به نام خدا
 
 (EBW)جوشکاری توسط پرتوی الکترون
 Electron beam welding
اصول فرآيند جوشكاري با پرتو الكتروني: 
فرآيند جوشكاري با پرتو الكتروني يك فرآيند اتصال ذوبي است كه در طي آن قطعه كار توسط جرياني متراكم از الكترون هاي داراي سرعت بالا بمباران شده و كل انرژي جنبشي الكترون ها،در اثر برخورد با قطعه كار به حرارت تبديل ميشود. اين حرارت موجب ذوب لبه هاي قطعات واتصال دو قطعه پس از انجماد مي شود.
اين جوشكاري معمولا در يك محفظه خلا با استفاده از يك سيستم توليد و تمركز پرتو الكتروني انجام ميشود. 
 
:اجزا ماشين جوشكاري پرتو الكتروني
يك تفنگ الكتروني كه پرتو كنترل شده الكتروني توليد ميكند
يك محفظه خلا با تجهيزات و پمپ هاي مربوطه
يك دستگاه كه پرتو را در امتداد خط اتصال حركت مي دهد يا قطعه كار رازير تفنگ الكتروني جابه جا مينمايد
تجهيزات ولتاژ بالا
:ستون ديد الكترون
ستون ديد الكترون شامل تفنگ الكتروني ،چشمي الكترون و سيستم ديد ميباشد. تفنگ الكتروني خود شتاب دهنده است.
الكترونها از فيلمان تنگستن حرارتي يا كاتد تابش مي يابند وبه صورت الكتروستاتيك توسط يك شبكه انحراف دهنده،به پرتو تبديل ميشود و توسط آند شتاب مي يابند.
آند و ديگر اجزاي زير آن شامل قطعه كاردر پتانسيل زمين هستند.ولتاژ كاتد تا 150000ولت قابل تغيير است.بنابراين يك ولتاژ شتاب دهنده مثبت براي الكترون ها توليد مي كند.جريان پرتو وابسته به ولتاژشتاب دهنده با كنترل خروجي ولتاژمورد نياز براي شبكه شتاب دهنده كنترل مي شود.  
:منبع قدرت
منبع قدرت با ولتاژ بالا در يك كابين جدا قرار دارد،اما كنترل ها در ايستگاه اپراتور قرار دارند. 
ولتاژ خطي در حالت عادي 440 ولت،سه فاز و 60 سيكل است،اما ولتاژ متناوب 220 ولت نيز مي تواند استفاده گردد. 
 
:محفظه كار
جداره محفظه كار معمولا به منظور تميز بودن و حداقل بودن عبور گاز از جداره آن از فولادهاي زنگ نزن ساخته مي شود ودر قسمت هاي از آن از سرب استفاده مي شود تا از عبور پرتو ايكس جلوگيري شود.
يك پنجره با شيشه سربي در جلوي محفظه در منطقه ديد اپراتورويك لامپ فلورسنت دروني براي روشن كردن قرار داده ميشود.
ستون تفنگ الكتروني معمولا در مركز محفظه قرار مي گيرد ولي مي تواند در يك انتها قرار گيرد.در ماشين مي توان يك ميز كار قرار داد كه به صورت دستي يا اتوماتيك در جهت هاي  عمودی و افقی حركت نمايد.
 

متغيرهاي فرآيند : 
1: انرژي ورودي به قطعه كار 
2: ولتاژ شتاب دهنده
3: چگالي توان
4: جريان پرتو
5: فاصله بين كاتد و آند
6: سرعت جوشكاري
7: فلز پر كننده
8: قدرت پرتو
ولتاژ شتاب دهنده:
با افزايش ولتاژ شتاب دهنده نفوذ جوش افزايش مي يابد.
:چگالي توان 
با افزايش ولتاژ وكاهش قطر پرتو ،چگالي توان افزايش مي يابد.
مقدار حرارت توليد شده در نقطه جوشكاري تابع چگالي توان است.
افزايش بيش از حد چگالي توان سبب بخار شدن فلزات مي شود.
 
:جريان پرتو
با افزايش جريان پرتو نفوذ جوش افزايش مي يابد.
شدت جريان با توجه به ولتاژ ورودي كه با شدت پرتو ارتباط دارد تغيير مي كند.
 
