در این مقاله به یکی از تکنیک‌های جدید جوشکاری به نام جوشکاری انفجاری (Explosive welding) فلزات همسان و غیرهمسان پرداخته می‌شود. مکانیزم این نوع جوشکاری و پارامترهای اساسی آن تشریح و در ادامه مزایا و معایب این نوع جوشکاری بررسی می‌شود. همچنین با اشاره به برخی از کاربردهای این روش در صنعت، مواد منفجره‌ای که می‌توان از آنها استفاده کرد، مورد بررسی قرار می‌گیرد.
جوشکاری؛ یکی از تکنیک‌های اساسی اتصال موادجوشکاری یکی از تکنیک‌های اصلی اتصال مواد محسوب می‌شود. تحلیل علمی و فنی جوشکاری با تکیه بر فرایندهای مختلف آن و به ویژه در مورد قطعات فولادی، یکی از موارد مهمی است که در زمینه طراحی اتصالات می‌تواند مورد توجه قرار گیرد. برای جوشکاری و اتصال دو فلز باید آنها را آن قدر به یکدیگر نزدیک کرد تا فاصله‌شان کمتر یا برابر با فاصله تعادل بین اتمی شود (کمتر از 10 آنگسترون) به این منظور باید سطوح از هر گونه اکسید یا مواد خارجی پاکیزه شود که دستیابی به چنین درجه‌ای از پاکیزگی از راه‌های متداول مکانیکی و شیمیایی میسر نیست. (اکسیداسیون)
در روش‌های مختلف جوش ذوبی، ذوب نسبی اجزا در یک ناحیه مشترک رخ می‌دهد، مواد زاید به سطح مذاب رانده می‌شود و در پروسه انجماد، اتصال متالورژیکی بین اجزا فراهم می‌آید.

جوشکاری انفجاری یک جوشکاری حالت جامد است که در آن از انفجار یک ماده منفجره کنترل شده استفاده می‌شود تا دو فلز در فشار بالا به هم متصل شوند و سیستم مرکب حاصل، یک اتصال متالورژیکی پایدار است. اولین مشاهدات این روش طی جنگ جهانی اول، زمانی که ترکش‌های بمب‌های منفجر شده به مواد فلزی اصابت می‌کرد، دیده شد.

در این مقاله به یکی از تکنیک‌های جدید جوشکاری به نام جوشکاری انفجاری (Explosive welding) فلزات همسان و غیرهمسان پرداخته می‌شود. مکانیزم این نوع جوشکاری و پارامترهای اساسی آن تشریح و در ادامه مزایا و معایب این نوع جوشکاری بررسی می‌شود. همچنین با اشاره به برخی از کاربردهای این روش در صنعت، مواد منفجره‌ای که می‌توان از آنها استفاده کرد، مورد بررسی قرار می‌گیرد.

 
جوشکاری؛ یکی از تکنیک‌های اساسی اتصال مواد
جوشکاری یکی از تکنیک‌های اصلی اتصال مواد محسوب می‌شود. تحلیل علمی و فنی جوشکاری با تکیه بر فرایندهای مختلف آن و به ویژه در مورد قطعات فولادی، یکی از موارد مهمی است که در زمینه طراحی اتصالات می‌تواند مورد توجه قرار گیرد. برای جوشکاری و اتصال دو فلز باید آنها را آن قدر به یکدیگر نزدیک کرد تا فاصله‌شان کمتر یا برابر با فاصله تعادل بین اتمی شود (کمتر از 10 آنگسترون) به این منظور باید سطوح از هر گونه اکسید یا مواد خارجی پاکیزه شود که دستیابی به چنین درجه‌ای از پاکیزگی از راه‌های متداول مکانیکی و شیمیایی میسر نیست. (اکسیداسیون)

در روش‌های مختلف جوش ذوبی، ذوب نسبی اجزا در یک ناحیه مشترک رخ می‌دهد، مواد زاید به سطح مذاب رانده می‌شود و در پروسه انجماد، اتصال متالورژیکی بین اجزا فراهم می‌آید.

جوشکاری انفجاری یک جوشکاری حالت جامد است که در آن از انفجار یک ماده منفجره کنترل شده استفاده می‌شود تا دو فلز در فشار بالا به هم متصل شوند و سیستم مرکب حاصل، یک اتصال متالورژیکی پایدار است. اولین مشاهدات این روش طی جنگ جهانی اول، زمانی که ترکش‌های بمب‌های منفجر شده به مواد فلزی اصابت می‌کرد، دیده شد.

