جوشکاری انفجاری و کاربردهای آن

در این مقاله، سعی شده است تعریفی کلی از فرایند جوشکاری انفجاری، همراه با برخی عوامل موثر در این روش، ارائه شود

در این مقاله، سعی شده است تعریفی کلی از فرایند جوشکاری انفجاری، همراه با برخی عوامل موثر در این روش، ارائه شود. البته از آنجا که حل تحلیلی فرایند جوشکاری انفجاری، به متغیرهای بسیاری از جمله جنس صفحات، فاصله صفحات، زاویه صفحات نسبت به یکدیگر، نوع مواد منفجره، سرعت انفجار و بسیاری عوامل دیگر بستگی دارد، فقط به بررسی مکانیزم روش و برخی راه حل های تجربی مطرح در این زمینه، خواهیم پرداخت. همچنین، شبیه سازی موج های فصل مشترک قطعات، خصوصیات مواد منفجره و برخی کاربردهای متداول جوشکاری انفجاری را بررسی خواهیم کرد.

جوشکاری را می توان فرایند اتصال دو یا چند جسم (اغلب فلزی) توسط متمرکزکردن نیرو برای یکپارچه کردن جسم نامید. شاید اولین عمل اتصال فلزات در زندگی انسان، لحیم کاری بوده که معمولاً از یک فلز واسطه برای اتصال دو فلز استفاده می شده است. فرایندهای اولیه جوشکاری نظیر جوشکاری به روش آهنگری یا پرس کاری سرد که حدود ۴هزارسال پیش توسط انسان مورداستفاده قرار می گرفت، فرایندهای جوشکاری در فاز جامد بودند. در قرن حاضر، روش های دیگری نظیر جوشکاری اصطکاکی، جوشکاری پاششی و جوشکاری اولتراسونیک که همگی در فاز جامد صورت می گیرد، ابداع شده است. جدیدترین فرایند جوشکاری در فاز جامد، جوشکاری انفجاری است. چگونگی جوشکاری انفجاری، به عوامل متعددی نظیر مکانیزم عمل، نوع مواد منفجره، نوع فلزات که می بایستی جوش داده شوند و بسیاری عوامل دیگر بستگی دارد، که بررسی تحلیلی آن را مشکل می سازد. مثلاً، مشکلاتی که بر اثر انعکاس امواج صوتی ناشی از انفجار در صفحات به وجود می آید، غالباً رضایت بخش نیستند، اما چون حجم بسیار زیادی از جوشکاری های صنعتی از پوشش صفحات بزرگ تا فرم دهی صفحات مرکب برای استفاده در ساختمان مخازن تحت فشار و مبدل های حرارتی توسط این روش به نحو بهتری صورت می گیرد، اثرات نامطلوب گفته شده، تحت الشعاع قرار گرفته و کاربرد این روش افزایش یافته است

 

تاریخچه و سیر پیشرفت جوشکاری انفجاری

گرچه جوشکاری انفجاری در قرن حاضر روشی شناخته شده است، اما روش های متداول جوشکاری که هم اکنون برای اتصال قطعات مختلف به کار می روند، از سه هزار سال پیش از میلاد شناخته شده بودند. تا قرن نوزدهم تنها روش اتصال قطعات به یکدیگر، روش فورجینگ (آهنگری) بود تا اینکه با پیدایش باطری های الکتریکی، ژنراتورها و استفاده از اکسیژن و استیلن، فرایند جوشکاری به روش ذوبی اختراع شد و تاکنون با ابداع روش های نوین جوشکاری پیشرفت های زیادی در این زمینه صورت گرفته است که از آن جمله می توان به جوشکاری قوسی بافلاکس محافظ، جوشکاری با پرتو الکترون ها و جوشکاری با لیزر اشاره کرد.

جوشکاری انفجاری بعد از جنگ جهانی اول موردتوجه قرار گرفت. در طول این جنگ، مشاهده شد تکه هایی که از متلاشی شدن پوشش فلزی گلوله های توپ یا بمب، با سرعت خیلی زیاد رها می شدند، در تیرهای فولادی و دیگر سطوح فلزی فرو می رفتند، اما در آن زمان هیچ برخورد علمی با این موضوع نشد. اولین کسی که جوشکاری تحت سرعت بالای برخورد را مورد توجه قرارداد «کارل» بود. او در آزمایش های خود، دو نیمه برنج سخت که توسط مواد منفجره و تحت سرعت بالا به یکدیگر برخورد کرده بودند را مورد بررسی قرارداد و متوجه شد که این اتصال بر اثر ذوب به وجود نیامده است بلکه توسط مکانیزم جوش در فاز جامد تشکیل شده است و عامل اتصال دو قطعه، ایجاد موج در سطح مشترک آنها بوده است

مکانیزم جوشکاری انفجاری

جوش انفجاری، تحت ضربه ای مایل و با سرعت بالا انجام می گیرد. به این ترتیب که انفجار باعث می شود تا یک موج ضربه ای مایل در فصل مشترک قطعات ایجاد شود. همین امر موجب می شود فلز جامد به صورت سیال رفتار کند. بر اثر همین ضربه، قشر جهنده ای از ذرات فلز با سرعت زیاد در سطح دو فلز تشکل می شود که به آن جت فلز گویند و باعث تمیزشدن سطح دو صفحه از اکسید و مواد خارجی شده و بر اثر فشار حاصل از انفجار، عمل اتصال انجام می پذیرد.

