جوشکاری

[javad jan]

فصل اول (http://pnu-club.com/newthread.php?do=newthread&f=465)
مقدمه:
در صنعت عصر حاضر ، جوشکاری یک فرایند پیشرفته محسوب می شود . امروزه علم و هنر جوشکاری حوزه وسیعی از تحولات و فرآیندهای مورد استفاده بشر را در بر می گیرد.
استفاده از این متد در قطعات بسیار ظریف الکترونیکی تا به سازه های عظیم فلزی رایج می باشد و همین امر سبب گشوده شدن راههای جدیدی به صنعت نوین و اتوماسیون سیستم ها رایج گردیده است . استفاده از تجهیزات مکانیزه و نیمه مکانیزه جوشکاری سبب آزادی قشر وسیعی از نیروی انسانی و نیز صرفه جویی اقتصادی شده و موجبات ترقی ممالک صنعتی فراهم نموده است.
انواع جدید سازه ها و طرحهای مدرن مشتمل بر استفاده ی وسیعی از فلزات کمیاب و نسوز یا دیرگداز نظیر مولیبدن، تنگستن ، تانتال و زیرکونیم می باشد .
در عین حال با تمام صفات بارز این فلزات ، وقتی به شرایط بحرانی فشار و حرارت بالا بر می خوریم ، این فلزات دیگر جوابگوی نیاز ما نخواهندبود.
در این هنگام ، علم آلیاژ بهه کمک می آید. در این میان متخصصان جوشکاری با مسایل فراوانی روبرو هستند که خلق انواع جدید فرآیندهای مورد استفاده در جوش آلیاژ و نیز طراحی تجهیزات مورد نیاز از آن جمله است.
جدا از این مساله که نقطه جوش فلزات آلیاژهای بالاست، میل شدید ترکیب آنها در دماهای بالا از مسائل جدی در امر جوشکاری به شمار می آید . لذا بسیاری از متدهای جوشکاری نظیر جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود دستی ، و ایجاد حوضچه ی مذاب ، دیگر جوابگو نخواهندبود.
اصولاً در این موارد از متدهای مخصوص استفاده می شود و یا برای یک زمان کوتاه تا درجه ی حرارت بسیار بالا بطور نقطه ای تحریم و در یک حفاظ ( برای عدم دسترسی به هوای اتمسفر ) با سرعت فراوان عمل جوشکاری انجام می شود .
عمل حفاظت (http://pnu-club.com/newthread.php?do=newthread&f=465) معمولاً توسط محفظه های هوای پرشده توسط گاز بی اثر صورت می گیرد . اما دستیابی به این گازها بسیار گران و مشکل است و وجهه ی اقتصادی ندارد.
در سالهای اخیر ، متدهائی برای غلبه بر مشکلات جوش الکترودی ابداع شده که اهم آنها عبارتند از:
v استفاده از پرتو الکترونی ((electron Beam ))
v استفاده از پرتوهاي همسان نورانی ((Conerent light Bean ))
v جوش نفوذی ((Diffusion Welding ))
v جوشکاری سرد فلزات ((Cold Welding of metals ))
v جوشکاری (http://pnu-club.com/newthread.php?do=newthread&f=465) مافوق صوت، جوش اصطکاکی ، انفجاری ، حالت جامد و ...
§ پرتوهای الکترونی با دربرداشتن مقادیر متنابهی انرژی ، نفوذ و امتزاج خوبی را برای قطعات سنگین و بزرگ فراهم می کند و بدین وسیله یک جوش مقاوم و در عین حال ظریف و متمرکز ایجاد می نماید . البته میزان انرژی صرف شده در این متد ، تا 10 برابر قوس الکتریکی می باشد ، و به این وسیله ، به طور موفقیت آمیزی می تواند فولادهای آلیاژی تا ضخامتmm 100 را اتصال و دهد و نیز برای جوشکاری غیر فلزی هم بکار رود.
§ پرتوهای همسان نوران یا طیفالیرز، با دربرداشتن مقادیر انبوهی از انرژی ، قابلیت اتصال مواد مختلف را افزایش داده اند.

تا عصر حاضر ، عمل جوش از طریق گرم کردن فلز تا حد جوش ( جوش ذوبی ) و ذوب شدن آن و و امتزاج در فلز درهم صورت می گرفته است . امروزه دانش پیوندهای بین اتمی فلزات امکان استفاده از فرآیندهای مولکولی و اتمی را بجای متدهای پیشین فراهم آورده است.
اتصال سرد ، جوش مافوق صورت ، جوش اصطکاکی ، انفجاری و جوش نفوذی از این جمله اند . وجه مشترک تمام این متدها در شکل فیزیکی ، تشکیل نوعی پیوند فلزی سیاه دو سطحی است که بایستی به هم متصل شوند ؛ در نتیجه ی تغییر شکل پلاستیک ، در عین جامد بودن فلز ، اتصال انجام می گیرد .
§ مهمترین خصوصیت این متدهای جوش در مقایسه با جوش ذوبی ، امکان فرآیند اتصال در فلزات غیر همجنس بفرم جامد می باشد که در جوش ذوبی ، کاملاً محال می نماید.
این فرایندها بخصوص در قطعات دقیق با تلرانس خیلی کم ، ارزشمند محسوب شده و همان پرداخت نهائی در حین جوشکاری ، حفظ می شود .
قطعه جوش داده شده در روشهای مذکور ، عاری از هرگونه تنش های داخلی بوده و نیاز به عملیات حرارتی و کار مکانیکی ( پرداخت ، فرم دهی و ... ) نخواهد داشت .
همچنین در شرایطی که استفاده از پلیمرها بجای فلزات ، بسیار مورد توجه است ، می توان بوسیله ی این روشها ( گازهای داغ ، اشعه ماوراء بنفش ، امواج مافوق صوت و ...) پلیمرها را جوش داد.

[javad jan]

§ 1-1 تعریف وطبقه بندی جوشکاری:
جوشکاری فرایندی است که در آن ، اتصالی از نوع دائم ، بواسطه ی پیوندهای پایدار بین اتمی ، میان دو یا چند سطح مختلف انجام می شود و زمینه ی این عمل ، گرم شدن موضعی یا کلی و در نتیجه ی آن تغییر شکل دائم یا جزئی می باشد .
پیوند اتمی میان دو سطح وقتی برقرار می شود که یک انرژی خارجی اتمها را برای غلبه بر اتصال بین اتمی ، تحریک کند . این انرژی پیوندی ((Energy barriet of banding )) می گویند .
با فعال شدن اتمها ، آنها در شبکه ی کریسالی جدید جای می گیرند و در پی این فعل و انفعالات ، یک حالت تعادل بین نیروی جاذبه و دافعه بوجود می آید . میزان انرژی که بایستی اتمها بگیرند تا به مرز فعالیت برسند [ از طریق حرارت یا تغییر شکل دائم] ، انرژی فعالیت ((Activation Energy )) نام دارد . با توجه به نحوه ایجاد انرژی فوق ، عمل جوش به دو گروه عمده ی جوش ذوبـی ( نفـوذی ) یا ((Fusion Welding )) و جــوش فــشاری ((Pressur Welding )) تقسیم می شود.
متد فشاری ، صفحات بوسیله ی تغییر شکل پلاستیک بهم می چسبند . این عمل می تواند بوسیله ی یک فلز میانی یا خود دو فلز انجام شود . تغییر فرم دائم توسط اعمال یک نیروی استاتیکی یا دینامیکی انجام می شود . در این حالت ، به ناحیه ای از فلز جوش که پیوندهای بین اتمی ایجاد شده ، ناحیه ی پیوند (band zone ) می گویند . این ناحیه فقط چند دهم میکرون ضخامت دارد . با این وجود ، نقش بسیار مهمی در نحوه ی اتصال دارد .
در روش فشاری ، تغییر شکل در ناحیه ی جوش ، غیر یکنواخت می باشد و به این علت ، لایه به لایه در ناحیه ی اتصال ، فلزات روی هم می لغزند و جابجا می شوند .
در حالت ایده آل ، ارتباط میان درجه ی حرارت گرمایش [ در جوشکاری ذوبی – فشاری ] و تغییر شکل دائم ، بصورت منحنی هایی در دسترس قرار می گیرد .
گروه جوشــکاری مکــانیکی ، شامل تمام فرآیندهای جوشـکاری شامل فشار ( انرژی مکانیکی ) می شود که عبارتند از : جوشکاری سرد ، جوشکاری اصطکاکی ، جوشکاری مافوق صوت ، جوشکاری انفجاری و جوشکاری تخلیه ی مغناطیسی .
جوشکاری آهنگری – جوشکاری غلطکی ( که با گرم شدن قطعه کار همراه هستند .) ، جوشکاری مقاومتی ، جوشکاری فشاری ، جوشکاری واکنشی ، جوشکاری فشاری – القائی ، جوشکاری فشاری – گازی ، جوشکاری نفوذی ، جوشکاری قوسی – فشاری ( گرما بفرم موضعی اعمال می شود ) نهایتاً در فرآیندهای جوشکاری ترمومکانیکی ، سطوح اتصال هم می توانند ذوب شوند و هم می توانند ذوب نشوند.
بطور کلی می توان جوشکاری را به چهارگروه اصلی شامل جوشکاری ذوبی ، جوشکاری فشاری ، جوشکاری زرد ( برنج ) و لحیم کاری تقسیم نمود . جوشکاری اصولاً یک فرآیند متالوژیکی است و از همین دید نیز مورد بررسی قرار خواهد گرفت . سه قسمت عمده در ایجاد یک پیوند مناسب بین فلزات سهیمند :
1- سازگاری متالوژیکی با فرآیند خاص جوشکاری مورد نظر
2- قابلیت ایجاد قطعه ای که از نظر مکانیکی سالم است .
3- قابلیت سرویس تحت نیاز و شرایط ویژه ( در حین کار )، سازگاری متالوژیکی (http://pnu-club.com/threads/84087-%D8%AC%D9%88%D8%B4%DA%A9%D8%A7%D8%B1%DB%8C?p=25184 7#post251847) بدین معناست که فلز با فلز دیگر پیوند بخورد بدون آنکه سازنده فاز های آلیاژی ناخواسته یا زیان آور بگردد. سلامتی مکانیکی نشان می دهد که پیوند جوشکاری با استانداردهای مهندسی و صنعتی مطابقت دارد یا خیر و اگر قطعه بوسیله ی روشهای تشخیص عیب مانند رادیوگرافی ، اولتراسوند ، یا سایر روشهای بازبینی ظاهر شوند ، عاری از هرگونه ناپیوستگی ، تخلخل گازی ، انقباض ، نفوذ ناقص ، سرباره و تماس باشد . قابلیت سرویس تحت شرایط ویژه نشان می دهد که علاوه بر دارا بودن دو نیاز اول ، ممکن است لازم باشد که جوشکاری تحت شرایطی نظیر ضربه در دماهای پایین یا اعمال نیرو در دمای بالا و محیط های خورنده انجام گیرد . قابلیت جوشکاری فلز با نوع فرآیند جوشکاری تغییر چشمگیری می کند .

[javad jan]

§ 2-1 عوامل مؤثر در قابلیت جوشکاری :
· 1-2-1 تماس فلزات Metal Contact
جوشکاری فشاری بطور کلی یک عمل پیوند زنی متالوژیکی است که در آن ، فلزات جوشکاری تحت فشار زیاد به هم جوش می خورند . در برخی فرآیندهای جوش فشاری مانند جوشکاری مقاومتی فلزاتی را که باید به هم پیوند بخورند ، تا یک درجه حرارت بالا گرم می کنند ، در صورتی که در سایر فرایندها مانند جوشکاری فشاری سرد ، عمل جوشکاری در درجه حرارت اتاق انجام می گیرد . در پروسه های جوشکاری در دمای پایین یا دمای بالا وجود یک اتصال فلزی خوب برای ایجاد جوش سالم ، ضروریست . به همین منظور ، سطح مورد جوش بایستی عاری از هرگونه کثافت ، روغن ، چربی، رنگ، پوشش ها ، و سایر مواد خارجی باشد . این مواد ممکن است شامل گوگرد ، سرب ، فسفر و سایر عناصری که تولید شکنندگی می کنند باشد .
روشهایی که برای تمیزکاری سطح به کار می روند عبارتند از چربی گیری بخاری ، تمیزکاری فراصوت ، چربی گیری در حمام مواد سوز آور و ...

