جوشکاری با پرتو الکترونی

به طور معمول در فرآیند جوشکاری با پرتو الکترونی ولتاژ و جریان در محدوده 30 تا 175 کیلو ولت و 50 تا 1000 میلی آمپر تغییر می کنند. یک پرتو الکترونی پرانرژی قابلیت بخار کردن فلز و ایجاد سوراخی شبیه کلید را حین جوشکاری دارد. اشعه الکترون بیم قابلیت متمرکز شدن تا قطر 0.3 تا 0.8 میلی متر را دارد. چگالی توان یا power density حاصله تا 10¹⁰ وات بر متر مربع می رسد. این چگالی بالا موجب ایجاد ناحیه جوشکاری بسیار نازکی می شود که منطقه متاثر از حرارت بسیار محدودی هم دارد.

فرآیند جوشکاری با پرتو الکترونی

در فرآیند جوشکاری با پرتو الکترونی قطر پرتو الکترونی تابیده شده با فشار اتمسفر نسبت عکس دارد. الکترونهای متصاعد شده، بعد از برخورد با مولکول های هوا پراکنده می شوند که موجب افزایش قطر سوراخ کلید ایجاد شده نیز می شود. به همین دلیل گاهی اوقات این روش جوشکاری در خلا انجام می شود. جوشکاری در خلا مشکلات مربوط به واکنش های منفی بین هوا و ناحیه ذوب شده در روش های دیگر جوشکاری مثل الکترود دستی را ندارد. اما در محفظه خلا تعویض قطعه کار و کنترل های مرتبط آن با مشکل مواجه می شود.

محفظه خلا وظیفه محافظت از اپراتور در برابر اشعه های مضر را نیز انجام می دهد. تابش پرتو الکترونی به قطعه باعث پراش اشعه ایکس می شود و دیواره های محفظه مانع خروج این اشعه می شوند. در صورتی که جوشکاری با پرتو الکترونی در اتمسفر انجام شود باید راهکار دیگری برای محافظت از اپراتور ها اندیشید.

روش های اتصال دهی با پرتو مانند جوشکاری با پرتو الکترونی یا جوشکاری لیزر برای موادی که دارای عناصر با فشار بخار بالا هستند مانند منیزیم یا سرب، مناسب نیستند. به این دلیل که بخار شدن این عناصر محفظه خلا و دستگاه را آلوده می کنند. ضمنا چنانچه احتمال حبس شدن هوا در منطقه جوش زیاد باشد، استفاده از جوشکاری الکترون بیم توصیه نمی شود. چون که سرعت بالای ذوب و انجماد اجازه خروج را به حباب های هوا نمی دهد. اتصال مواد مغناطیسی نیز با جوشکاری الکترون بیم دشوار است، به این دلیل که میدان مغناطیسی الکترون ها را پراکنده می کند.

کاربردهای فرآیند جوشکاری الکترون بیم

جوشکاری با پرتو الکترونی اغلب برای مواد پیشرفته و اجزای پیچیده و بسیار حساسی مثل پره های توربین استفاده می شود. اما در حجم های تولید بالا می تواند روشی مناسب و اقتصادی برای قطعات ساده تر هم باشد. از روش جوشکاری الکترون بیم می توان برای اتصال قطعات فولادی دارای ضخامت تا 250 میلی متر و قطعات آلومینیوم تا 500 میلی متر استفاده کرد. جوشکاری الکترون بیم روش مناسبی برای اتصال فولادهای مختلفی است که با روش های دیگر ذوبی با مشکل موجه می شوند. این دسته فلزات شامل فلزات نسوز (تنگستن ، مولیبدن ، نایوبیوم) و فلزات فعال ( تیتانیوم ، زیرکونیوم ، برلیوم) هستند.