صفحه بالایی موسوم به «صفحه پرنده» است که با زاویه ? نسبت به صفحه زیرین موسوم به «صفحه ساکن» قرار داشته و صفحه ساکن نیز روی یک تکیه گاه به نام سندان قرار دارد. سطوح فوقانی صفحه پرنده، توسط یک لایه ضربه گیر محافظت می شود و این قشر ضربه گیر می تواند از لاستیک پلی تن یا مقوا و یا حتی یک قشر ضخیم رنگ باشد. یک لایه از مواد منفجره به صورت ورقه ای و یا به شکل پودری، بر روی قشر محافظ قرار می گیرد.

فشار زیاد برخورد دوصفحه و امواج حاصل از انفجار، باعث به وجود آمدن نیروی زیاد می شود، به طوری که از مقاومت فلز در ناحیه تماس، می توان صرفنظر کرد و ماده را همانند یک سیال درنظر گرفت. بنابراین لازم است با فلز همانند یک سیال رفتار شده و در محاسبات همانند یک سیال عمل شود. اندازه سرعت صفحه پرنده، به نوع و میزان و همچنین چگالی ماده انفجاری بستگی دارد.

برای انجام جوشکاری انفجاری چند شرط وجود دارد. یکی از آنها این است که وقتی صفحات به صورت موازی قرار می گیرند شرایطی به وجود آید که هوای تولیدشده توسط جت فلز بتواند از ناحیه فصل مشترک قطعات خارج شود. این جت فلز باعث تمیز شدن سطوح دوصفحه فلز از قشر اکسید و مواد زائد خواهد شد و به صورت پاشش فلزی ظاهر شده و باعث کاهش جرم جزئی می شود

برخی کاربردهای جوشکاری انفجاری

یکی از گسترده ترین کاربردهای جوشکاری انفجاری، روکش دهی صفحات مسطح است که در مورد صفحات بزرگ به دلیل برخی مشکلات (دفرمه شدن و پیچیدگی) محدود می شود، به طوری که روکش دهی فلزات تنها توسط غلطک کاری یا جوشکاری لایه ای امکان پذیر است.

معمولاً هدف از پوشش دهی صفحات با صفحه ای از جنس دیگر، نیاز به مقاومت در برابر خوردگی، بهبود انتقال حرارت، بالابردن مقاومت یا استحکام قطعه، بهبود خواص الکتریکی و غیره است. معمولاً برای فرایندهای شیمیایی، از پوشش هایی گران قیمت نظیر نیکل، فولاد ضدزنگ، تیتانیم و... استفاده می شود. مثلاً، اگر بخواهیم از فولاد ضدزنگ در مخازن استفاده کنیم و مخزن را یکپارچه بسازیم، هزینه زیادی صرف کرده ایم. در صورتی که ساخت مخزن توسط لایه ای نازک از این فولاد به صورت پوششی روی فولاد معمولی و توسط جوشکاری انفجاری، هزینه را بسیار پایین می آورد

مزایای جوشکاری انفجاری را می توان به صورت زیر فهرست کرد

ـ ساخت مخازن از ۲ لایه تا چند لایه

ـ اتصال فلزات غیرهمجنس، مثلاً فولاد و آلومینیم، در صنایع کشتی سازی نتایج خوبی را ارائه کرده است.

ـ جوشکاری فلزات با درجات ذوب متفاوت که نمی توان توسط جوشکاری ذوبی آنها را به هم جوش داد.

ـ کاهش هزینه های اتصال قطعات، به ویژه قطعات بزرگ

گفتیم که یکی از گسترده ترین کاربردهای جوشکاری انفجاری در روکش دهی صفحات مسطح است، اما کاربردهای بسیار دیگری نیز می توان برای آن درنظر گرفت که برخی از آنها عبارتند از

ـ روکش دهی صفحات مسطح

ـ جوشکاری سطوح استوانه ای

الف) جوشکاری داخلی استوانه های هم مرکز

ب) روکش دهی داخلی و خارجی استوانه ها

پ) روکش دهی نازک ها

ت) جوشکاری لوله به صفحه

ث) جوشکاری سربه سر لوله به لوله

جوشکاری خطی لب به لب صفحات مسطح

جوشکاری مقاطع توخالی (رادیاتورها)

روکش دهی سیم ها و مفتول ها