· 2-2-1 تمیزکاری و آماده سازی سطح Surface cleaning & Prepartion
الف- گریس زدایی ( چربی گیری ) : Degreasing : این پروسه معمولاً بوسیله ی سود سوزآور ( گرم یا سرد ) فسفاتها و محلولهای پاک کننده انجام می شود . روغن زدایی می تواند به روش حلالی صورت گیرد که این حلالها می تواند فرئون ، تری کلرورتیلن و هیدروکربنهای مختلف مانند پنتا و کروزن ، باشد .
در سیستمهای جدیدتر فراصوت ، جریان فرکانس بالا باعث انفجار داخلی حبابهای اطراف قطعه می شود . فشردگی حبابهای منفجر شده که به خلأ زائی معروف است فشارهایی تا حدود 20000 پوند بر اینچ مربع ایجاد کرده و لکه ها و ناخالصیهای سطحی را از بین می برد .
§ ب ) پوسته گیری : Descaling:
عبارتست از رفع لایه اکسیدی ضخیم و سایر محصولات خوردگی از سطح فلز توسط سایش مکانیکی یا شیمیایی ( اسید شویی ) . وقتی فلزی را در اسید می گذارند ، برای حذف اثر H آزاد شده ، از Inhibitors یا منع شده ها استفاده می شود و یا آنرا تا F 0 2000 حرارت می دهند تا H نفوذی از فلز آزاد شود ( در صورت امکان ) برای جلوگیری از اکسیداسیون پس از عمل پوسته گیری ، آنرا سریعاً خشک و ضد اکسیداسیون می کنند ( مثلاً فولاد را در محلول رقیق اکسید کرومیک فسفریک (نسبت 4-6 اسیدکرومیک فسفریک در 100 گالن آب ) قرار می دهند .)
روشهای مکانیکی سایش سطح عبارتند از : ساینده یا شن پاشی ، ساچمه زنی ، سنگ کاری، پرداخت کاری ، و تمیزکاری توسط شعله که البته از روش اسید شویی خشن تر است . ساچمه زنی در جوشکاری یک عمل جرم زدای مهم محسوب شده و طی آن لایه های سطحی در معرض تنشهای سطحی با فشار مناسب قرار می گیرند و باعث افزایش مقاومت خستگی شده احتمال شکنندگی براثر تنشهای کششی موجود در سطح را کم می کنند .
به علاوه در حین پروسه ی پوسته گیری ، مساحت سطح قطعه بدلیل اثر متقابل برجستگی ها و فرورفتگیها (Peales x Valleys ) افزایش می یابد و به سطح حقیقی نزدیک می شود . مثلاً سطوح خشن شده توسط دانه های کربورسیلیسم 400 مش تا دانه فولادی 60 مش ، حداقل 20 برابر افزایش سطح دارند و قطعات آلومینیمی نیز به سبب ساختمان متخلخل پوشش آندی ، 20 برابر افزایش سطح دارند .
§ ج) پلیسه گیری : Deburring:
متدیست که برای رفع تبخیرآنی (Flash )، ناصافیها (Burrs ) لبه های تیز و خراشیدگیها روی قطعات فلزی استفاده می شود و شامل پرداختکاری شبکه ای ( Barrel tumbling ) جلاکاری ارتعاشی (Vibratory Finshing ) و پلیسه گیری برقی (Electrodeburring ) است . نهایتاً وجود پوسته ی اسیدی می تواند سدی در برابر جوشکاری ( فشاری یا ذوبی ) باشد . چون نقطه ی ذوب لایه ی اکسیدی عموماً از فلز پایه بیشتر است و لذا حتماً بایستی ابتدا تمیزکاری سطح انجام شود . همچنین می توان علاوه بر روشهای فوق با تراشکاری نیز می توان پوسته ی اکسیدی را زدود .
· 3-2-1 فشار پیوند خوردن : Bonding Pressure:
در جوشکاری فشاری سرد ، بهم پیوستگی فلزات جوشکاری بدون وجود فشار و حرارت خارجی صورت می گیرد . سطوح بایستی قبلاً تمیز شده باشند . پس قطعات را در تماس با هم قرار داده و برای 30 تا 80 % ایجاد سرد کاری ، به اندازه ی کافی فشار اعمال می کنند . این فشار مثلاً برای آلو مینیم 25 تا Psi 35000 می باشد که یا ضربه ایست و یا پیوسته ( یکسان تأثیر دارند . )
فشار بر روی یک نوار با یک فلزی وارد می شود . طوریکه فلز در منطقه ی جوش ، روان شود و لایه های گاز رطوبت و اکسید گسیخته شده و فلزات به اندازه ی کافی به هم نزدیک و جوش بخورند . فلزاتی که به نحو احسن می توانند جوشکاری سرد شوند عبارتند از : مس ، آلومینیوم ، سرب ، نیکل و روی و مونل . استحکام جوش های فشاری سرد در فلزات چکشخوار ، 90 تا 100 % استحکام فلز اصلیست . یکی از مهمترین مزایای جوشکاری سرد ، سادگی ابزار مورد نیاز ، سرعت که می تواند مؤثر باشد ، و عدم ایجاد منطقه ی حرارت دیده ( HAZ ) می باشد .
در فرایندهای جوش فشاری در حرارت زیاد ، بویژه متدهای جوش مقاومتی ماند و اصطکاکی حرارت بوسیله ی مقاومت الکتریکی فلز پایه یا اصطکاک مالشی بدست می آید .
هم جوشی در منطقه ی جوش از طریق حرارت و فشار ایجاد می شود . در اکثر موارد بی آنکه قطعه ذوب شود ، جوش انجام می شود و عمل آهنگری موجب ریزتر شدن ساختمان دانه ای می گردند . فشار لازم برای جوشکاری مقاومتی ( برش الکتریکی ) از Psi 4000 تا psi 8000 می باشد . هرچند ممکن است برای جوش جرقه ای نیروی Psi 25000 لازم باشد . فشارکم بین الکترود و قطعه کار ، مقاومت زیادی ایجاد و موجب سوختگی سطحی و ایجاد حفره در الکترود می کند . از سوی دیگر فشار بیشتر از حد نیز موجب فوران فلز مذاب از سطح کار و یا نفوذ الکترود در قطعه کار می شود . بهترین حالت وقتی است که قبل و در خلال مراحل اولیه ی جوشکاری و به منظور دستیابی به مقاومت مناسب پیوند متوسطی اعمال شود و سپس فشار جوشکاری اضافه شود تا به درجه حرارت مناسب برای جوشکاری دست یابیم . برای جوشکاری یک میله فولاد کربنی به قطر"1 ، فشار محوری Psi 1500 و سرعت rpm 1500 لازم است . در صورتیکه میله ی فولادی ضد زنگ در همان شرایط ، در rpm 3000 به Psi 1200 فشار نیاز دارد .
· 4-2-1 دمای پیوند زنی : Bonding Temperature:
در جوشکاری فشاری ، این درجه حرارت می تواند بیش از حرارت تبلور مجدد ( مثل جوش با مقاومت الکتریکی ) یا برابر یا پائینتر از آن باشد ( مثل جوشکاری شکافی سرد یا جوش لب به لب یا لبه ای ) دماهای عملیات پیوندزنی مانند جوشکاری (http://pnu-club.com/threads/84087-%D8%AC%D9%88%D8%B4%DA%A9%D8%A7%D8%B1%DB%8C?p=25184 8#post251848) اصطکاکی و جوشکاری انفجاری ، معمولاً یک دوم تا دو سوم دمای ذوب فلزات پیوندی هستند . در جوشکاری فراصوتی این دماها ممکن است 35 تا 50 % دمای ذوب باشند . ازدیاد درجه حرارت حرکت نفوذی اتمها را در فصل مشترک پیوند تسریع و با نرم کردن فلز پیوند بهتری می سازند .
· 5-2-1 استحکام پیوند فلزی : Metal Bond Strength:
در جوشکاری فشاری ، هیچ گونه منطقه ی ذوب معمولی جوش ( مانند جوشهای الکترودی و گرمائی ) وجود ندارند . زیرا معمولاً فاز مایعی در آن یافت نمی شود . با این وجود ، ماده در منطقه ی جوش ممکن است تغییراتی داشته باشد . خصوصیات ساختمان میکروسکوپی جوشهای فشاری عبارتند از :
1- اثرات سطح مشترکی ( بین رویه ای ) مانند شکستگی و پراکندگی لایه های سطحی .
2- اثرات حین کارکردن مانند جریان پلاستیکی ، تغییر شکل دانه ها و اکستروژن لبه ای .
3- اثرات لبه ای مانند تبلور مجدد ، رسوب ، نفوذ و دگرگونی فازی .

[javad jan]

فصل دوم
§ 1-2 جوشکاری حالت جامد :
اخیراً ثابت شده است که فلزات در دمای اتاق هم قابل اتصالند . این عمل توسط ایجاد پیوندهای فلزی در دو سطح مورد اتصال ، انجام می گیرد . بطور ایده آل ، تشکیل اتصال فلزی بوسیله ی جوشکاری سرد ، و یا پیوند ( Bonding ) بطریق زیر متصور است :
دو قطعه ی بسیار صیقلی و تمیز در اختیار است . هرکدام از ایندو، مجموعه ای از بارهای (+) و (-) می باشد به گونه ای که هر قطعه بدون عیب و با استحکام کافی دارای پایداری است . اگر دو قطعه کاملاً نزدیک هم قرار گرفته و به هم بچسبند ، الکترونهای فرار از هر قطعه ، بین آندو مشترک می شود و در نتیجه نیروی عکس العمل بین سطوح زیاد می گردد . بنابراین وقتی دو سطح تماس کامل داشته باشند ، نیروهای عکس العملی بین اتمها ، خودبه خود زیاد شده و یک اتصال محکم و قدرتمند بوجود می آید .
ولی در عمل ، یک فلز هرگز صیقل کامل نمی خورد و همواره اعجاج ماکروسکوپی در سطح دارد.
[ ultra Mic or Macroscopic] و همین ناهمواریها ، مساحت واقعی تماس را چند برابر مقدار واقعی می کند .
بدلیل وجود نقاط ناهموار میکروسکوپی ، لایه های سطحی فلز دارای انرژی سطحی قابل ملاحظه ای در اثر پیوندهای فلزی اشباع نشده ، جاهای خالی و نیز نابجائی ها Vacancies & Dislocations می باشد . بنابراین عکس العمل های شدیدی بین انتهای سطح فلز و محیط ایجاد می شوند .
دقیقاٌ بلافاصله پس از سطح فلز ، یک ابر پیوسته از الکترونهای متحرک موجود است که متناوباً از سطح جدا و به آن مجدداً می پیوندند (dipole 7 Double electric ) دانسيته بار این لایه که شامل دو قطب + و – می باشد ، ثابت نمی ماند و به هندسه ی میکروسکوپی و سطح وابسته است . به همین دلیل لایه های سطحی فلز بسیار فعالند . سطح فلز همیشه با اکسیدهای مایع و گاز پوشانیده شده و هرگاه این سطح بطور ایده آل و در فشار کمتر از mmhg 9- 10 کاملاً تمیز شود ، سطح فلز عاری از این اضافات می شود .
این سطح تمیز ، مدت زیادی نمی تواند دوام داشته باشد . تشکیل اتصال قوی مابین فلزات ، در متد پیوند سرد ، با تغییر شکل دو جانبه و طی سه مرحله انجام می پذیرد .
در طی مرحله ی اول؛ سطوح مورد اتصال بایستی بطور کامل به هم نزدیک شوند .
در مرحله ی دوم ؛ metallic contact یا اتصال بین فلزی شکل می گیرد .
در مرحله ی سوم ؛ یک اتصال جوش قوی تولید می گردد . اکنون این مراحل به تفصیل مورد بحث قرار می گیرد :
زمانیکه دو سطح کنار هم قرار داده می شوند ، ناهمواری های میکروسکوپی و نقاط موجی شکل تشکیل می یابند . ابتدا این دو قطعه یکدیگر را در نقاط منفرد بالاتر از سطح ، لمس می کنند . برای تماس بیشتر به مساحت زیادتری نیاز است . این عمل بوسیله ی وارد آوردن نیرو انجام می شود .
به دلیل وجود لایه های سخت و نازک اکسیدی ( Fragile ) میزان نیرو بسیار بالا خواهد بود .
البته اگر نیرو کافی نباشد اتصالی بدست می آید که پلاستیسته ی آن کم و استحکام ضربه ای آن ناکافیست . لایه های نازک روغنی یا ارگانیک آلی ، اثر به مراتب زیان آورتری دارند و اگر مقدارشان زیاد شود بطور کامل از ایجاد پیوند جلوگیری می کند و حتماً بوسیله ی حلال های قوی بایستی آنها را زدود .
مرحله ی دوم هنگامی رخ می دهد که مساحت اتصال فلزی بین دو قطعه زیاد می شود و بلورهای مشترکی بین دو سطح تولید می گردد.
زمانیکه تماس فلزی کاملاً شروع به شکل گیری می کند ، بلورها و شبکه های کریستالی ، توسط لایه های نازک از یک ترکیب پیچیده جدا می شوند .
در حین این تغییر ، سطح فشرده شده در تماس با اتمسفر نیستند و هیچ گونه لایه ی نازک دیگری نمی تواند شکل بگیرد . بنابراین فیلم های شکننده از میان رفته و لایه های مایع و گاز بخشی به بیرون رفته و بخشی جذب فلز شده به آن نفوذ می کنند .
در مرحله ی سوم ، پروسه شامل حرکتهای مختلف ذرات ناشی از نفوذ است و به زمان کافی جهت تکمیل این مرحله ،احتیاج است .
مراحل شکل گیری اتصال جوش که در بالا ذکر شد ، اساساً در فرآیندهای جوشکاری حالت جامد solid state welding استفاده می شود که می تواند به روشهای گوناگون اتصال یا کنار هم قرار دادن ، تشکیل تماس فیزیکی و ساختن اتصال قوی جوش خورده ، تقسیم شود . آشکار است که برای پیوند یا جوش سرد ، از متد جوش نفوذی و اصطکاکی استفاده شود . ( مراحل فوق برای متد انفجاری ، الکترومغناطیس ، مافوق صوت هم صادقند .)
مهمترین وجه تمایز جوشکاری در حالت جامد ، با سایر متدهای جوش ، آن است که عمل ذوب ( اگرهم صورت بپذیرد ) ، نقش اصلی را ایفا نمی کند و جوش در حالت جامد انجام می شود . فرآیند جوشکاری در حالت جامد نیز هر یک به زیر دسته هایی تقسیم می شوند که متداولترین آنها عبارتند از :

- جوشکاری اصطکاکی Friction Welding
- جوشکاری پتکه ای یا آهنگری Forge Welding
-جوشکاری فشاری Pressure Welding
- جوشکاری فراصوت ( با امواج صوتی ) ultrasonic Welding
متدهای دیگری نیز در دسته بندی جزو جوش حالت جامد محسوب می شود که بدلیل آنکه از نظر کاربرد ، وسعت و معروفیت چندانی ندارند ، از ذکر آنها صرف نظر می شود .