:فاصله بين آند وكاتد
توان وشدت جريان پرتو در سطح قطعه كار مي تواند با تغيير فاصله كاتد وآند تغيير يابد
 
:سرعت جوشكاري
چنانچه سرعت جوشكاري افزايش يابد،پهناي گرده و همچنين نفوذ جوش كاهش مي يابد.
:محيطهای جوشكاري
جوشكاري در خلا بالا
جوشكاري در خلا متوسط
جوشكاري بدون استفاده از خلا 

1- جوشكاري پرتو الكتروني در خلأ بالا : 
در اغلب موارد اين فرايند در يك محيط خلأ انجام مي شود كه حداكثر فشار محيط كمتر از Pa 13/0 مي باشد. حفظ اين ميزان خلأ اهميت زيادي دارد زيرا  فشار محيط اثرات مخربي بر قابليت هاي پرتو الكتروني دارد. كاربرد اين روش در مواردي است كه نياز به دقت بسيار بالا مي باشد و محيط فرايند بايد كاملاً خالص باشد تا از آلوده شدن فلز جوش با اكسيژن، نيتروژن و يا هيدروژن جلوگيري شود. كاربرد اين روش بيشتر در در صنايع هسته اي و انرژي اتمي، صنايع هوافضا و صنايع الكترونيك است. از جمله مي توان به اجزاي نگه دارنده سوخت هسته‌اي ، مخازن تحت فشار راكت ها، اجزا و آلياژهاي خاص موتور جت و سيستم هايي اشاره كرد كه به آب بندي بالا در شرايط خلأ نياز دارند. جوشكاري آلياژهاي فعال نظير زيركونيم و تيتانيم به علت خطر آلودگي به اكسيژن و نيتروژن با اين روش انجام مي‌شود.



2- جوشكاري پرتو الكتروني در خلأ‌متوسط : 
جوشكاري پرتو الكتروني در خلأ متوسط معمولا در فشاري حدود Pa10 صورت مي گيرد  كه تا Pa40 نيز قابل افزايش است. محفظه تفنگ الكتروني در فشار mPa 13-3/1 نگه داشته مي شود كه بدين منظور علاوه بر پمپ مكانيكي، از پمپ هاي ديفوزيوني نيزاستفاده مي شود. 
مهمترين مزيت روش با خلأ متوسط نسبت به خلأ بالا ، زمان كوتاهتر تخليه محفظه است كه عموماً 40 ثانيه طول مي كشد و لذا شرايط دست يابي به سرعت توليد بالاتر نيز فراهم مي باشد. از اين روش براي اتصال فلزات بسيار حساس استفاده نمي شود. رابطه تقريبي فشار محفظه با درصد كل گازهاي موجود در اتمسفر با جدول 1 قابل توصيف است.


3- جوشكاري پرتو الكتروني بدون استفاده از خلأ (EBW-NV) در اين روش، پرتو الكتروني در خلأ بسيار بالا توليد مي شود ولي قطعه كار در محفظه خلأ قرار داده نمي شود. پرتو به ترتيب از محفظه هاي با خلأ متفاوت عبور مي كند كه با افزايش فشار در حين حركت پرتو ، قطر دهانه محفظه ها كم مي شود و اين حالت متغير تا رسيدن به فشار اتمسفري ادامه دارد. اين سيستم داراي قابليت حركت افقي يا عمودي مي باشد. 
در اين روش الكترونهاي پرتو با سرعتي حداكثر تا 70 درصد سرعت نور حركت مي كنند. در حين خروج از محفظه و رسيدن به فشاراتمسفري به تدريج برخوردها با پرتو زياد مي‌شود و پراكندگي آن نيز بالا مي رود و چگالي ميزان پرتو به تدريج كم مي شود. چگالي توان پرتو برخورد كننده در اين حالت بستگي شديدي به نوع مولكولهاي اتمسفر اطراف پرتو دارد. 

 
:تجهيزات ولتاژ پايين
واژه ولتاژ پايين يك واژه نسبي است و معمولا براي تجهيزاتي كه در ولتاژ كمتر از60000ولت كار مي كنند،به كار ميرود.
تفنگ الكتروني در داخل محفظه قرار داده ميشود و مي تواند در طول محورها حركت كند وديواره فولادي محفظه براي ممانعت از تابش پرتوكافي است.

