خانه / الکترونی-EBW

الکترونی-EBW

جوشکاری پرتو الکترونی Electeron Beam Welding یک فرآیند جوشکاری است که در آن از یک پرتو الکترونی به عنوان منبع حرارتی برای ذوب منطقه جوش استفاده می‌شود . الکترونها توسط یک تفنگ پرتو الکترونی تولید شده و به سمت سطح قطعه کار شتاب می‌گیرند که در اثر برخورد الکترونها با سطح قطعه کار انرژی جنبشی آنها به انرژی حرارتی تبدیل می‌شود و فلز محل اتصال را ذوب می‌کند.

تفنگ پرتو می‌باید در محفظة خلاء با فشار
تور)  قرار بگیرد و قطعه کار بسته به فرآیند می‌تواند در محفظه خلاء یااتمسفر محیط قرار گیرد. وجود محیط خلاء مانع پراکنش الکترونها شده و از طرفی یک منطقه ذوب عاری از ناخالصی و آخال ایجاد می‌کند. و به طورکلی سه روش عمده جوشکاری پرتو الکترونی وجود دارد:

1.جوشکاری در خلاء بالا ( 4-10تا6-10تور)

2.جوشکاری در خلاء پایین ( 3-10 تا25تور)

3.جوشکاری بدون خلاء 1atm

 ازاین فرآیند بیشتر برای فلزات دیرگداز و فعال که قابل جوشکاری در اتمسفر محیط نیستند استفاده می‌شود این فرآیند در صنایع هسته‌ای ، هوایی، هوافضا و خودرو بیشترین کاربرد را دارد.

مهمترین مزایای EBW عبارتند از: سرعت جوشکاری بالا، منطقه Haz باریک ، نسبت عمق به عرض جوش بالا وا عوجاح کم قطعه.

از معایب این فرآیند می‌توان به محدودیت فیزیکی اندازه قطعه، غیرقابل استفاده بودن برای فلزات و آلیاژهای با فشار بخار بالا وقت‌‌گیربودن فرآیند در روشهای خلاء بالا و متوسط.

در پایان این پروژه خلاصه‌ای از کاربرد جوشکاری پرتو الکترونی در صنایع هسته‌ای مورد بررسی قرار می‌گیرد.

پرتو الکترونی

استفاده از پرتو الکترونی به عنوان یک منبع حرارتی قابل کنترل به سالهای آخر قرن نوزدهم برمی‌گردد. در نیمة اول قرن بیستم به علت پیشرفتهای زیاد علم الکترونیک و به موازات آن ابزارهای کنترل پرتو الکترونی، استفاده از این پرتو گسترش یافت.

تجهیزات پرتو الکترونی شامل یک محفظه خلاء است که الکترونها در آن تولید شده و سپس به سمت قطعه کار شتاب می‌گیریند. در سیستم جوشکاری پرتوالکترونی، الکترونها با عبور یک جریان الکتریکی کم که در حدود 50تا200mA است از یک فیلامان تنگستنی تولید تولید می‌شوند. فیلامان به یک قطب منفی با ولتاژ بالا30تا150Kv  وصل است و الکترونها از کاتد به سمت آند، شتاب می‌گیرند.

از آنجا که الکترونها در اثر برخورد با مولکولهای گاز به آسانی پراکنش(Sputtering) می‌شوند، محیط اطراف پرتو بایستی تا حد امکان عاری از این مولکولها باشد، تا بتوان پرتو راکنترل کرد.به همین دلیل تفنگ پرتوالکترونی دریک محفظه خلاء قرارمی‌گیرد.خلاء موردنیازدراین دستگاه تقریباً(4-10تور) می‌باشد. پس از آنکه محفظه خلاء با پمپهای مکانیکی و نفوذی تخلیه شد، فیلامنت تنگستنی تا دمای بالا  4000درجه فارنهایت گرم می‌شود ودراثر خاصیت ترمویونیک از خود الکترون ساطع می‌کند. پرتو الکترونی تولید شده واگراست و به کمک لنزهای مغناطیسی  و الکترواستاتیکی همگرا می‌شود . یک میدان مغناطیسی برای متمرکز کردن پرتو روی سطح قطعه بکارگرفته می‌شود پرتوها معمولاً تا قطر حدود( 0.01تا0.03 اینچ ) متمرکز می‌شوند و دانسیته توان حدود(105وات براینچ مربع) دارند.