[javad jan]

§ جوش اصطکاکی Friction Welding
اساس فرایند جوش فوق بر اصل تبدیل انرژی مکانیکی ( جنبشی ) به انرژی گرمایی استوار می باشد . در این روش ، دو قسمت قطعات مورد اتصال ، به هم نزدیک شده ( با فشاراولیه ) و با ایجاد گرما توسط حرکت دورانی سریع یکی بر دیگری و مالش و اصطکاک دو قطعه ، موجب ایجاد حالت پلاستیسیته ( خمیری ) در لبه های اتصال شده و با فشار اعمال شده ی نهائی دو قطعه به هم فرو رفته و عمل اتصال انجام می گیرد .
اصلی ترین متدها ، در این روش ( با کمی تفاوت در فرآیند ) عبارتند از :
1-2-2 جوشکاری اصطکاکی مداوم continuous-drive friction
2-2-2 جوشکاری اصطکاکی لحظه ای Inertia - Friction
در روش مداوم ، یک قسمت از قطعه کار ، در مقابل جز، ثابت قطعه حرکت گردشی ( با فشار کافی) داشته ، موجب ایجاد حرارت در سطح مالش می شود .
وقتی حرارت کافی ، ایجاد گردید ، حرکت دورانی با ترمز ، متوقف می شود (بطور آنی )و احیاناً نیروی فشاری نهائی اعمال می شود .
قرار گرفتن کامل دو میله یا دو لوله در محور یک دیگر ویا میله به صفحه ( در یک نقطه ی تعیین شده) سرعت گردشی دوران ، فشار اولیه برای ایجاد اصطکاک ( حرارت مورد نیاز ) ، زمان و بالاخره فشار نهائی برای فروبردن لبه های داغ شده درهم ، بطور دستی یا خودکار بایستی کنترل شوند .
از نظر اقتصادی ، فرآیند بایستی به گونه ای باشد که ماشین پس از انجام جوش سریعاً متوقف شود . چون ادامه گردش ، از نظر مصرف انرژی مقرون به صرفه نیست .
چرا که یا باعث نیروی پیچشی در جوش و احتمالاً شکست آن می شود و یا دستگاه را مستهلک می کند . لحظه ی توقف از طریق زمان سنج ها و یا میزان کاهش طول و یا فروبردن upset دو قطعه درهم ، سنجیده می شود .
در متد دوم ، انرژی دورانی برای انجام جوش ، در یک فلایویل یا چرخ آزاد ، ذخیره شده که قسمتی از آن به کمک سه نظام یا چهار نظام (گره) قطعه کار را دربر می گیرد .
برای انجام اتصال ، کافیست که قسمتی که در حال گردش است ، در مقابل قسمت ثابت قرار گرفته و چرخ در حال گردش از منبع قدرت آزاد شود . در این صورت اصطکاکی بوجود آمده و سبب بوجود آمده نیروی ترمز می گرددکه خود باعث تبدیل انرژی جنبشی به حرارت می گردد.
وزن چرخ و سرعت دورانی آن در لحظه ی جدا شدن فاکتورهای مهم در میزان حرارت ایجاد شده در سطح مالش هستند .( شکل زیر دورانی را شماتیک نمایش داده )
بطور کلی اساس کار در هر دو روش ، تبدیل انرژی جنبشی دورانی به انرژی حرارتی می باشد معمولاً اینگونه ماشینها علاوه بر موتور برای تولید انرژی جنبشی دارای سیستمهای پنوماتیک یا هیدرولیک جهت اعمال فشار و ترمز نیز می باشند .
اکنون به طور اجمالی در مورد ماهیت فرآیند جوش اصطکاکی ( مولکولی ) توضیح می دهیم .
تمام سطوح به ظاهر صاف ، در مقایسه با سطح کاملاً صیقلی ، خشن بوده و برآمده و فرورفته است. علاوه بر آن ، لایه ی نازکی از اکسید و سایر ناخالصیها نیز بر روی سطح پوشیده شده است .
هرگاه این سطوح به قدرکافی در کنار هم قرار نگیرند ، یکنوع نیروی چسبندگی بین مولکولی Force of inter molecular cohesive میان آنها شکل نمی گیرد و اتصال انجام نمی شود . بنابراین هدف اصلی در جوشکاری اصطکاکی ، بر طرف ساختن این ناهمواریها و ناخالصیها و وارد ساختن فشار کافی جهت اتصال دو سطح است .
وقتی دو سطح بر روی هم تحت فشار معین مالیده می شوند ، نقاط بلند به یکدیگر تصادم کرده و از بین می روند و همزمان ، سطح اکسیدی برداشته شده و دو سطح کار ، در تماس کامل با یکدیگر قرار می گیرند .
یک باند یا چسبندگی موقت seizures در این نقطه بوجود می آید . در ادامه ی حرکت این چسبندگی بریده شده و یک باند تازه تر ساخته می شود . به این ترتیب انرژی مکانیکی به انرژی حرارتی تبدیل و درجه حرارت سطح را افزایش می دهد . همزمان با افزایش درجه حرارت ، استحکام در برابر فشار کم شده و فرم پذیری بیشتر می گردد . نقاط بلند یا برآمدگیها ، به سرعت محو می شوند و سطوح در حالت چسبندگی کامل قرار می گیرند . اگر نرخ حرارت ورودی بیشتر از حرارت هدایت شده به خارج سطح تماس ( حرارت فروکشی ) باشد ، درجه حرارت بالاتر رفته و حالت پلاستیکی نیز بیشتر می گردد ، تا آنجا که استحکام قشاوی ، قادر به تحمل فشار وارده نبوده و سطح زیر فشار وسیع تر شده و لبه ها درهم فرو می روند و حتی کمی به بیرون بر می گردند . حرکت لایه ی سطحی از فلز اگر به اندازه ی کافی بالا باشد ، می تواند بی اکسیدها و ناخالصی ها چیره شده و آنها را به اطراف منتقل کند .
این فرآیند از نظر درجه حرارت (( حوزه تنظیم )) بوده و معمولاً درجه حرارت زیر نقطه ی ذوب است . بدین معنی که اگر فاز مایع در انتهای تناوب زمانی بوجود آید ، در سطح مشترک پخش شده و نقش سیال روغنکاری را ایفا می کند و سبب کاهش ضریب اصطکاک و حرارت ایجاد شده گردیده و در نتیجه لایه ی فاز مایع ، به جامد تبدیل میشود .
در این فرآیند ، فاکتورهای قابل کنترل عبارتند از :
- نیرو یا فشاراصطکاکی - سرعت حرکت دورانی
- زمان اصطکاک - فشار نهایی یا اکسترود
هر یک از این فاکتورها ، برحسب مساحت سطح تماس ، نقطه ی ذوب و ضریب انتقال حرارت هدایت (K ) در قطعه کار و تغییرات متالوژیکی که در دامنه ی حرارت دهی به قطعه بوجود آمده است ، تنظیم می گردند . فشار اصطکاکی ، مستقیماً میزان گشتاور مورد نیاز برای جوش را تغییر می دهد . یعنی معادله ی تغییرات گشتاور با فشار ، خطی است .
وقتی فشار و ضریب (( مؤثر اصطکاک )) Effecfive coefficient of friction کم باشند ، و در شروع کار که ناهمواریهای بزرگتر بر روی سطوح تماس قرار دارند ، به محض حذف آنها ، ضریب مؤثر اصطکاک پایین آمده و در ادامه ی تشکیل و بریدن سطوح چسبندگی مقدارش افزایش و به حد Max خود می رسد .
اگر نرخ حرارت ایجاد شده برای حالت پلاستیکی کافی نباشد ، سطوح خشن تر شده و به افزایش گشتاور نیاز است . نیروی اصطکاک کم ، باعث می شود تا مقدار بیشتری از حرارت در بدنه ی اصلی فلز جذب شود که در برخی موارد مفید نیست و فرورفتن بیشتری لازم است تا اتصال بطور کامل انجام شود .
افزایش نیروی اصطکاک ، موجب کاهش ضریب اصطکاک مؤثر و نیروی گشتاور می شود .
خشنی سطح اولیه سریعتر کاهش یافته و در نتیجه جوش سریعتر و با منطقه ی متأثر از حرارت جوش (HAZ ) باریکتری تشکیل می شود . کار با اصطکاک بالا مشکل است چون ترمز کردن آن مشکل می شود و در فلزات نرم سبب خم شدن قطعه کار می گردد . معمولاً برای فلزاتی چون مس و Al از نیروی کم و برای فولادهای سخت از نیروی اصطکاک بالا حتی بیشتر از حد فشار نهایی استفاده می شود. برای فولادهای متداول معمولی Mild Steel فشار اصطکاکی حدود N/M2 75-15 می باشد .
سرعت حرکت دورانی یا گردشی ، فاکتور دیگریست که نقش مهمی دارد و با ضریب مؤثر اصطکاک ، نسبت معکوس دارد . برای فلزات با K زیاد و لایه ی اکسید سنگین ، معمولاً سرعت دورانی بالاتر انتخاب می شود . در بخش محیطی مقطع جوش ، درجه ی حرارت ماکزیمم و در مرکز قطعه کار ، دما صفردرجه است . زیرا حرکت نسبی در مرکز صفر است و هدایت ، سبب یکنواخت شدن درجه حرارت در تمام سطح مقطع می شود . اگر سرعت عملیات جوشکاری خیلی زیاد باشد ، عمل هدایت حرارتی کامل انجام نشده و ضخامت قشر پلاستیکی ، به طرف مرکز ، کم می گردد. ضمن آنکه افزایش گشتاور در هنگام توقف ، سبب آزاد شدن لحظه ای انرزی حرارتی شده و منجر به وسیع شدن منطقه ی پلاستیکی و افزایش درجه حرارت می شود . در جریان این مرحله ، نرخ فرو بردن افزایش داده می شود . لذا مرحله ی توقف باید دقیقاً کنترل شود ( مخصوصاً وقتی تلرانس خیلی دقیق باشد ) نسبت UPSET یا نرخ فروکشی با فشار خطی است و شیب خط تابع سرعت نیست . در فشار کم و سرعت بالا ،UPSET بایستی کم باشد و بالعکس . وقتی که میزان Upset کم باشد ، پهنای منطقه ی متأثر از جوش (HAZ ) زیاد می شود . هرچند برای فولاد کم آلیاژ (معمولی ) سرعت گردشی ، اثر کمی بر روی کیفیت جوش دارد ، ولی برای فولادهای آلیاژی سرعت بالا ، منجر به تولید جوشی با خواص ضربه ای بهترمیشود . لازم به ذکر است که سرعت گردشی ، اثر مهمی بر روی شکل و فرم طوقه ی اکسترود یا حلقه ی برگشته دارد . سرعت محیطی بالای m/s 5 ، حلقه ی یکنواخت و همگنی را بوجود می آورد ولی سبب ایجاد مشکل به هنگام مشکل های آنی می شود . ضمن آنکه زمان اصطکاک ، فاکتوریست که تابع سرعت و فشار اصطکاکی است .

[javad jan]

فرآیند جوش اصطکاکی نیز دارای یکسری معایب و مزایاست ، مزایای آن :
o مزایای جوش اصطکاکی :
- عدم نیاز به فلاکس یا روانکار – عدم نیاز به مفتول پرکننده و گاز محافظ
- نیاز به انرژی ( الکتریکی ) کمتری از سایر روشها دارد . عملیات جوشکاری بدون ایجاد قوس الکتریکی ، دود و گاز بوده و فقط کمی جرقه تولید می شود .
HAZ در این جوش خیلی باریک بوده و حتی منطقه ی جوش دارای دانه های ریزتری از فلز اصلی است .

o محدودیتهای جوشکاری اصطکاکی :
- حتماً بایستی یکی از دو قطعه ی کار ، گرد باشد ( یا شش گوش ) ضمن آنکه حتماً به فرم و طراحی باشد که قابل بسته شدن به گیره بوده و بتوان آنرا به گردش درآورد .
- حتماً قطعه بایستی از جنسی باشد که در برابر فشار و گشتاور مقاومت داشته باشد .
- این فرآیند محدود به جوش کاری در سطح صاف و زاویه ی عمود یا امتداد مستقیم می باشد . در نهایت یادآور می شود که این فرآیند برای بیشتر فلزات و آلیاژها و حتی قطعات غیر همجنس نیز مناسب است .
میله های فولادی mm 10-6 و لوله های cm 75 با ضخامت mm 5 دیواره ، به هم یا به صفحه توسط ماشین های قوی و با متد فوق قابل اتصالند .

o 3-2 جوشکاری فراصوت :
بطور کلی مبحث مافوق صوت در علوم – بطور گسترده ای در تحقیقات فرآیندهای فیزیکی و خواص مواد بکار می رود .
در مهندسی ، امواج مافوق صوت برای کار روی فلز و یافتن عیوبی در ریز دانه و مرز دانه و خواص میک یا ماکروسکوپی فلزات ، مورد استفاده قرار می گیرد .
امواج مافوق صوت ، به چند دلیل در جوشکاری به کار گرفته می شوند . به عنوان مثال ، بوسیله ی گذاشتن تأثیر بر حوضچه ی مذاب در زمان انجماد ، خواص مکانیکی اتصال جوشکاری شده ، به مراتب بهتر می شود . این عمل از طریق پالایش ساختار بلورین در فلز جوش و به ترتیب بیرون راندن گازهای محلول در محل اتصال انجام می پذیرد .
مافوق صوت ، به عنوان منبع انرژی در جوش نقطه ای و درز جوش می تواند بکار رود . مافوق صوت به طور مؤثری در حذف لایه های اکسایش از روی فلزات بکار می رود . زیرا هر پوشش مصنوعی و طبیعی را می تواند بشکند و فلز را کاملاً صیقلی کند و به این ترتیب امکان فرآیند موفقیت آمیز جوش را فراهم می نماید .
همچنین ترکیب ساختار فلز جوش بوسیله ی نیروی مافوق صوت پایدار می شود . این پدیده از روش احتمال تغییر شکل همزمان در جوش انجام می پذیرد .
استفاده از امواج مافوق صوت ، بعنوان منبع انرژی جوشکاری بطور چشمگیری محدود است . اگرچه جوش کاری با امواج مافوق صوت ، به جوش حالت جامد و مقاومتی یا الکتریکی دارای مزایای است
در جوشکاری مافوق صوت ، اتصال پایدار ، از ترکیب دو عمل زیر انجام می پذیرد : ارتعاش مکانیکی با فرکانس بالا و نیروی فشاری نسبتاً کوچک .
از نظر اصول ، این فرآیند با جوشکاری سرد توأم با جابجایی شباهت فراوانی دارد .
ارتعاشات مکانیکی ، معمولاً بوسیله ی اثر مغناطیسی Magneto strictive بوجود می آید . این اثر ، زمانی تولید می شود که بعضی از فلزات منبسط شده و یک نوع انحنا یا Shrinkage پیدا می کنند و در یک میدان مغناطیسی متناوب قرار گرفته اند .
ترانس دیوسی های مافوق صوت ، شبیه این دستگاهها هستند و معمولاً هسته ی آنها از آلیاژ آهن ، کبالت و یا نیکل خالص ساخته میشود . مواد Magneto Strictive در فاصله چنددقیقه منبسط می شوند و انحناء می یابند .
برای نیکل ، انبساط Magneto Strictive ، 40 قسمت در یک میلیون است . این یک دلیل است که چرا بعضی دستگاهها ، معمولاً برای تقویت دامنه و تمرکز انرژی امواج مافوق صوتی و انتقال ارتعاش مکانیکی به اتصال ، بکار برده شده اند .
این تجهیزات Sonotrods یا Concentrators ( تمرکز دهنده ها ) نام گرفته اند و اغلب مخروطی شکل و دارای اندازه های متنوع می باشند .