متغیرهای جوشکاری با پرتو الکترونی

در جوشکاری با پرتو الکترونی ، کنترل حرارت ورودی به وسیله تنظیم ولتاژ و جریان، قطر پرتو الکترونی و سرعت جوشکاری انجام می شود. ولتاژ و جریان روی تعداد برخورد الکترون با سطح قطعه در واحد ثانیه و سرعت الکترون ها تاثیر می گذارند. قابلیت کنترل قطر پرتو نیز یکی از مشخصه های انحصاری جوشکاری الکترون بیم به شمار می رود. به عبارت دیگر حرارت ورودی با ولتاژ و جریان و توان پرتو الکترونی نسبت مستقیم و با سرعت جوشکاری نسبت عکس دارد.

ولتاژ شتاب دهنده با نفوذ جوش نسبت مستقیم و با قطر پرتو نسبت عکس دارد. پرتو الکترونی با ولتاژ پایین نازک بوده ولی قدرت نفوذ کمتری دارد. هزینه جوشکاری با پرتو الکترونی برای دستگاه هایی که ولتاژ کمتری دارند پایینتر است و در ضمن نگهداری آسان تری دارند.

افزایش ولتاژ و کاهش قطر پرتو موجب افزایش چگالی توان پرتو و افزایش فاصله بین کاتد و آند موجب کاهش آن می شود. افزایش این پارامتر تاثیر مثبتی روی ناحیه جوش دارد. به این دلیل که تاثیر منفی ناشی از سیکل های گرمایش و سرمایش و ذوب را به حداقل می رساند و کیفیت جوش را افزایش می دهد. افزایش جریان پرتو نیز موجب افزایش نفوذ جوش می شود.

فلز پر کننده در جوشکاری با پرتو الکترونی

می توان برای بهبود خواص اتصال جوشکاری با پرتو الکترونی از فلز پر کننده استفاده کرد. فلز پر کننده به صورت سیم به منطقه اتصال تغذیه می شود و بایستی با فلزات پایه هماهنگی کامل داشته باشد. به وسیله اضافه کردن فلز پر کننده می توان خواص سختی و انعطاف پذیری اتصال را افزایش داد.

 اتمسفر محیط جوشکاری با پرتو الکترونی

محیط جوشکاری از نظر فشار اتمسفر به دو دسته جوشکاری در خلا و جوشکاری در اتمسفر تقسیم می شود.

جوشکاری با پرتو الکترونی در خلا

جوشکاری با پرتو الکترونی اغلب در محیط خلا بالا انجام می شود. فشار هوا در این اتمسفر کمتر از 0.13 پاسکال است. فشار های تا 10 پاسکال نیز در جوشکاری الکترون بیم اعمال شده و فشار خلا متوسط محسوب می شوند. جوشکاری در فشار محیط علاوه بر اینکه موجب کاهش دقت جوش می شود، موجب آسیب رسیدن به فلز جوش می شود. به خصوص هنگام جوشکاری فلزات فعالی مثل زیرکونیم یا تیتانیوم وجود اکسیژن، هیدروژن یا نیتروژن موجب خرابی جوش می شود. جوشکاری باریکه الکترونی در محیط خلا باعث ایجاد جوش باریک و با عمق نفوذ بسیار زیاد می شود و چگالی توان نیز افزایش می یابد. در چنین محیطی دستیابی به جوش مناسب نیاز به ولتاژ بالایی نیز ندارد. از سوی دیگر ایجاد خلا نیاز به زمان زیادی دارد و وجود محفظه خلا منجر به محدودیت در ابعاد قطعه می شود.

اتصالات حساسی مثل اتصالات در صنایع هسته ای ، هوافضا و الکترونیک به وسیله جوشکاری با پرتو الکترونی اتصال داده می شوند. مخازن تحت فشار موشک ها و آلیاژ های موتور جت از این دسته اتصالات هستند. دستگاه های خلا متوسط حساسیت جوشکاری با پرتو الکترونی خلا بالا را ندارند و برای فلزات فعال استفاده نمی شوند. دستگاه های خلا متوسط بیشتر برای فلزاتی مثل مس استفاده می شوند که تعامل منفی با اتمسفر ندارند.

