فرایندهای جوشکاری پيشرفته

چکیده

جوشکاری پرتو الکترونی یکی از روشهای پیشرفته جوشکاری است که امروزه کاربرد وسیعی در صنایع هوافضا یافته است. این روش جوشکاری توسط سازمان انرژی اتمی فرانسه ابداع شد و برای نخستین بار در تاریخ ۲۳ نوامبر ۱۹۵۷ برای استفاده عمومی ارئه گردید. کاربردهای معمول این روش در صنایع موشکی، هواپیما‏ سازی، صنایع هسته ‏ای، اسلحه‏ سازی، صنایع الکترونیکی، چرخ‏دنده ‏ها، محورها، صنایع اتومبیل‏ سازی و حتی در جواهر‏سازی می‏باشد. اهمیت این نوع جوشکاری و همچنین نوپا بودن آن در صنایع هوافضای کشور سبب شد تا در این مقاله ضمن بررسی مفاهیم این روش، نتایج عمل جوشکاری پرتوالکترونی به صورت لب‌روی‌هم (Lap Weld) بر روی یک قطعه خاص صنعتی ارائه گردد. این امر از جهت شناخت نحوه تنظیم این پارامترها برکیفیت جوش نهایی اهمیت داشته، بطوریکه بدست آوردن مقادیر مطلوب این پارامترها، مستلزم تلفیق استانداردهای موجود و تعداد زیادی سعی و خطا در پروسه جوشکاری می‌باشد. بدین‌ترتیب ابتدا شرایط و پارامترهای درگیر در جوشکاری پرتوالکترونی نظیر سرعت جوشکاری، شدت جریان، ولتاژ، میزان خلاء، فرکانس و تنظیم فوکوس مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته‏ و در ادامه فرآیند جوشکاری و تجربیات حاصل از آن ذکر‌ می‏گردد.

مقدمه

هر روش جوشکاری با چهار نیاز روبروست و معمولا فرآیندهای جوشکاری بر اساس آن رده‌بندی می‏شوند. اولین نیاز، انرژی لازم برای جوشکاری نظیر شعله، قوس الکتریکی، مقاومت الکتریکی، انرژی الکترون‏ها، لیزر و نظایر اینها می‌باشد. نیاز بعد، استفاده از روشی برای برطرف کردن آلودگیهای سطح جوش، از قبیل واکنشهای شیمیایی سرباره، پراندن (از طریق قوس الکتریکی با جریان یکنواخت و الکترود مثبت و یا جریان متناوب در نیم سیکلی که الکترود مثبت است)‌ و یا مکانیکی (سایش و غیره) است. نیاز سوم، بکار بردن روشی است که محل جوش در حین جوشکاری، از اتمسفر یا اثرات آن حفاظت شود مثل لایه سرباره، هاله‏ای از گاز خنثی یا بی اثر، خلاء، تماس نزدیک دو سطح برهم بدون وجود هوا و حتی صرف زمان بسیار کوتاه در جوشکاری که هریک به نحوی می‌تواند مفید باشد. کنترل متالورژیکی جوش نظیر ترکیبات شیمیایی، سرعت سرد شدن و انجماد، میزان ناخالصی‌ها در جوش و احتمالاً کنترل عملیات حرارتی پس از جوشکاری نیاز چهارم را شکل می‌دهند .
ارضای بهینه نیاز‌های چهارگانه فوق هم بصورت منفرد و هم در تقابل با یکدیگر، در نهایت به ایجاد اتصال با کیفیت منجر خواهد شد. از عهد مفرغ تاکنون روش‌های متنوعی برای اتصال فلزات ابداع شده و با نیاز انسان به داشتن قطعات پیچیده‌تر و اتصالات بهتر این روش‌ها تکامل یافته است. امروزه روش‌های مختلف جوشکاری نظیر جوشکاری قوسی، آرگون، گاز تنگستن، مقاومتی، پرتو الکترونی، پرتو لیزر، اصطکاکی برای مقاصد مختلف ساخت قطعات صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. جوشکاری پرتو الکترونی یکی از روشهای پیشرفته جوشکاری است که امروزه کاربرد وسیعی در صنایع هوافضا یافته است ]۲[. علی رغم آنکه، تجهیزات آن نسبتاً گران قیمت هستند، اما این روش مزایایی مانند سرعت، کنترل خودکار و ذوب در نواحی بسیار باریک را به همراه دارد. در جوشکاری پرتوالکترونی برای تولید انرژی از یک تفنگ الکترونی استفاده می‌شود. این تفنگ، یک جریان یکنواخت الکترونی روی قطعه کار ایجاد می‎کند بطوریکه بین تفنگ الکترونی و قطعه کار یک اختلاف ولتاژ بالا در حدود ۱۰ کیلو ولت یا بیشتر ایجاد می‏شود. قطعه کار به قطب مثبت و تفنگ الکترونی به قطب منفی متصل می‏شود. تحت اثر ولتاژ فوق الکترون‏های ساتع شده از یک رشته گرم تنگستنی (کاتد) به طرف آند شتاب می‏گیرند و به این ترتیب پرتو پرسرعتی به وجود می‏آید. الکترونها، آند را به صورت پرتو متراکمی با سرعتی معادل نصف سرعت نور ترک می‏کنند و در مسیر خود توسط پیچه‎‏های مغناطیسی متمرکز کننده به پرتو باریک و ظریفی جهت تابش به روی قطعه کار تبدیل می‏شوند.

