شرایط و پارامترهای اساسی جوشکاری پرتو الکترونی در حالت جوشکاری لب روی هم

 
1-مقدمه
هر روش جوشکاری با چهار نیاز روبروست و معمولا فرآیندهای جوشکاری بر اساس آن رده‌بندی می‏شوند. اولین نیاز، انرژی لازم برای جوشکاری نظیر شعله، قوس الکتریکی، مقاومت الکتریکی، انرژی الکترون‏ها، لیزر و نظایر اینها می‌باشد. نیاز بعد، استفاده از روشی برای برطرف کردن آلودگیهای سطح جوش، از قبیل واکنشهای شیمیایی سرباره، پراندن (از طریق قوس الکتریکی با جریان یکنواخت و الکترود مثبت و یا جریان متناوب در نیم سیکلی که الکترود مثبت است)‌ و یا مکانیکی (سایش و غیره) است. نیاز سوم، بکار بردن روشی است که محل جوش در حین جوشکاری، از  اتمسفر یا اثرات آن حفاظت شود مثل لایه سرباره، هاله‏ای از گاز خنثی یا بی اثر، خلاء، تماس نزدیک دو سطح برهم بدون وجود هوا و حتی صرف زمان بسیار کوتاه در جوشکاری که هریک به نحوی می‌تواند مفید باشد. کنترل متالورژیکی جوش نظیر ترکیبات شیمیایی، سرعت سرد شدن و انجماد، میزان ناخالصی‌ها در جوش و احتمالاً کنترل عملیات حرارتی پس از جوشکاری نیاز چهارم را شکل می‌دهند ]1[.
ارضای بهینه نیاز‌های چهارگانه فوق هم بصورت منفرد و هم در تقابل با یکدیگر، در نهایت به ایجاد اتصال با کیفیت منجر خواهد شد. از عهد مفرغ تاکنون روش‌های متنوعی برای اتصال فلزات ابداع شده و با نیاز انسان به داشتن قطعات پیچیده‌تر و اتصالات بهتر این روش‌ها تکامل یافته است. امروزه روش‌های مختلف جوشکاری نظیر جوشکاری قوسی، آرگون، گاز تنگستن، مقاومتی، پرتو الکترونی، پرتو لیزر، اصطکاکی برای مقاصد مختلف ساخت قطعات صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. جوشکاری پرتو الکترونی یکی از روشهای پیشرفته جوشکاری است که امروزه کاربرد وسیعی در صنایع هوافضا یافته است ]2[. علی رغم آنکه، تجهیزات آن نسبتاً گران قیمت هستند، اما این روش مزایایی مانند سرعت، کنترل خودکار و ذوب در نواحی بسیار باریک را به همراه دارد. در جوشکاری پرتوالکترونی برای تولید انرژی از یک تفنگ الکترونی استفاده می‌شود. این تفنگ، یک جریان یکنواخت الکترونی روی قطعه کار ایجاد می‎کند بطوریکه بین تفنگ الکترونی و قطعه کار یک اختلاف ولتاژ بالا در حدود 10 کیلو ولت یا بیشتر ایجاد می‏شود. قطعه کار به قطب مثبت و تفنگ الکترونی به قطب منفی متصل می‏شود. تحت اثر ولتاژ فوق الکترون‏های ساتع شده از یک رشته گرم تنگستنی (کاتد) به طرف آند شتاب می‏گیرند و به این ترتیب پرتو پرسرعتی به وجود می‏آید. الکترونها، آند را به صورت پرتو متراکمی با سرعتی معادل نصف سرعت نور ترک می‏کنند و در مسیر خود توسط پیچه‎‏های مغناطیسی متمرکز کننده به پرتو باریک و ظریفی جهت تابش به روی قطعه کار تبدیل می‏شوند. شماتیکی از جزئیات تفنگ الکترونی در شکل 1 نشان داده شده است.
Your browser may not support display of this image.  
 

