از دیرباز تا کنون برای اتصال قطعات فولادی و فلزی از ایجاد حرارت استفاده می شده است. برای اتصال قطعات از روش های مختلفی استفاده می شود و اصطلاحا به این روش ها جوشکاری گفته می شود که دارای مدل ها و انواع گوناگونی نیز هستند. جوشکاری دارای انواع مختلفی است که در یک دسته بندی کلی به دو نوع جوشکاری ذوبی و حالت جامد تقسیم می شود که هر کدام از این دو حالت نیز خود دارای انواع و روش های مختلفی هستند.
در جوشکاری ذوبی روش های گوناگونی وجود دارد که بر اثر ایجاد حرارت ،ذوب اتفاق می افتد و سپس با منجمد شدن اتصال بر قرار می شود. یکی از انواع جوشکاری ذوبی که در صنایع استفاده می شود جوشکاری با پرتو الکترونی است که در داخل یک محفظه با خلاء و توسط الکترون انجام می شود.
تاریخچه جوشکاری پرتو الکترونی
در سال ۱۹۶۸ برای نخستین بار شخصی به نام استیگر والد بر روی پرتو های الکترونی به عنوان یک منبع حرارتی در ماشین های کاری تحقیق کرد. در سال ۱۹۹۶ نیز دکتر استور که در موسسه انرژی اتمی فرانسه فعالیت می کرد، نتایج تحقیقات جوشکاری با پرتو الکترون را که از سال ۱۹۵۷ شروع کرده بود منتشر کرد. تجهیزات استفاده شده توسط این شخص با تجهیزاتی که بعدا به وجود آمد و ساخته شد متفاوت بود ( او از یک منبع با ولتاژ بین ۱۰- ۱۶KV استفاده کرد). دکتر استور در سال ۱۹۹۸، از یک ماشین مته کاری، که با پرتو الکترونی در امریکا ابداع و ساخته شده بود، استفاده کرد.
در همین سال دو نفر به نام های برتون و فرانک هوسر مطالعات و آزمایشات خود را در مورد جوشکاری پرتو الکترونی بر روی فلز زیرکونیوم، به منظور کاربرد در صنایع هسته ای آغاز کردند. این تحقیقات و مطالعات به جهت بهینه سازی و اقتصادی کردن فرایند جوشکاری، بسیار مورد توجه قرار گرفت و به گونه ای مورد استقبال قرار گرفت که امروزه در اکثر صنایع از جمله صنعت هوا فضا و صنایع هسته ای مورد استفاده قرار می گیرد.
فرایند جوشکاری با پرتو الکترونی
فرایند جوشکاری با پرتو الکترونی یک فرایند اتصال ذوبی است که در طی آن قطعه کار توسط جریانی متراکم از الکترون های دارای سرعت بالا بمباران شده و کل انرژی جنبشی الکترون ها، در اثر برخورد با قطعه کار به حرارت تبدیل می شود. این حرارت موجب ذوب لبه های قطعات و اتصال دو قطعه پس از انجماد می شود.
جوشکاری با پرتو الکترونی معمولا در یک محفظه خلأ با استفاده از یک سیستم تولید و تمرکز پرتو الکترونی انجام می شود. جوشکاری در یک محفظه بسته محدودیت های زیادی را به دنبال دارد ولی نقطه قوت بسیار مهم آن، انجام فرایند در یک محیط تمیز و عاری از هر گونه آلودگی است که موجب می شود یک جوش با کیفیت بسیار عالی ایجاد شود. شکل زیر یک نمای کلی از دستگاه جوشکاری با پرتو الکترونی را نشان می دهد.
بارزترین مشخصه جوشکاری با پرتو الکترونی توانایی آن در ایجاد جوش های بسیار باریک و کاملاً عمیق است. به عنوان مثال به کمک این فرایند می توان تسمه های فولادی با ضخامت ۱۲ میلی متر را به شکل سر به سر به گونه ای به هم جوش داد که پهنای جوش از ۱٫۶ میلی متر بیشتر نشود. این مشخصه در مقایسه با الگوی جوش ذوبی قوسی و روش های حفاظت با گاز بسیار بالاتر است. این امر ناشی از مکانیزم و نحوه عملکرد خاص پرتوالکترونی در هنگام جوشکاری است.
در روش های جوشکاری قوسی منابع حرارتی تنها اندکی از سطح را ذوب می کنند و عمق نفوذ جوش ناشی از حرارتی بوده که عمدتاً از طریق هدایت از سطح ذوب شده در تمام جهات است. با توجه به این که هدایت حرارت در تمام جهات انجام می گیرد با عمیق تر شدن جوش، عرض آن نیز افزایش می یابد.
