جوشکاری با پرتو الکترونی

فرآیندی است که حرارت لازم برای جوشکاری را  از پرتوی از الکترون‌های شتاب‌دار و متمرکز تامین می‌کند. جوشکاری پرتوی الکترونی فرآیندی است که پرتوی از الکترون‌های شتاب‌دار و متمرکز تولید می‌کند. گرمای شدید تولید شده برای جوشکاری با انرژی جنبشی ایجاد شده در هنگام برخورد الکترون‌هایی که تا ۷۰ درصد سرعت نور شتاب می‌گیرند، به قطعه جوشکاری شده مرتبط است.

حجم الکترون‌هایی که این گرمایش را ایجاد می‌کنند به‌طور شگفت‌انگیزی کم است، زیرا آمپراژ پرتو معمولاً کمتر از 1 آمپر است. الکترون‌ها از طریق یک ستون تفنگی از طریق اعمال ولتاژهای بسیار بالا (تا 200 کیلو ولت) بین کاتد و آند شتاب می‌گیرند.

جوشکاری پرتو الکترونی معمولاً در خلأ بالا انجام می‌شود. سیستم‌های خلأ و غیرخلأ کم در دسترس هستند، اما به قیمت کاهش چگالی انرژی پرتو به دلیل واگرایی پرتو زمانی که الکترون‌های به سرعت در حال حرکت به مولکول‌های هوا برخورد می‌کنند.

دستگاه جوش الکترونی متشکل از منبع تغذیه، ستون تفنگ، محفظه خلأ و قید و بند برای نگه داشتن و حرکت دادن قطعه کار است. تفنگ حاوی یک رشته تنگستن است که به عنوان کاتد عمل می کند، یک فنجانی تنظیم (یا دریچه) که شروع به شتاب دادن به الکترون‌ها و شکل دادن به پرتو می‌کند، یک آند که الکترون‌ها را شتاب می‌دهد، یک عدسی متمرکز و یک عدسی منحرف‌کننده. این فرآیند زمانی آغاز می‌شود که تنگستن به صورت مقاومتی تا دمای بسیار بالا گرم می‌شود، که امکان آزادسازی آسان الکترون‌ها را از طریق انتشار ترمویونی فراهم می‌کند، همان فرآیند مرتبط با جوش قوس تنگستن گاز. فنجانی تنظیم بار منفی بیشتری نسبت به کاتد تنگستن دارد که به آن اجازه می‌دهد هم شتاب داده و هم پرتو را شکل دهد. به دنبال شکل‌دهی پرتو فنجانی تنظیم و شتاب بیشتر از طریق آند، پرتو الکترون‌ها از طریق یک عدسی متمرکز مغناطیسی به نقطه‌ای ظریف روی قطعه کار متمرکز می‌شوند. یک سیم‌پیچ انحراف مغناطیسی امکان جابجایی پرتو را فراهم می‌کند.

تا حد زیادی، جوشکاری پرتو الکترونی قادر است بیشترین نفوذ جوش تک پاسی را در بین هر فرآیند جوشکاری ذوبی ایجاد کند. ضخامت‌های جوش تک پاس تا 20 اینچ با آلومینیوم و 14 اینچ با فولاد امکان‌پذیر است. همانند جوشکاری پرتو لیزر، جوشکاری پرتوی الکترونی حداقل گرما را به قطعه می‌رساند که منجر به کمترین تخریب فلز پایه، تنش پسماند و اعوجاج می‌شود. علاوه بر صنایع هوافضا و  هسته‌ای، کاربردهای این فرآیند در طیف گسترده‌ای از بخش‌های صنعتی، از جمله پزشکی، پتروشیمی خودرو، تولید برق و الکترونیک وجود دارد. بسیاری از کاربردها شامل جوشکاری اجزای کوچک و پیچیده به دلیل توانایی این فرآیند در مکان‌یابی و تمرکز دقیق گرما است. از آنجایی که هزینه تجهیزات بسیار بالا است، برای یک سازنده غیر معمول نیست که از یک کارگاه جوشکاری پرتو الکترونی برای انجام جوشکاری خود استفاده کند.

دستگاه‌های جوشکاری پرتوی الکترونی معمولاً به دو دسته سیستم‌های ولتاژ بالا یا ولتاژ پایین و یاسیستم‌های خلأ بالا، متوسط یا بدون خلأ متمایز می‌شوند. هزینه دستگاه تابعی از اندازه محفظه و قدرت دستگاه است. محفظه‌های بزرگتر اجازه می‌دهد تا قطعات بزرگتر جوشکاری شوند، اما گران‌تر هستند و به زمان پمپاژ طولانی‌تری نیاز دارند. بسیاری از ماشین‌ها توانایی قابل‌توجهی برای دستکاری قسمت داخل محفظه دارند، مانند میزهای x-y و موقعیت‌دهنده‌های چرخشی یا زاویه‌ای.

به طور خلاصه، مزایا و محدودیت‌های جوشکاری پرتو الکترونی به شرح زیر است:

مزایا:

1- فرآیند HED اجازه می‌دهد تا ورودی کلی گرما کم باشد، که حداقل تخریب فلز پایه، تنش پسماند، و اعوجاج را ایجاد می‌کند.

2- قادر به جوشکاری بیشترین ضخامت تک پاس در هر فرآیند جوشی

3- بدون نیاز به فلزات پرکننده یا گاز محافظ

4- محیط خلأ آن را به یک فرآیند ایده‌آل برای جوشکاری تیتانیوم تبدیل می‌کند زیرا این فلز  نسبت به  آلودگی‌های بین نشینی از طریق محیط بسیار حساس است.

5- بدون مشکل در جوشکاری فلزات با انعکاس بالا

6- عمق فوکوس بیشتر از جوشکاری پرتو لیزر، که انعطاف‌پذیری بیشتری را در رابطه با فاصله تفنگ تا قطعه کار فراهم می‌کند.

7- “زیبایی” جوش بسیار بالا است.

محدودیت‌ها:

1- نیاز به خلأ سرعت تولید و اندازه قطعه را محدود می‌کند.

2-  تجهیزات بسیار گران‌قیمت

3-  ماشین‌ها قابل حمل نیستند.

4- به جفت کردن بسیار دقیق قطعات نیاز است.

5-  سرعت سرد شدن سریع ممکن است ریزساختارهای ترد با برخی فولادها ایجاد کند.

6- جوشکاری پرتوی الکترونی، اشعه ایکس خطرناک تولید می‌کند و لذا بایستی تمهیداتی جهت محافظت پرتویی در نظر گرفته شود.