 
شکل 1-شماتیکی از تفنگ الکترونی

انرژی جنبشی الکترونها در هنگام برخورد به قطعه کار به گرما تبدیل شده و دمای ایجاد شده از لحاظ تئوریکی می‌تواند به 1100000 درجه سانتیگراد برسد. پرتو الکترونی را بایستی در خلاء تولید کرد، زیرا مولکولهای هوا به راحتی موجب انحراف وپراکندگی الکترونها و کاهش انرژی آنها می‏شوند. با این روش نسبت عمق به پهنای جوش تا حداکثر حدود 30 برابر قابل دستیابی است. در شکل 2 پهنای جوش حاصل از جوشکاری پرتوالکترونی و روش ذوبی و در شکل 3، ناحیه متأثر از حرارت برای دو روش گاز تنگستن و پرتوالکترونی مشاهده می‌شود.

                                          
                    شکل 2- تفاوت پهنای جوش                 شکل 3- تفاوت دو روش گاز تنگستن و پرتوالکترونی 

 جوشکاری پرتوالکترونی بسته به نوع سیستم خلاء و با توجه به شرایط هندسی قطعه کار به یکی از سه روش تمام خلاء، نیمه خلاء و بدون خلاء انجام می‏شود ]3[. در جوش الکترونی تمام خلاء هم تفنگ الکترونی (کاتد، آند، پیچه‏های متمرکز کننده) و هم قطعه کار را در داخل محفظه‏ای نفوذ ناپذیر قرار می‏دهند و هوای داخل محفظه را تا فشار 0001/0 میلی متر جیوه تخلیه می‏کنند. این روش مزایایی از قبیل حداقل انحراف پرتو الکترونی و محافظت کامل فلز جوش توسط خلاء را در بردارد. عمق نفوذ جوش در این روش تا 200 میلی‌متر می‏رسد. از معایب این روش زمان لازم برای تخلیه هوا از محفظه و محدودیت اندازه قطعه کار به دلیل محدودیت حجم محفظه است. در جوش الکترونی نیمه‌خلاء، تفنگ الکترونی تحت خلاء کامل و محفظه قطعه کار تحت خلاء نسبی است و پرتو الکترونی از داخل سوراخ کوچکی به محفظه راه پیدا می‏کند. زمان لازم جهت آماده‏سازی محفظه در این حالت کمتر است، اما قدرت نفوذ پرتو به میزان 30 درصد کاهش می‏یابد. نیم خلاء نسبی، محافظت کافی از فلز جوش به عمل می آورد. در جوش الکترونی بدون خلاء‌، پرتو الکترونی در خلاء کامل تولید شده و با عبور از داخل محفظه‏هایی با خلاء کم به قطعه کار که در هوای آزاد قرار گرفته، برخورد می‏کند و انرژی خود را تخلیه می‏کند. در این حالت، محفظه قطعه کار حذف می‏شود اما قدرت نفوذ تا 75 درصدکاهش می‏یابد. همچنین وجود گاز محافظ برای محافظت از ناحیه مذاب ضروری است. جوشکاری قطعات ضخیم در این حالت عملی نیست. تفاوت بین این سه حالت را می‏توان در شکل‏های 4 مشاهده نمود.

 
 