:تجهيزات افزودن سيم جوش
تجهيزات اضافه كردن سيم جوش يا شبيه فرايند سيستم تغذيه سيم جوش در فرايند جوشكاري قوس تنگستن ساخته مي‌شود يا اينكه به طور خاص جهت محفظه خلا طراحي مي‌گردد. قطر سيم جوش عموما كوچك و 0.02 اينچ يا كمتر است. سيستم تغذيه سيم بايد قابليت تغذيه يكنواخت سيمهاي با قطر كوچك را داشته باشد تا سيم را به طرف لبه‌ها وحوضچه مذاب كوچك هدايت نمايد. 
:نكات تكنيكي فرآيند جوشكاري با پرتو الكتروني
الكترون داراي بار منفي است و بر اثر برخورد به قطعه ، بار منفي به نمونه انتقال مي‌يابد. اين بار منفي در قسمتهاي مختلف دستگاه و نمونه مي‌تواند باعث اثر دافعه بر پرتو شود.براي جلوگيري از اين مشكل، نمونه و دستگاهها به اتصال زمين وصل مي‌شوند.مسئله ديگر اثرات مغناطيسي است كه بايد كنترل شوند و قطعه از مغناطيس خالي شود تا موجب انحراف پرتو نگردد. 
: روش هاي آماده سازي در فرآيند جوشكاري با پرتو الكتروني
آماده‌سازي و سرهم كردن قطعه كار و قيد و بندهاي جوشكاري كه شامل تميزكازي و احتمالا مغناطيس‌زدايي ،پيشگرم كردن و خال جوش زدن مي‌باشد.
قرار دادن قطعه به همراه قيد و بند درون محفظه خلا
شروع تخليه محفظه و سپس متمركز شدن روي قطعه و تنظيم متغيرهاي فرايند
هم‌خط كردن راستاي اتصال با راستاي حركت پرتو و انجام فرايند
دادن فرصت كافي جهت سرد شدن قطعه و سپس وارد كردن هوا به محفظه و خارج كردن مجموع

مزاياي جوشكاري با پرتو الكتروني:
1-ايجاد جوشهاي عميق‌تر و باريك‌تر نسبت به روشهاي قوسي
2-حرارت ورودي كمتر به جوش در مقايسه با روشهاي ذوبي ديگر(براي ايجاد حجم جوش ثابت)
3-نسبت عمق به عرض بالاي جوش و عدم نياز به جوشهاي چند پاسه
4- ناحيه متاثر از حرارت جوش باريك به علت تمركز حرارتي بالاي فرايند
5-تميزي فلز جوش به دست آمده به علت استفاده از خلا در فرايند
6-امكان دست يابي به سرعت جوشكاري بالا ودر نتيجه سرعت توليد بالاتر
7-بازدهي انرژي بالا(تا حدود 95درصد)
8-پيچيدگي كم قطعه جوشكاري شده به علت تمركز حرارتي بالاي فرآيند
9-عدم نياز به عمليات حرارتي جدي قبل و بعد از فرآيند
10-.امكان اتصال قطعات وآلياژهاي حساس به حرارت
11-امكان جوشكاري فلزات دير گداز
12-امكان آب بندي با كيفيت بسيار بالا در اتصالات
 13-سهولت كنترل فرآيند به صورت رايانه اي
14-امكان انجام فرآيند در طرح اتصال هاي گوناگون
15-عدم نياز به سيم جوش(در اغلب موارد)و عدم نياز به برطرف كردن سرباره واضافه هاي جوش
16-امكان جوشكاري قطعات بسيار ظريف مورد استفاده در صنايع الكترونيك و تجهيزات پزشكي وآزمايشگاهي

محدوديت هاي جوشكاري با پرتو الكترونی:
-قرار دادن قطعه در خلا1
2-در اثر برخورد پرتو الكتروني با سطح فلز پرتو ايكس توليد مي شود و لذا نياز به حفاظت در برابر اين پرتو وجود دارد.
3-به علت آنكه پرتو الكتروني شامل اجزاي با بار منفي ميباشد،وجود ميدان هاي الكتريكي و مغناطيسي سر گردان باعث انحراف پرتو از مسير اصلي طراحي شده مي شود. 
4-عدم پايداري طولاني مدت پرتو
5-تعمير عيوب ايجاد شده در عمق قطعه در اتصال قطعات ضخيم مشكل است.
6-قيمت بالاي تجهيزات وكاربرد محدودتر نسبت به روش هاي قوسي
محدوديت هاي جوشكاري با پرتو الكتروني
7-نياز به تميز كاري قطعات به شكلي بسيار خوب براي آنكه از شكل گيري عيوبي مثل تخلخل در جوش جلوگيري شود.
8-تركيدگي فلز جوش
9-وجود درز جوش و گرده جوش بسيار نازك در اين فرآيند موجب حساسيت زياد در برابر عيب ذوب ناقص مي شود كه ناشي از خطا در دنبال كردن صحيح درز اتصال توسط پرتو است.
10-چقرمگي كم در اغلب فولادها 
11-نبود آزمون هاي غير مخرب تدوين شده
12-حفره انتهاي محل جوش 
13-حساسيت شديد فرآيند به تغييرات جزيي متغيير هاي فرآيند

مهمترين فلزات وآلياژهايي كه با اين روش جوشكاري مي شوند عبارتند از:
برليم
تيتانيم
زير كونيم
موليبدن

مهمترين صنايعي كه از اين فرآيند استفاده ميكنند عبارتند از:
صنايع هوا فضا
صنايع هسته اي
صنايع الكترونيك و پزشكي
صنايع خودرو سازي
سوالات مربوط به جوشکاری با پرتوی الکترونی

سوال1: اصول فرآيند جوشكاري با پرتو الكتروني را توضیح دهید:
فرآيند جوشكاري با پرتو الكتروني يك فرآيند اتصال ذوبي است كه در طي آن قطعه كار توسط جرياني متراكم از الكترون هاي داراي سرعت بالا بمباران شده و كل انرژي جنبشي الكترون ها،در اثر برخورد با قطعه كار به حرارت تبديل ميشود. اين حرارت موجب ذوب لبه هاي قطعات واتصال دو قطعه پس از انجماد مي شود.
اين جوشكاري معمولا در يك محفظه خلا با استفاده از يك سيستم توليد و تمركز پرتو الكتروني انجام ميشود.