جوشکاری با پرتو الکترونی در اتمسفر

جوشکاری با پرتو الکترونی در اتمسفر نیز انجام می شود. در این روش تولید پرتو در محیط خلا تفنگ الکترونی و برخورد پرتو به قطعه در اتمسفر انجام می شود. استفاده از هلیم به جای هوا در این روش موجب افزایش عمق نفوذ جوش و حفاظت بهتر از حوضچه مذاب می شود. هر چند فشار هلیم باید به گونه ای تنظیم شود که ایجاد پرتو را با خلا مواجه نکند.

مزایا و معایب جوشکاری با پرتو الکترونی

به دلیل چگالی توان بالای جوشکاری با پرتو الکترونی جوش سوراخ کلیدی با نفوذ کامل حتی در قطعات ضخیم نیز ممکن می شود. اتصالاتی که توسط روش های دیگر با چند پاس جوش داده می شوند، توسط این فرآیند در یک پاس با سرعت بالا قابل جوشکاری هستند. همچنین، به دلیل حرارت ورودی پایین جوشکاری با پرتو الکترونی در واحد طول جوش نسبت به فرآیندهای قوسی، منطقه متاثر از حرارت و اعوجاج این فرآیند بسیار پایین می باشد. از سوی دیگر سرعت سرمایش بالای جوشکاری با پرتو الکترونی باعث جلوگیری از ایجاد ترکیبات ترد بین فلزی در جوش های ناهمجنس می شود. به دلیل امکان اتوماسیون بالای و دقت زیاد جوشکاری الکترون بیم از ذوب بیش از حد قطعات ظریف جلوگیری می شود.

با این وجود، بالا بودن هزینه جوشکاری با پرتو الکترونی ، نیاز به خلا بالا و محافظت در برابر اشعه ایکس مانع از فراگیر شدن این روش می شوند. دستگاه جوشکاری باریکه الکترونی به گونه ای توسعه یافته که امکان اتصال در اتمسفر خلا متوسط (10 پاسکال) و اتمسفر عادی نیز وجود داشته باشد. نیاز به سیستم های کنترلی قوی و تنظیم دقیق پرتو روی محل اتصال نیز موجب بالا رفتن هزینه جوشکاری با پرتو الکترونی می شود. از سوی دیگر، همانطور که گفته شد جوشکاری قطعاتی با میدان مغناطیسی قوی یا نامتقارن به این روش دشوار است. به این دلیل که پرتو الکترونی را دچار انحراف می کنند.

هزینه جوشکاری با پرتو الکترونی

هزینه جوشکاری با پرتو الکترونی از جهات زیادی بیشتر از سایر روش های اتصال دهی ذوبی همانند جوشکاری آرگون و جوشکاری زیرپودری است. از سویی هزینه ایجاد خلا و تجهیزات آن و از سوی دیگر استهلاک بالای قطعات تشکیل دهنده این دستگاه باید در نظر گرفته شود. نیاز به مراقبت مداوم، تعمیرات و در صورت لزوم تعویض قطعاتی از جمله فیلامنت ها، پمپ های دیفوزیونی خلا و آب بندی محفظه خلا باعث بالا رفتن هزینه جوشکاری با پرتو الکترونی خواهد شد.

تمهیداتی در نظر گفته شده است که هزینه جوشکاری با پرتو الکترونی کمتر بشود. از جمله این تمهیدات می توان به دستگاه های خلا متوسط یا اتمسفری اشاره کرد که بخشی زیادی از هزینه های عملیاتی و تجهیزات فرآیند را کاهش می دهند. همچنین دستگاه های جوشکاری الکترون بیم ولتاژ پایین نیز برای مواردی که نیاز به عمق نفوذ خیلی بالا نیست طراحی شده اند تا هزینه جوشکاری با پرتو الکترونی کاهش یابد.