جوشكاري انفجاري و كاربردهاي آن

در اين مقاله، سعي شده است تعريفي كلي از فرايند جوشكاري انفجاري، همراه با برخي عوامل موثر در اين روش، ارائه شود. البته از آنجا كه حل تحليلي فرايند جوشكاري انفجاري، به متغيرهاي بسياري از جمله جنس صفحات، فاصله صفحات، زاويه صفحات نسبت به يكديگر، نوع مواد منفجره، سرعت انفجار و بسياري عوامل ديگر بستگي دارد، فقط به بررسي مكانيزم روش و برخي راه‌حل‌هاي تجربي مطرح در اين زمينه، خواهيم پرداخت. همچنين، شبيه‌سازي موج‌هاي فصل مشترك قطعات، خصوصيات مواد منفجره و برخي كاربردهاي متداول جوشكاري انفجاري را بررسي خواهيم كرد.

جوشكاري را مي‌توان فرايند اتصال دو يا چند جسم (اغلب فلزي) توسط متمركزكردن نيرو براي يكپارچه كردن جسم ناميد. شايد اولين عمل اتصال فلزات در زندگي انسان، لحيم‌كاري بوده كه معمولاً از يك فلز واسطه براي اتصال دو فلز استفاده مي‌شده است. فرايندهاي اوليه جوشكاري نظير جوشكاري به روش آهنگري يا پرس‌كاري سرد كه حدود 4هزارسال پيش توسط انسان مورداستفاده قرار مي‌گرفت، فرايندهاي جوشكاري در فاز جامد بودند. در قرن حاضر، روش‌هاي ديگري نظير جوشكاري اصطكاكي، جوشكاري پاششي و جوشكاري اولتراسونيك كه همگي در فاز جامد صورت مي‌گيرد، ابداع شده است. جديدترين فرايند جوشكاري در فاز جامد، جوشكاري انفجاري است. چگونگي جوشكاري انفجاري، به عوامل متعددي نظير مكانيزم عمل، نوع مواد منفجره، نوع فلزات كه مي‌بايستي جوش داده شوند و بسياري عوامل ديگر بستگي دارد، كه بررسي تحليلي آن را مشكل مي‌سازد. مثلاً، مشكلاتي كه بر اثر انعكاس امواج صوتي ناشي از انفجار در صفحات به وجود مي‌آيد، غالباً رضايت‌بخش نيستند، اما چون حجم بسيار زيادي از جوشكاري‌هاي صنعتي از پوشش صفحات بزرگ تا فرم‌دهي صفحات مركب براي استفاده در ساختمان مخازن تحت فشار و مبدل‌هاي حرارتي توسط اين روش به نحو بهتري صورت مي‌گيرد، اثرات نامطلوب گفته شده، تحت‌الشعاع قرار گرفته و كاربرد اين روش افزايش يافته است.

 

تاريخچه و سير پيشرفت جوشكاري انفجاري

گرچه جوشكاري انفجاري در قرن حاضر روشي شناخته شده است، اما روش‌هاي متداول جوشكاري كه هم‌اكنون براي اتصال قطعات مختلف به كار مي‌روند، از سه هزار سال پيش از ميلاد شناخته شده بودند. تا قرن نوزدهم تنها روش اتصال قطعات به يكديگر، روش فورجينگ (آهنگري) بود تا اينكه با پيدايش باطري‌هاي الكتريكي، ژنراتورها و استفاده از اكسيژن و استيلن، فرايند جوشكاري به روش ذوبي اختراع شد و تاكنون با ابداع روش‌هاي نوين جوشكاري پيشرفت‌هاي زيادي در اين زمينه صورت گرفته است كه از آن جمله مي‌توان به جوشكاري قوسي بافلاكس محافظ، جوشكاري با پرتو الكترون‌ها و جوشكاري با ليزر اشاره كرد.

جوشكاري انفجاري بعد از جنگ جهاني اول موردتوجه قرار گرفت. در طول اين جنگ، مشاهده شد تكه‌هايي كه از متلاشي‌شدن پوشش فلزي گلوله‌هاي توپ يا بمب، با سرعت خيلي زياد رها مي‌شدند، در تيرهاي فولادي و ديگر سطوح فلزي فرو مي‌رفتند، اما در آن زمان هيچ برخورد علمي با اين موضوع نشد. اولين كسي كه جوشكاري تحت سرعت بالاي برخورد را مورد توجه قرارداد «كارل» بود. او در آزمايش‌هاي خود، دو نيمه برنج سخت كه توسط مواد منفجره و تحت سرعت بالا به يكديگر برخورد كرده بودند را مورد بررسي قرارداد و متوجه شد كه اين اتصال بر اثر ذوب به وجود نيامده است بلكه توسط مكانيزم جوش در فاز جامد تشكيل شده است و عامل اتصال دو قطعه، ايجاد موج در سطح مشترك آنها بوده است.

