مقدمه

امروزه با پیشرفت روز افزون در صنایع و توسعه ساخت قطعات ماشین آلات و تجهیزات جدید و پیشرفته ، نیاز به بکارگیری موادی با قابلیت و ویژگی های خاص احساس می شود . این نیازمندیها در برخی صنایع پیشرفته همچون صنایع هسته ای ، هوا فضا و شیمیایی و ... . ، استفاده از موادی را مطرح نموده که خواص و قابلیت های آن به هیچ وجه در قالب یک ماده نمی گنجد . قابلیتهایی نظیر سبکی ، استحکام ، مقاومت بخوردگی و حرارت زیاد ، قیمت پایین ، سهولت در ماشینکاری ، غیره ... .در سالیان اخیر رویکرد ویژه ای به فناوری اتصال و جوشکاری مواد غیر هم جنس صورت پذیرفته است . اتصال این مواد به یکدیگر جهت تولید مواد دو فلزی و چند فلزی ، به نوبه خود با محدودیتها و مشکلاتی روبرو می باشد . اختلاف در ضریب هدایت حرارتی و نقطه ذوب و نیز عدم انحلال مواد غیر هم جنس و ایجاد ترکیبات ترد بین فلزی از جمله مواردی هستندکه فرایندهای اتصال و جوشکاری را با مشکل مواجه ساخته و بر استحکام اتصالات حاصل تأثیر گذار می باشد .

در این مقاله، سعی شده است تعریفی كلی از فرایند جوشكاری انفجاری، همراه با برخی عوامل موثر در این روش، ارائه شود. البته از آنجا كه حل تحلیلی فرایند جوشكاری انفجاری، به متغیرهای بسیاری از جمله جنس صفحات، فاصله صفحات، زاویه صفحات نسبت به یكدیگر، نوع مواد منفجره، سرعت انفجار و بسیاری عوامل دیگر بستگی دارد، فقط به بررسی مكانیزم روش و برخی راه‌حل‌های تجربی مطرح در این زمینه، خواهیم پرداخت. همچنین، شبیه‌سازی موج‌های فصل مشترك قطعات، خصوصیات مواد منفجره و برخی كاربردهای متداول جوشكاری انفجاری را بررسی خواهیم كرد.

جوشكاری را می‌توان فرایند اتصال دو یا چند جسم (اغلب فلزی) توسط متمركزكردن نیرو برای یكپارچه كردن جسم نامید. شاید اولین عمل اتصال فلزات در زندگی انسان، لحیم‌كاری بوده كه معمولاً از یك فلز واسطه برای اتصال دو فلز استفاده می‌شده است. فرایندهای اولیه جوشكاری نظیر جوشكاری به روش آهنگری یا پرس‌كاری سرد كه حدود 4هزارسال پیش توسط انسان مورداستفاده قرار می‌گرفت، فرایندهای جوشكاری در فاز جامد بودند. در قرن حاضر، روش‌های دیگری نظیر جوشكاری اصطكاكی، جوشكاری پاششی و جوشكاری

اولتراسونیك كه همگی در فاز جامد صورت می‌گیرد، ابداع شده است. جدیدترین فرایند جوشكاری در فاز جامد، جوشكاری انفجاری است. چگونگی جوشكاری انفجاری، به عوامل متعددی نظیر مكانیزم عمل، نوع مواد منفجره، نوع فلزات كه می‌بایستی جوش داده شوند و بسیاری عوامل دیگر بستگی دارد، كه بررسی تحلیلی آن را مشكل می‌سازد. مثلاً، مشكلاتی كه بر اثر انعكاس امواج صوتی ناشی از انفجار در صفحات به وجود می‌آید، غالباً رضایت‌بخش نیستند، اما چون حجم بسیار زیادی از جوشكاری‌های صنعتی از پوشش صفحات بزرگ تا فرم‌دهی صفحات مركب برای استفاده در ساختمان مخازن تحت فشار و مبدل‌های حرارتی توسط این روش به نحو بهتری صورت می‌گیرد، اثرات نامطلوب گفته شده، تحت‌الشعاع قرار گرفته و كاربرد این روش افزایش یافته است.

