پرتوی الکترونی با انرژی بالا، راهی منحصر به فرد برای انتقال میزان زیادی از انرژی گرمایی متمرکز شده به ماده است. برای درک بهتر این فرایند، می بایست با برخی اجزای مهم آن آشنا شد. اغلب سامانه های جوشکاری با پرتو الکترونی (Electron beam welding – EBW) که امروزه در ساخت و تولید از آنها استفاده می شود، مبتنی بر خلاء می باشند، هرچند انواع دیگری مبتنی بر خلاء جزئی یا بدون خلاء نیز وجود دارند.
طرح لامپ سه قطبی شامل کاتد (فیلمان)، کلاهک شبکه و آند می باشد. دیگر اجزای فرعی عبارتند از: کابل فشار بالا و سیم پیچ های متمرکز کننده و منحرف کننده. تمامی این اجزا درون یک مخزن خلا که ستون بالایی نامیده می شود، قرار دارد. این تجهیزات ستونی به وسیله شیر جداکننده ای که زیر آند قرار دارد، در خلا نگه داشته می شوند.
جوشکاری با پرتوی الکترونی (EBW) فرایندی است که در آن با استفاده از تابش پرتویی از الکترون ها شرایط ذوب، امتزاج و ایجاد اتصال فراهم می آورد. قطعات کار گداخته شده، آن چنان انرژی سینتیک (شیمیایی) از الکترون‌هایی که تبدیل به گرما شده‌اند به دست می‌آورد که با بهم فشرده شدن اندکی، فلز را بر روی قطعه مستحکم می‌سازد. در حالتی دیگر فلز گداخته بخشی جدید از فلز شده و فشار به کار نمی‌رود و گاز محافظ نیز مورد استفاده قرار نمی‌گیرد.
در حین انجام این فرایند، به منظور جلوگیری از پراکنش پرتو، این جوشکاری در شرایط خلاء صورت می‌گیرد. این فرایند در سال 1957 در فرانسه توسعه یافت و توسط جی.ای استور در پاریس انتشار یافت.
فیزیک دان آلمانی کارل – هینر استیگوالد (Karl-Heinz Steigerwald) که زمانی کارهای متنوعی بر روی الکترون ها انجام می‌داد، همچنین کاربردهای پرتو را مورد ملاحظه قرار داد و بسط اولین ماشین جوشکاری که با پرتو الکترون کار می‌کرد را در سال 1958 عملیاتی نمود و به صورت کاربردی آغاز کرد.
عملکرد
برخورد الکترون ها بر روی قطعه کار، انرژی را تبدیل به گرما می‌کند و سطح را گرم می‌سازد. در نتیجه در دم و لحظه‌ای فلز در دمایی نزدیک به 25000 درجه سانتی گراد تبخیر می‌شود. نفوذ گرما، عمیق بوده و آن امکانی فراهم می آورد که بتوان قطعاتی با ضخامت زیاد را به یکدیگر متصل نمود. به دلیل اینکه پرتو الکترونی به صورتی متمرکز و بسیار دقیق پرتاب می‌شود، گرما فراتر از هر فرایند دیگر جوشکاری قوس الکتریکی به داخل نفوذ پیدا می‌کند. در نتیجه اثرات جوشکاری در پیرامون فلز به حداقل رسیده و ناحیه ای که گرما در آن متمرکز شده است، بسیار کوچک خواهد بود. اعوجاج و انحراف به کمترین میزان خود می‌رسد. سرعت جوشکاری بالا موجب کاهش حرارت ورودی (Heat Input – HI) و افزایش نرخ سرد شدن (Cooling Rate – CR) می شود که این امر باعث می شود که قطعات دخیل در اتصال به سرعت سرد شوند که از مزایای دیگر این فرایند جوشکاری است که البته می‌تواند در فولادهای کربن بالا، به ایجاد ترک منجر شود.
تقریبا تمامی فلزات می‌توان با این روش جوشکاری نمود اما اغلب برای اتصال فولادهای زنگ نزن و سوپر آلیاژی مورد استفاده قرار می گیرد. در مورد اتصال فلزات با جنس مختلف، اگرچه تلاش برای جوشکاری فولاد فاقد کرین، در خلاء به علت گازهای گداز شده، موجب می‌شود که فلز گداخته به گازهای خارج شونده تبدیل شوند، بنابراین بی‌اکسیژن کردن بایستی به منظور جلوگیری از تخلخل جوشکاری انجام گیرد.
