ملحومة بالحافة منفاخ هي تجميعات معدنية مرنة تُصنع بلحام أغشية معدنية رقيقة معًا عند حوافها لتكوين هيكل يشبه الأكورديون. تعمل هذه المكونات كـ أختام ديناميكية والموصلات المرنة في الأنظمة الميكانيكية، تسمح بالحركة مع الحفاظ على حاجز محكم يمنع التسرب.
يتكون كل منفاخ من سلسلة من الأغشية المعدنية الملحومة عند حوافها الداخلية والخارجية. تُلحم أزواج من صفائح الأغشية الحلقية (عادةً واحدة ذكرية محدبة وأخرى أنثوية مقعرة) معًا عند قطرها الداخلي، ثم تُوصل عند القطر الخارجي لتشكيل مجموعة المنفاخ الكاملة. هذا يُنتج مكونًا واحدًا محكمًا ضد التسرب، قادرًا على الحركة المرنة في الاتجاهات المحورية والجانبية والزاوية.
أنواع تكوينات المنفاخ
تكوين طبقة واحدة قياسي
يستخدم تصميم المنفاخ الملحوم بالحافة الأكثر شيوعًا طبقة واحدة من الأغشية الملحومة. تتكون كل لفة من زوج واحد من الأغشية الملحومة معًا، مما يوفر توازنًا بين المرونة والقدرة على تحمل الضغط والفعالية من حيث التكلفة لمعظم التطبيقات.
تكوين مزدوج الطبقة (متعدد الطبقات)
منفاخ مزدوج الطبقات يتضمن طبقتين متحدتي المركز من الأغشية بدلاً من طبقة واحدة. يُحسّن هذا التصميم بشكل ملحوظ من قدرة الضغط وعمر التعب دون زيادة سمك كل طبقة. تتشارك الطبقات الحمل وتوفر تداخلاً - في حال تشقق إحدى الطبقتين، تحافظ الأخرى على الختم.
تصميم التموج المتداخل
يتميز هذا التكوين بألواح غشاء متطابقة الشكل، تتداخل عند الضغط. يسمح هذا التصميم المتداخل بأقصى قدر من السكتة الدماغية بطول مضغوط، مع تحقيق معدل زنبرك منخفض وتوزيع متساوٍ للإجهاد في جميع أنحاء المنفاخ.
تكوين الحجاب الحاجز المسطح
تستخدم بعض المنافخ أغشية حلقية مسطحة بدلاً من الأشكال المُحدَّدة. على الرغم من أن المنافخ ذات الأغشية المسطحة أكثر صلابةً وتسمح بحركة أقل من التصاميم المتداخلة، إلا أنها تتميز بخصائص زنبركية خطية للغاية، ويمكنها تحمل ضغوط أعلى في تطبيقات مُعيَّنة.
تصنيع المنفاخ الملحوم بالحافة
تتطلب عملية تصنيع المنفاخ الملحوم بالحافة تصنيعًا دقيقًا وتقنيات لحام متخصصة:
- ختم الحجاب الحاجز:يتم ختم أو قطع صفائح معدنية رقيقة (عادة ما تكون بسمك 0.001–0.010 بوصة) بالليزر إلى أغشية دائرية ذات أشكال ذكرية وأنثوية متكاملة مصممة لإنشاء ملف الالتفاف المطلوب.
- عملية التنظيف:تخضع الأغشية للتنظيف بالموجات فوق الصوتية لإزالة الملوثات قبل اللحام، مما يضمن جودة اللحام المثالية ويمنع التسرب في المستقبل.
- لحام الحافة:يتم محاذاة أزواج الحجاب الحاجز الذكر والأنثى بدقة ولحامها عند القطر الداخلي باستخدام TIG (GTAW)، أو اللحام بالليزر، أو لحام شعاع الإلكترون تحت التكبير - وهي عملية تسمى اللحام المجهري بسبب حجم اللحام الصغير والمواد الرقيقة.
- تجميع الالتفاف:يتم تكديس وحدات الالتفاف المتعددة ولحامها معًا عند القطر الخارجي لتشكيل قلب المنفاخ المستمر، وغالبًا ما يتم استخدام فواصل قابلة للإزالة لضمان التباعد والمحاذاة المنتظمة.