تاریخچه و سیر پیشرفت جوشكاری انفجاری

گرچه جوشكاری انفجاری در قرن حاضر روشی شناخته شده است، اما روش‌های متداول جوشكاری كه هم‌اكنون برای اتصال قطعات مختلف به كار می‌روند، از سه هزار سال پیش از میلاد شناخته شده بودند. تا قرن نوزدهم تنها روش اتصال قطعات به یكدیگر، روش فورجینگ (آهنگری) بود تا اینكه با پیدایش باطری‌های الكتریكی، ژنراتورها و استفاده از اكسیژن و استیلن، فرایند جوشكاری به روش ذوبی اختراع شد و تاكنون با ابداع روش‌های نوین جوشكاری پیشرفت‌های زیادی در این زمینه صورت گرفته است كه از آن جمله می‌توان به جوشكاری قوسی بافلاكس محافظ، جوشكاری با پرتو الكترون‌ها و جوشكاری با لیزر اشاره كرد.

جوشكاری انفجاری بعد از جنگ جهانی اول موردتوجه قرار گرفت. در طول این جنگ، مشاهده شد تكه‌هایی كه از متلاشی‌شدن پوشش فلزی گلوله‌های توپ یا بمب، با سرعت خیلی زیاد رها می‌شدند، در تیرهای فولادی و دیگر سطوح فلزی فرو می‌رفتند، اما در آن زمان هیچ برخورد علمی با این موضوع نشد. اولین كسی كه جوشكاری تحت سرعت بالای برخورد را مورد توجه قرارداد «كارل» بود. او در آزمایش‌های خود، دو نیمه برنج سخت كه توسط مواد منفجره و تحت سرعت بالا به یكدیگر برخورد كرده بودند را مورد بررسی قرارداد و متوجه شد كه این اتصال بر اثر ذوب به وجود نیامده است بلكه توسط مكانیزم جوش در فاز جامد تشكیل شده است و عامل اتصال دو قطعه، ایجاد موج در سطح مشترك آنها بوده است

اساس جوشکاری انفجاری 
جوشکاری انفجاری از نقطه نظر هندسی از تنوع کمی بر خوردار بوده و به جوشکاری سطوح صاف و استوانه ای دارای  تقارن محوری محدود میشود. ارایش هندسی مربوط به جوشکاری  سطوح صاف میباشد.صفحه فوقانی یا صفحه برنده در یک فاصله مشخص(فاصله توقف) و یک زاویه معین الفا نسبت به صفحه زیرین (صفحه مادر یا صغحه ساکن ) قرار داده میشود  البته در مورد جوشکاری صفحات بزرگ جهت کنترل سرعت بر خورد دو صفحه نسبت بهم ارایشی موازی داشته وما زاویه اولیه نخواهیم داشت.صفحه ساکن بر روی سندانی از جنس صفحه ضخیم فلزی یا توده شن قرار داده میشود. به منظور جلوگیری از مواد منفجره ومواد حاصل از انفجار با صفحه پرنده سطح فوقانی ان بایک لایه ضرب گیر پوشانده میشود.ماده منجره در بالای صفحه پرنده به صورت پودر یا ورقه بر حسب ضخامت و جنس صفحه پرنده قرار می گیرد .