 
شکل 4-تأثیر میزان خلاء در تمرکز انرژی پرتوالکترونی و شمایی از سه روش جوش
به طور کلی جوش پرتوالکترونی نیاز به ماده پر‏کننده ندارد. محل جوشکاری باید کاملاً تمیز شود تا در مدت کوتاهی که عملیات جوشکاری انجام می‏شود، گازی متصاعد نشده و باعث کاهش استحکام اتصال نگردد. 
3-مواد در جوشکاری پرتوالکترونی
دامنه گسترده‌ای از فلزات و آلیاژها توسط این روش قابل اتصال و جوشکاری‌ هستند. جدول 1، براساس انواع مختلف فلزات، کیفیت جوشکاری پرتوالکترونی را ارائه می‌نماید.
جدول 1- مواد در جوشکاری پرتو الکترونی
نوع مواد کیفیت جوشکاری پرتو الکترونی فولاد و آلیاژهای آهنی جوش بسیار خوب حتی برای فولادهایی که به سختی جوشکاری ذوبی می‌شوند. فولاد ساختمانی جوش بسیار خوب تا ضخامت 200 میلی‌متر با یک پاس فولادهای آلیاژی جوش بسیار خوب به خصوص در قطعات موتورهای هوایی و حتی جوشکاری فولادهای بسیار مقاوم در برابر خزش بدون نیاز به پیش‌گرم فولاد زنگ‌ نزن جوش بسیار خوب برای بیشتر فولادهای زنگ نزن رایج، ضمن به حداقل رساندن امکان ایجاد تخلخل ناشی از خروج گاز نیتروژن چدن بطورکلی چدن قابلیت جوشکاری با این روش را ندارد. آهن نرم کاربرد آهن نرم در ترانسفورمرها و قطعات موتورهای الکتریکی است و به راحتی با این روش جوشکاری می‌شود. آلیاژهای نیکل جوش بسیار خوب به خصوص به سبب ناحیه بسیار کوچک متأثر از حرارت در این نوع جوشکاری آلیاژهای منیزیم و آلومینیوم جوش بسیار خوب بجز سری‌های xxx5 و xxx7 که کیفیت جوش به دقت بیشتر در جوشکاری بستگی دارد- تمیزکاری سطح کار قبل از جوشکاری در این مورد بسیار مهم است ]4[. مس و آلیاژهای مس جوش بسیار خوب تا ضخامت 150 میلی‌متر با یک پاس فلزات دیرگداز جوش بسیار خوب به سبب انرژی فوق‌العاده بالای پرتوالکترونی برای فلزاتی که نه تنها دارای نقطه ذوب بالایی هستند بلکه در حالت مذاب واکنشهای شیمیایی نظیر اکسیداسیون دارند. تیتانیوم و بسیاری از آلیاژهای آن با این روش به خوبی قابل جوشکاری می‌باشند (کاربرد زیادی در سازه‌های هوافضایی). فلزات ناهمجنس یکی از مزایای ویژه این روش جوشکاری بسیار خوب فلزات با نقاط ذوب مختلف می‌باشد. غیرفلزات جوشکاری غیر فلزات با این روش تاکنون امکان پذیر نشده است.
4-پارامترهای جوشکاری پرتوالکترونی
ایجاد ترکیب‏های مختلفی از سرعت، ولتاژ، شدت جریان و تمرکز پرتو باعث ایجاد کیفیتهای مختلف جوش و کاربردهای مختلف می‏گردد. به عنوان مثال در شکل‏های استوانه‏ای نباید نقطه تمرکز پرتو را تغییر داد، در حالیکه اینکار در شکل‏های غیر استوانه‏ای مفید است. شدت جریان و ولتاژ دو پارامتر مهم هستند که در ترکیب با هم نتایج متفاوتی از جوش بدست می‌دهند. با ازدیاد شدت جریان عمق نفوذ و پهنای جوش افزایش می‏یابد. شرایط ولتاژ نیز همانند شدت جریان بوده با این تفاوت که تغییرات ولتاژ تاثیر بیشتری بر عمق و پهنای جوش دارد. بعضی توصیه‏ها به صورت زیر می‏باشد ]5، 6، 7، 8 و 9[:
  • به طورکلی ولتاژهای بالا، در حدود 75 تا 100 درصد ظرفیت ماشین، ‌در ترکیب با شدت جریان پایین تمایل به تجزیه را کاهش می‏دهند.
  • به طورکلی ولتاژ در حدود 25 تا 50 درصد ظرفیت ماشین در ترکیب با شدت جریان بالا باعث یکنواخت‏تر شدن ریشه جوش می گردد.
دیگر پارامترهای درگیر در جوشکاری پرتوالکترونی بر اساس تجارب و استانداردهای مرتبط بصورت زیر تأثیرگذارند. 
  • نقطه تمرکز: 
بهترین نتیجه معمولاً با قراردادن نقطه تمرکز بر روی سطح بالایی قطعه بدست می‏آید. در بعضی از حالات، نتیجه بهتر جوشکاری از تمرکز کمی بالاتر و یا کمی پایین‏تر از سطح بالایی قطعه حاصل می‏گردد. برای جوشهای بالای 2 اینچ (51 میلیمتر)‌ بهترین نتیجه معمولا از تمرکز تقریبی بر روی مرکز ضخامت بدست می‌آید.
  •  سرعت جوشکاری: 
با افزایش سرعت جوشکاری پهنا و عمق نفوذ جوش کاهش خواهد یافت. در فلزات کم‏ضخامت جوشهای با کیفیت در سرعتهای بالاتر از 100 اینچ بر دقیقه حاصل می‏گردد و به همین ترتیب برای ضخامت‏های 5/0 تا 0/2 اینچ (7/12 تا 51 میلی‏متر)‌ معمولا بهترین نتیجه از سرعت 20 تا 65 اینج در دقیقه ( 5/8 تا 5/27 میلیمتر بر ثانیه) حاصل می‏گردد. 
برای تفنگهای الکترونی که در محدوده متوسط ولتاژ کار می‏کنند (تا 60 کیلو ولت)، فاصله 6 تا 10 اینچی (‌152 تا 254 میلی‏متر) برای کنترل بهتر پرتو الکترونی و همچنین ایجاد فاصله مناسب برای کار‏کرد مکانیزم‌های دیگر لحاظ می‌‏گردد. از ایجاد فواصل بالاتر از 24 اینچ (‌610 ملیمتر)‌ می‏بایست پرهیز کرد. فاصله کمتر از 0/2 اینچ (51 میلیمتر)‌ برای مواقعی که منطقه ذوب بسیار باریک مدنظر ‏باشد، مناسب است. 

