جوشکاری با پرتو الکترونی یک تکنیک جوشکاری پیشرفته است که به تازگی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این تکنیک از قدرت پرتوهای الکترونی برای اتصال فلزات استفاده می‌شود. این فرایند مزایای بی‌شماری نسبت به روش‌های جوشکاری سنتی دارد. به کمک این روش می‌توان جوش‌هایی باکیفیت بالا، دقت بالا و با کمترین میزان اعوجاج ایجاد کرد. برای درک بهتر این فرایند، می بایست با برخی اجزای مهم آن آشنا شوید. اگر با فرایند جوشکاری با پرتوی الکترونی آشنا نیستید، در این مقاله همراه ابزار جوش و برش وینر باشید تا به بررسی کامل آن بپردازیم.
جوشکاری با پرتوی الکترونی چیست؟
جوشکاری با پرتوی الکترونی (Electron beam welding – 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. اغلب سامانه های جوشکاری با پرتو الکترونی 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. این روش اولین بار در فرانسه و در سال 1957 توسط جی. ای استور اختراع شد.
نحوه کار جوشکاری با پرتوی الکترونی
نحوه کار جوشکاری با پرتوی الکترونیبرخورد الکترون ها بر روی قطعه کار، انرژی را تبدیل به گرما میکند و سطح را گرم می‌سازد. در نتیجه به صورت 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 ضد زنگ 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.
انواع روش‌های جوشکاری با پرتوی الکترون
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 تورچ 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 جوشکاری با پرتو الکترونی
تورچ پرتو افکن الکترونی که در جوشکاری با پرتو الکترونی (EBW) استفاده می‌شود. تورچ پرتوافکن الکترونی از اجزای زیر تشکیل شده است:
- کاتد (همچنین به عنوان رشته شناخته می شود)
- یک منبع گرم (گسترش کننده) الکترون که در پتانسیل منفی بالا نگهداری می شود
- فنجان توری (همچنین به عنوان فنجان تعصب شناخته می شود)
- یک الکترود با شکل خاص که می تواند به طور منفی به کاتد بچسبد
- یک آند، که الکترود پتانسیل زمین از آن عبور میکند.
تورچ پرتو افکن الکترونی، تولید کننده الکترون ها بوده و نیز به آنها سرعت می‌دهد 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 روش‌های 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.
مزایای فرایند جوشکاری با پرتوی الکترون (EBW)
جوشکاری با اشعه الکترونی دارای مزایای زیر است:
- انعطاف پذیری: این یک فرآیند جوشکاری همه کاره است که برای اتصال فلزات مشابه و غیر مشابه مناسب است.
- هزینه اجرای کم: جوشکاری با این روش هزینه های عملیاتی پایینی دارد زیرا نیاز به فلزات پرکننده یا شار در طول فرآیند جوشکاری را از بین می برد.
- سرعت بالا: این روش سرعتهای جوشکاری بالایی را ارائه می دهد که معمولاً بر حسب میلی متر بر ثانیه بیان می شود و در نتیجه سرعت تولید سریعتر و افزایش راندمان ایجاد می شود.
- 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.
- 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.
- 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.
معایب جوشکاری با پرتوی الکترونی
این روش معایبی نیز دارد که عبارتند از:
- هزینه اولیه: تجهیزات مورد استفاده در جوشکاری پرتو الکترونی مانند تفنگ الکترونی، سیم پیچ های مغناطیسی، پمپ های خلاء و سیستم های CNC می توانند گران باشند. این منجر به هزینه اولیه بالای تجهیزات می شود که می تواند یک نقطه ضعف باشد.
- ساختار پیچیده: دستگاه های جوشکاری پرتوی الکترونی ساختار پیچیده ای دارند که شامل اجزایی است که با تابش الکتریکی و مغناطیسی کار می کنند. سیستم های CNC مورد استفاده در این فرآیند به پیچیدگی می افزایند. در نتیجه، تکنسین های حرفه ای ملزم به رسیدگی به هرگونه خرابی یا مسائل فنی هستند.