سپس ماده منفجره از یک نقطه مرجع یا در طول یک قطعه منفجر شده  وبا  پیشروی جبهه انفجار در سرتاسر صفحه  پرنده این صفحه تحت فشار ناشی از گازها و محصولات حاصل از انفجار خم شده وبا سرعت  زیادی به سمت صفحه ساکن شتاب گرفته و منجر به ایجاد یک زاویه دینامیکی بتا بین دو صفحه در نقطه بر خورد خواهد شد.اندازه این زاویه در طول فرایند انفجار ثابت نبو ده وبعلت عدم یکنواختی در توزیع ویا ترکیب شیمیایی ماده منفجر ومتعاقبا"عدم ثابت بودن سرعت انفجار ماده منفجره و همچنین بعلت اثر لولای پلاستیکی(قفل شوندگی پلاستیکی) این زاویه با پیشروی نقطه برخورد افزایش پیدا میکند.لازم بذکر است که منطقه برخورد درسرتاسر قطعه با پیشروی جبهه انفجار با سرعتی ومعادل Vc  را سرتاسر قطعه پیشرفته وگسترش مییابد.امتداد سرعت صفحه پرنده بطور کامل مشخص نیست و فرضیات متعددی در این زمینه وجود دارد.

   جوشکاری انفجاری یک فرایند حالت جامد بوده که در اثر برخورد سرعت بالای دو فلز به صورت مورب به یکدیگر در اثر انفجار کنترل شده ایجاد می شود . بعلت استفاده از مواد منفجره فرایند جوشکاری در کسری از ثانیه صورت می گیرد و بر خلاف دیگر روش های جوشکاری متغیرهای آن را نمی توان در حین عملیات جوشکاری اصلاح نمود و یا تغییر داد . لذا دستیابی به یک اتصال با کیفیت تنها با انتخاب صحیح متغیرهای فرایند ( شامل آماده سازی اتصال و سطوح ، میزان بار ، سرعت و انرژی انفجار ) قابل حصول می باشد . 

  جهت ایجاد اتصال مطلوب برای هر زوج فلز ، متغیرهای دینامیکی می بایست در یک محدودۀ مشخص معروف به پنجره جوشکاری انتخاب گردد . انتخاب این متغیرها بر اساس خواص مکانیکی و فیزیکی فلزات اتصال و بر اساس یک سری روابط صورت می گیرد .

پدیده تشکیل جت 
نقش تشکیل جت در فرایند دینامیکی بسیار حائز اهمیت میباشد . این پدیده در حالت جوشکاری انفجاری صفحات فلزی تحت اثر گسترش نا پایداری جوش در مرز تمامی صفحات فلزی تشکیل میشود.در بررسی انجام شده از ورقی به ضخامت 3 میلیمتر جهت اتصال به زیر لایه ضخیم فولادی به ضخامت 54.2cmاستفاده شده است واتصال تحت آرایش موازی  وبا استفاده از ماده منفجره با سرعت پایین انجام شده .به منظور تنش زدایی  اتصال بمدت 1-4 ساعت در درجه  حرارت 525 درجه سانتیگراد در کوره تیوبی تحت اتمسفر ارگون مورد عملیات حرارتی قرار گرفته اند .نتایج حاصل از فلز نگاری نمونه ها نشان دهنده عدم تشکیل گردابه به دور ذوب آخالهای بین فلزی در فصل مشترک اتصال میباشد.همچنین عدم تبلور مجدد در هر دو طرف اتصال نشان دهنده دمای پایین فرایند اتصال میباشد.نتایج تست سختی نشان میدهد که ریز سختی فصل مشترک در حالت انیل کاهش یافته که این امر باعث روهم افتادگی نتایج حاصل از ازمایش سختی میشود.مقادیر تنش برشی حاصل بر حسب زمان عملیات حرارتی نشان دهنده وقوع عملیات تنش زدایی میباشد .که خوبی بصورت افت استحکام برشی تحت عملیات انیلینگ در دمای 525 درجه سانتیگراد نشان  داده شده است.افت سریع  استحکام اتصال نشان دهنده میزان کار سختی زیاد در حین فرایند اتصال میباشد .

