بخشی از مقاله
چکیده
جوشکاری پرتو الکترونی - EBW - یک روش جوشکاری با بازدهی و دقت بالا است که کاربرد آن در صنایع مختلف از جمله خودروسازی، هواپیمایی و هوافضا به شدت رو به افزایش است. شبیه سازی فرایند جوشکاری پرتو الکترونی با هدف پیش بینی تنشباقیمانده در قطعه کار و آنالیز پروفیلهای دمایی و تنشی حین فرآیند جوشکاری، به جهت امکان مهندسی جوش و پیشبینی شرایط بهینه، همواره مورد توجه محققین قرار گرفته است. در این پژوهش مدل المان محدود جوشکاری پرتو الکترونی به صورت سه بعدی آماده شده و بر روی نرمافزار Abaqus بارگذاری شده است.
این مدل شامل برهمکنش های حرارتی، مکانیکی و پدیده های متالورژیکی است. آنالیز حرارتی به صورت یکطرفه با آنالیز مکانیکی کوپل شده است. منبع حرارتی مورد استفاده، منبع حرارتی ترکیبی است که با استفاده از سابروتین و کد نویسی به زبان فورترن به آباکوس متصل شده است. جوشکاری در محیط خلاء بوده و اتلاف حرارت ناشی از هدایت حرارتی و تابش، در قسمت های مختلف بعنوان شرایط مرزی بر مدل اعمال شده است.
قطعه کار از جنس آلیاژ Ti-6Al-4V بوده و خواص حرارتی و مکانیکی وابسته به دما تعریف شده است. تغییرات دمایی حین جوشکاری و تنش باقیمانده فلز پایه که از شبیه سازی عددی بدست آمده است با نتایج ثبت شده در بررسی های عملی قابل مقایسه بوده و تطابق قابل قبول حاصل شده که دقت مدل منبع حرارتی ترکیبی مورد استفاده در این پژوهش جهت مدلسازی جوشکاری پرتو الکترونی را نشان میدهد.
-1 مقدمه
برای اولین بار در سال 1948 میلادی آقای استیکر والد1 به کار بر روی پرتو الکترونی به عنوان یک منبع حرارتی در ماشینکاری دقیق پرداخت. در سال 1957 دکتر استور2 از موسسه انرژی اتمی فرانسه نتایج جو شکاری با پرتو الکترونی را که از سال 1954 آغاز کرده بود منت شر ساخت. تجهیزات ا ستفاده شده تو سط وی کاملا با وسایلی که بعدأ استفاده شد، متفاوت بود.
او از یک منبع با ولتاژ بین - 10- 14 kV - استفاده کرد. در سال 1958، یک ماشین مته کاری، با پرتو الکترونی در ایالت متحده امریکا ابداع شد که در جوشکاری نیز مورد استفاده قرار گرفت. در همان سال برتون3 و فرانک هوسر4 مطالعات و آزمایشهای خود را در مورد جوشکاری زیرکونیوم به منظور استفاده در صنایع هواپیمایی آغاز کردند.
جوشکاری پرتو الکترونی5 یکی از روش های جوشکاری دقیق و با کیفیت بالاست که اخیرا در صنایع مختلف از جمله صنایع هوافضا و اتوموبیلسازی اهمیت ویژه ای پیدا کرده است. این روش از فرآیندهای جوشکاری نفوذی عمیق پر انرژی ا ست که در آن ن سبت عرض به عمق جوش خیلی کوچک ا ست. در مقای سه با سایر روش های متداول جو شکاری، در جو شکاری پرتو الکترونی به دلیل حرارت ورودی کمتر، اعوجاج ایجاد شده در قطعه کار نیز بسیار کمتر است. ناحیه جوش در این روش بسیار باریک است و چگالی بالای انرژی، سرعت بالای حرکت بر روی خط جوش را ممکن میسازد.
بنابراین فرایند جوشکاری بسیار سریع اتفاق میافتد و فلزپایه در ناحیه اطراف محدودهی جوش، انرژی حرارتی اضافی دریافت نمیکند که همین امر باعث میشود محدودهی متاثر از حرارت6 تا حد ممکن کاهش یابد. در یک مجموعه بیم الکترونی، الکترون های ساطع شده از یک فیلامان با بار الکتریکی منفی بوجود میآیند که به آن کاتد گفته میشود.
با افزایش جریان الکتریکی در فیلامان، دما افزایش پیدا کرده و زمانی که به دمای تابش7 برسد، فیلامان از خود الکترون ساطع میکند. این الکترون ها با قرارگیری در میدان الکتریکی با بار مخالف - آند با بار مثبت - که دقیقا زیر کاتد قرار گرفته ا ست، شتاب میگیرند. پس از عبور الکترون های شتاب گرفته از حفرهی وسط آند، الکترون ها توسط کویل های الکترومغناطیسی در نقطه ای روی سطح قطعه کار متمرکز می شوند - شکل-1الف - . جریان بیم الکترونی و ولتاژ شتاب دهنده که به طور معمول در فرآیند های جو شکاری پرتوالکترونی مورد است فاده قرار میگیر ند، به ترت یب در م حدوده ی 50-1000 mA و 30-175 kW تغییر میکند .[1]
به طور معمول سی ستم های جو شکاری پرتو الکترونی در محیط خلاء مورد ا ستفاده قرار میگیرند. این امر علاوه بر مقاوم سازی قطعه کار در برابر اکسیداسیون، پایداری ستون الکترونی در حین جوشکاری را نیز تضمین میکند. به عبارتی با کاهش فشار هوای محیط، میزان پراکندگی الکترونها در اثر برخورد با مولکولهای هوا نیز کاهش می یابد. در نتیجه با کاهش فشار اتمسفر محیط، میتوان قطر بیم الکترونی را کاهش داد و پرتوهای الکترونی را در یک محدوده ی خیلی کوچک در حدود 0/3–0/8 mm، متمرکز کرد. چگالی انرژی ورودی نیز تا مقادیر بسیار بالای 1000 W/m2 افزایش مییابد .[2]