سوال2:تاثیرچگالي توان را در جوشکاری پرتوی الکترونی را توضیح دهید:
با افزايش ولتاژ وكاهش قطر پرتو ،چگالي توان افزايش مي يابد.
مقدار حرارت توليد شده در نقطه جوشكاري تابع چگالي توان است.
افزايش بيش از حد چگالي توان سبب بخار شدن فلزات مي شود.

سوال3: جوشكاري پرتو الكتروني بدون استفاده از خلأ را توضیح دهید:  
در اين روش، پرتو الكتروني در خلأ بسيار بالا توليد مي شود ولي قطعه كار در محفظه خلأ قرار داده نمي شود. پرتو به ترتيب از محفظه هاي با خلأ متفاوت عبور مي كند كه با افزايش فشار در حين حركت پرتو ، قطر دهانه محفظه ها كم مي شود و اين حالت متغير تا رسيدن به فشار اتمسفري ادامه دارد. اين سيستم داراي قابليت حركت افقي يا عمودي مي باشد. 
در اين روش الكترونهاي پرتو با سرعتي حداكثر تا 70 درصد سرعت نور حركت مي كنند. در حين خروج از محفظه و رسيدن به فشاراتمسفري به تدريج برخوردها با پرتو زياد مي‌شود و پراكندگي آن نيز بالا مي رود و چگالي ميزان پرتو به تدريج كم مي شود. چگالي توان پرتو برخورد كننده در اين حالت بستگي شديدي به نوع مولكولهاي اتمسفر اطراف پرتو دارد.


سوال 4 :مزاياي جوشكاري با پرتو الكتروني را نام ببرید:(5 مورد)
1-ايجاد جوشهاي عميق‌تر و باريك‌تر نسبت به روشهاي قوسي
2-حرارت ورودي كمتر به جوش در مقايسه با روشهاي ذوبي ديگر(براي ايجاد حجم جوش ثابت)
3-نسبت عمق به عرض بالاي جوش و عدم نياز به جوشهاي چند پاسه
4- ناحيه متاثر از حرارت جوش باريك به علت تمركز حرارتي بالاي فرايند
5-تميزي فلز جوش به دست آمده به علت استفاده از خلا در فرايند
6-امكان دست يابي به سرعت جوشكاري بالا ودر نتيجه سرعت توليد بالاتر

7-بازدهي انرژي بالا(تا حدود 95درصد)
8-پيچيدگي كم قطعه جوشكاري شده به علت تمركز حرارتي بالاي فرآيند
9-عدم نياز به عمليات حرارتي جدي قبل و بعد از فرآيند


محدوديت هاي جوشكاري با پرتو الكتروني را نام ببرید(5مورد) 

-قرار دادن قطعه در خلا1
2-در اثر برخورد پرتو الكتروني با سطح فلز پرتو ايكس توليد مي شود و لذا نياز به حفاظت در برابر اين پرتو وجود دارد.
3-به علت آنكه پرتو الكتروني شامل اجزاي با بار منفي ميباشد،وجود ميدان هاي الكتريكي و مغناطيسي سر گردان باعث انحراف پرتو از مسير اصلي طراحي شده مي شود.
4-عدم پايداري طولاني مدت پرتو
5-تعمير عيوب ايجاد شده در عمق قطعه در اتصال قطعات ضخيم مشكل است.
6-قيمت بالاي تجهيزات وكاربرد محدودتر نسبت به روش هاي قوسي
محدوديت هاي جوشكاري با پرتو الكتروني
7-نياز به تميز كاري قطعات به شكلي بسيار خوب براي آنكه از شكل گيري عيوبي مثل تخلخل در جوش جلوگيري شود.
8-تركيدگي فلز جوش
9-وجود درز جوش و گرده جوش بسيار نازك در اين فرآيند موجب حساسيت زياد در برابر عيب ذوب ناقص مي شود كه ناشي از خطا در دنبال كردن صحيح درز اتصال توسط پرتو است


 
:تهیه کننده گان
مسلم نوری
محمد شاملوییان
عباس رباتی