- ملحق التركيب النهائي:يتم لحام أطراف المنفاخ إلى الحواف أو التركيبات حسب الحاجة للتطبيق النهائي، مثل الحواف المدمجة لأنظمة التفريغ أو قطع نهاية الختم لـ الأختام الميكانيكية.
- اختبار تسرب:تخضع التجمعات الكاملة لاختبار مطياف كتلة الهيليوم أو اختبار اضمحلال الضغط للتحقق من الإغلاق المحكم، مما يحقق معدلات تسرب منخفضة تصل إلى 1×10^-10 سم مكعب قياسي/ثانية من الهيليوم.
مواد المنفاخ الملحوم بالحافة
- الفولاذ المقاوم للصدأ (سلسلة 300):توفر الفولاذ المقاوم للصدأ 304L و316L و347 مقاومة ممتازة للتآكل وقابلية لحام جيدة وتحافظ على اللدونة في درجات الحرارة المنخفضة.
- AM350 الفولاذ المقاوم للصدأ القابل للتصلب بالترسيب:يوفر قوة شد عالية وصلابة عند المعالجة الحرارية، ويستخدم عادة في الأختام الميكانيكية وتطبيقات الضغط العالي التي تعمل حتى 600-700 درجة فهرنهايت.
- سبائك النيكل (سلسلة Inconel):يتم استخدام Inconel 625 و 718 في البيئات ذات درجات الحرارة العالية والضغط العالي، حيث يحتفظان بالقوة في درجات حرارة أعلى من 1000 درجة فهرنهايت مع مقاومة التآكل والأكسدة.
- سبائك Hastelloy:تم اختياره لمقاومته الشديدة للتآكل بسبب المواد الكيميائية والأحماض العدوانية، وهو ذو قيمة خاصة في المعالجة الكيميائية حيث يتآكل الفولاذ المقاوم للصدأ.
- التيتانيوم:يوفر التيتانيوم من الدرجة 1 أو 2 بنية خفيفة الوزن مع نسبة ممتازة بين القوة والوزن ومقاومة فائقة للتآكل، وهو مثالي للتطبيقات الفضائية وأشباه الموصلات والتطبيقات الطبية.
- مونيل:يوفر هذا السبائك النيكل والنحاس مقاومة ممتازة للتآكل بالكلوريد والمياه المالحة، مما يجعله قيماً للمعدات البحرية والمحيطية.
الخصائص الميكانيكية والأداء
- المرونة والسكتة الدماغية:يمكن ضغط المنفاخ الملحوم بالحافة إلى ارتفاع ثابت (مستوٍ تمامًا) دون أي ضرر، مما يوفر نسبة شوط إلى طول تتراوح بين 85% و90%. أما التصاميم متعددة الالتواءات، فقد تُضغط إلى 10% إلى 15% فقط من طولها الممتد.
- معدل الربيعيمكن ضبط معدل حركة النابض بدقة عن طريق ضبط سُمك الغشاء أو عدد الالتواءات. هذا المعدل المنخفض والقابل للتنبؤ يجعله مثاليًا لأجهزة استشعار الضغط والأختام الميكانيكية حيث يكون نقل القوة المطلوب ضئيلًا.
- القدرة على الضغطعلى الرغم من رقة جدرانها، تستطيع المنافذ الملحومة حوافياً تحمل ضغط فراغ يتجاوز 1000 رطل/بوصة مربعة. تُوزّع تصاميم الحجاب الحاجز المُحيطة الضغوط بفعالية، إلا أن الوصلات الملحومة تظل العامل المُحدد لتصنيفات الضغط القصوى.
- نطاق درجة حرارةتتراوح درجات حرارة التشغيل من -252 درجة مئوية/-423 درجة فهرنهايت إلى أكثر من 1000 درجة فهرنهايت (538 درجة مئوية) للمواد القياسية. تتحمل بعض تصاميم سبائك النيكل درجات حرارة تصل إلى 1800 درجة فهرنهايت لفترات قصيرة.
- دورة الحياة:تتجاوز المنفاخات الملحومة بالحافة والمصممة بشكل صحيح 1,000,000 دورة مرنة، مع تطبيقات دقيقة تحقق ملايين الدورات عند التشغيل ضمن معلمات التصميم.