پرتو الکترونی می تواند دارای چنان شدت حرارتی باشد که به طور همزمان در کنار توپ گردن فلز، عمل تبخیر و ایجاد سوراخ کلید در فلز مذاب را در ولتاژهای بالا انجام دهد، دیواره این سوراخ به صورت مناب است و با پیشرفت سوراخ در محل اتصال، فلز بیشتری از دیواره ذوب می شود با حرکت پرتو، عمل ذوب شدن حول دهانه سوراخ ادامه می یابد و همزمان با آن انجماد در قسمت پشت سوراخ انجام می گیرد.
تفنگ الکترونی قلب این فرایند جوشکاری است در تفنگ الکترونی الکترون های نشر داده شده از کاند که به شکل پرتو در آورده شده اند، به سمت قطعه کار شتاب داده می شوند. در اینجا از قانون ساده الکتریسیته دفع بارهای همنام از یکدیگر و جذب بارهای غیر همنام توسط یکدیگر استفاده می شود. یک الکترود با | شکل کاملا مشخص فنجانی با بارهای منفی پرتو را شکل می دهد. شتاب دهی به الکترون ها توسط میدان الکتریکی ناشی از ولتاژ اعمال شده و به کمک پست الکترود با بار مثبت انجام می شود، پرتو حاصل شده با تمرکز بالا با سرعت ۳۰ تا ۷۰ درصد سرعت نور از سوراخ کوچک میان آند عبور کرده و به قطعه کار می رسد، دفع متقابل الکترون ها باعث واگرایی پرتو در طی مسیر خود می شود.
بنابراین باید این مسأله تحت کنترل باشد تا پرتو در محل از پیش تنظیم شده با قطعه کار برخورد کند و قطر پرتو به هنگام برخورد با قطعه مناسب باشد. در تجهیزات قدیمی تر از خود قطعه کار به عنوان آند شتاب دهنده استفاده می شد که چندین عیب داشت جوشکاری در عمق های از پیش طراحی شده امکان پذیر نبود چرا که لبه های آماده سازی شده قطعه کار، پرتو را به خود جذب می کرد و کنترل روی فرایند کاهش می یافت. همچنین استفاده از قید و بند در کنار قطعه کار به راحتی امکان پذیر نیست چرا که قید و بندها نیز مانند قطعه کار در معرض اتصال قرار می گرفتند، بنابراین تصمیم گرفته شد که آند شتاب دهنده در تفنگ الکترونی قرار گیرد و سیستم تولید پرتو کاملا از قطعه کار مستقل باشد.
انواع روش های جوشکاری با پرتو الکترونی
برای جوشکاری پرتو الکترون روش های مختلفی وجود دارد که هر کدام از این روش ها با توجه به محیط محل جوش و شرایط جوشکاری با یکدیگر متفاوت هستند. در ادامه انواع روش های جوشکاری با پرتو الکترونی را توضیح می دهیم.
جوشکاری با پرتو الکترونی در خلاء شدید
در این روش از جوش پرتو الکترونی محفظه باید کوچک باشد و از مواد یا قطعات با قطر و ضخامت مناسب استفاده کنیم که این ضخامت می تواند ۱۵ سانتی متر باشد. در این روش فاصله میان تفنگ جوشکاری و قطعه کار باید کمتر از ۰/۷ متر باشد. این روش کاربرد بسیاری دارد.
جوشکاری با پرتو الکترون در خلاء نسبی
این روش با فشاری کمتر از ۰/۱ اتمسفر انجام می شود که این امکان را می دهد تا از اتاق یا محفظه بزرگتری استفاده کنیم و زمان لازم برای تجهیز کردن و ساخت تجهیزات را کاهش می دهد. در این روش از فلزات با ضخامت ۵ سانتی متر می توان استفاده کرد.
جوشکاری با اشعه الکترون
در این روش از جوشکاری پرتو الکترون بر خلاف دو روش بالا از خلاء استفاده نمی شود بلکه بر اثر فشار اتمسفر فرایند جوشکاری تکمیل می شود. در این روش فاصله تنفگ الکترون و قطعه کار حدود ۴ سانتی متر است و ضخامت فلزات نیز ۵ سانتی متر می باشد. در این روش می توان به هر اندازه قطعه کار را جوشکاری کرد و به همین دلیل نیز نیاز به خلاء و اتاق نداریم.