[javad jan]

آزمایشات نشان داده اند که تمرکز دهنده های انرژی در جوشکاری فلزات ، غالباً دارای gain حدود 5 و دامنه ی ارتعاش در نوک تمرکز دهنده ، در شرایط بی باری ( 20 تا 30) حدود6-10 متر می باشد . یک ترانس دیوسر Magneto Strictive و تمرکز دهنده ی همراه آن برای تولیدامواج مافوق صوت با یک فرکانس مشخص معمولاً ساخته می شوند . عنصر اصلی دستگاه جوش نقطه ای با امواج مافوق صوت ، معمولاً یک ترانس دیوسر از نوع Magneto Strictive است . انرژی از مولد امواج فراصوت و توسط یک جریان یکسو شده به سیم پیچ آن می رسد . نقش این ترانس دیوسر M.S که با آب خنک می شود ، آنست که این جریان یکسو شده را به امواج مافوق صوت عبور کننده از یک متمرکز ساز ، تبدیل کند . (6) ، متمرکز کننده دارای نوک (4) می باشد . در جوشکاری ، قطعه کار ، مابین نوک ، وگیره (3) درگیر می شود . آنگاه نیروی لازم جهت انجام جوش اعمال می گردد . وقتی ترانس دیوسر دارای انرژی می شود ، عمل جوشکاری انجام می گیرد . امواج الاستیک مافوق صوت ، توسط متمرکز دهنده به نوک (4) منتقل می شود . ( شبیه ارتعاش افقی با فکانس زیاد ) زمان لازم برای عمل جوشکاری به ضخامت و نوع فلز پایه ی جوش بستگی دارد .
1- ترانس دیوسرM.S 2-دیافراگم 3- مکانیزم اعمال فشار
4- نوک تمرکز دهنده 5- تکیه گاه آونگ 6- تمرکز دهنده
7- محفظه ی آب Water – jacket 8- قطعه کار
برای اندازه های کوچک فلز پایه ، زمان پروسه ی جوشکاری ، کسری از ثانیه است .
یک دستگاه درز جوشکاری فراصوت ، اساساً از یک ترانس دیوسر Magneto Strictive چرخنده و یک تمرکز دهنده (2) تشکیل شده است . انتهای تمرکز دهنده یا Sonotrods به شکل غلط (3) مطابق شکل صفحه ی بعد می باشد .
قطعه ی کار ، مابین تمرکز دهنده و صفحه ی چرخان (4) نگاه داشته می شود . تمرکز دهنده ، ارتعاشات کم دامنه و با فرکانس زیاد را از ترانس دیوسر به غلطک می رساند .
این غلطک همراه با تمرکز دهنده می چرخد . پروسه ی جوشکاری استاتیکی مافوق صوت ، نخستین بار در مدرسه ی فنی BAUMANN و دانشکده ی قدرت مسکو ارائه شد. این متد قابلیت تولید جوشهای محکم برای هر فرم هندسی قطعه کار را داراست .
ساده ترین فرم ، جوش حلقوی می باشد ( یا محیطی ) در این حالت ، ابزار جوش دارای یک سوزن مخروطی شکل ( به جای تمرکز دهنده ) به شکل اولیه می باشد . ( شکل زیر )
وقتی که قطعه کار ، روی سوزن مخروطی شکل قرار می گیرد ، دور قطعه را درز محکمی فرا می گیرد . شماتیک پروسه و تجهیزات جوشکاری استاتیکی در شکل پایین صفحه آمده است .
1- ترانس دیوسرM.S 2 – تمرکز دهنده 3- غلطک
4- سوزن چرخان 5- قطعه کار 6- پوسته ی ترانس دیوسر
7- جیهان نوسان ساز مافوق صوت 8- آب ورودی خنک ساز

جوشکاری استاتیکی به روش مافوق صوت :
1- تمرکز دهنده 2- نوک توخالی قابل تعویض
3- پین فشاری قابل تعویض 4- بازوی اعمال فشار 5- قطعه کار
پروسه ی جوش مافوق صوت تحت اثر ارتعاشات برشی فرکانس بالا انجام می شود که سبب تولید و اعمال فشار تحت زاویه ی قائمه به صفحه می گردد و به دنبال آن حرارت ایجاد می شود .
در نتیجه ، مقدار کمی تغییر شکل پلاستیک در محدوده ی اطراف نقطه ی جوش ایجاد می گردد . اندازه گیری سختی Micro Hardness بر روی سطح صیقلی (Galled ) و فلز مبنای دور آن ، نشان داده است که سطوح ساینده و صیقلی شده دارای سختی بیشتری است . سطوح ساینده شده توسط اصطکاک ایجاد می شود . زیرا تماس بین دو سطح ، سبب سایش دو لبه روی هم می گردد که تحت تأثیر ارتعاشات فرکانس بالا مستقیماً در زیر نوک ابزار جوش بوجود آمده است .
بنابراین ، مکانیزه جوشکاری بر روی فلز به روش امواج فراصوتی ، بی اساس اصطکاک ناشی از حرکت نوسانی دو قطعه بر روی یکدیگر پایه ریزی شده است . در ابتدا حرکات نسبی حاصل از ارتعاشات فراصوتی ، در محل تماس اکسید (http://pnu-club.com/threads/84087-%D8%AC%D9%88%D8%B4%DA%A9%D8%A7%D8%B1%DB%8C?p=25185 2&posted=1#post251852)های سطحی و لایه ی نازکی از گازهای جذب شده و مایع را ( با استفاده از اصطکاک خشک ) از میان می برد .

[javad jan]

وقتی سطوح کاملاً صیقلی و براق شدند ، اصطکاک به اصطکاک خالص تبدیل می شود و نقاط بر آمده و برجسته ، از میان می روند . زیرا حرکت ارتعاشی قطعه دارای دامنه ی کوچک ولی سریع ( حرکت رفت و برگشتی با فرکانس بالا) می باشد .
مطالعات متالوژیکی نشان داده اند که در قدرت و فشار بالای جوشکاری ، با صرف زمان هیچ گونه خصوصیتی ( مانند اثرات دمایی روی فلز یا ریختگی ) در فلز منطقه ی جوش ، عوض نمی شود . جوشکاری مافوق صوت ، توأم با ایجاد ( و آزادسازی ) حرارت در منطقه ی جوش می باشد . واضح است که این حرارت نیز به دلیل اصطکاک ایجاد شده بین قطعات و تغییرات دائمی فلز پایه تولید می گردد . افزایش یا کاهش دما در منطقه ی جوش ، بستگي مستقیم به خواص مکانیکی فلز پایه
( به ویژه سختی ، ضریب حرارت انتقالی kc ، ظرفیت حرارتی C ) و شرایط جوشکاری دارد .حداکثر دما ، در فشار معین و مطلوبی حاصل می شود . و هرگونه افزایش فشار ، فقط سبب افزایش نرخ تغییر دما در آغاز پروسه جوشکاری شده و دمای Max را کاهش می دهد .
دلیل اصلی این پدیده آنست که قدرت انتقال یافته به منطقه ی جوش ، با عبور دستگاه نوسان ساز از تشدید ، کاهش می یابد . همینطور سطح تماس در منطقه ی جوش زیاد می شود .
افزایش دما ، عامل مؤثری محسوب نمی شود ، چرا که حداکثر استحکام در اتصال ، وقتی ایجاد می شود که هنوز دما به دمای Max نرسیده است .
پیش گرم کردن قطعه کار ، زمان ارتعاش را کاهش می دهد و استحکام اتصال زیاد می شود . در فشارهای پایین استحکام جوش به زمان اعمال نمودن ارتعاشات فراصوتی برروی قطعه وابستگی دارد . وقتی فشار را زیاد می کنـیم ، جوش مستحکم در زمان کمتری تولید می گردد . عمده ترین استفاده های این متد ، برای بیشتر فلزات علی الخصوص AL ، NI و CU ( فلزات مهم صنعتی ) بوده و جوشهای بسیار خوبی ایجاد می کند .
این روش همینطور برای فولادهای سخت و نیز فولادهای آلیاژی نیز ، روش مناسبی محسوب می شود.
جوش نقطه ای با روش مافوق صوت Ultrasonic.w علاوه بر آنکه به اندازه ی کافی ( حتی بیش از متدهای قوس الکتریکی و اصطکاکی ) مستحکم است ، از کارآئی خوبی برای جوشکاری روی فلزات دیرگداز مانند تنگستن ، تانتالیم و مولیبدن بر خوردار می باشد .
ولی متأسفانه جوشهای تولید شده روی تنگستن و مولیبدن ، فوق العاده شکننده می باشند و علاوه بر آن در این روش ، جوش نقطه معمولاً با سایش محیط پیرامون نقطه ی جوش ، از میان می رود ، که این عوامل جزو محدودیت های این متد محسوب می شوند .
o 4-2 جوشکاری نفوذی روی فلزات و سرامیک ها :
جوشکاری نفوذی (DFW ) یکی ازقدیمی ترین و در عین حال یکی از پیشرفته ترین روشهای جوشکاری است که تغییر شکل در قطعات جوش شونده تنها در مقیاس کوچکی رخ داده و فاکتور اصلی همان نفوذ است و از طریق نفوذ حجمی ، سطحی و یا بین دانه ای انجام می گیرد . نحوه ی جایگیری اتم در محل مناسب به کمک مکانیزم بین نشینی یا جای خالی عملی می شود . محدوده وسیعی ازمواد با روش DFW به یکدیگر قابل جوشکاری بوده و عملاً در زمینه هوا و فضا ، صنایع هسته ای ، صنایع نظامی و مهندسی کاربرد زیادی دارد . و اخیراً بیشتر در جهت پوشش دادن مواد توسعه پیدا کرده است . قابل ذکر است که در کشورهای پیشرفته ، جوشکاری نفوذی جزو برنامه های دولتی بوده و برای پیشرفت و تحقیقات در این زمینه ، هزینه های زیادی صرف می شود .

[javad jan]

جوشکاری سرد فلزات با استفاده از اعمال فشار روی سطوح آماده سازی شده فلزات در محدوده دمای زیر درجه حرارت تبلور مجدد و حتی در دمای اتاق و وادار نمودن به تغییر شکل پلاستیکی آنها جهت ایجاد اتصال از روشهای جوشکاری دقیق می باشد . جوشکاری نفوذی که یکی از انواع جوشکاری حالت جامد می باشد قابلیت جوشکاری انواع فلزات همجنس و غیر همجنس ، کامپزیتها ، گرافیت و سرامیکها و ... را دارا می باشد . جوشکاری و بطور کلی فرایند نفوذی کاربردهای فراوانی دارد و سازه های تولید شده با این روش از وزن کمتری برخوردارند . در جوشکاری نفوذی هیچگونه ذوبی نداریم و تنها تغــییر شکل از ماکروسکوپی محــدود رخ می دهد . یک فلــز پر کننـده جامد ( کمک دیفوزیون ) نیز ممکن است مابین سطوح آماده سازی شده بکار رود . بطور کلی دلیل اینکه جوشکاری نفوذی به جوشکاری ذوبی ترجیح داده می شود عبارتست از :
1- برخی مواد موقعی که با روشهای معمولی و در اتمسفر عادی جوشکاری می شود حالت ترد و شکننده پیدا می کند .
2- پدیده تبلور یا بعبارتی رشد دانه ها به خواص مکانیکی در جوشکاری ذوبی آسیب می رساند .
برای اینکه مراحل انجام شده جوش نفوذی به شکل مناسبی مورد مطالعه قرار گیرد بایستی آنرا به سه مرحله تقسیم بندی کرد [1] ، که عبارتند از :
1- شامل تماس سطوح مشترک با یکدیگر بوده که باعث تغییر شکل در صافی سطح شده و نیاز است که لایه های سطحی بتوانند به درجه معینی از تماس مکانیکی اولیه دست پیدا کنند .
2- در این مرحله تغییر شکل وابسته به زمان وجود دارد ، بطوریکه در چنین شرایطی ، سطح مشترک تغییر فرم بیشتری داده و این خبر از ایجاد تماس میان لایه ای می دهد .
3- مرحله ای است که در آن نفوذ کنترل شده ای صورت می گیرد که در نتیجه ی آن سطوح اولیه حذف شده و در این مرحله امکان دارد که در نتیجه رشد دانه ای درمحل تداخل ، حل شدن یا پراکنده شدن نفوذ ساده اتمها در طول و یا از میان سطوح اصلی در تماس باهم انجام پذیرد .
1-4-2 متغیرهای کلیدی فرایند dfw
1- درجه حرارت : محدوده دما در این روش می تواند از 260 درجه سانتیگراد برای اتصال برخی از آلیاژهای آلومینیم نقره تا 1800 درجه سانتیگراد برای اتصال سرامیکها تغییر کند . بطور عمومی درجه حرارتی که در آن فرایند dfw اتفاق می افتد از نصف دمای ذوب مواد پایه بیشتر می باشد . دما بعنوان یکی از متغیرهای dfw به دلایل زیر بیشتر از سایر متغیرها مورد توجه قرار می گیرد .
الف : در هر فرایند فعال از نظر گرمایی دمــا نسبــت به سایر متغیرها بیشترین تغییرات را سبب می شود .
ب: دما متغیری است که براحتی کنترل شده و قابل اندازه گیری است .
ج: تمامی مکانیزمهای موجود در dfw نسبت به درجه حرارت حساس هستند .
2- زمان : متغیر زمان نیز به همراه دما مؤثر است بطوریکه بسیاری از واکنشهای نفوذی در طول زمان تغییر می کنند . طبق نظریه کازاکو افزایش در زمان با دما و فشار ثابت و مشخص ، استحکام اتصال را تا یک نقطه بالا می برد بعبارتی زمان یک مقدار بهینه دارد که بایستی معین شده و اعمال گردد.
3- فشار : فشار از چندین جهت روی dfw تأثیر دارد ، پیوندهای بین اتمی ، بوسیله میزان تغییر شکل القایی توسط فشار اعمالی شروع می شوند . افزایش پیوسته فشار با دما و زمان ثابت باعث ایجاد اتصال بهتر می گردد. در عمل جوشکاری dfw فشار می تواند از 4 تا 276 مگا پاسکال تغییر یابد . محدودیتهای عملی ، علاوه بر ملاحظات متالوژیکی ، وسایلی هستند که باعث اعمال فشار و تعیین شکل هندسی اتصال می گردند .
4- آماده سازی سطوح : بدیهی است که سطح قطعه باید قبل از اعمال فشار و دما به دقت آماده گردد . آماده سازی سطوح از نظر صافی سطح و تخت بودن و نیز از نظر تمیزی مد نظر می باشد که صافی سطح لازم از طریق ماشینکاری و سنگ زنی و نهایتاً به کمک پولیش بدست می آید و تمیزی سطح از طریق شستشوی قطعه به کمک مواد شیمیایی و یا پختن در خلاء حاصل می شود .
5- ملاحظات متالورژیکی : زمانیکه یک سیستم از لحاظ نفوذی توسط عناصری فعال می شود باید در طول فرایند جوشکاری یا بعد از آن به حد کافی تحت عملیات قرار گیرد تا بتوانیم عناصری که نفوذ بالایی دارند از فصل مشترک بزدائیم . اگر این کار انجام نگیرد وجود نواحی با نقطه ذوب پایین ممکن است سبب به وجود آمدن ریز ساختار ناپایدار از لحاظ متالوزیکی گردد . این مسئله به خصوص برای اتصالاتی که در دمای بالا بکار برده می شود مهم است .

