جوشکاری پرتوالکترونی

 فرایند جوشکاری پرتوالکترونی (EBW) فرایندی است که ذوب و اتصال فلزات در آن توسط حرارت حاصل از یک پرتوالکترونی صورت می‌گیرد. همان گونه که در شکل الف نشان داده شده است، کاتد تفنگ پرتوالکترونی، یک فیلمان (افروزه) با بار منفی است. هنگامی که این فیلمان تا بیش از دمای نشر گرمایونی آن گرم شود، از خود الکترون ساطع می‌کند. این الکترون‌ها، توسط میدان الکتریکی بین الکترود شبکه با بار منفی (که کمی پایین‌تر از کاتد قرار گرفته است) و آند شتاب‌دار می‌شوند. سپس از سوراخ روی آند عبور کرده و توسط یک سیم‌پیچ الکترومغناطیسی بر روی یک نقطه بر سطح قطعه کار متمرکز می‌شوند. جریان پرتو در روش EBW بین 50 تا A1000 و ولتاژ شتاب دهنده بین 30 تا KV175 متغیر است. یک پرتو الکترونی با شدت بسیار زیاد قادر است تا فلز را تبخیر کرده و یک سوراخ در حین جوشکاری در قطعه ایجاد کند که همان سوراخ کلیدی بوده و در شکل الف نشان داده شده است. شکل نشان می‌دهد که با کاهش فشار محیط، قطر پرتو کاهش می‌یابد. علت این امر آن است که الکترون‌ها در اثر برخورد با مولکلو‌های هوا پراکنده می‌شوند و بنابراین کاهش فشار محیط سبب کاهش پراکندگی آنها خواهد شد. این امر دلیل اصلی انجام فرایند EBW در محفظه خلاء می‌باشد.

 فرایند جوشکاری پرتو الکترونی الف-شمای کلی،‌ب- ایجاد سوراخ کلیدی و ج-پراکندگی پرتو در فشارهای مختلف

قطر پرتوالکترونی را می‌توان در محدوده‌ی mm 8/0-3/0 متمرکز ساخت. چگالی توان بسیار زیاد، امکان تبخیر مواد و ایجاد یک سوراخ کلیدی عمیق و انجام جوشکاری را فراهم می‌آورد. شکل زیر یک جوش پرتوالکترونی تک مرحله‌ای و یک جوش قوسی تنگستن- گاز دو مرحله‌ای در قطعه آلومینیوم 2219 را نشان می‌دهد که در آن، جوش پرتوالکترونی، بسیار باریک‌تر است. انرژی لازم در واحد طول جوش در جوشکاری پرتوالکترونی (KJ/in 6/57 یا KJ/cm 7/22) می‌باشد.

 جوشکاری پرتوالکترونی برای جوشکاری موادی که کاملاً گاززدایی نشده‌اندف مانند فولادهای ناآراممناسب نمی‌باشد. در این حالت، در سرعت‌های زیاد جوشکاری، حباب‌های گاز که زمان کافی برای خروج از حوضچه‌ی عمیق جوش را نداشته‌اند، باعث ایجاد تخلخل در جوش می‌گردند. همچنین مواد حاوی اجزایی با فشار بخار زیاد، نظیر آلیاژهای Mg، آلیاژهای حاوی Pb، به دلیل تبخیر این عناصر و آلوده شدن پمپ‌ها و سیستم خلاء،‌ برای جوشکاری به روش EBW توصیه نمی‌شوند.

 جوش ایجاد شده در قطعه آلومینیوم 2219 الف- جوش پرتوالکترونی تک مرحله‌ای و ب-جوش قوسی تنگستن- گاز دو مرحله‌ای

مزایا و محدودیت‌ها

 با استفاده از چگالی توان بسیار زیاد در EBW، ایجاد سوراخ کلیدی عمیق، حتی در قطعات ضخیم، امکان پذیر است. اتصالاتی که نیاز به جوشکاری قوسی چند مرحله‌ای دارند را می‌توان در یک مرحله و با سرعت زیاد، جوشکاری کرد. در نتیجه، کل میزان حرارت ورودی در واحد طول جوش، نسبت به جوشکاری قوسی، بسیار کمتر است که این امر باعث ایجاد منطقه مجاوز جوش بسیار باریک و حداقل پیچیدگی می‌گردد.

با این روش می‌توان فلزات فعال و نسوز را در خلاء جوشکاری کرد تا حضور هوا باعث آلودگی فلز جوش نشود. برخی از فلزات غیر مشابه را نیز می‌توان به این روش جوشکاری کرد، زیرا سرد شدن بسیار سریع در EBW، مانع از تشکیل ترکیبات بین فلزی ترد و درشت می‌شود. هنگامی که قطعات جوشکاری در اندازه و ابعاد بسیار متفاوت باشند، توانایی پرتوالکترونی در تمرکز بسیار دقیق، مانع از ذوب شدن اضافی قطعه کوچک‌تر می‌شود.

 در عین حال،‌ هزینه‌ی تجهیزات EBW بسیار زیاد است. نیاز به خلاء زیاد و حفاظت در برابر اشعه‌ی X مشکل بوده و زمان‌بر است. بدین دلیل، جوشکاری EBW تحت خلاء متوسط و بدون خلاء توسعه یافته است. به دلیل آن که اندازه پرتو بسیار باریک است، بنابراین نحوه قرارگیری دقیق اتصال با یکدیگر و نسبت به تفنگ بسیار ضروری است.