- نیاز به نیروی کار ماهر: به دلیل ماهیت پیچیده فرآیند، دستگاه های جوشکاری پرتو الکترونی را نمی توان با نیروی کار غیر ماهر کار کرد. برای جوشکاری موثر قطعات کار با استفاده از جوشکاری پرتو الکترون به اپراتورهای ماهر و با تجربه نیاز است که می تواند یک محدودیت باشد.
- نیازهای خلاء بالا: جوشکاری پرتوی الکترونی برای کارکرد موثر به محیط خلاء بالا نیاز دارد. این امر نیاز به استفاده از پمپ هایی با توان مصرفی بالا را برای دستیابی به سطوح خلاء مورد نیاز دارد که می تواند باعث افزایش مصرف انرژی شود.
- ملاحظات ایمنی: جوشکاری پرتوی الکترونی، تشعشعات بالقوه مضری مانند اشعه ایکس و سایر انواع تشعشعات تولید می کند . بنابراین، اقدامات ایمنی سختگیرانه باید برای اطمینان از حفاظت از اپراتورها و کاهش هر گونه خطرات مربوط به سلامت مرتبط با فرآیند اجرا شود.
تفاوت جوشکاری با پرتو الکترونی و جوشکاری لیزری
جدول زیر تفاوت بین جوشکاری پرتو الکترونی و جوشکاری لیزری را نشان می دهد
| جنبه | جوشکاری پرتو الکترونی (EBW) | جوش لیزری |
| منبع انرژی | پرتو الکترونی با سرعت بالا که توسط تفنگ الکترونی ایجاد می شود | پرتو لیزر با تمرکز بالا |
| منبع گرما | پرتو الکترونی با قطعه کار تعامل می کند و گرما تولید می کند | پرتو لیزر با قطعه کار تعامل می کند و گرما تولید می کند |
| نوع پرتو | پرتو الکترونی با انرژی جنبشی بالا | پرتو لیزر با چگالی انرژی بالا |
| سرعت جوش | سرعت جوش کمتر در مقایسه با لیزر | سرعت جوشکاری بالاتر در مقایسه با جوشکاری با پرتو الکترونی |
| عمق نفوذ | عمق نفوذ عالی | عمق نفوذ متوسط |
| منطقه متاثر از گرما (HAZ) | HAZ باریک و کاملاً مشخص | HAZ نسبتاً گسترده تر |
| کیفیت جوش | کیفیت و دقت جوش بالا | کیفیت و دقت جوش بالا |
| برنامه های کاربردی | هوافضا، خودروسازی، تولید برق، صنایع پزشکی | خودرو، الکترونیک، جواهرات، صنایع پزشکی |
| پیچیدگی تجهیزات | به تجهیزات تخصصی و محفظه خلاء نیاز دارد | به منبع لیزر و اپتیک نیاز دارد |
| مهارت مورد نیاز اپراتور | نیاز به اپراتور ماهر به دلیل تجهیزات پیچیده | اپراتورهای ماهر برای تراز لیزری و عملیات مورد نیاز است |
| هزینه | هزینه اولیه بالاتر به دلیل تجهیزات پیچیده | هزینه اولیه نسبتا کمتر |
کاربردهای جوشکاری با پرتو الکترون
این روش کاربردهای متنوعی در صنایع مختلف پیدا دارد، از جمله:
- صنعت هوانوردی: جوشکاری پرتوی الکترون به طور گسترده در صنعت هوانوردی برای ساخت قطعات مورد استفاده در موتورها، حسگرها، چرخ دنده ها و سایر اجزای حیاتی مورد استفاده قرار می گیرد. این نقش حیاتی در تضمین عملکرد موثر و قابلیت اطمینان سیستم های هوانوردی ایفا می کند.
- صنعت تولید برق: بخش تولید برق از جوشکاری با پرتو الکترون سود می برد که برای ایجاد جوش های کم عمق تا عمیق استفاده می شود. برای جوش دادن قطعات بزرگ مانند دیافراگم های توربین بخار و همچنین قطعات کوچک مانند نازل ها استفاده می شود.