فصل اول
تاریخچه و اصول فرآیند جوشکاری

1-1-تاريخچه جوشکاری

آثار باقيمانده از گذشته هاي بسيار دور نشانگر اين واقعيت است كه انسان هاي اوليه با استفاده از اصول فيزيكـي كه امـروزه اساس جوشكـاري مدرن را تشكيـل مي دهد قطعـات فلزي را بـه يكديگر متصل مي كردند. تجزيه و تحليل ابزارهاي كشف شده از قرون اوليه نشان مي دهد كه براي اتصال دو قطعه فلزي به يكديگر ، لبه هاي گداخته شده اين قطعات را روي يكديگر قرار داده و با ضربات چكش بهم متصل مي كردند.
مهمترين اصول فيزيكي كه سنگ زيربناي متدهاي معمولي جوشكاري در قرن حاضر را تشكيل مي دهد در اواخر قرن نوزدهم كشف و ابداع شده و به تدريج در صنعت مورد استفاده قرار گرفت. در سال 1887 يكي از دانشمندان روسي بنام Bernadas اختراع متدي را به ثبت رساند كه به وسيله آن قادر بود تا يك قطعه فلزي را با الكترود ذغالي به صورت موضعي با ايجاد قوس الكتريكي بين قطعه و الكترود ذوب نمايد.
در ايـن زمان نامبــرده دو قطعه فلزي را در فاصله معيني از يكديگر قرار داده و با استفاده از پديده فـوق الذكر و حركت الكترود ذغالي در طول شكاف بين دو قطعه و وارد نمودن همزمان ميله اي فلزي از جنس قطعه در داخل قوس الكتريكي ، حمام مذابي به وجود آورد كه بعد از منجمد شدن شكاف موجود را پر نموده و باعث به هم پيوستن اين قطعات گرديد.
چند سال بعد يعني در سال 1891 دانشمند ديگر روسي بنام Slavjaniv روش الكترود ذوب شونده را اختراع نمود. در اين روش به جاي الكترود ذغالي از يك الكترود فلزي استفاده شده كه همزمان وظيفه فلز پركننده را نيز به عهده داشت.
در روش الكترود ذوب شونده ذوب حاصل از الكترود فلزي در فاصله بين نوك الكترود و شكاف دو قطعه در معرض هوا قرار مي گرفت كه اين امر باعث اكسيده شدن مذاب و در نتيجه در جوش ايجاد اشكال مي كرد. از طرف ديگر قوس الكتريكي نيز ناپايدار بود كه خود به خود غير يكنواختي جوش را به دنبال داشت.
براي برطرف نمودن اين عيوب در سال 1905 يك صنعتگر سوئدي بنامOscar Kjellberg الكترود فلزي پوشش دار را اختراع نمود. پوشش اين الكترود را مخلوطي از مواد معدني مختلف تشكيل مي داد كه قادر بود با توليد گاز و ايجاد سرباره ، مذاب حاصل از ذوب الكترود را در مقابل آثار نامطلوب تماس با هوا محافظت نمايد. علاوه بر اين ، پوشش الكترود باعث پايداري قوس الكتريكي و يكنواخت شدن جوش مي گرديد.
با اختراع الكترود پوشش دار ، صنعت اين امكان را يافت تا جوش هايي با استحكام معادل فلز پايه بوجود آورد. اولين قايق ده متري تعميراتي كه تمام اتصالات آن توسط جوشكاري انجام شده بود در سال 1918 بـه آب انداختـه شد. از اواخر دهـه 1930 كه احداث پل ها و خطوط راه آهن و نيز ساخت كشتي هاي اقيانوس پيما و غيره با روش جوش دادن قطعات به يكديگر با سرعت آغاز گرديد تا به