روش
جوشکاری انفجاری تحت تاثیر ضربه مایل با سرعت بالا انجام می‌پذیرد که مکانیسم اساسی آن بر پایه اتصال مولکولی است. صفحه بالایی موسوم به صفحه پرنده تحت زاویه a نسبت به صفحه زیرین موسوم به صفحه ساکن توسط یک لایه ضربه‌گیر محافظت می‌شود. یک لایه از ماده منفجره به صورت ورقه و یا به شکل پودر، روی صفحه فلزی بالایی قرار می‌گیرد و چاشنی در انتهای پایینی عمل می‌کند و باعث می‌شود صفحه فلزی بالا با سرعت زیاد به سطح صفحه فلزی زیرین ـ که روی سندان قرار دارد ـ چسبیده شود.
پدیده تشکیل جت برای اتصال ضروری است و تحت شرایط خاصی که با سرعت صفحه فوقانی و زاویه برخورد در ارتباط است امکان‌پذیر می‌شود. لایه جهنده‌ای از ذرات مسطح دو فلز تشکیل می‌شود و به موازات رانده شدن آن از سیستم، دو صفحه در هم فشرده می‌شوند و اتصال در فاز جامد در طول فصل مشترک به وجود می‌آید. قشری از سطح دو صفحه پرنده و ساکن که معمولاً محل تجمع اکسیدها و ناخالصی‌های دیگر است، جدا می‌شود و در همسایگی نقطه Q که در آن فشار فوق‌العاده‌ای وجود دارد، دو صفحه عاری از اکسیدها و مواد ناخالصی به یکدیگر متصل می‌شوند و به این ترتیب جوش تشکیل می‌شود و توسعه می‌یابد. با توجه به (شکل 1) وجود حالت موجی در فصل مشترک صفحات پس از جوشکاری انفجاری با تهیه نمونه متالوگرافی و بررسی میکروسکوپی به سهولت قابل مشاهده است. وجود حالت موجی در فصل مشترک، معرف استحکام اتصال است و مکانیسم تنش‌های موجی (موج‌های تنش) را می‌توان عامل تشکیل آن دانست.
جوشکاری انفجاری برای اتصال ورقه‌های فلزی مقاوم در مقابل خوردگی به ورق‌های ضخیم و سنگین‌تر فلز پایه (عملیات روکش‌دهی)، به خصوص در مواردی که سطوح تماس وسیع باشند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. نتیجه کار، یک جوش دمای پایین است که در آن آرایش سطوح تماس به شکل یک سری موج‌های متداخل و متصل به هم است. (شکل 2) استحکام اتصال بسیار زیاد است و صفحاتی را که به این روش روکش داده شده‌اند، می‌توان تحت فرایندهای مختلف دیگر شامل کاهش ضخامت به وسیله نورد، قرار داد. از آنجا که این روش یک فرایند جوشکاری حالت جامد است، زوج‌های بسیار متنوعی از فلزات غیرهمجنس را به راحتی می‌توان با این روش به یکدیگر متصل کرد.

فرایند اتصال دو صفحه را می‌توان به سه مرحله اصلی تقسیم کرد:

الف) بروز انفجار

ب) تغییر شکل و شتاب یافتن صفحه پرنده

ج) برخورد بین صفحات پرنده و ساکن

 پارامترهای موثر در فرایند جوشکاری انفجاری عبارتند از:

الف) سرعت صفحه پرنده Vp

ب) سرعت نقطه تصادم Vc

ج) زاویه دینامیکی برخورد b

 1-     چون تشکیل جت از ذرات سطح دو صفحه برای اتصال ضروری است، زاویه b باید از حد مینیمم تجاوز کند.

2-     سرعت صفحه پرنده Vp و سرعت نقطه برخورد Vc باید کوچکتر از سرعت صوت در اجزای اتصال باشد.

3-     حداقل فشار ضربه لازم است تا انرژی کافی برای ایجاد اتصال به وجود آید. البته این انرژی نباید از مقدار بحرانی تجاوز کند؛ در غیر این صورت زمینه تشکیل نواحی مذاب را فراهم خواهد کرد.

4-     فاصله مناسبی را باید بین صفحات در نظر گرفت تا صفحه پرنده شتاب یابد و سرعت ضربه مورد نیاز تامین شود.

 
ماده منفجره

مقدار و جنس ماده منفجره در تعیین کیفیت جوش تاثیر بسزایی دارد. اگر میزان ماده منفجره از مقدار بحرانی کمتر باشد، سطوح جوش به دست آمده به صورت تخت خواهد بود و جوشی با مقاومت پایین به دست می‌آید و اگر بیشتر باشد سطوح جوش در هم فرو می‌روند و شکل موج مانند به خود می‌گیرند و استحکام جوش بالا می‌رود. اگر مقدار مواد منفجره بیش از اندازه باشد، سرعت انفجار بیش از 120 درصد سرعت صوت در فلزات می‌شود و امکان ذوب سطوح تماس پیش می‌آید. البته این در مواقعی باعث افزایش مقاومت جوش می‌شود. برای مثال در آلیاژ تیتانیم به فولاد ضد زنگ 304 (stainless steel 304) مقاومت برشی تا Mpa 480 افزایش می‌یابد.

سرعت انفجاری بعضی از مواد منفجره در (جدول 1) آورده شده است.

 
کاربردها

1-     یکی از روش‌های روکش، استفاده از فرایند جوشکاری انفجاری است که رشد روزافزونی دارد. جلوگیری از خوردگی و بهبود کیفیت، انتقال حرارت، افزایش مقاومت در مقابل تنش‌ها، بهبود خواص الکتریکی و... از ویژگی‌های این فرایند است.

