جوشکاری پرتو الکترونی

دسته: مقالات

hh

 

جوشکاری پرتو الکترونی Electron Beam Welding

جوشکاری پرتو الکترونی یکی از روشهای پیشرفته جوشکاری است که امروزه کاربرد وسیعی در صنایع هوافضا یافته است. این روش جوشکاری توسط سازمان انرژی اتمی فرانسه ابداع شد و برای نخستین بار در تاریخ  23 نوامبر 1957 برای استفاده عمومی ارئه گردید. کاربردهای معمول این روش در صنایع موشکی، هواپیما‏سازی، صنایع هسته‏ای، اسلحه‏سازی، صنایع الکترونیکی، چرخ‏دنده‏ها، محورها، صنایع اتومبیل‏سازی و حتی در جواهر‏سازی می‏باشد.

ابتدا شرایط و پارامترهای درگیر در جوشکاری پرتوالکترونی نظیر سرعت جوشکاری، شدت جریان، ولتاژ، میزان خلاء، فرکانس و تنظیم فوکوس مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته‏ و در ادامه فرآیند جوشکاری و تجربیات حاصل از آن ذکر‌ می‏گردد. هر روش جوشکاری با چهار نیاز روبروست و معمولا فرآیندهای جوشکاری بر اساس آن رده‌بندی می‏شوند.

ii

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. 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. 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 ساطع 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.

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.

 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. در جوش الکترونی تمام خلاء هم تفنگ الکترونی ( کاتد، آند، پیچه‏ های 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 آماده‏ سازی 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 محفظه‏ هایی 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 می‏ یابد. همچنین وجود گاز محافظ برای محافظت از ناحیه مذاب ضروری است. جوشکاری قطعات ضخیم در این حالت عملی نیست.

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. 

نوعمواد

کیفیت جوشکاری پرتوالکترونی

فولاد و آلیاژهای آهنی

جوش بسیارخوب حتی برای فولادهایی که به سختی جوشکاری ذوبی می‌شوند.

فولاد ساختمانی

جوش بسیارخوب تا ضخامت 200 میلی‌متر با یک پاس

فولادهای آلیاژی

جوش بسیارخوب به خصوص در قطعات موتورهای هوایی و حتی جوشکاری فولادهای بسیار مقاوم در برابرخزش بدون نیاز به پیش‌گرم

فولاد زنگ‌نزن

جوش بسیارخوب برای بیشتر فولادهای زنگ نزن رایج، ضمن به حداقل رساندن امکان ایجاد تخلخل ناشیاز خروج گاز نیتروژن

چدن

بطورکلی چدنقابلیت جوشکاری با این روش را ندارد.

آهننرم

کاربرد آهننرم در ترانسفورمرها و قطعات موتورهای الکتریکی است و به راحتی با این روش جوشکاریمی‌شود.

آلیاژهای نیکل

جوش بسیارخوب به خصوص به سبب ناحیه بسیار کوچک متأثر از حرارت در این نوعجوشکاری

آلیاژهای منیزیم و آلومینیوم

جوش بسیارخوب بجز سری‌های xxx5 و xxx7 که کیفیت جوش به دقت بیشتر در جوشکاری بستگی داردتمیزکاری سطح کار قبل از جوشکاری در این مورد بسیار مهم است .

مس و آلیاژهای مس

جوش بسیارخوب تا ضخامت 150 میلی‌متر با یک پاس

فلزات دیرگداز

جوش بسیارخوب به سبب انرژی فوق‌العاده بالای پرتوالکترونی برای فلزاتی که نه تنها دارای نقطهذوب بالایی هستند بلکه در حالت مذاب واکنشهای شیمیایی نظیر اکسیداسیون دارندتیتانیوم و بسیاری از آلیاژهای آن با این روش به خوبی قابل جوشکاری می‌باشند )کاربرد زیادی در سازه‌های هوافضایی  .(

فلزات نا همجنس

یکی ازمزایای ویژه این روش جوشکاری بسیار خوب فلزات با نقاط ذوب مختلفمی‌باشد.

غیر فلزات

جوشکاری غیرفلزات با این روش تاکنون امکان پذیر نشده است.

اصول فرآيند جوشكاري با پرتو الكتروني

فرآيند جوشكاري با پرتو الكتروني يك فرآيند اتصال ذوبي است كه در طي آن قطعه كار توسط جرياني متراكم از الكترون هاي داراي سرعت بالا بمباران شده و كل انرژي جنبشي الكترون ها،در اثر برخورد با قطعه كار به حرارت تبديل ميشود. اين حرارت موجب ذوب لبه هاي قطعات واتصال دو قطعه پس از انجماد مي شود.
اين جوشكاري معمولا در يك محفظه خلا با استفاده از يك سيستم توليد و تمركز پرتو الكتروني انجام ميشود.