[javad jan]

دو پارامتر که اهمیت به خصوصی روی جوش نفوذی فلزات مشابه دارد عبارتست از :
الف : تغییر فرم آلوتروپیکی و ریز ساختار ماده : این عامل منجر به تغییر در آهنگ نفوذ می شود و این مهم بخصوص در فلزات و آلیاژهایی که قابلیت انجام عملیات حرارتی دارند رخ می دهد .
ب: عوامل تغییر دهنده نرخ نفوذ : آلیاژ سازی یا وارد کردن عناصری با قابلیت نفوذ را تغییر می دهد . در این مرحله باید با کاهش در درجه حرارت ذوب عمل آلیاژ سازی کنترل شود چون امکان بوجود آمدن فاز مایع در فصل مشترک وجود دارد .
6-مواد واسطه : هدف از بکار بردن مواد واسطه اینست که بتوانیم اختلاف قابل توجهی در میزان سختی بین فلز پایه و لایه واسطه در فصل مشترک بوجود آوریم . مزایای استفاده از مواد واسطه بطور خلاصه عبارتست از :
الف : کاهش درجه حرارت لازم برای dfw
ب: کاهش فشار لازم برای dfw
ج: کاهش زمان مرده
د: افزایش قابلیت نفوذ
و: زدودن عناصر ناخواسته
7- ابزار لازم برای مهار قطعه : انتخاب نوع مواد جهت مهار قطعه کار موقعی که درجه حرارت dfw از 1371 درجه سانتیگراد فراتر می رود با محدودیت مواجه می شود . در شرایط دمایی بالا فلزات دیرگداز و برخی غیر فلزات مقاومت کافی در برابر خزش دارند و سرامیکها جهت استفاده در ساختمان فیکسچر در شرایط دمای بالا مؤثر است بشرطی که، کاملاً گاز زدایی شود . انبساط حرارتی فیکسچر باید بتواند اختلاف در انبساط حرارتی مابین قطعات ( غیر همجنس ) را مرتفع نماید .
8- طراحی اتصال : برای پروسه های مختلف dfw برآورد خواص مکانیکی و طراحی اتصال ( بعنوان مثال تعیین استحکام اتصال بطریق تجربی در ورقهای روکش دار با توجه به نوع پیکربندی فصل مشترک) جوش مشکل است . برای انجام این کار اتصالات را تحت روشهای کیفی مانند خمش ، پیچش و یا کشیدن ورقهای روکش دار تحت بار تا حدی که جوش گسیخته شود قرار می دهند . نوع پیکر بندی اتصالی که برای dfw در نظر گرفته می شود شبیه به اتصال نوع لب به لب است که در بریزینگ استفاده می شود . و طوری طراحی می شود که به اندازه تقریبی 4/25 میلی متر تداخل داشته باشد . این نوع اتصال از تله افتادن محلولهای پاک کننده که خورنده هم هستند و نیز ذرات خارجی در فصل مشترک جلوگیری می کند در شکل(1) بعضی از طراحیها را می بینیم .

[javad jan]

2-4-2 روشهای جوشکاری که از فرایند نفوذ استفاده می کنند
در dfw تغییر شکل نامطلوب تنها در مقیاس کوچکی رخ داده و فاکتور اصلی همان نفوذ است . در برخی از روشهای جوشکاری که از فرایند نفوذ استفاده می کنند پدیده نفوذ بصورت جامد یا مایع است ، بطوریکه در نفوذ جامد ، واکنش در حالت جامد ، انجام می گیرد و در نوع دوم عمل نفوذ متقابل مابین قطعه فلزی غیر مشابه انجام می گیرد که در آنها ترکیب شیمیایی در سطح مشترک به سبب تشکیل فاز مایع تحت استحاله قرار می گیرد . زمانیکه فاز مایعی شکل می گیرد ، فرایند فاز مایع با فاز جامد یکسان عمل می کند ، منتها زمانیکه فاز مایعی در یک لحظه شکل می گیرد فرایند خیلی شبیه به لحیم کاری سخت می باشد . بعضی روشهای اتصال که از طریق نفوذ عمل می کنند عبارتند از :
1- جوشکاری اصطکاکی
2- جوشکاری انفجاری
3- جوشکاری نوردی با فشار بال
4- جوشکاری فرجی یا آهنگری
5- جوشکاری فشاری – گازی یا جوشکاری فشاری ایزواستاتیک (hip )
6- جوشکاری نفوذی خلا
7- جوشکاری خلا گرمایشی
8- جوشکاری پرسی
9- ذوب یوتکتیکی
10 اتصال نفوذی درزی پیوسته
11- اتصال نفوذی فعال یا واکنشی
حال نحوه تولید دو نوع قطعه را طبق شکل (2) و (3) بترتیب از طریق روش جوشکاری خلا گرمایشی و جوشکاری فشاری ایزواستاتیک (hip ) می بینیم .
هردو فرایند نیاز به یک اتوکلاو دارد و فشار از طریق محفظه گازی تحت فشار تامین می شود و به داخل محفظه ای که در آن فصل مشترک جوشکاری توسط یک قوطی فلزی جداسازی شده وصل می گردد . فرق اساسی دو روش ، ابزار نگهدارنده می باشد ، بطوریکه در خلا گرمایشی این ابزار نگهدارنده وجود ندارد ولی در hip وجود دارد ، در نتیجه تنشهای وارده روی سازه در hip بهینه و متعادل است.

3-4-2 موادی که با روش نفوذی قابل جوشکاری هستند
محدوده وسیعی از مواد توسط dfw به یکدیگر قابل جوشکاری بوده و عملاً در زمینه هوا و فضا ، صنایع هسته ای ، صنایع نظامی و مهندسی کاربرد زیادی دارد . و اخیراً بیشتر در جهت پوشش دادن مواد توسعه پیدا کرده است . بطور خلاصه از طریق جوشکاری نفوذی می توان موادی چون آلومینیوم ، بریلیوم ، مس ، فولادها، نیوبیم ، وانادیم، تانتانیم ، تنگستن ، تیتانیم ، زیرکونیم ، مولیبدون ، کامپوزیتها و سرامیکها را باهم و یا با موادی دیگر از این گروه جوشکاری کرد و بهم اتصال داد . لذا بنا به تنوع مواد و تنوع روشهایی که از طریق نفوذی جوشکاری می شوند ، توضیح همه این مواد و همه روشها مقدور نیست و ما در اینجا فقط نحوه و روش جوش مولیبدون و سرامیک را باختصار تشریح خواهیم کرد . جوش نفوذی به طریق hip جهت ساختن اتصالات بین نیوبیم و مواد سرامیکی بسیار خالص به کار می رود ، وقتی سیستم دوتایی سرامیک – فلز مورد توجه قرار می گیرد ، باید سیستم سه تایی نیوبیوم – کرم – آلومینا ( سرامیک ) را در نظر بگیریم که در آن مواد واسطه باعث فراهم شدن خصوصیات نفوذی مورد نیاز نیوبیوم می شوند و تمامی اکسیدهای نیوبیومی در آلومینا قابل حل است . شرایط جوش نفوذی سرامیک به بعضی فلزات را در جدول (1) می بینیم .
اگر قرار باشد دو قطعه از جنس مولیبدون و سرامیک آلومینایی را به روش dfw به هم جوش دهیم ، ابتدا سرامیک را با لایه اولیه 85% مولیبدون و 10% منگنز و 5% هیدرید تیتانیم روکش می دهیم . وبعد از اینکه لایه ی اولیه به حد کافی خشک شد ، لایه ی دوم را با ترکیب 80% مولیبدون و 20% کرم روی لایه ی اول داده می شود . بعد سطح آماده سازی شده ورقه مولیبدونی و سرامیک آلومینایی دو بار روکش داده شده روی هم قرار می گیرند و عناصر اتصالی در اتمسفر آرگونی در دمای 1800 درجه سانتیگراد ادامه پیدا می کند و روش جوشکاری hip می باشد قابل ذکر است که استحکام بدست آمده با این روش جوشکاری در حد استحکام خستگی فلز پایه است .

[javad jan]

4-4-2 کاربردهای جوشکاری نفوذی
از مطالب عنوان شده نتیجه می گیریم که بسیاری از صنایع نظیر صنایع هواپیمایی و نظامی و صنعت تبرید ،... دارای پتانسیل بالایی جهت استفاده از فرایند جوشکاری نفوذی می باشند .


فشار (مگاپاسکال )

زمان(دقیقه)

دما ( درجه سانتیگراد)

مواد



69

180

1260-1205

زیرکونیم و سرامیک



06/0

10

1300-1250

5/99 درصد آلومینا با هرفلزی





برای مثال موتوری که در هر شاتل فضایی نصب می شود دارای 28 قطعه متفاوت از جنس تیتانیم که با روش نفوذی بهم متصل شده می باشد یا جهت تشکیل فاز ابر رسانا درسیتو از همین روش استفاده می شود حتی در صنعت تبرید لوله ها آلومینیومی را با استفاده از این روش با لوله های مسی در حین کار جوش می دهند و این کار باید به صورتی انجام گیرد که لوله ها ذوب نشوند . کیفیت جوش داده شده تا حدی به فلز پایه نزدیک است که تشخیص محل جوش برای آزمایش آن بسیار مشکل است . و از نظر کیفیت استحکام نیز این جوش در حد فلز پایه استحکام را تضمین می کند . در شکل (4) مقایسه تنش حد تسلیم یا استحکام خستگی یک نوع فلز به نام رنه 80 را با جوش نفوذی آن می بینیم .


5-4-2 بحث و نتیجه گیری
با توجه به بررسی و تحقیقات به عمل آمده ملاحظه می گردد که جوشکاری نفوذی علاوه بر اینکه بسیاری از معایب و محدودیت جوشکاری معمولی را ندارد بلکه مزایایی را هم جایگزین آنها می کند . به هر حال نتیجه گیری کلی در مورد جوشکاری نفوذی عبارتست از :
1- حذف انواع عیوب در جوشکاری معمولی اعم از ترک ، تخلخل ، سوختگی و ...
2- افزایش استحکام منطقه جوش در حد فلز پایه
3- کیفیت ظاهر جوش با فلز پایه در حدی برابری می کند که در بعضی موارد جهت بازرسی منطقه جوش اپراتورها از شناسایی محل جوشکاری عاجز هستند .
4- زمان و هزینه جوشکاری نسبت به روشهای معمول در بیشتر روشهای نفوذی زیاد است .
5- موادی که قابلیت جوشکاری با روشهای معمولی را ندارند با این روش به راحتی جوشکاری می شوند ، چرا که متغیرهای مد نظر روش نفوذی متفاوت با روشهای معمول است .