اینکه گرمای ورودی (HI) تا چه میزان افزایش یابد به چندین عامل بستگی دارد که بیشترین و قابل ملاحظه‌ترین آنها، تعداد و سرعت الکترون هایی که به قطعه کار برخود می‌نمایند، ضخامت پرتوی الکترونی و سرعت سیر آن است. افزایش میزان جریان پرتو الکترونی، سبب ازدیاد حرارت ورودی (HI) و میزان نفوذ آن می شود. در حالی که افزایش سرعت طی مسیر آن، موجب کاهش گرمای ورودی (HI) و تقلیل نفوذ می شود.
سه روش عمده از جوشکاری با اشعه الکترونی وجود دارد که هر یک از آنها کاربردهای مختلفی دارند که در محیط و شرایط جوشکاری متفاوتی نیز انجام می‌گیرند. از نیازمندی های روش اول این است که محفظه جوشکاری در “خلاء شدید” بوده که مقتضی آن این است که می بایست محفظه مربوطه کوچک باشد. مواد یا قطعات کاری مناسب، ضخامتی در حدود 15 سانتی متر (6 اینچ) را می‌تواند جوشکاری کرد. فاصله میان تفنگ جوشکاری و قطعه کار (فاصله رها شدن پرتو تا قطعه کار) می‌تواند بیشتر از 0.7 متر (30 اینچ) باشد. کارآیی این روش بیش از سایر فرایندهای جوشکاری است.
در روش دوم جوشکاری در شرایط خلاء نسبی با فشاری کمتر از 0.1 اتمسفر صورت گرفته و این اجازه را می‌دهد که اتاق جوشکاری بزرگ‌تر باشد و زمان لازم جهت فراهم ساختن تجهیزات مورد نیاز را کاهش می دهد. آن بیشترین فاصله میان خروجی پرتو الکترونی تا محل برخورد را تا حدود نصف روش اول و بیشترین ضخامت مواد پایه را به 5 سانتی متر (2 اینچ) کاهش می دهد.
در سومین روش جوشکاری با اشعه الکترونی که غیرخلاء خوانده می‌شود و “جوشکاری با اشعه الکترونی در محیط فاقد خلاء” و در فشار اتمسفر انجام می‌گیرد. فضای میان پرتو شلیک شده الکترون و قطعه کار می‌تواند به 4 سانتی‌متر (1.5 اینچ) تقلیل یابد و ماکزیم ضخامت مواد در حدود 5 سانتی متر (2 اینچ) خواهد بود. این روش می تواند برای قطعه کارهایی به هر اندازه جوشکاری استفاده شود و اندازه اتاق جوشکاری عامل چندان مهمی نیست.
تجهیزات
تفنگ پرتو افکن الکترونی که در جوشکاری با پرتو الکترونی (EBW) استفاه می شود، تولید کننده الکترون ها بوده و نیز به آنها سرعت می دهد که از فلز تنگستن ساطع و پرتاب شوند. پرتوی الکترونی مورد استفاده در فرایند جوشکاری با اشعه الکترونی، از جریانی اندک، کمتر از 1 آمپر، اما ولتاژی بالا، از حدود 60 کیلو ولت در دستگاه های کم ولتاژ تا حدود 200 کیلو ولت در دستگاه های ولتاژ بالا ایجاد می شود. دستگاه ولتاژ بالا که جریانی کمتر از 40 میلی آمپر ایجاد می کنند، می تواند اتصال جوشی با نسبت عمق و عرض 25 به 1 تولید نماید، این نسبت برای دستگاه هایی با ولتاژ پایین حدود 12 به 1 است.
در روش های جوشکاری با “خلاء کم” و “خلاء شدید” از اتاق خلاء استفاده می شود. این اتاق غیرقابل نفوذ هوا بوده و به اندازه کافی مستحکم است تا در برابر درهم شکسته شدن توسط فشار محیط مقاومت نماید. اندازه محفظه خلاء دستگاه های مختلف متفاوت است و محفظه های بزرگ تر نیازمند زمان بییشتری برای ایجاد خلاء هستند. این محفظه ها مجهز به پمپ هایی هستند که توانایی ایجاد خلاء متناسب را داشته باشد. برای خلاء شدید، پمپ تخلیه ضروری است، در حالی خلاء نسبی را می‌توان اغلب با تجهیزات به مراتب کمتر و ارزان تر ایجاد نمود.