- ضيق التسرب:يحقق البناء الملحوم بالكامل إغلاقًا محكمًا بمعدلات تسرب تبلغ 1×10^-10 سم مكعب قياسي/ثانية He أو أفضل، مما يلبي معايير الفراغ العالية للغاية والتي تعد ضرورية لتطبيقات أشباه الموصلات والفضاء الجوي.
التطبيقات الشائعة للمنفاخ الملحوم بالحافة
- الفضاء والدفاع:تستخدم في أجهزة استشعار الارتفاع، ومراكم أنظمة الوقود، ومنظمات الضغط، ووحدات قياس وقود المحرك النفاث، وأنظمة دفع المركبات الفضائية حيث تكون التقلبات الشديدة في درجات الحرارة والموثوقية العالية ضرورية.
- أنظمة أشباه الموصلات والفراغ الفائق:المكونات الأساسية في روبوتات مناولة الرقائق، وأعمدة صمامات التفريغ، والمحركات الخطية، وخطوط التغذية بالتفريغ حيث يكون الحفاظ على ظروف الجهد الفائق والنظافة أمرًا بالغ الأهمية.
- الأجهزة الطبية:توجد في مضخات الأدوية القابلة للزرع، ومكونات القلب الاصطناعي، ومعدات الليزر الجراحية، وأنظمة التصوير التشخيصي التي تتطلب التوافق الحيوي والإغلاق المحكم.
- الفراغ الصناعي والمعالجة:تستخدم بشكل شائع في مجموعات أفران التفريغ، والصمامات المغلقة بالمنفاخ للسوائل السامة/التآكلية، ومقاييس الضغط ومحولات الطاقة للوسائط العدوانية، وخلايا الحمل.
- الأختام الميكانيكية:تلعب دورًا مزدوجًا كزنبرك وختم ثانوي في المضخات والضواغط، وهي مثالية للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية حيث تفشل حلقات O المطاطية، مما يزيل مشكلات تعليق حلقات O الديناميكية.
- الأجهزة والمستشعرات:تستخدم في أجهزة استشعار الضغط التفاضلي، ومعوضات الحجم، وأجهزة استشعار التسارع حيث تكون المساحة الفعالة المتوقعة ومعدل الزنبرك أمرًا بالغ الأهمية لدقة القياس.
ما هو الفرق بين المنفاخ الملحوم بالحافة والمنفاخ المُشكَّل؟
| مميز | منفاخ ملحومة الحافة | منفاخ مشكل |
|---|---|---|
| طريقة البناء | أغشية فردية ملحومة عند الحواف | أنبوب واحد مُشكل هيدروليكيًا أو مُشكل ميكانيكيًا |
| مرونة | عالية جدًا؛ يمكن ضغطها إلى ارتفاع ثابت | محدودة بجدران أكثر سمكًا؛ لا يمكن ضغطها بالكامل |
| معدل الربيع | منخفضة وقابلة للضبط بدقة | أعلى وأقل قابلية للتعديل |
| نسبة الضربة إلى الطول | ضغط يصل إلى 85-90% | عادة ما يكون الضغط 30-50% |
| خيارات المواد | مجموعة واسعة بما في ذلك السبائك الغريبة | يقتصر على المواد القابلة للسحب والتشكيل |
| نطاق درجة حرارة | تبريد حتى 1800 درجة فهرنهايت باستخدام السبائك المناسبة | عادة من -40 درجة فهرنهايت إلى 500 درجة فهرنهايت |
| القدرة على الضغط | عالية مع التصميم المناسب؛ تصل إلى 1000+ رطل لكل بوصة مربعة | معتدل؛ جدران سميكة مطلوبة للضغط العالي |
| دورة الحياة | غالبًا ما يتجاوز 1,000,000 دورة | عادة 100,000-500,000 دورة |
| ضيق التسرب | محكم؛ يحقق معايير الجهد العالي للغاية | جيد ولكن هناك احتمالية لحدوث شقوق صغيرة |
| التكلفة المبدئية | أعلى للكميات الصغيرة | أقل لكل قطعة في الحجم الكبير |
| التخصيص | عالية للتخصيص | محدودة؛ تتطلب أدوات جديدة |
| أفضل التطبيقات | الأنظمة الحرجة عالية الأداء | استخدامات عالية الحجم ومتوسطة التحمل |
