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 راه‌حل‌های تجربی مطرح در این زمینه، خواهیم پرداخت. همچنین، شبیه‌سازی موج‌های فصل مشترک قطعات، خصوصیات مواد منفجره و برخی کاربردهای متداول جوشکاری انفجاری را بررسی خواهیم کرد.

جوشکاری را می‌توان فرایند اتصال دو یا چند جسم (اغلب فلزی) توسط متمرکزکردن نیرو برای یکپارچه کردن جسم نامید. شاید اولین عمل اتصال فلزات در زندگی انسان، لحیم‌کاری بوده که معمولاً از یک فلز واسطه برای اتصال دو فلز استفاده می‌شده است. فرایندهای اولیه جوشکاری نظیر جوشکاری به روش آهنگری یا پرس‌کاری سرد که حدود 4هزارسال پیش توسط انسان مورداستفاده قرار می‌گرفت، فرایندهای جوشکاری در فاز جامد بودند. در قرن حاضر، روش‌های دیگری نظیر جوشکاری اصطکاکی، جوشکاری پاششی و جوشکاری اولتراسونیک که همگی در فاز جامد صورت می‌گیرد، 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 می‌بایستی جوش داده شوند و بسیاری عوامل دیگر بستگی دارد، که بررسی تحلیلی آن را مشکل می‌سازد. مثلاً، مشکلاتی که بر اثر انعکاس امواج صوتی ناشی از انفجار در صفحات به وجود می‌آید، غالباً رضایت‌بخش نیستند، اما چون حجم بسیار زیادی از جوشکاری‌های صنعتی از پوشش صفحات بزرگ تا فرم‌دهی صفحات مرکب برای استفاده در ساختمان مخازن تحت فشار و مبدل‌های حرارتی توسط این روش به نحو بهتری صورت می‌گیرد، اثرات نامطلوب گفته شده، تحت‌الشعاع 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 روش‌های متداول جوشکاری که هم‌اکنون برای اتصال قطعات مختلف به کار می‌روند، 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 باطری‌های الکتریکی، ژنراتورها و استفاده از اکسیژن و استیلن، فرایند جوشکاری به روش ذوبی اختراع شد و تاکنون با ابداع روش‌های نوین جوشکاری پیشرفت‌های زیادی در این زمینه صورت گرفته است که از آن جمله می‌توان به جوشکاری قوسی بافلاکس محافظ، جوشکاری با پرتو الکترون‌ها و جوشکاری با لیزر اشاره کرد.

جوشکاری انفجاری بعد از جنگ جهانی اول موردتوجه قرار گرفت. در طول این جنگ، مشاهده شد تکه‌هایی که از متلاشی‌شدن پوشش فلزی گلوله‌های توپ یا بمب، با سرعت خیلی زیاد رها می‌شدند، در تیرهای فولادی و دیگر سطوح فلزی فرو می‌رفتند، 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 آزمایش‌های 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 ضربه‌ای مایل و با سرعت بالا انجام می‌گیرد. به این ترتیب که انفجار باعث می‌شود تا یک موج ضربه‌ای مایل در فصل مشترک قطعات ایجاد شود. همین امر موجب می‌شود فلز جامد به صورت سیال رفتار کند. بر اثر همین ضربه، قشر جهنده‌ای از ذرات فلز با سرعت زیاد در سطح دو فلز تشکل می‌شود 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 می‌پذیرد.

فرم کلی یک جوش انفجاری در شکل (1) نشان داده شده است. در این شکل، 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 تکیه‌گاه به نام سندان قرار دارد. سطوح فوقانی صفحه پرنده، توسط یک لایه ضربه‌گیر محافظت می‌شود و این قشر ضربه‌گیر می‌تواند از لاستیک پلی‌تن یا مقوا و یا حتی یک قشر ضخیم رنگ باشد. یک لایه از مواد منفجره به صورت ورقه‌ای و یا به شکل پودری، بر روی قشر محافظ قرار می‌گیرد.

فشار زیاد برخورد دوصفحه و امواج حاصل از انفجار، باعث به‌وجود آمدن نیروی زیاد می‌شود، به طوری که از مقاومت فلز در ناحیه تماس، می‌توان 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.

شکل2 زمان کوتاهی پس از انفجار را نشان می‌دهد. قبل از اینکه موج به انتهای خرج برسد، جهت سرعت صفحه پرنده پس از انفجار، به سهولت قابل تشخیص نمی‌باشد.

برای انجام جوشکاری انفجاری چند شرط وجود دارد. یکی از آنها این است که وقتی صفحات به صورت موازی قرار می‌گیرند 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 می‌شود.

موج‌های فصل مشترک قطعات

برای درک بهتر موج‌هایی که در فصل مشترک قطعات ایجاد می‌شود، همچنین تحلیل ریاضی فرایند فوق، اهمیت مشاهده جریان روشن می‌شود. گرچه جوش با فصل مشترک مستقیم نیز امکان تولید دارد، اما در شرایط جوشکاری، موج‌ها سبب استحکام جوش خواهند شد.