 

  • نوسان پرتو: 
حرکت نوسانی پرتو (‌موجی شکل)‌ برای به جنبش در‏آوردن و در‏هم زدن شیار مذاب جوش بکار می‏رود. در بعضی از آلیاژ ها این کار باعث بالا رفتن کیفیت جوش می‏گردد.                 Your browser may not support display of this image.
که در آن Q حرارت ورودی بر حسب Your browser may not support display of this image. و S سرعت لازم برای جوشکاری بر حسب Your browser may not support display of this image. می‏باشد. با محاسبه حرارت ورودی برای جوشکاری و با توجه به هندسه قطعه و انجام تعدادی سعی و خطا در نهایت جوش استاندارد از نتایجی مطابق جدول 2 حاصل شد. برای سنجش کیفیت جوش از روش بازرسی رادیوگرافی استفاده شده است. 
جدول 2-پارامترهایی که بهترین نتیجه را بدست دادند.
شدت جریان
(mA)
سرعت جوشکاری
(mm/sec)
ولتاژ
(KV)
حرارت ورودی
(J/mm)
تنظیم فوکوس ولتاژ فیلامان
(V)
زمان پمپ
(Min)
میزان خلاء (mbar) واقعی دستگاه واقعی دستگاه عدد حالت 1 8 7/1 34/0 30/21 56/12 289/0 78/1 45/2 0001/0
 