2-     اتصال پره‌های سرمایی (سردکننده‌ها)

3-     اتصال فلزات غیرهمسان آلومینیم به استیل، مس به فولاد زنگ نزن (Stainless steel : همبستگی از آهن و کربن و کروم و منگنز با درصدهای 90 و 5/0 و 8 و 5/0، نقطـه ذوب C ْ1510 و چگالی 74/7)، تنگستن به استیل و جوشکاری فلزات آهن ـ مس، تیتانیم ـ آلومینیم، فولاد زنگ نزن ـ اینکونل (Inconel: همبستگی از نیکل و آهن و کروم با درصدهای 80 و 6 و 14 که قدرت زیادی در دماهای بالا دارد)، آلومینیم ـ‌ آهن و غیره

4-     کاربردهای دیگر در مخازن و فرایندهای شیمیایی، صنایع کشتی سازی و صنایع کریوژنیک و غیره

 
مزایا

1-     با جوشکاری انفجاری می‌توان بیشتر فلزات غیرهمسان را که در شرایط عادی قابل جوشکاری نیستند، به هم وصل کرد.

2-     کمبود حرارت از رفتارهای فلزی جلوگیری می‌کند.

3-     این فرایند ساده و قابل حمل و نقل است.

4-     ارزان و مقرون به صرفه است.

5-     به آماده کردن سطوح نیازی نیست.

6-     اندازه صفحه پایینی هیچ محدودیتی ندارد.

7-     اتصال یکپارچه قطعه را میسر می‌کند.

 
محدودیت‌ها

1-     فلزات باید مقاومت به ضربه و قابلیت شکل‌پذیری بالایی داشته باشند.

2-     صفحه بالایی (صفحه پرنده) نمی‌تواند خیلی بزرگ باشند.

3-     سر و صدا و جریان سریع هوا به حمایت کاربر به محفظه‌های خلائی نیاز دارد. (تدفین در شن یا آب)

4-     استفاده از مواد منفجره در مناطق صنعتی به علت سر و صدا و زمین‌لرزه‌های حاصل از انفجار محدود است.

 
نتیجه‌گیری

با استفاده از نیروی حاصل از انفجار، بر محدودیت های روش‌های متداول جوشکاری فائق می‌آییم و می‌توانیم بدون نیاز به تجهیزات ویژه برای برخی از مشکلات مربوط به صنایع شیمیایی، صنایع هوا و فضا و صنایع کشتی سازی راه‌حل‌های مناسبی جست و جو کنیم.

اتصال دو قطعه فلزی بر اثر ضربه تحت شرایط معینی از نظر سرعت ضربه و زاویه دینامیکی ضربه امکان‌پذیر است. هر گاه برخورد قطعات فلزی با استفاده از ماده منفجره صورت گیرد، شیوه اتصال را جوشکاری انفجاری می‌نامند. اتصال قطعات فلزی در فاز جامد تحت ضربه مایل و بدون نیاز به منبع حرارتی و ذوب ممکن است. هرگاه پارامترهای موثر بر فرایند به دقت کنترل شود، اتصال یا جوش انفجاری از کیفیت بسیار بالایی برخوردار خواهد بود.

موارد حاصل از جوشکاری انفجاری به طور مختصر عبارتند از:

1-     اتصال کامل سطحی فلزات همجنس و غیرهمجنس و تولید قطعات فلزی مرکب

2-     ایجاد پوشش مقاوم از فلزاتی نظیر تیتانیم بر سطح فولاد و تولید قطعات مرکبی که بتوانند درجه حرارت بالا و حملات شیمیایی را تحمل کنند و در برابر خوردگی و سایش مقاوم باشند.

3-     تولید مخازن دوجداره که سطح داخلی‌شان در برابر عوامل خورنده مقاوم و لایه بیرونی‌شان دارای استحکام مکانیکی لازم باشد.

4-     تولید لوله‌های استوانه‌ای دوجداره

5-     تولید ظروف دوجداره که در آنها از خواص متفاوت دو فلز بتوان بهره گرفت.

6-     اتصال لوله‌های فلزی به بدنه‌های فلزی

7-     اتصال لوله‌های همجنس و غیرهمجنس و تولید اتصالات مطمئن در صنایع شیمیایی و صنایع هوا و فضا.

 
منابع

1- CROSSLAND and WILLIAMS, J. D., “Explosive Welding”. Met. Rev. P. 79, 1970

2- KUDINOV, V. A. and KOROTEEV, in Russian, 1978

3- COWAN, G. R., BERGMANN, R. and HOLTZMAN, A. H., “Mechanism of Bond Zone Wave Formation in Explosive Clad Metals”, Met. Trans., 2, p. 3145, 1974.

4- REYD, S. R., A Discussion of the mechanism of Interface Wave Generation in Explosive Welding”, Int, Jnj. Sci, 16, p. 399, 1974.

5- Dr. R. S. Parmar, “Welding Engineering and Technology