نحوۀ تشکیل جت

شکل 1

شکل 2

شكل2 زمان كوتاهی پس از انفجار را نشان می‌دهد. قبل از اینكه موج به انتهای خرج برسد، جهت سرعت صفحه پرنده پس از انفجار، به سهولت قابل تشخیص نمی‌باشد

برای انجام جوشكاری انفجاری چند شرط وجود دارد. یكی از آنها این است كه وقتی صفحات به صورت موازی قرار می‌گیرند شرایطی به وجود آید كه هوای تولیدشده توسط جت فلز بتواند از ناحیه فصل مشترك قطعات خارج شود. این جت فلز باعث تمیز شدن سطوح دوصفحه فلز از قشر اكسید و مواد زائد خواهد شد و به صورت پاشش فلزی ظاهر شده و باعث كاهش جرم جزئی می‌شود

موج‌های فصل مشترك قطعات

برای درك بهتر موج‌هایی كه در فصل مشترك قطعات ایجاد می‌شود، همچنین تحلیل ریاضی فرایند فوق، اهمیت مشاهده جریان روشن می‌شود. گرچه جوش با فصل مشترك مستقیم نیز امكان تولید دارد، اما در شرایط جوشكاری، موج‌ها سبب استحكام جوش خواهند شد.

یكی از روش‌های مشاهده موج‌های فصل مشترك این است كه تعداد زیادی لایه‌های فلزات مختلف را روی هر دو صفحه پرنده و ساكن، توسط آبكاری الكتریكی به وجود آورده و پس از عمل جوشكاری، توسط مشاهده متالورژیكی، موج‌ها را مشاهده كرد.

دومین گروه از مكانیزم‌های مشاهده امواج، این است كه شرایط را كاملاً شبیه‌سازی كرده و همان شرایط را از طریق جریان‌های مختلف سیالات مشاهده می‌كنند. برای این كار، از جریان سیالاتی كه با سرعت‌های مختلف حركت می‌كنند، استفاده می‌شود. این روش مشاهده امواج در شكل (3) مشاهده می‌شود.

شکل 3

کیفیت لایه های جوش 
بازرسی UT قبل از شروع فرایند به منظور تعیین یکپارچگی صفحات جوشکاری شده انجام می شود . در این بازرسی از پروب نرمال گیرنده فرستنده با قطر 1 اینچ و فرکانس 4 مگا هرتز استفاده می شود . در این بازرسی معمولاً یکپارچگی 98% مورد تأیید است ولی در بعضی از مواقع تا 95% مورد قبول است .
 

ماده منفجره مورد استفاده
 
   ماده منفجره مصرفی در این فرایند آنفو می باشد که ارزانترین و متداول ترین ماده منفجره می باشد که عمدتاً از اختلاط نیترات آمونیم به همراه روغن های سوخته تشکیل شده است . این ماده منفجره نسبت به دیگر مواد از حساسیت کمتری برخوردار است . در کلیه آزمایشات انجام شده در این تحقیق از پودر آنفو با ترکیب شیمیایی 92% وزنی نیترات آمونیم به همراه 6% وزنی گازوئیل و با چگالی 0.85 گرم بر سانتی متر مکعب و ضخامت 100 میکرو متر و با سرعت انفجار متوسط 2500 متر بر ثانیه و انرژی گرمایی حدوداً 33 مگا ژول  مورد استفاده قرار گرفته است . جهت آغاز عملیات از چاشنی استفاده  C4 استفاده می می شود .

متغیرهای فرایند
 
جنس و آماده سازی سطوح صفحات 
فاصله توقف 
نسبت بار ماده منفجره یا خرج انفجار 
انرژی حاصل از سرعت انفجار مربوط به ماده انفجار .

با تشکر فراوان از توجه شما

       منابع اینترنتی:

- www.DMC.Com
- www.Nobelclad.Com
www.Wikipedia.Org - 

کتاب:
- تکنولوژی جوشکاری( دکتر کوکبی )
- فرهنگ بزرگ جوشکاری انگلیسی – فارسی( مهندس پرویز فرهنگ - دکتر کوکبی – مهندس ادب زاده )

 حسن دولت آبادی مهدی شهرآبادی کاظم زارعی