امروز كه انسان به ساختن فضا پيما ، آسمان خراش ، نيروگاه هسته اي ، ميكروپروسسور و غيره مشغولاست هنوز جوشكاري از روش هاي بسيار مهم اتصال محسوب مي شود. فرآيندهاي جوشكاري نه تنهابراي اتصال فلزات همجنس بلكه در موارد خاص با رعايت نكات تكنيكي و متالورژيكي ويژه براي اتصالفلزات غير همجنس (مس-آلومينيوم) ، فلز به غير فلز (سراميك به فلز) و حتي غير فلز به غير فلز (سراميك به سراميك) نيز استفاده مي شود. علاوه بر كاربرد جوشكاري در اتصالات دائم كاربردهاي ديگري نيز در صنعت معمول است (نظير بازسازي عيوب قطعات ريختگي يا ماشين كاري شده ، بازسازي قطعات فرسوده و مستهلك شده و ايجاد موضوع جوش با خواص ويژه در فرآيند ساخت بعضي از قطعات صنعتي) كه هر كدام جايگاه ويژه اي داشته و ضمن اينكه اهميت آنها كمتر از كاربرد اصلي اتصال آن نيست.
تاكنون فرايندهاي مختلف جوشكاري در دنيا ابداع شده كه هر كدام كاربرد ويژه و نقاط ضعف و قوت خود را دارند. بعنوان مثال فرايند جوشكاري پتكي يا آهنگري (Forge Welding ) هنگامي كه انسان اوليه با آتش و فلز آشنا شد متوجه شد كه مي توان دو قطعه فلزي بصورت سرد يا گداخته روي هم قرار داده و در اثر كوبيدن موجب اتصال آنها شود يا فرايند جوشكاري اصطكاكي تلاطمي ( Stir Friction Welding) كه عمر كوتاهي دارد و هنوز مراحل ابتدايي كاربردي آن مطرح است و يا فرايندهاي پيشرفته ديگري كه مراحل آزمايشگاهي را طي مي كند و نيز فرايند جوشكاري ابداع شده كه ورق به ضخامت 600 ميليمتر را با يك پاس بدون پخ سازي جوش مي دهد و در مقابل فرايندي كه عمليات جوشكاري را بايد در زير ميكروسكوپ انجام داد و محل جوش را نمي توان با چشم غير مسلح ديد. يكي از تلاشهاي متخصصين ابداع فرايندهاي جوشكاري با كمترين هزينه و بيشترين سرعت و خواص كاملا” مشابه قطعه اصلي است.
براي اولين بار در حدود سال 1948 ميلادي آقاي استيگر والد به كار بر روي پرتو الكتروني به عنوان يك منبع حرارتي در ماشين كاري دقيق پرداخت. در سال 1957 دكتر استور از موسسه انرژي اتمي فرانسه نتايج جوشكاري با پرتو الكتروني را كه از سال 1954 آغاز كرده بود، منتشر ساخت. تجهيزات استفاده شده توسط وي كاملاً با وسايلي كه بعداً استفاده شد، متفاوت بود. او از يك منبع با ولتاژ بين KV 14-10 استفاده كرد. در سال 1958، يك ماشين مته كاري ، با پرتو الكتروني در ايالت متحده ابداع شد كه در جوشكاري نيز مورد استفاده قرار گرفت. در همان سال برتون و فرانك هوسر مطالعات و آزمايشات خود را در مورد جوشكاري زيركونيوم به منظور استفاده در مصارف هسته اي آغاز كردند. در كنار اين تلاشها، بهينه سازي و اقتصادي كردن فرايند در آمريكا مورد توجه قرار گرفت. در حال حاضر اين فرايند در بسياري از صنايع به ويژه صنايع هسته اي و هوافضا مورد استفاده قرار مي گيرد.