[javad jan]

فصل سوم
· 1-3 جوشکاری القائی بوسیله ی فرکانس رادیوئی :
این فرآیند بر پایه ی استفاده از فرکانس بالا جهت تولید نیروی جوش ، بنا شده است و بوسیله ی تمرکز مقادیر قابل ملاحظه ای از نیروی الکترومنیتیک در سطح فلز ، آنرا آماده ی برقراری پیوند اتمی می کند .
فلز جوش بایستی داخل سیم پیچ دستگاه قرار گیرد . در این سیم پیچ شار مغناطیسی متناوب القا ، می شوند و به ترتیب یک جریان متناوب در قطعه ی مورد جوشکاری ( فلز جوش ) القاء می گردد. اثر سطحی موجود در این فرکانس ، سبب عبور جریان از نزدیکی سطح قطعه کار می گردد . لذا با حرکت از مرکز به سمت محیط ، دانسیته ی جریان القائی زیاد می شود :
http://pnu-club.com/imported/mising.jpg
در این رابطه http://pnu-club.com/imported/mising.jpg دانسیته ی جریان rms در فاصله ی x از سطح هادی ، http://pnu-club.com/imported/mising.jpg عمیق نفوذ یا فاصله ی سطح سیم تا مرکز آن و http://pnu-club.com/imported/mising.jpg ، میزان دانسیته جریان rms روی سطح هادی می باشد .
همچنین می دانیم که با عبور یک جریان از هادی خاص ، وقتی هادی دوم در نزدیک این فلز قرارگیرد ، یک جریان عکس جریان اولیه در هادی ثانوی تولید می شود ( اثر مجاورت) و لذا شارمیان دو هادی با هم جمع ( همجهت ) می شود . لذا شدت جذب انرزی بین دو سطح زیاد شده و اثر مجاورت سیم تولید زیاد در سطح جوش می شود . در این متد ، تمرکز فوق العاده ی انرژی ، هم منطقه ی حرارت و هم ناحیه ی جوش را فوق العاده محدود می کند . این ناحیه که در جوش ذوبی الکترود به چند سانتیمتر هم می رسید ، در اینجا فقط o.1-o.15 mm می باشد . لذا جوش با این روش ، خواص مکانیکی بسیار خوب و خواص ضد خوردگی نزدیک به فلز پایه را در مرز جوش ایجاد می کند . همچنین سرعت جوش با این روش چند برابر روش قبل است . در این روش می توان لوله های توخالی و میله ها را جوش لب به لب داد.
البته لوله ها [ که بایستی جوش بخورند ] بایستی در گیره قرار گیرند ( جلوگیری از لغزش بواسطه ی نیروی محوری )
· 2-3 جوشکاری با پرتو نورانی (لیزر )
مولدهای مکانیکی – کوانتمی نوری یا لیزر ، ( عبارت از پرتوهای نوری فوق العاده پرقدرت ) را تولید می کنند که انرژی را در مساحتی حدود چند هزارم میلی متر متمرکز می کند .
وسایلی که با لیزر کار می کنند می توانند محدوده ی وسیعی از مواد را ماشینکاری کنند ، جوش بدهند ، انواع عملیات ( سوراخکاری و ...) انجام دهند و ...
وقتی یک فوتون توسط اتم جذب می شود ، انرژی اتم را زیاد می کند و آنرا به یک سطح کوانتومی بالاتر می فرستد . ( تحریک ) با این عمل گاهی اتم تحریک شده ، انرژی را بطور خودبخودی بصورت فوتون صادر می کند و مجدداً خود را به سطح انرژی اولیه سوق می دهد . حال اگر با اجبار اتم را در حالت تحریک باقی بگذاریم و آنرا با فوتون خارجی بازهم تحریک کنیم ، اتم فوتون صادر می کند و این فوتون دارای انرژی کاملاً مساوی با انرژی ساطع شده در حالت صدور خودبخودی می باشد . این همان چیزیست که موسوم به " صدور اجباری یا تحریک شده ی تشعشعی " موسوم است.
در نتیجه این پروسه ، امواج Incident توسط موج صادر شده از اتم تحریک شده ، تقویت می گردد. لازمه ی این عمل ، همفازی بین موج تولید با مولدش است . از این مکانیسم در تقویت کننده های لیزری استفاده می شود . لیزر می تواند انرژی الکتریکی ، نور ، حرارت ، انرژی شیمیایی یا ... را به تشعشع خالص و یکسان در رژیم های ماوراء بنفش ، قابل رؤیت ( موج مرئی ) ، مادون قرمز ، یا الکترومغناطیس تبدیل کند .

[javad jan]

عناصر لیزری معمولاً جامدند مانند شیشه از جنس نئودیمم و Erbium garnet عنصر ساخته شده از جنس AL- Na که با نئودیمیم ( Neodymium ) پوشانده شده است ، دارای قدرت خروجی تا حدود kw1 در حالت عملکرد پیوسته و تا حدود Mw 50 ( پنچ هزار برابر حالت پیوسته ) در عملکرد ضربه ای و آنی می باشد .
لیزرهایی نیز موجود است که از جنس مایع ( مانند اکسید نئودیمیوم و برخی رنگها ) هستند لیزرهای مایع غیر آنی از نظر ظرفیت و راندمان نزدیک به لیزر کننده های حالت جامد ضربه ای می باشند. ولی دارای قدرت خروجی بیشتر هستند ( به دلیل حجیم تر بودن عناصر لیزر کننده ی آنها ) سومین گروه لیزر کننده ها ، گازی هستند . مانند هیدروژن ، آرگون ، Co2 .
لیزرهای گازی درای طیف تشعشع بسیار گسترده اند و راندمان و نیز قدرت خروجی آنها در حالت ضربه ای یا پیوسته را بیشتر می کنند .
دسته ی چهارم لیزر کننده ها از جنس بلورهای نیمه هادیها می باشند . نظیر گالیم ، آرسنیدایندیم و آلیاژهای گوگرد کارمیم یا سلینیوم . برترین خصوصیت این گروه ، وزن کم و مصرف پایین انرژی مورد نیاز است . به علاوه راندمان خوبی ( حدود 70% ) دارند .
عنصر لیزر کننده پس از تحریک شدن تحت عملکرد تغذیه ی انرژی توسط سیستم پمپاژ ، نور را صادر می کند . این پمــپاژ در لیزر گرمای جامد و مایع توسط Flash-tube و بفرم نوری ((Optical )) می باشد . ولی لیزرهای گازی اصولاً توسط گاز پمپاژ می شوند . در لیزرهای نیمه هادی این عمل توسط انرژی جریان معکوس حاصل از اتصال P-N ، انجام می گردد. سیستم هائی موجودست که لیزرهای گاز را بوسیله ی گرفتن حرارت یا انرژی واکنش های شیمیایی ، پمپ می کنند . بسته به مکانیزم پمپ ، لیزرمی تواند ضربه ای یا در Mode یا حالت پیوسته کار کند .
عنصر لیزر کننده برای لیزرهای مصرفی در صنعت ، یاقوت می باشد . یاقوت ، عبارتست از اکسیدآلومینیومی که تعداد کمی از اتمهای AL ، جای خود را به اتمهای cr داده اند . کریستالهای یاقوت سرخ ، به فرم میله می باشد . طول و قطر این مــیله ها ، نشان دهنـده ی قدرت لیزر خروجی ( قدرت صدور لیزر ) می باشد . یک انتهای این میله ، کاملاً پرداخت و صیقلی شده و سپس توسط نقره اندود کردن بفرم آینه ی صددرصد در می آید . در انتهای دیگر بصورت نیمه منعکس ساز ، میله ی یاقوت نزدیک Flash tube قرار می گیرد و به عنوان منبع پمپاژ نوری ، در محدوده ی فرکانسی گسترده ای بکار می رود .
لیزر یاقوت توسط Flash tube پمپ می شود . وقتی که Flash tube میله ی یاقوت را روشن می سازد ، بیشتر اتمهای کروم به حال تحریک در می آیند . وقتی یک اتم تحریک شده به طور خودبه خود یک فوتون را در امتداد محور میله ی یاقوت صادر کند ، این فوتون باعث تحریک یک اتم و نتیجتاً گسیل فوتون توسط این اتم جدید می شود این فرآیند زنجیره وار ادامه می یابد . از آنجا که فوتون ها ، پس از برخورد به انتهای آینه ای میله ، باز می گردند ، به کرات طول میله توسط فوتونها طی می شود . به علت همین رفت و برگشتهای مکرر فوتونها ، یک پرتو نوری کاملاً مستقیم و خالص و بسیار پر قدرت بوجود می آید . وقتی شدت نور در Flash tube از حد بحرانی بگذرد ، عمل لیزر کردن رخ می دهد . انتهای Semi trans Parent بوسیله ی پرتو قوی فوتونی ( با طول موج حدود A 69430 ) در عرض چند هزارم ثانیه کوپله می شود و به همین دلیل پرتو خروجی به شدت مستقیم ، قوی ، تکفام و همسان است . این پرتو به شدت جهتمند است . زیرا میله فقط آن دسته از امواج را به هم پیوند می دهد که انتهای میله یاقوت هربار بازگشته و منعکس می شوند . یعنی از محور میله جدا نشده و روی هم می افتند و یک پرتو قوی حاصل از چند میلیون بار پرتو فوتونی انعکاسی تولید می شود . همیشه صدور القاء شده Induced Emission قبل از صدور لحظه ای رخ می دهد . پرتو لیزر ، به شدت تکفام است . زیرا صدور القائی ، یک فرآینده صددرصد تشدیدی Resonant است و در نتیجه به فرکانس مرکزی در پهنای باند بیشتر از تشعشع خودبخودی صادره از اتم تحریک شده ، نزدیک می گردد.
به عبارت دیگر فرکانس های صادره فقط فرکانس های همسان را برمی انگیزد ( تشدید ) در نتیجه پرتو لیزر ، محدوده ی فرکانسی بسیار باریکی و در نتیجه طول موج خیلی ریزی را اشغال می کند و بسیار متمرکز و پیوسته می باشد .

[javad jan]

o 1-2-3 تفاوت لیزر با دسته نور متمرکز غیر تکفام :
یک عدسی ، هر طول موج را بسته به نوع آن ، تحت زاویه ی مشخص می شکند . بنابراین یک نور مرئی سفید که متشکل از نورهای مرئی و نامرئی جزء است ، هنگام عبور از عدسی ، به اجزاء خود می شکند و به طیف می گراید .
لیکن در مورد لیزر چنین فرضی نیست .
یک پرتو تکفام لیزری شامل امواج الکترومغناطیسی با طول موج یکنواخت توسط عدسی تنها به یک نقطه نورانی منتهی می شود و در یک نقطه نور متمرکز نقطه ای داریم . یعنی عملاً از تجزیه ی لیزر فقط یک پرتو بدست می آید .
فرمول حاکم بر دانسیته انرژی هر پرتو نورانی عبارتست از : C=E/V
C : دانسیته انرژی پرتو
E : انرژی پرتو
V : حجم تمرکز
http://pnu-club.com/imported/mising.jpgبرای یک پرتو سفید ، حجم تمرکز زیاد است که ناشی از پدیده پراکندگی Dispersion می باشد . بنابراین دانسیته ی انرژی کم می باشد. برای یک پرتو لیزری حجم تمرکز قابل صرفنظر (O V) است و لذا دانسیته ی انرژی به سمت بی نهایت میل می کند و فوق العاده (عملاً ) بالاست . در زمان پالس لیزر s9- 10 ، تمرکز انرژی حدود w/cm2 8 10-7 10 می شود .
برخلاف راندمان بسیار پایین لیزرهای یاقوتی (%o.1 ) این لیزرها کاربردهای وسیعی در صنعت بویژه در جوشکاری دارند .
دستگاه جوش لیزر ، ترکیبی از اجزاء نوری ، مکانیکی و الکترونیکی است که البته عنصر اصلی و کلیدی آن ، یاقوت لیزر ساز است . اگر بطور شماتیک به جزئیات یک سیستم جوشکاری لیزر نظر بیفکنیم ، یک دستگاه جوش لیزر ( مطابق شکل صفحه ی بعد ) تشکیل شده است از : منبع تغذیه ، منبع خازن ( Capasitor Bank ) و میکروسکوپ استروسکوپ می باشد .
لیزر ، انرژی الکتریکی ذخیره شده در بانک خازن را به پرتو همسان نورانی تکفام و مستقیم ، تبدیل می کند ، قلب لیزر ( میله ی یاقوتی ) در محفظه ی پمپ (1) قرار دارد . محفظه همچنین Flash tube را هم دربر می گیرد که به موازات میله ی یاقوتی قرار دارد . Flash tube از طریق ولتاژ قوی که به انتهای آن داده می شود ، آتش می گیرد . داخل محفظه بعنوان منعکس کننده ، ساب زده می شود. میله ی یاقوتی بوسیله ی هوای فشرده خنک می شود و این هوای گرم شده به اتمسفر بازپس فرستاده می شود .
نور صادر شده بوسیله ی میله ی یاقوت ، بطور مناسبی شکل داده شده و روی قطعه کار ، توسط دستگاه نوری جهت داده می شود . این دستگاه نوری شامل یک منشور (3) ، یک عدد عدسی و یک عدسی کمکی (4) می باشد . چندین لنز کمکی دیگر را می توان به سیستم اضافه کرد تا پرتو را بفرم نقطه ای به قطر mm5 تاmm 25 متمرکز نمود .
قبل از آغاز سیکل جوش ، عدسی ها تنظیم می شود . شامل اجزاء سیستم عبارتند از منبع نور (8) و منشور (7) و کنداسنور یا خنک کننده (6) . نور از منبع نور اجازه داده می شود که به میله ی یاقوت و سیستم لیزر برسد . سطح جوشکاری از طریق نور دیده می شود و میزان پیشروی جوشکاری را می توان در میکروسکوپ (9) مشاهده کرد .