متغيرهاي فرآيند

انرژي ورودي به قطعه كار
ولتاژ شتاب دهنده
چگالي توان
جريان پرتو
فاصله بين كاتد و آند
سرعت جوشكاري
فلز پر كننده
انرژي ورودي به قطعه كار
ولتاژ شتاب دادن پرتو
جريان پرتو
قدرت پرتو
سرعت جوشكاري
ولتاژ شتاب دهنده
با افزايش ولتاژ شتاب دهنده نفوذ جوش افزايش مي يابد.

چگالي توان

با افزايش ولتاژ وكاهش قطر پرتو ،چگالي توان افزايش مي يابد.
مقدار حرارت توليد شده در نقطه جوشكاري تابع چگالي توان است.
افزايش بيش از حد چگالي توان سبب بخار شدن فلزات مي شود.

جريان پرتو

با افزايش جريان پرتو نفوذ جوش افزايش مي يابد.
شدت جريان با توجه به ولتاژ ورودي كه با شدت پرتو ارتباط دارد تغيير مي كند.

فاصله بين آند وكاتد

توان وشدت جريان پرتو در سطح قطعه كار مي تواند با تغيير فاصله كاتد وآند تغيير يابد

سرعت جوشكاري

چنانچه سرعت جوشكاري افزايش يابد،پهناي گرده و همچنين نفوذ جوش كاهش مي يابد.
فلز پر كننده
محيط جوشكاري
جوشكاري در خلا بالا
جوشكاري در خلا متوسط
جوشكاري بدون استفاده از خلا 
تجهيزات فرآيند
ولتا‍ژ بالا 
ولتاژ پايين
تجهيزات افزودن سيم جوش

Metal w

اجزا ماشين جوشكاري پرتو الكتروني

يك تفنگ الكتروني كه پرتو كنترل شده الكتروني توليد ميكند
يك محفظه خلا با تجهيزات و پمپ هاي مربوطه
يك دستگاه كه پرتو را در امتداد خط اتصالحركت مي دهد يا قطعه كار رازير تفنگ الكتروني جا به جا مي نمايد
تجهيزات ولتاژ بالا
ستون ديد الكترون
ستون ديد الكترون شامل تفنگ الكتروني ،چشمي الكترون و سيستم ديد ميباشد. تفنگ الكتروني خود شتاب دهنده است.
الكترونها از فيلمان تنگستن حرارتي يا كاتد تابش مي يابند وبه صورت الكتروستاتيك توسط يك شبكه انحراف دهنده،به پرتو تبديل ميشود و توسط آند شتاب مي يابند.
آند و ديگر اجزاي زير آن شامل قطعه كاردر پتانسيل زمين هستند. ولتاژ كاتد تا 150000 ولت قابل تغيير است . بنابراين يك ولتاژ شتاب دهنده مثبت براي الكترون ها توليد مي كند. جريان پرتو وابسته  به ولتاژ شتاب دهنده با كنترل خروجي ولتاژ مورد نياز براي شبكه شتاب دهنده كنترل مي شود.

منبع قدرت

منبع قدرت با ولتاژ بالا در يك كابين جدا قرار دارد، اما كنترل ها در ايستگاه اپراتور قرار دارند. 
ولتاژ خطي در حالت عادي 440 ولت، سه فاز و 60 سيكل است، اما ولتاژ متناوب 220 ولت نيز مي تواند استفاده گردد.

محفظه كار

جداره محفظه كار معمولا به منظور تميز بودن و حداقل بودن عبور گـاز از جـداره آن از فولاد هاي زنگ نزن ساخته مي شود ودر قسمت هاي از آن از سرب استفاده مي شود تا از عبور پرتو ايكس جلوگيري شود.
يك پنجره با شيشه سربي در جلوي محفظه در منطقه ديد اپراتور و يك لامپ فلورسنت دروني براي روشن كردن قرار داده ميشود.
ستون تفنگ الكتروني معمولا در مركز محفظه قرار مي گيرد ولي مي تواند در يك انتها قرار گيرد. در ماشين مي توان يك ميز كار قرار داد كه به صورت دستي يا اتوماتيك در جهت هاي 
x&y حركت نمايد.

تجهيزات ولتاژ پايين

واژه ولتاژ پايين يك واژه نسبي است و معمولا براي تجهيزاتي كه در ولتاژ كمتر از 60000 ولت كار مي كنند، به كار ميرود.
تفنگ الكتروني در داخل محـفظه قرار داده ميشود و مي تواند در طول محورها حركت كند و ديواره فولادي محفظه براي ممانعت از تابش پرتوكافي است.

تجهيزات افزودن سيم جوش

تجهيزات اضافه كردن سيم جوش يا شبيه فرايند سيستم تغذيه سيم جوش در فرايند جوشكاري قوس تنگستن ساخته مي‌شود يا اينكه به طور خاص جهت محفظه خلا طراحي مي‌گردد. قطر سيم جوش عموما كوچك و 0.02 اينچ يا كمتر است. سيستم تغذيه سيم بايد قابليت تغذيه يكنواخت سيمهاي با قطر كوچك را داشته باشد تا سيم را به طرف لبه‌ها وحوضچه مذاب كوچك هدايت نمايد.