1-2-اصول فرايند

فرايند جوشكاري با پرتو الكتروني يك فرايند اتصال ذوبي است كه در طي آن قطعه كار توسط جرياني متراكم از الكترونهاي داراي سرعت بالا بمباران شده و كل انرژي جنبشي الكترونها، در اثر برخورد با قطعه كار به حرارت تبديل مي شود. اين حرارت موجب ذوب لبه هاي قطعات و اتصال دو قطعه پس از انجماد مي شود.
جوشكاري با پرتو الكتروني معمولاً در يك محفظه خلأ با استفاده از يك سيستم توليد و تمركز پرتو الكتروني انجام مي شود. جوشكاري در يك محفظه بسته محدوديت هاي زيادي را به دنبال دارد ولي نقطه قوت بسيار مهم آن، انجام فرايند در يك محيط تميز و عاري از هر گونه آلودگي است كه موجب مي شود يك جوش با كيفيت بسيار عالي ايجاد شود.

                                                         

برای دریافت ادامه تحقیق  فایل word این مقاله را در زیر دانلود کنید

 رمز فایل : civilika.ir                 تعداد صفحات : 74صفحه

فهرست مطالب

 

چکیده
مقدمه
فصل اول
1-1-تاریخچه جوشکاری
1-2- اصول فرآبند جوشکاری
1-3- متغیر ها فرآبند جوشکاری
فصل دوم
2-1- جوشكاري پرتو الكتروني در خلأ بالا (EBW-HV)
2-2- جوشكاري پرتو الكتروني در خلأ‌متوسط (EBW-MV)
2-3- جوشكاري پرتو الكتروني بدون استفاده از خلأ (EBW-NV)
2-4- تجهيزات فرايند
2-6- مزايا و محدوديت هاي فرايند جوشكاري با پرتو الكتروني
2-8- آماده سازي و ترتيب انجام فرايند
2-10- فرايند جوشكاري با پرتو ليزر
2-11- موارد كاربرد جوشكاري با ليزر
2-13- متغيرهاي فرايند جوشكاري با ليزر
2-14- انتخاب ليزر مناسب جهت جوشكاري
2-15- استفاده از ليزرهاي توان پايين در جوشكاري
2-16- مسائل ايمني استفاده از ليزر
2-21- مزايا و محدوديتهاي فرايند جوشكاري با اشعه ليزر
2-22- فرايند جوشكاري فراصوتي
2-25- متغيرهاي فرايند فراصوتي
2-26- مزايا و محدوديت هاي فرايند جوشكاري فراصوتي
2-27- فرايندهای جوشکاری فرکانس بالا
2-27-3- فرايند جوشكاري فركانس بالاي القايي
فصل سوم
3-1- جوشکاری زیر آب
3-2- انواع جوشکاری زیر آب
3-4- جوشکاری مقاومتی
فصل چهارم
4-1- جمع بندی
4-2- مراجع