 

مكانيزم جوشكاري انفجاري

جوش انفجاري، تحت ضربه‌اي مايل و با سرعت بالا انجام مي‌گيرد. به اين ترتيب كه انفجار باعث مي‌شود تا يك موج ضربه‌اي مايل در فصل مشترك قطعات ايجاد شود. همين امر موجب مي‌شود فلز جامد به صورت سيال رفتار كند. بر اثر همين ضربه، قشر جهنده‌اي از ذرات فلز با سرعت زياد در سطح دو فلز تشكل مي‌شود كه به آن جت فلز گويند و باعث تميزشدن سطح دو صفحه از اكسيد و مواد خارجي شده و بر اثر فشار حاصل از انفجار، عمل اتصال انجام مي‌پذيرد.

فرم كلي يك جوش انفجاري در شكل (1) نشان داده شده است. در اين شكل، صفحه بالايي موسوم به «صفحه پرنده» است كه با زاويه ? نسبت به صفحه زيرين موسوم به «صفحه ساكن» قرار داشته و صفحه ساكن نيز روي يك تكيه‌گاه به نام سندان قرار دارد. سطوح فوقاني صفحه پرنده، توسط يك لايه ضربه‌گير محافظت مي‌شود و اين قشر ضربه‌گير مي‌تواند از لاستيك پلي‌تن يا مقوا و يا حتي يك قشر ضخيم رنگ باشد. يك لايه از مواد منفجره به صورت ورقه‌اي و يا به شكل پودري، بر روي قشر محافظ قرار مي‌گيرد.

فشار زياد برخورد دوصفحه و امواج حاصل از انفجار، باعث به‌وجود آمدن نيروي زياد مي‌شود، به طوري كه از مقاومت فلز در ناحيه تماس، مي‌توان صرفنظر كرد و ماده را همانند يك سيال درنظر گرفت. بنابراين لازم است با فلز همانند يك سيال رفتار شده و در محاسبات همانند يك سيال عمل شود. اندازه سرعت صفحه پرنده، به نوع و ميزان و همچنين چگالي ماده انفجاري بستگي دارد.

شكل2 زمان كوتاهي پس از انفجار را نشان مي‌دهد. قبل از اينكه موج به انتهاي خرج برسد، جهت سرعت صفحه پرنده پس از انفجار، به سهولت قابل تشخيص نمي‌باشد.

براي انجام جوشكاري انفجاري چند شرط وجود دارد. يكي از آنها اين است كه وقتي صفحات به صورت موازي قرار مي‌گيرند شرايطي به وجود آيد كه هواي توليدشده توسط جت فلز بتواند از ناحيه فصل مشترك قطعات خارج شود. اين جت فلز باعث تميز شدن سطوح دوصفحه فلز از قشر اكسيد و مواد زائد خواهد شد و به صورت پاشش فلزي ظاهر شده و باعث كاهش جرم جزئي مي‌شود.

 

موج‌هاي فصل مشترك قطعات

براي درك بهتر موج‌هايي كه در فصل مشترك قطعات ايجاد مي‌شود، همچنين تحليل رياضي فرايند فوق، اهميت مشاهده جريان روشن مي‌شود. گرچه جوش با فصل مشترك مستقيم نيز امكان توليد دارد، اما در شرايط جوشكاري، موج‌ها سبب استحكام جوش خواهند شد.

يكي از روش‌هاي مشاهده موج‌هاي فصل مشترك اين است كه تعداد زيادي لايه‌هاي فلزات مختلف را روي هر دو صفحه پرنده و ساكن، توسط آبكاري الكتريكي به وجود آورده و پس از عمل جوشكاري، توسط مشاهده متالورژيكي، موج‌ها را مشاهده كرد.

دومين گروه از مكانيزم‌هاي مشاهده امواج، اين است كه شرايط را كاملاً شبيه‌سازي كرده و همان شرايط را از طريق جريان‌هاي مختلف سيالات مشاهده مي‌كنند. براي اين كار، از جريان سيالاتي كه با سرعت‌هاي مختلف حركت مي‌كنند، استفاده مي‌شود. اين روش مشاهده امواج در شكل (3) مشاهده مي‌شود.