یکی از روش‌های مشاهده موج‌های فصل مشترک این است که تعداد زیادی لایه‌های فلزات مختلف را روی هر دو صفحه پرنده و ساکن، توسط آبکاری الکتریکی به وجود آورده و پس از عمل جوشکاری، توسط مشاهده متالورژیکی، موج‌ها را مشاهده کرد.

دومین گروه از مکانیزم‌های مشاهده امواج، این است که شرایط را کاملاً شبیه‌سازی کرده و همان شرایط را از طریق جریان‌های مختلف سیالات مشاهده می‌کنند. برای این کار، از جریان سیالاتی که با سرعت‌های مختلف حرکت می‌کنند، استفاده می‌شود. این روش مشاهده امواج در شکل (3) مشاهده می‌شود.

شکل موج‌ها به عدد رینولدز جریان بستگی دارد. برای Re=55 یک جریان کاملاً توسعه یافته خواهیم داشت، اما با افزایش عدد رینولدز، الگوی جریان غیرمنظم و مغشوش می‌شود همان‌طوری که از شکل(3) مشخص است در سرعت‌های بالای (VF) وقتی که فشار برخورد بسیار بالاست، می‌توان جریان را نیوتنی با تقریب خوب فرض کرد.

عدد رینولدز برای صفحاتی که از یک جنس باشند، به صورت:

و برای حالتی که صفحات از دو جنس مختلف باشند، به صورت مقابل محاسبه می‌شود:

که در آن H سختی فلز و برحسب (N/m2)، VF سرعت صفحه پرنده (m/s) و f چگالی برحسب (kg/m3) است.

همان‌طور که قبلاً نیز گفتیم، تشکیل جوش انفجاری به سرعت انفجار و در نتیجه سرعت صفحه پرنده بستگی دارد و می‌بایستی توجه شود که از حدی نیز بیشتر نباشد و کمتر از سرعت صوت در فلزات مورد جوشکاری (تقریبا km/s4) باشد.

در آزمایشاتی که صورت گرفته است، مشخص شده که اگر سرعت انفجار km/s7 باشد، باعث فشار ضربانی بسیار بزرگی می‌شود که تاثیرات قابل توجهی در مقاومت کششی قطعات داشته و پدیده‌ای به شکل از هم گسیختگی را به وجود می‌آورد.

برخی کاربردهای جوشکاری انفجاری

یکی از گسترده‌ترین کاربردهای جوشکاری انفجاری، روکش‌دهی صفحات مسطح است که در مورد صفحات بزرگ به دلیل برخی مشکلات (دفرمه شدن و پیچیدگی) محدود می‌شود، به طوری که روکش‌دهی فلزات تنها توسط غلطک‌کاری یا جوشکاری لایه‌ای امکان‌پذیر است.

معمولاً هدف از پوشش‌دهی صفحات با صفحه‌ای 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 پوشش‌هایی گران‌قیمت نظیر نیکل، فولاد ضدزنگ، تیتانیم و... استفاده می‌شود. مثلاً، اگر بخواهیم از فولاد ضدزنگ در مخازن استفاده کنیم و مخزن را یکپارچه بسازیم، هزینه زیادی صرف کرده‌ایم. در صورتی که ساخت مخزن توسط لایه‌ای نازک از این فولاد به صورت پوششی روی فولاد معمولی و توسط جوشکاری انفجاری، هزینه را بسیار پایین می‌آورد.

مزایای جوشکاری انفجاری را می‌توان به صورت زیر فهرست کرد:
ساخت مخازن از 2 لایه تا چند لایه
اتصال فلزات غیرهمجنس، مثلاً فولاد و آلومینیم، در صنایع کشتی‌سازی نتایج خوبی را ارائه کرده است.
جوشکاری فلزات با درجات ذوب متفاوت که نمی‌توان توسط جوشکاری ذوبی آنها را به هم جوش داد.
کاهش هزینه‌های اتصال قطعات، به ویژه قطعات بزرگ.

گفتیم که یکی از گسترده‌ترین کاربردهای جوشکاری انفجاری در روکش‌دهی صفحات مسطح است، اما کاربردهای بسیار دیگری نیز می‌توان برای آن درنظر گرفت که برخی از آنها عبارتند از:
روکش‌دهی صفحات مسطح
جوشکاری سطوح استوانه‌ای

الف- جوشکاری داخلی استوانه‌های هم مرکز

ب- روکش‌دهی داخلی و خارجی استوانه‌ها

پ- روکش‌دهی نازک‌ها

ت- جوشکاری لوله به صفحه

ث- جوشکاری سربه‌سر لوله به لوله

3. جوشکاری خطی لب به لب صفحات مسطح

4. جوشکاری مقاطع توخالی (رادیاتورها)

5. روکش‌دهی سیم‌ها و مفتول‌ها

منابع:

1.High Energy rate forming. Pearson 1961.

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

3. welding journal. 1993.