تاریخچه استفاده از پرتو  الکترونی درجوشکاری:

در طی جنگ جهانی دوم و با افزایش استفاده از فلزات دیرگداز نیاز به تجهیزات جوشکاری احساس شد که در آن از واکنش فلز با اکسیژن، هیدروژن و نیتروژن جلوگیری شود. از آنجاییکه این فلزات به سرعت باعناصر ذکر شده واکنش می‌دهند، یک روش جوشکاری جدید مورد نیاز بود که ترجیحاً در تماس نباشد. بنابراین یک فرآیند جوشکاری با شرایط کاری خلاء( 4-10 تور )برای جوشکاری این فلزات دیرگداز مناسب شناخته شد. در سال 1948 میلادی Mr.K.H.Steger weld پرتو الکترونی را برای جوشکاری و برش فلزات مورد استفاده قرار داد. به علاوه مطالعه روی جوشکاری پرتوالکترونی در سال 1954 در کمیته انرژی اتمی فرانسه شروع شد. استفاده از پرتو  الکترونی به عنوان یک منبع حرارتی در جوشکاری از سال 1960 شروع شد و جوشکاری پرتوالکترونی (EBW) به عنوان یک فرآیند جوشکاری با کیفیت بالا گسترش یافت.

اولین کاربرد جوشکاری پرتوالکترونی برای اتصال اجزاء تیوبهای سوخت هسته‌ای از جنس آلیاژهای اورانیوم و مولیبدن به اجزاء آلومینیومی آن بود. در سال 1959 Frank houser , Burton از تجهیزات پرتو الکترونی برای اتصال قطعاتی از جنس آلیاژ‌های زیرکونیوم در تجهیزات سوخت هسته‌ای استفاده کردند.

در طی دورة اولیه کاربرد تجاری، فرآیند باید لزوماً در یک محفظه با خلاء بالا صورت می‌گرفت. با این وجود به زودی سیستمی طراحی شد که تنها در قسمت پرتو نیاز به محفظه با خلاء بالا داشت. این مسئله به ما این اجازه را می‌داد که جوشکاری در هر دو محفظه با خلاء متوسط یا محیط بدون خلاء انجام گیرد. این پیشرفت منجر به پذیرش این فرآیند توسط صنایع تولید محصولات مصرفی و تجاری شد. به این ترتیب EBW در یک رنج وسیعی از صنایع جهانی بکار گرفته شد. امروزه از این فرآیند می‌توان برای جوشکاری سازه‌هایی  استفاده کرد که منجر به ایجاد یک سری خواص تکنیکی می‌شود که باردیگر فرآیندهای قابل دستیابی نمی‌باشد.

 تئوری فرآیند:

در جوشکاری پرتو الکترونی، محل اتصال جوش با بمباران الکترونهایی که سرعت بالا دارند گرم می‌شود. انرژی جنبشی الکترونها در اثر برخورد با قطعه کار به گرما تبدیل می‌شود.

کاتد تفنگ پرتو الکترونی یک فیلامنت با بار منفی است و وقتی تا دمای نشر ترمویونیک گرم شد، این فیلامنت شروع به نشر الکترون می‌کند. این الکترونها بوسیلة میدان‌های الکتریکی بین الکتروبایاس، با بار منفی ( دقیقاً زیر کاتد قرار دارد) و کاتد است، شتاب می‌گیرد. و سرعتش افزایش می‌یابد و بیشترین سرعت را وقتی که به آند می رسد، دارد. الکترونها از داخل سوراخی که در آند است، عبور کرده و بوسیلة سیم‌پیچیهای الکترومغناطیسی روی یک نقطه از سطح قطعه همگرا می‌شود. جریان پرتو و ولتاژ شتاب‌دهنده که معمولاً برای فرآیند EBW مورد استفاده قرار می‌گیرد، در رنج 50تا1000mAو 30تا175Kv است. شدت زیاد پرتو الکترونی می‌تواند فلز را تبخیر کند و یک حفرة بخار ایجاد کند که این حفره Keyhole نامیده می‌شود.

در زمان تشکیل Keyholeدر پدیده به طور همزمان اتفاق می‌افتد: الف) تبخیرفلزی که کناره حفره قرار دارد و سپس کندانس شدن فلز تبخیر شده. ب) حرکت فلز مذاب به سمت داخل Keyhole  ج) فلز مذاب به طور پیوسته Keyhole را پر می‌کند و منجمد می‌شود.