[javad jan]

یک شاتر shutter (10) که با نیروی الکترومغناطیس کار می کند نیز موجود است . سیستم الکتریکی جوشکاری لیزر شامل یک منبع قدرت جهت Flash tube و شاتوی که با سلونوتید فرمان می گیرد و نیز یک ترانسفورمر نوری و عنصر لیزر می باشد . انرژی ورودی به Flash tube ، حدود kv18 بوده و مدار آن دارای رئوستای قابل تنظیم می باشد و با کمک آن ، زمان تخلیه را تغییر پذیر می کنیم . در نتیجه یک پالس نورانی که در لوله آتش گرفته به وجود می آید .
در جوشکاری لیزر ، مهم است که پالسها دارای بیشترین بقا و کمترین مکان ( قطر نور متمرکز ) باشند که لازمه ی آن وجود پالسی با فرکانس تکرار زیاد می باشد . گرچه لیزر یاقوت خیلی کم راندمان است و قسمت بزرگتر انرژی پمپاژ تبدیل به حرارت می شود . به همین سبب ، میله ی یاقوت خیلی زود داغ می شود . لذا Flash tube نمی تواند مدت زیادی با فرکانس بالا کار کند . این مسئله ، بازپس گیری مقداری از حرارت تولید شده بوسیله ی پمپاژ نوری را لازم می کند . لذا پالسی با فرکانس تکرار زیاد و قدرت خروجی لیزر ، توسط قدرت خنک کردن آن سیستم ، محدود می شود .
با لیزرهای موجود در جوشکاری ، اکنون تولید یک پالس با فرکانس تکراری در محدوده ی 1 تا 100 بار در دقیقه ، موجود است . منطقه ی نفوذ یک پالس لیزر ، معمولاً چند دهم میلی متر می باشد . بنابراین از لیزر فقط در اتصالات نقطه ای استفاده می شود . به دلیل وجود پالس با فرکانس تکرار کم و نتیجتاً قدرت خروجی پایین ( در مقایسه روش جوش با پرتو الکترونی ) ، هنوز متد جوش لیزر نمی تواند با پروسه ی جوش الکترونی ، رقابت کند .
پرتو الکترونی قادر است جوشهایی بسیار باریک ( و پر دقت ) با یک عمق نفوذ زیاد در فلزات سنگین و ریز گداز ایجاد نماید . لیکن از نظر دانسیته ، دانسیته ی انرژی در جوش الکترونی ، برابر با دانسیته ی انرژی در جوش لیزری است . با این تفاوت که چون لیزر حجم ندارد ، پرتو خیلی ساده تر می تواند تمرکز بیابد . ضمن آنکه جوش با لیزر تنوع بیشتری دارد . زیرا از آنجا که انرژی خروجی بطور صحیحی قابل کنترل است ، جوش در هوا امکان پذیر است ( یا حتی در جوش با حفاظ خنثی یا خلأ ) . این فرآیند ، به ویژه برای جوشکاریهای کوچک ( ظریف ) پذیرفته تر است . زمان بسیار کم برای سیکل حرارتی ، بسیار با ارزش است . در جائی که فلزات مورد جوش خوردن ، به گرم شدن زیاد حساسند که این یکی از مهمترین کارکردهای جوش با لیزر است . لیزرها اغلب در ساخت اتصالات بسیار کوچــک بکار برده می شوند . در مهــندسی امواج ( رادیو ) و الکترونیک سیم های سربی ( یا قلعی ) اغلب به شکل اتصال لایه های ریز در شبکه های مدارات کوچک استفاده می شود .( مدارات حالت جامد – مدلهای کوچک یا بردهای الکترونیکی ) پرتو لیزر ، غالباً انواع ترکیبات گوناگون را که در الکترونیک بکار می روند را می تواند به هم جوش دهد . از جمله اتصال طلا و سیلسیم ، طلا و ژرمانیم ،نیکل و تانتالیم ، مس و آلو مینیم .
تذکر بایستی داده شود که استفاده از لیزر در علم پزشکی بویژه در عمل جراحی چشم مانند اتصال شبکیه و glaucoma اخیراً توسعه ی بسیار یافته است و امکان استفاده از پرتو متمرکز انرژی تشعشعی از منابع مختلف صدور در محدودهی نوری طیف الکترومغناطیسی برای جوشکاری ، لحیم کاری سخت و لحیم کاری ، فراهم شده است . گرمایش توسط انرژی تشعشعی به روشهای متداول دیگر ، چندین برتری دارد : یکی از این مزایا آنست که مواد جدا از خواص الکتریکی یا مغناطیس شان ، می توانند مشمول انجام عملیات حرارتی شدند . در این روش ، هیچگونه عمل تماس مستقیم بین جسم ( قطعه کار) و انرژی تشعشعی از نظر فیزیکی لازم نیست ( قطعه و منبع انرژی در فاصله از هم هستند .) اثر مکانیکی روی منطقه ی گرم شده در جوش ، قابل صرفنظر کردن می باشد . انرژی می تواند بطور کلی بصورت نوری انتقال یابد .
دستگاههای پرتو نورانی ( لیزر ) برای جوشکاری و لحیم کاری سخت ، می توانند از منابع تشعشعی مختلفی از قبیل خورشید ، قوس کربن ، لامپهای قوس تخلیه ی گازها ، لامپ های فلور و ... استفاده نمایند .

[javad jan]

o 2-2-3 مزایای جوشکاری با لیزر :
1- گرم کردن به صورت موضعی
2- تماس فیزیکی با قطعه کار وجود ندارد ویعنی فرایند غیر تماس است .
3- قابلیت تکرار بسیار بالا
4- فرسایش الکترود و آلودگی منبعث از آن موجود نیست .

· 3-3 جوشکاری با پرتو الکترونی :
امروزه ، پیشرفتهای فیزیک مدرن ، امکان استفاده از انرژی الکترونها را فراهم ساخته است . تا در عرصه های مختلف علم و تکنولوژی استفاده شود . الکترونها ، فسفرهای موجود در صفحه لوله های اشعه ی کاتریک ( مانند لامپ تصویر) را تحریک می کنند . اثرات بوجود آمده از بمباران الکترونی در میکروسکوپ الکترونی ، تکثیر کننده های الکترونی ، لوله های اشعه ی ایکس ، اسپکترومترهای جرمی و بسیاری از ابزارآلات استفاده می شود .
الکترون از ذرات باردار بنیادی با بار منفی "c 19- 10 × 10602 =e- " و با جرم kg 31- 10× 519. 9 =me تشکیل شده که شعاع آن m 15- 10 × 85. 2 = Re بوده و نسبت بار به جرم c/kg 1011 × 759. 1 =e/me می باشد .
تعداد الکترونها در یک اتم به نوع عنصر بستگی داشته و برابر عدد اتمی آن در جدول تناوبی مندلیف است . یک الکترون – کوچکترین ذره ی بنیادی پایدار یک ماده – سریعاً می تواند آزاد شود .
بار اول مقدار کافی انرژی ، الکترون از سطح خود کنده می شود . منبع الکترون آزاد ، در هر حالتی یک فلز است که به نام کاتد ترمویونیک موسوم است . کاتد ، به دمایی می رسد که در آن ، الکترون به سرعت کافی می رسد و به محیط اطراف خود منتقل می شود ، در نتیجه آنچه به نام " صدور الکترون " است ، اتفاق می افتد .
http://pnu-club.com/imported/mising.jpghttp://pnu-club.com/imported/mising.jpgاندازه ی جریان ترمویونیک ، به دمای کاتد ، وظیفه ی کاری فلز کاتد و خواص سطح کاتد بستگی دارد و می تواند با معادله ی دیچاردسون – داشمن Richardson- Dashman.Eq بیان شود .
kt/http://pnu-club.com/imported/mising.jpg Je = At2.e-e
http://pnu-club.com/imported/mising.jpgدر این معادله ، je دانسیته ی جریان صدور (A/cm2.k2) 40-40 می باشد ، T دمای مطلق صادر کننده (X0 ) ، و e مبنای مکاریتم نپر ، 0 e تابع کار فلز صادر کننده 23-10 × 38. 1 =j/x ثابت بولتز من می باشد . از فرمول فوق ، می توان درک کرده که اندازه ی جریان ترمویونیک ، بیشتر به دمای صادر کننده بستگی دارد . از این رو ، افزایش فوق العاده دما ، تبخیر فلز را شدت می بخشد و عمر فلز صادر کننده را کاهش می دهد . حرکت الکترونهای آزاد بوسیله ی ممیادین الکتریکی و یا مغناطیسی ، می تواند تنظیم شود .

[javad jan]

الکترونها وقتی که از یک میدان الکتریکی عبور می کنند ، می توانند انرژی جنبشی قابل ملاحظه ای را ذخیره کنند . وقتی که الکترونها به سطح آندتلر برسد ، سرعت آنها تحت تأثیر برخورد با انتهای فلز ، بطور ناگهانی افت پیدا می کند . در نتیجه این برخوردها ، انرژی جنبشی الکترونها به انتهای ماده ای که تحت بمبار دمای الکترونی قرار داشته است ، منتقل می شود . این انتقال انرژی ، دمای ماده را بالا می برد . اگر آند ، تعداد N الکترون در هر ثانیه ، دریافت کند ، قدرت تلف شده ی حرارتی درآند برابر است با Pa=Ne.V ( حاصلضرب N.e مقدار الکتریسیته که بوسیله ی آند در هر ثانیه دریافت شده می باشد ) بنابراین قدرت تلف شده Dissipated در آند ، برابر Pa= ja.v می باشد.
گرم کردن آندها یا صفحات در لوله های خلأ ، تحت اثر بمبار دمای الکترونی ، غالباً زیان آور است . گرچه به تازگی از این عامل به عنوان منبع پرسود و مزیت در پروسه های صنعتی که به حرارت نیاز دارند ، بکار می رود . مثلاً در جوشکاری ، ذوب فلزات ، عملیات حرارتی ، رسوبدهی لایه ی نازک و غیره . این کاربردها بطور قابل ملاحظه ای استفاده از پرتو الکترونی را گسترده نموده است . پیداست که الکترونها ، با انرژی تشعشعی مشخص به اندازه ی خاصی می توانند در ماده نفوذ کنند ، " ضخامتی از ماده که الکترون تا قبل از توقف کامل ، طی می کند مسیر متوسط آزاد نامیده می شود ." این مقدار در فلزات با انرژی نسبتاً کم (kev82-10) توسط آقای " B.shenland " تحقیق شده و فرمولی نیز برای مسیر آزاد ارائه داده است :
http://pnu-club.com/imported/mising.jpg
http://pnu-club.com/imported/mising.jpg :طول مسیر آزاد (cm )
V : ولتاژ شتاب دهنده (ولت )
http://pnu-club.com/imported/mising.jpg : دانسیته ماده
محاسبات نشان می دهد که الکترونها می توانند به عمقی حدود صدها میکرومتر نفوذ کنند . ( وابسته به ولتاژ و خواص فلز است ) . مطالعات درمورد جذب پرتو تکفام الکترونها ، آشکار کرد که نفوذ الکترون در یک ماده ، (( تفرق چندگانه )) و اتلاف انرژی را درپی دارد . این حالت ، زمانی رخ می دهد که الکترونها بطور مکرر با هسته ی اتم و سایر الکترونهای موجود در شبکه ، برخورد می کنند .
نتیجتاً الکترونی که وارد ماده شده است ، سرعت و جهت حرکتش تغییر می کند . تمام انرژی در انتهای مسیر آزاد متوسط ، کاملاً مصرف شده است . لذا در مقایسه با سایر متدهای جوشکاری ( که در آنها ماده با انتقال حرارت تا دمای جوش داغ می شود و سطحی است ) گرمایش در پروسه ی الکترونی بطور عمقی و داخل خود قطعه کار رخ می دهد . از آنجا که بیشتر الکترونها ، بلافاصله پس از اتمام نفوذ ، انرژی خود را از دست می دهند ، بیشتر حرارت ، در فاصله ای از سطح ، هدر می رود . از نظر محاسباتی ، می توانیم گرم کردن با الکترون را بوسیله ی استفاده از معادله ی دیفرانسیل هدایت حرارتی داخل حجم ( معادله ی انتقال حرارت ) ، به دست بیاوریم . خواهیم داشت :

T دمای محیط – X فاصله از سطح کار ، T زمان ، d ضریب هدایت حرارتی ( همان x0 ) ، c ضریب حرارت مخصوص فلز، p دانسیته ، (x.t ) w شدت منبع ( حرارت آزاد شده واحد حجم در واحد زمان ) مقدار انرژی آزاد شده توسط الکترون بطور تقریبی بیان می شود :
W(x)= - d(n,e)/dx=c0ekx
N تعداد الکترونهای عبوری از واحد سطح آندر در هر ثانیه ، e متوسط انرژی الکترون در نقطه ی معین ، c0 یک عدد ثابت ، x ضریب جذب انرژی در فلز .
معدله ی دیفرانسیل بیان کننده گرمایش سطحی فلز بوسیله ی پرتو الکترونی بفرم زیر است :
http://pnu-club.com/imported/mising.jpg
بررسی معدله ی فوق ، نشان می دهد که افزایش یک زمان کوتاه ، سبب می شود که لایه ای که دارای حداکثر دما بوده ، تحت اثر انتقال حرارت هدایتی ، به سمت سطح فلز حرکت کند و نهایتاً در زمان کوچک و معین این لایه ی داغ ، به سطح فلز می رسد .

[javad jan]

از نظر فیزیکی ، عوامل خارجی ، علاوه بر اثر پرتو الکترونی ، روی فلز تأثیر دارند . این اثرات شامل صدور اشعه ی x ، تشعشعات حرارتی ، الکترونهای پراکنده و ثانویه و تبخیر قسمتی از فلز به شکل یون و اتم سرگردان می باشد . الکترونهای پراکنده و ثانویه و تبخیر قسمتی از فلز به شکل یون و اتم سرگردان می باشد . الکترونهای پراکنده و ثانویه شامل سه گروه هستند .
الف- الکترون های پراکنده را لاستیک با انرژی تقریباً برابر با الکترونهای تصادمی
ب- الکترون های پراکنده غیر الاستیک با انرژی کمتر از انرژی الکترونهای برخوردی
ج- الکترون های ثابت با انرژی کمتر از ev 50 .
بطور متوسط ، انرژی الکترونهای پراکنده چیزی حدود 70% انرژی الکترونهای اولیه است .

· 1-3-3 اصول جوشکاری پرتو الکترونی در خلأ
در این متد ، از انرژی الکترونهای عبوری از خلأ ( با سرعت بالا ) استفاده می شود . وقتیکه این الکترونها ، با سرعت زیاد به سطح فلز برخورد می کنند ، انرژی شان را به شکل حرارت از دست داده و سبب ذوب شدن فلز می گردند . بنابراین جوشکاری با پرتو الکترونی ، محتاج الکترونهای آزاد است که بطور مناسب ، متمرکز شده باشند و شتاب داده شده باشند .
الکترونهای آزاد ، توسط یک کاتد ترمویونیک بوجود می آیند . وقتی این کاتد به دمای معینی برسد ، بعنوان صادر کننده ی الکترون عمل خواهد کرد . پس الکترونهای آزاد صدوری در یک میدان الکتریکی ، شتاب داده می شوند . در این میدان ، اختلاف پتانسیل قابل ملاحظه ای برقرار است . الکترونها ، توسط میدان مغناطیسی به صورت یک پرتو متمرکز در می آیند و وقتی که این پرتو الکترونی به سطح فلز برخورد کند ، الکترونها متوقف می شوند .
ابتدا ماشین جوشکاری الکترونی ، با پمپ خلأ به فشاری حدود N/mm2 =4-10× 133=mmHg 4-10 می رسد . با این شرایط ، حرکت الکترونها از کاتد به آند و روی قطعه کار ، آسان می شود . به منظور ایزوله و عایق کردن حرارتی – شیمیایی کاتد ، و نیز جلوگیری از برخورد بین الکترونهای تفنگ الکترونی ، عمل فوق ( ایجاد خلأ در سیستم جوش الکترونی ) مؤثر است .
حرکت الکترونها در خلأ همراه با اثبات و قابل رؤیت نورانی نیست و پرتو غیرقابل دید باقی می ماند فقط عمل پرتو الکترونی بر روی ماده با گرم شدن نقطه مورد بمباران ، آشکار می گردد.