اتصال سمت راست، حاصل از جوشکاری با پرتوی الکترونی (EBW) و اتصال سمت چپ حاصل از فرایندهای جوشکاری مرسوم است.
مزایای فرایند جوشکاری با پرتوی الکترونی (EBW)
- کارآیی بسیار بالا
ضایعات فرایند جوشکاری با اشعه الکترونی (EBW) در مقایسه با فرایند جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود تنگستن و گاز محافظ (GTAW) شاید کمتر از نصف باشد. به حداقل رساندن انحراف و مشکلات متالوژیکی از دیگر مزایای این روش است.
- کنترل دقیق
پهنای جوش حاصل از فرایند جوشکاری با پرتوی الکترونی (EBW) می‌تواند تا اندازه تقریبی یک تار موی سر انسان تمرکز یابد یا اینکه پنهای وسیع به اندازه ای که مایل هستیم، داشته باشد.
- ظاهر جوش
جوش در محصولاتی که با استفاده از فرایند جوشکاری با اشعه الکترونی (EBW) ایجاد می‌شوند، کیفیتی بسیار نزدیک به فلز پایه دارند.
- استحکام بالای اتصال جوشی
خصوصیات مکانیکی و فیزیکی اتصال حاصل از فرایند جوشکاری با پرتوی الکترونی (EBW) بهتر از اتصالاتی است که با استفاده از دیگر فرایندهای جوشکاری ایجاد می شود.
- جوشکاری مواد مقاوم
فرایند جوشکاری با اشعه الکترونی (EBW) کاربری موفقیت آمیز برای مواد مقاوم و نیز مواد واکنش‌پذیر دارد.
- جوشکاری مواد با ضخامت پایین
فرایند جوشکاری با پرتوی الکترونی (EBW) برای موادی با ضخامت هایی در حدود 0.001 اینچ کاربرد دارد.
- جوشکاری قطعات با جنس مختلف
فرایند جوشکاری با اشعه الکترونی (EBW) امکان کاربرد جهت اتصال مواد غیرهمجنس را دارد.
- انعطاف پذیری در جوشکاری
فرایند جوشکاری با پرتوی الکترونی (EBW) امکان اتصال قطعات بسیار کوچک و کم ضخامت را به قطعات بزرگ و سنگین دارد.
- سرعت بالا
فرایند جوشکاری با اشعه الکترونی (EBW) دارای نرخ اتصالی در مقایسه با سایر فرایندهای جوشکاری است.
- اعوجاج اندک
فرایند جوشکاری با پرتوی الکترونی (EBW) به دلیل تمرکز حرارتی و سرعت جوشکاری بالا، دارای حرارت ورودی (HI) اندک، نرخ سرمایش (CR) زیاد، اعوجاج و سطح تنش های پسماند حاصل از جوشکاری پایین و نیز منطقه متاثر از حرارت (HAZ) باریک می باشد.
- قابلیت تکرارپذیری
قابلیت کنترل توسط کامپیوتر به فرایند جوشکاری با اشعه الکترونی (EBW) قابلیت تکرارپذیری می دهد.
- امکان جوشکاری در موقعیت هایی با دسترسی اندک
ظرافت بسیار زیاد فرایند جوشکاری با پرتوی الکترونی (EBW) اجازه می‌دهد تا حتی در موقعیت هایی با دسترسی بسیار اندک، اتصالی با هندسه و خواص قابل قبول ایجاد نماید.
- کنترل عمق جوشکاری
در فرایند جوشکاری با اشعه الکترونی (EBW) امکان کنترل عمق منطقه امتزاج و جوشکاری با دقتی قابل اطمینان امکان پذیر است.
الف) اتصال حاصل از فرایند جوشکاری با الکترود تنگستنی (GTAW) و ب) اتصال حاصل از فرایند جوشکاری با پرتوی الکترونی (EBW)
از اینکه این مقاله را مطالعه نمودید متشکریم، اگر انتقاد و پیشنهادی در پیرامون این مقاله دارید در قسمت دیدگاه بنویسید.