نكات تكنيكي فرآيند جوشكاري با پرتو الكتروني

الكترون داراي بار منفي است و بر اثر برخورد به قطعه ، بار منفي به نمونه انتقال مي‌يابد. اين بار منفي در قسمتهاي مختلف دستگاه و نمونه مي‌تواند باعث اثر دافعه بر پرتو شود.براي جلوگيري از اين مشكل، نمونه و دستگاهها به اتصال زمين وصل مي‌شوند. مسئله ديگر اثرات مغناطيسي است كه بايد كنترل شوند و قطعه از مغناطيس خالي شود تا موجب انحراف پرتو نگردد.

روش هاي آماده سازي در فرآيند جوشكاري با پرتو الكتروني

-        آماده‌سازي و سرهم كردن قطعه كار و قيد و بندهاي جوشكاري كه شامل تميزكازي و احتمالا مغناطيس ‌زدايي ، پيشگرم كردن و خال جوش زدن مي‌باشد.

-        قرار دادن قطعه به همراه قيد و بند درون محفظه خلا

-        شروع تخليه محفظه و سپس متمركز شدن روي قطعه و تنظيم متغيرهاي فراين

-        هم‌خط كردن راستاي اتصال با راستاي حركت پرتو و انجام فرايند

-        دادن فرصت كافي جهت سرد شدن قطعه و سپس وارد كردن هوا به محفظه و خارج كردن مجموع

gg

مزاياي جوشكاري با پرتو الكتروني

1- ايجاد جوشهاي عميق‌تر و باريك‌تر نسبت به روشهاي قوسي
2- حرارت ورودي كمتر به جوش در مقايسه با روشهاي ذوبي ديگر ( براي ايجاد حجم جوش ثابت )
3- نسبت عمق به عرض بالاي جوش و عدم نياز به جوشهاي چند پاسه
4- ناحيه متاثر از حرارت جوش باريك به علت تمركز حرارتي بالاي فرايند
5- تميزي فلز جوش به دست آمده به علت استفاده از خلا در فرايند
6- امكان دست يابي به سرعت جوشكاري بالا ودر نتيجه سرعت توليد بالاتر
7- بازدهي انرژي بالا( تا حدود 95درصد )
8- پيچيدگي كم قطعه جوشكاري شده به علت تمركز حرارتي بالاي فرآيند
9- عدم نياز به عمليات حرارتي جدي قبل و بعد از فرآيند
10-.امكان اتصال قطعات وآلياژهاي حساس به حرارت
11- امكان جوشكاري فلزات دير گداز
12- امكان آب بندي با كيفيت بسيار بالا در اتصالات
13- سهولت كنترل فرآيند به صورت رايانه اي
14- امكان انجام فرآيند در طرح اتصال هاي گوناگون
15- عدم نياز به سيم جوش ( در اغلب موارد ) و عدم نياز به برطرف كردن سرباره واضافه هاي جوش
16- امكان جوشكاري قطعات بسيار ظريف مورد اسـتفـاده در صنـايع الـكترونيـك و تـجهيزات پزشكي وآزمايشگاهي


محدوديت هاي جوشكاري با پرتو الكتروني

1- قرار دادن قطعه در خلا

2- در اثر برخورد پرتو الكتروني با سطح فلز پرتو ايكس توليد مي شود و لذا نياز به حفاظت در برابر اين پرتو وجود دارد.
به علت آنكه پرتو الكتروني شامل اجزاي با بار منفي ميباشد،وجود ميدان هاي الكتريكي و مغناطيسي سر گردان باعث انحراف پرتو از مسير اصلي طراحي شده مي شود.

3- عدم پايداري طولاني مدت پرتو

4- تعمير عيوب ايجاد شده در عمق قطعه در اتصال قطعات ضخيم مشكل است.

5- قيمت بالاي تجهيزات وكاربرد محدودتر نسبت به روش هاي قوسي

6- محدوديت هاي جوشكاري با پرتو الكتروني

7- نياز به تميز كاري قطعات به شكلي بسيار خوب براي آنكه از شكل گيري عيوبي مثل تخلخل در جوش جلوگيري شود.

8- تركيدگي فلز جوش

9- وجود درز جوش و گرده جوش بسيار نازك در اين فرآيند موجب حساسيت زياد در برابر عيب ذوب ناقص مي شود كه ناشي از خطا در دنبال كردن صحيح درز اتصال توسط پرتو است.

10- چقرمگي كم در اغلب فولادها 
11- نبود آزمون هاي غير مخرب تدوين شده
12- حفره انتهاي محل جوش 
13- حساسيت شديد فرآيند به تغييرات جزيي متغيير هاي فرآيند

kk

كاربرد هاي فرآيند جوشكاري با پرتو الكتروني

مهمترين فلزات وآلياژهايي كه با اين روش جوشكاري مي شوند عبارتند از:

برليم
تيتانيم
زير كونيم
موليبدن

مهمترين صنايعي كه از اين فرآيند استفاده ميكنند عبارتند از:

صنايع هوا فضا
صنايع هسته اي
صنايع الكترونيك و پزشكي
صنايع خودرو سازي