموا بدراسة تأثير رقم الحلقة (0-4) على شكل القطب الكهربائي بشكل منهجي، وكشفوا عن العلاقة الجوهرية بين عدد الحلقات، وعيوب البلورة في كتلة اللحام، وتوزيع التيار. وتظهر نتائجهم أن زيادة عدد الحلقات المرتفعة تعمل على تحسين توزيع التيار، وتحسين كفاءة الإدخال الحراري، وتكبير كتلة اللحام، وإطالة عمر القطب الكهربائي بشكل كبير. يُذكر أن الحلقات المرتفعة تُعزز اختراق طبقة الأكسيد، مما يُحسّن تدفق التيار ويُقلل من التآكل النقطي. يُوفر هذا التصميم المُبتكر للقطب الكهربائي نهجًا تقنيًا جديدًا لتخفيف تآكل القطب الكهربائي، ويُرسي أساسًا نظريًا وعمليًا لتطبيق أوسع لسبائك الألومنيوم RSW في صناعة السيارات. نُشرت الدراسة في مجلة تكنولوجيا معالجة المواد تحت عنوان " دراسة تأثير شكل سطح القطب الكهربي على اللحام النقطي بمقاومة سبيكة الألومنيوم. ”

اختراق في تصميم الأقطاب الكهربائية ذات الحلقة المرتفعة

لمواجهة مشكلة تآكل الأقطاب الكهربائية، عالج الفريق المشكلة من خلال دراسة شكل الأقطاب الكهربائية. قاموا بتشكيل من 0 إلى 4 حلقات مرتفعة متحدة المركز على السطح الطرفي للأقطاب الكهربائية الكروية التقليدية، مما أدى إلى تشكيل قطب نيوتن حلقي (NTR) جديد.

الشكل 1. مورفولوجيا السطح والملف المقطعي للأقطاب الكهربائية المستخدمة في التجربة

يكشف تحليل المجهر الإلكتروني الماسح عن عيوب البلورات وتحسين الأداء

كيف تؤثر الحلقات المرتفعة على أداء اللحام؟ باستخدام تقنيات CIQTEK FESEM SEM5000 وEBSD قام الفريق بتوصيف البنية الدقيقة لقطع اللحام بالتفصيل. ووجدوا أن الحلقات المرفوعة تخترق طبقة أكسيد الألومنيوم أثناء اللحام، مما يُحسّن توزيع التيار، ويؤثر على مدخلات الحرارة، ويعزز نمو القطع. والأهم من ذلك، أن التفاعل الميكانيكي بين الحلقات المرفوعة والمعدن المنصهر يزيد بشكل ملحوظ من كثافة عيوب البلورات، مثل الخلع الضروري هندسيًا (GNDs) وحدود الحبيبات منخفضة الزاوية (LAGBs)، داخل قطعة اللحام. وقد لوحظ الأداء الأمثل باستخدام ثلاث حلقات مرفوعة (NTR3).

الشكل 2. تحليل EBSD للبنية الدقيقة لقطعة اللحام لأقطاب NTR0 وNTR1 وNTR2 وNTR3 وNTR4

عمر أطول للقطب الكهربائي

بالإضافة إلى تحسين جودة اللحام، تُظهر أقطاب الحلقة المرتفعة أداءً ممتازًا في مقاومة التآكل. بعد اختبار عمر اللحام لعشرة لحامات، كان الفرق في تآكل الأقطاب ملحوظًا.

الشكل 3. عمر القطب الكهربائي للأقطاب الكهربائية NTR0 وNTR1 وNTR2 وNTR3 وNTR4

التحليل الكمي

أظهر القطب الكهربائي NTR0 بدون حلقات مرتفعة مساحة تآكل تبلغ 13.49 مليون ميكرومتر².

وبالمقارنة، أدت أقطاب NTR3 وNTR4 ذات الحلقات الثلاث والأربع المرتفعة إلى تقليل مساحات التآكل إلى 4.35 مليون ميكرومتر² و3.98 مليون ميكرومتر²، وهو ما يمثل انخفاضًا بنسبة 67.8% و70.5% على التوالي.

يركز هيكل الحلقة المرتفعة التيار على طول الحلقات، مما يوجه التآكل على طول المسارات المحددة مسبقًا ويمنع التوسع العشوائي للحفر، مما يؤدي إلى مضاعفة عمر القطب بشكل فعال.

الشكل 4. منطقة التآكل في أقطاب NTR0 وNTR1 وNTR2 وNTR3 وNTR4 بعد اللحامات 5 و10: (أ) اللحام الخامس، (ب) اللحام العاشر،

التحليل الدقيق لتآكل الأقطاب الكهربائية

كشف تحليل المجهر الإلكتروني الماسح لأقطاب NTR0 بعد اللحام وحتى الالتصاق بصفائح الألومنيوم عن طبقة من المركب المعدني (IMC) بسمك 10 ميكرومتر بين القطب والصفائح. تتكون هذه الطبقة الانتقالية من طبقتين فرعيتين تحتويان على النحاس:

بالقرب من القطب الكهربائي: طبقة فرعية أرق تحتوي على 29.2% من النحاس (الألمنيوم) ₄ النحاس ₉ مرحلة).

بالقرب من سبيكة الألومنيوم: طبقة فرعية أكثر سمكًا تحتوي على 15.5% من النحاس (AlCu) ₂ مرحلة).

الشكل 5. تحليل تركيب التآكل بين القطب والورقة

توضح هذه الدراسة أن شكل الأقطاب الكهربائية المبتكر يمكنه تنظيم توزيع التيار بشكل فعال، مما يحسن جودة اللحام مع إطالة عمر الأقطاب الكهربائية. مجهر CIQTEK FESEM قدمت تصورات لا غنى عنها ودليلاً كميًا للآليات المجهرية، بما في ذلك تطور عيوب البلورات وتآكل الأقطاب الكهربائية، مما يسلط الضوء على الدور الحاسم للتوصيف المتقدم في تطوير أبحاث اللحام والتطبيقات الصناعية.