با توجه به تابیده‌شدن ورق‌های فولادی روی هم و هسته مرکزی، نیاز به عمق نفوذی مطلوب بود. چون شدت جریان به سبب کم ضخامتی ورق‌ها در حد میلی‌آمپر انتخاب گردید، برای جبران عمق نفوذ از ولتاژ نسبتاً بالایی استفاده شد. سرعت جوشکاری نیز متناسب با شدت جریان و ابعاد قطعه کمتر از حد معمول انتخاب گردید. همچنین نقطه تمرکز پرتو بر روی سطح بالایی قطعه تنظیم ‌شد. تأثیرپذیری زیاد کیفیت جوش نسبت به میزان خلاء به خوبی در پروسه جوشکاری تجربه گردید. بسته به حالات مختلفی که برای پارامترهای مندرج در جدول 2 در نظر گرفته شود، نتایج مختلفی از عملیات جوشکاری بدست می‏آید. به عنوان مثال با افزایش ولتاژ عمق نفوذ جوش بیشتر می‏گردد و یا با کاهش فشار خلاء پهنای جوش باریکتر می‎شود. تنظیم صحیح این پارامترها برای حصول به اتصال با کیفیت و استاندارد و انتخاب حالت بهینه، رابطه مستقیمی با تجربه و کارآزمودگی طراح جوش دارد.
 
6-جمع‌بندی
 
جوشکاری پرتوالکترونی یکی از روش‏های پیشرفته جوشکاری می‏باشد که به تازگی در کشور مورد توجه  قرار گرفته است. به طور کلی می‏توان مزایای روش جوشکاری پرتوالکترونی را به صورت زیر بر شمرد:
  • دامنة گسترده کاربرد به طوریکه این روش قادر به ایجاد جوشهایی با کیفیت بالا، باریک و عمیق  می‏باشد.
  • ناحیه متأثر از حرارت در این روش بسیار کوچک است و در نتیجه خواص مکانیکی فلز به مراتب کمتر از حرارت متاثر خواهد شد.
  • پروسه جوشکاری سریع می‏باشد.
  • با این روش نسبت عمق به پهنای جوش تا حدود 30 برابر قابل دستیابی است.
  • جوشکاری قطعات ناهمجنس با این روش بسیار مطلوب است.
در جوشکاری پرتوالکترونی، ایجاد ترکیب‏های مختلفی از سرعت، ولتاژ، شدت جریان و تمرکز پرتو باعث ایجاد کیفیتهای مختلف جوش و کاربردهای مختلف می‏گردد. این امر با انجام عملیات جوشکاری پرتوالکترونی بر روی یک قطعه ظریف صنعتی بطور عملی تجربه شد و نتایج حاکی از آن بود که برای ضخامت‌های کم و در حالتی که قطعات لب‌روی‌هم هستند، ترکیب ولتاژ بالا و آمپراژ کم در خلاء کامل، جوش با کیفیتی بدست می‌دهد. همچنین بهتر است نقطه تمرکز پرتو بر روی سطح بالایی قطعه تنظیم گردد.
مراجع
 
]1[ "تکنولوژی روش‌های جوشکاری"، دانشگاه علم وصنعت ایران، آبان 1379.
[2] Howard B. Cary, “Modern Welding Technology”, Prentice-Hall, 4th edition, 1998.
[3] S.Kalpacjian, “Manufacturing Processes and Systems”, Addison-Wesely Publishing Co., Third edition, 1995.
[4] Anon, “Welding Practices for 2219 Aluminum and Inconel 718, Practice No. PD-ED-1205, NASA, MSFC, April 1996.
[5] Anon, “MIL-STD-2103(OS)”, Military Standards, 1983.
[6] Anon, “MIL-W-6132”, Military Standards, 1992.
[7] Anon, “MIL-W-0230”, Military Standards, 1988.
[8] Anon, “ARP 1317”, SAE International, 1990.
[9] Anon, “AMS 2681A”, SAE International, 1992.

 دانلود فایل pdf 

 
مهدی صیدی
دکترای مهندسی متالورژی- جوشکاری
Mahdi.Seidi @zarinweld.com  
 
/ 1 نظر / 133 بازدید
سعید

مطلب بسیار عالی و مفیدی بود ممنون.