[javad jan]

اثر مهم دانسیته ی انرژی منبع گرمایش ، بر روی نحوه استفاده از حرارت ، شکل و ناحیه نفوذ گرما ، اندازه ی منطقه متأثر از حرارت و سایر متغیرها ، می باشد . پرتو الکترونی ، انرژی زیادی آزاد می کند و لذا برای جوشکاری روی قطعات ضخیم mm500-200 بسیار مناسب است . تولید یک پرتو الکترونی با دانسیته ی انرژی cm2 /w 8 10×5 امکان پذیر بوده و هر پرتو الکترونی تا MW 500 انرژی در هر سانتی متر مربع ایجاد می کند . بنابراین در یک مدت زمان خیلی کم ، دمای منطقه ی داخلی ماده ، به سرعت بالا می رود . این دما از نظر تئوریک ، و در طولی معادل طول مسیر آزاد متوسط یک الکترون در زمان Sec1 ، اندازه ی c08 10- 7 10 می باشد . لیکن عملاً دما در منطقه ی بمباردمان شده ، ثابت نخواهد ماند . چون بخش زیادی از انرژی ورودی ، تنها منجر به تبخیر سطحی فلز شده و فلز مذاب توسط گازها و بخارات آزاد شده در حین عمل گرمایش ، بطور فزاینده ای به حرکت در می آید .
در جوشکاری ، دانسیته ی پرتو الکترونی ، بایستی مقدار مورد نیاز محدود شود . چون با تمرکز انرژی زیاد در منبع گرمایی ، ذوب توأم با تبخیر رخ داده و فلز به جای جوش ، برش می خورد . از این اصل در حقیقت در تفنگ الکترونی برای برش و سوراخکاری و فرز کاری استفاده شده است . دانسیته ی انرژی در پرتو الکترونی مورد استفاده در جوشکاری ، به عوامل زیادی از جمله خواص قطعه کار ( هدایت حرارتی ، نقطه ذوب و ...) ، ضخامت فلز ، نوع و شکل اتصال و ... بستگی دارد.
برای فلزات مقاوم یا فلزاتی که قابلیت هدایت حرارتی خوبی دارند و یا ضخامتشان خیلی زیاد است ، از پرتو الکترونی با دانسیته ی انرژی بالا استفاده می شود .
بالعکس برای فلزاتی که نقطه ی ذوبشان پایین است و سریعاً تبخیر می شوند ، دانسیته ی انرژی بایستی کاملاً معین و پایین باشد و یا از روش گرمایش مرحله ای ( غیر پیوسته ) استفاده شود . خاصیت مهم و قابل توجه پرتو الکترونی تولید شده با شتاب دهنده ولتاژ بالا ، عمق زیاد و باریک ناحیه ی ذوب می باشد . پرتو الکترونی دارای دانسیته ی انرژی زیادیست و لذا اثرات حرارتی قابل ملاحظه ای در فلز پایه تولید می کند . منطقه ی ذوب معمولاً در قطعه کار ، در طول مسیر عمل پرتو پهن و گسترده می شود و زمانی که قدرت پرتو افزایش می یابد ، منطقه ی ذوب به شکل مخروط درمی آید .
وقتی جریان جوشکاری پایین باشد ، از تفنگ الکترونی کم ولتاژ استفاده می شود . شکل منطقه ی ذوب عملاً با جوشی که توسط آرگون بوجود می آید تفاوتی ندارد .
وقتی جریان پرتو زیاد شود ، بطور یکنواخت در قطعه قسمت پایین منطقه ی ذوب ، قطر سوراخ افزایش می یابد و عمق این منطقه با افزایش جریان زیاد می شود . ( عمدتاً شکل منطقه ی ذوب تحت تأثیر ولتاژ کار شتاب دهنده واقع می شود .)
نحوه ی پیدایش دهانه ی عمیق در جوش الکترونی ، هنوز کاملاً مشخص نیست . مشاهده فرآیند جوشکاری با پرتو الکترونی و محاسبات تئوریک روی مکانیزم پیدایش این حفره نشان می دهند که در مرحله ی اول ، پرتو با حداکثر قدرت تمرکز یافته به لایه ی سطحی قطعه کار برخورد می کند . ضخامتی مساوی با عمق نفوذ الکتــرون در داخــل نقطه ی داغ با قطری مســاوی قطر پرتو ایجاد می شود.
از آنجا که دانسیته ی انرژی در سطح فلز حداکثر است ، ذرات فلز از منطقه ی گرم شده با شدت سرعت زیادی دور می شوند و به تدریج به شکل مخروط در حفره می رسیم .

[javad jan]

وقتی که این مخروط شکل می گیرد ، دانسیته ی انرژی در رأس مخروط زیاد و در قاعده کم می گردد. اگر پرتو ، ساکن باشد ، دهانه ی عمیق در حالت یکنواخت تحت اثر نیروهای زیرین که روی فلز مذاب تأثیر دارند ( فلز مذاب موجود در دهانه ) باقی می ماند .
فشار جریان الکترون به ازای واحد سطح فلز از فرمول زیر محاسبه می شود :
P1=nmu=(i/e)mu
(A/cm2 ) I دانسیته ی جریان ، e بار الکترون ، m جرم الکترون ، u سرعت الکترون بر حسب cm/s ، v سرعت الکترون نیز توسط فرمول زیر قابل محاسبه است :
http://pnu-club.com/imported/mising.jpg
بنابراین نیروی ناشی از فشار جریان الکترونی Dynes http://pnu-club.com/imported/mising.jpg خواهد بود که در آن I ، جریان پرتو برحسب آمپر می باشد .
نیروی الکترومغناطیس ناشی از پرتو : چون پرتو ممکن است مانند هدایت کننده ی گازی الاستیک عمل کند ، یک میدان مغناطیسی دور آنرا فرامی گیرد و از همه طرف روی آن عمل می کند .
در حین جوشکاری ، همان جریان پرتو و حوضچه ی جوش را طی می کند . لذا میدان مغناطیسی هم بر روی حوضچه ی جوش ، اثر می گذارد . فلز مذاب زیر پرتو ، گرایش به حرکت نیروی الکترومغناطیس F2 را داراست :
I2log(R0/30) 2-10 × F2=2.3
I جریان پرتو ، R0 شعاع دهانه (cm ) [ b پهنای جوش و R0=1/2b ] و r0 شعاع پرتو(cm) البته ، از نظر اندازه ، نیروی F2 کوچک است و بنابراین از آن صرفنظر می گردد. نیروی عکس العمل فشار بخار : جریانات الکترونی تصادمی با فلز بر روی سطح ، دمای سطح آنرا همانطور که ذکر شد ، به شدت افزایش می دهند و بخشی از آنرا تبخیر می کنند ، و در نتیجه این تبخیر منجر به ایجاد نیروی عکس العملی توسط بخار روی فلز می شود :
M وزن مولکولی بخار g/s وu سرعت مولکولی بخار cm/s F3=mu
بر طبق تحقیقات Longmuir ، نرخ تبخیر از سطح فلز در خلأ ، عبارتست از :
http://pnu-club.com/imported/mising.jpg
G=M/A نرخ تبخیر g/cm2.s ، A سطح تبخیر CM2 ، m شدت گذر جرم فلز تبخیر شده g/s ، m وزن مولکولی بخار ، R ثابت جهانی گازها ، P فشار بخار برحسب mmHg ، T دمای مطلق X 0 وقتی که فلز مذاب ، در حالت تعادل با بخاراتش به سر می برد .
فشار استاتیکی بخار در دهانه ناشی از تبخیر فلز مذاب :
این فشار ، در حالت ماکزیمم ، ممکنست به فشار اشباع در دمای فلز مذاب دهانه برسد . اگر فشار در دهانه به فشار اشباع برسد ، نیــروی عمل کننده روی سـطح دهانه ، توسط فرمول زیر محاسبه می شود : http://pnu-club.com/imported/mising.jpg
(P فشار اشباع mmHg ،D=DM قطر متوسط دهانه CM )
- نیروی کششی سطح مؤثر بر فلز مذاب: http://pnu-club.com/imported/mising.jpg
- نیروی ثقل مؤثر بر فلز مذاب : F6=M0g
M0 جرم فلز مذاب بر حسب گرم ، g شتاب سقوط آزاد cm/s2
در این فرمول اگر H عمق ذوب بوده و r شعاع دهانه و r+h=r0 ( h عمق فلز مذاب موجود در دهانه )، جرم فلز مذاب از رابطه ی زیر تعیین می شود :
http://pnu-club.com/imported/mising.jpg
فشار استاتیکی فلز مؤثر بر فلز مذاب eg = P7
و نیروی ناشی از فشار استاتیکی فلز عبارتست از: http://pnu-club.com/imported/mising.jpg
بررسی نیروهای عمل کننده در دهانه ، وقتی که پرتو ساکن باشد ، در حین جوشکاری نشان می دهد که آنها نمی توانند به میزان قابل ملاحظه ای ، فلز را حرکت بدهند . لذا مشکل اینست که نیروهایی را معین کنیم که موجب حرکت مذاب از منطقه ذوب به منطقه ی تبلور در دهانه می گردند . آشکار است که انتقال فلز بدلیل آنکه منبع حرارت ، موقعیت متقارن را در دهانه اشغال می نماید ، رخ می دهد و توازن ترمودینامیکی برهم می خورد .

[javad jan]

همانطور که گفته شد ، کشش سطحی مایع ، وابسته به دمای آن می باشد . وقتی که دمای مذاب ، بالا می رود نیروی کشش سطحی کاهش یافته و وقتی که حفره از نقطه ای تا نقطه ی دیگر تغییر می کند ، نیروی کشش سطحی نیز تغییر خواهد نمود . گرادیان دما ، یک نیروی موئینگی – حرارتی اضافه تولید می کند که موازی سطح است .
این کشش موئینگی – حرارتی thermo-capillary-tension موجب می شود که مایع ، از سطحی که دارای کشش سطحی کمتر است ، جریان یابد و به سطحی که دارای کشش سطحی بالاتر است ، حرکت کند . بنابراین فلز مذاب در جهت کاهش درجه حرارت ، حرکت می کند . جدا از گرادیان دما ، انحنای سطح حفره در حرکت فلز مذاب ، دخالت دارد .
در تمام فرآیندهای جوش ذوبی ، فلز مبنا مجاور منطقه ی جوش ، تحت نوعی عملیات حرارتی قرار گرفته و در نتیجه سیستم بلورین یا دانه بنــدی ، عوض شده و بلور مــجدداً تبلور می یابد و رشد می کند . این مسأله ، خواص مکانیکی و فیزیکی جوش را تغییر (معمولاً تخریب ) می کند . ادامه ی این عمل در دماهای بالا روی فلز مبنا به ویژه در فولادهای آستونینی و آلیاژهای زیرکونیم و مولیبدن و ... زیان آور است . ادامه ی گرمایش می تواند منجر به رشد دانه و کاهش مقاومت خوردگی شود .
در سیستم جوش الکترونی ، تمرکز انرژی بسیار شدید بوده در حداقل حرارت ورودی و بیشترین نرخ سرمایش ، پرتوهای الکترون نه تنها دارای حداقل ناحیه مذاب هستند بلکه منطقه ی مجاور جوش ، تقریباً هیچ گونه تغییر قابل ملاحظه ای نمی کند . از آنجائیکه منطقه تأثیر یافته از حرارت (HA2) گسترده نیست ، انواع مختلف اتصالات در سیستم تا به الکترونی ، عاری از نقص هستند که موجب توجه خاص به این پروسه شده است . چون این فرآیند ، یک منطقه ی ذوب عمیق تا انرژی ورودی کمتر به ازای واحد طول ( در مقایسه با سایر متدهای جوش ذوبی ) تولید می کند ، حرارت می تواند از منطقه ی جوش تا نرخ سریعتری دور شود .
این پدیده ی تبلور یا انجماد ، منجر به تولید حوضچه ی جوش کوچک می شود . نتیجتاً فلز جوش با دانه های ریز بوجود آمده و این منطقه از نظر خواص با فلز پایه تفاوت چندانی نخواهد داشت . حرارت ورودی کم در جوشکاری پرتو الکترونی ، بطور قابل ملاحظه ای در مقایسه با جوشکاری برقی ، کرنشها را در سیستم قطعه کار ، به حداقل مقدار خود می رساند .
تجارب بسیاری در زمینه ی جوش الکترونی روی فلزات مقاوم و کمیاب ( با مقاومت بالا و آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی مانند انواع فولادهای آلیاژی ) بدست آمده است . تفنگ های الکترونی با قابلیت زیاد و منابع قدرت قوی ، توسعه ی فراوان یافته اند و امروزه از تفنگ الکترونی چه در جوشکاری تجاری و چه در محدوده ی الکترونیکی و خلق ریز مدارات و سازه ای بزرگ استفاده ی فراوانی به عمل می آید . سازندگان تجهیزات جوشکاری ، ماشینهائی تهیه کرده اند که قابلیت کار مداوم با سرعت زیاد را دارا هستند . اکنون جوشکاری با پرتو الکترونی ، بطور مؤثری در صنایع هسته ای ، موشکی ، فضائی ، الکترونیک و هواپیمائی مورد استفاده دارد . حتی برای ساختن چرخدنده های گیربکس اتومبیل و ابزارهای بوش برای کارهای مهندسی – فنی از این متد بهره می گیرند . انتظار می رود که فرآیند پرتو الکترونی در سایر میادین فن آوری نیز بکاربرده شود . احساس بیهوده ای نیست که اتصالات جوش که در ساختمان نیروگاههای الکتریکی ( مولد بخار ، توربین های گازی و بخاری ) و صنایع اتومبیل بکار می روند ، دچار یک تحول اساسی شوند که این تحول توسط جوشکاری الکترونی قابل دسترسی خواهد بود .