 

شكل موج‌ها به عدد رينولدز جريان بستگي دارد. براي Re=55 يك جريان كاملاً توسعه يافته خواهيم داشت، اما با افزايش عدد رينولدز، الگوي جريان غيرمنظم و مغشوش مي‌شود همان‌طوري كه از شكل(3) مشخص است در سرعت‌هاي بالاي (V_F) وقتي كه فشار برخورد بسيار بالاست، مي‌توان جريان را نيوتني با تقريب خوب فرض كرد.

عدد رينولدز براي صفحاتي كه از يك جنس باشند، به صورت:

و براي حالتي كه صفحات از دو جنس مختلف باشند، به صورت مقابل محاسبه مي‌شود:

كه در آن H سختي فلز و برحسب (N/m²)، VF سرعت صفحه پرنده (m/s) و f چگالي برحسب (kg/m³) است.

همان‌طور كه قبلاً نيز گفتيم، تشكيل جوش انفجاري به سرعت انفجار و در نتيجه سرعت صفحه پرنده بستگي دارد و مي‌بايستي توجه شود كه از حدي نيز بيشتر نباشد و كمتر از سرعت صوت در فلزات مورد جوشكاري (تقريبا km/s4) باشد.

در آزمايشاتي كه صورت گرفته است، مشخص شده كه اگر سرعت انفجار km/s7 باشد، باعث فشار ضرباني بسيار بزرگي مي‌شود كه تاثيرات قابل توجهي در مقاومت كششي قطعات داشته و پديده‌اي به شكل از هم گسيختگي را به وجود مي‌آورد.

 

برخي كاربردهاي جوشكاري انفجاري

يكي از گسترده‌ترين كاربردهاي جوشكاري انفجاري، روكش‌دهي صفحات مسطح است كه در مورد صفحات بزرگ به دليل برخي مشكلات (دفرمه شدن و پيچيدگي) محدود مي‌شود، به طوري كه روكش‌دهي فلزات تنها توسط غلطك‌كاري يا جوشكاري لايه‌اي امكان‌پذير است.

معمولاً هدف از پوشش‌دهي صفحات با صفحه‌اي از جنس ديگر، نياز به مقاومت در برابر خوردگي، بهبود انتقال حرارت، بالابردن مقاومت يا استحكام قطعه، بهبود خواص الكتريكي و غيره است. معمولاً براي فرايندهاي شيميايي، از پوشش‌هايي گران‌قيمت نظير نيكل، فولاد ضدزنگ، تيتانيم و... استفاده مي‌شود. مثلاً، اگر بخواهيم از فولاد ضدزنگ در مخازن استفاده كنيم و مخزن را يكپارچه بسازيم، هزينه زيادي صرف كرده‌ايم. در صورتي كه ساخت مخزن توسط لايه‌اي نازك از اين فولاد به صورت پوششي روي فولاد معمولي و توسط جوشكاري انفجاري، هزينه را بسيار پايين مي‌آورد.

مزاياي جوشكاري انفجاري را مي‌توان به صورت زير فهرست كرد:

1. ساخت مخازن از 2 لايه تا چند لايه
2. اتصال فلزات غيرهمجنس، مثلاً فولاد و آلومينيم، در صنايع كشتي‌سازي نتايج خوبي را ارائه كرده است.
3. جوشكاري فلزات با درجات ذوب متفاوت كه نمي‌توان توسط جوشكاري ذوبي آنها را به هم جوش داد.
4. كاهش هزينه‌هاي اتصال قطعات، به ويژه قطعات بزرگ.

گفتيم كه يكي از گسترده‌ترين كاربردهاي جوشكاري انفجاري در روكش‌دهي صفحات مسطح است، اما كاربردهاي بسيار ديگري نيز مي‌توان براي آن درنظر گرفت كه برخي از آنها عبارتند از:

1. روكش‌دهي صفحات مسطح
2. جوشكاري سطوح استوانه‌اي

الف- جوشكاري داخلي استوانه‌هاي هم مركز

ب- روكش‌دهي داخلي و خارجي استوانه‌ها

پ- روكش‌دهي نازك‌ها

ت- جوشكاري لوله به صفحه

ث- جوشكاري سربه‌سر لوله به لوله

3. جوشكاري خطي لب به لب صفحات مسطح

4. جوشكاري مقاطع توخالي (رادياتورها)

5. روكش‌دهي سيم‌ها و مفتول‌ها

 

منابع:

1.High Energy rate forming. Pearson 1961.

2. Explosive welding and it's Application's. oxford.

3. welding journal. 1993.

منبع: انجمن علمی متالورژی دانشگاه آزاد کرج