- صنعت خودرو: جوشکاری پرتوی الکترونی نقش مهمی در صنعت خودرو برای جوشکاری قطعات عملکردی مختلف مانند چرخ دنده ها ، توربوشارژرها، صفحات کلاچ و غیره ایفا می کند. تطبیق پذیری و دقت آن به تولید قطعات خودرو با کیفیت بالا کمک می کند.
- صنعت الکترونیک: این روش در صنعت الکترونیک به دلیل توانایی آن در جوشکاری موادی مانند آلومینیوم و مس اهمیت پیدا می کند. برای جوشکاری کانکتورها و اجزای مختلف مهم برای دستگاه های الکترونیکی استفاده می شود.
- صنعت پزشکی: به دلیل قابلیت حفظ ساختار شیمیایی ماده مادر از اهمیت بالایی در زمینه پزشکی برخوردار است. از آن برای جوشکاری ایمپلنت های ارتوپدی و سایر وسایل پزشکی استفاده می شود تا از یکپارچگی و زیست سازگاری مفاصل جوش داده شده اطمینان حاصل شود.
سخن پایانی
با پیشرفت تکنولوژی شاهد پیشرفت این روش نیز هستیم. در نتیجه جوشکاری با پرتو الکترونی نشان دهنده یک پیشرفت پیشگامانه در صنعت جوشکاری است که دقت، کارایی و کیفیت اتصال جوش را افزایش می‌دهد. به کمک پرتوهای الکترونی متمرکز می‌توان انواع جوش‌ها برای اتصالات مختلف را فراهم کرد. از اینکه این مقاله را مطالعه نمودید متشکریم، اگر انتقاد و پیشنهادی در پیرامون این مقاله دارید در قسمت دیدگاه بنویسید.
سوالات متداول
در انتها به بررسی سوالات متداول پیرامون جوشکاری با پرتو الکترونی می‌پردازیم:
چه فلزاتی را می‌توان به کمک روش جوشکاری با پرتو الکترونی جوش داد؟
جوشکاری با پرتوی الکترونی معمولاً برای جوشکاری تمام فلزات مورد استفاده قرار می‌گیرد. برخی از فلزاتی که می‌توان با جوشکاری پرتوی الکترونی جوش داد عبارتند از:
- استیل: از جمله فلزات رایجی است که با جوشکاری پرتوی الکترونی جوش داده می‌شود، از جمله استیل ضدزنگ، استیل ضدزنگ دوبلی و غیره.
- آلومینیوم: فلز آلومینیوم نیز می‌تواند با استفاده از جوشکاری پرتوی الکترونی جوش داده شود.
- تیتانیوم: این فلز با خواص خاص نیز می‌تواند با این روش جوش داده شود.
- نیکل: فلز نیکل نیز از دیگر فلزاتی است که با جوشکاری پرتوی الکترونی قابل جوش دادن است.
- فولاد: انواع فولاد‌ها نیز به خوبی می‌توانند با استفاده از این روش جوش داده شوند.
مزایای جوشکاری با پرتو الکترونی چیست؟
این روش برای تولید جوش‌هایی بی عیب نقص، با نفوذ بالا را فراهم میکند. از طرفی دیگر کنترل دقیق جوشکاری با پرتو الکترونی به سهولت انجام می‌شود.
مهم‌ترین مشکل جوشکاری پرتو الکترونی چیست؟
تخلیه های احتمالی در تورچ جوشکاری با پرتو الکترونی از مهم ترین مشکلات این روش است. تخلیه مستقیماً یک نقص نیست، اما در صورت وقوع می تواند آسیب شدیدی به جوش وارد کند. اگر بخار فلزی یا عناصر ناخالصی در طول فرآیند وارد تورچ الکترونی شوند، تخلیه تورچ ممکن است اتفاق بیفتد.
منابع: