Soldadura por haz de electrones

Soldadura por haz de electrones (EBW) es una fusión de soldadura proceso en el que una rayo de alta velocidad electrones se aplica a los materiales a unir. Las piezas de trabajo se funden como la energía cinética de los electrones se transforma en calor en el impacto, y el metal de relleno, si se utiliza, también se funde para formar parte de la soldadura. La soldadura se hace a menudo en condiciones de una vacío para evitar la dispersión del haz de electrones. El proceso fue desarrollado por el físico alemán Karl-Heinz Steigerwald, que era en el momento de trabajar en varias aplicaciones de haz electrónico, percibe y se desarrolló la primera práctica máquina de soldadura por haz de electrones que empezó a funcionar en 1958.

Operación

Cuando los electrones chocan con la pieza de trabajo, su energía se convierte en calor, vaporización instantánea el metal a temperaturas cerca de 25 000 ° C . El calor penetra profundamente, por lo que es posible para soldar piezas de trabajo mucho más gruesas que es posible con la mayoría de otros procesos de soldadura. Sin embargo, debido a que el haz de electrones se centra con fuerza, la entrada total de calor es en realidad mucho más baja que la de cualquier proceso de soldadura por arco. Como resultado, el efecto de la soldadura en el material circundante es mínima, y el zona afectada por el calor es pequeña. La distorsión es pequeña, y la pieza se enfría rápidamente, y mientras normalmente una ventaja, esto puede conducir a la rotura en acero de alto carbono. Casi todos los metales se pueden soldar por el proceso, pero el más comúnmente son soldadas aceros inoxidables, superaleaciones, y reactiva y metales refractarios. El proceso también se utiliza ampliamente para realizar soldaduras de una variedad de combinaciones de metales diferentes. Sin embargo, se intenta soldar acero al carbono en el vacío hace que el metal a emitir gases ya que se derrite, por lo desoxidantes deben ser usados para prevenir porosidad de la soldadura. Haz de electrones de soldadura es un proceso muy similar al de rayo láser de soldadura, excepto que los electrones se centran en lugar de fotones en el caso de los láseres. La ventaja de usar un haz de electrones es que la viga no tiene una tendencia a divergir como rayos láser hacen cuando entran en contacto con la pieza de trabajo. Algunos de los usos de la soldadura EB incluyen la fabricación de piezas aeroespaciales y de automoción, así como partes de semiconductores y hasta joyas.

La cantidad de entrada de calor, y por lo tanto la penetración, depende de varias variables, más notablemente el número y la velocidad de los electrones que impactan a la pieza de trabajo, el diámetro del haz de electrones, y la velocidad de desplazamiento. Corriente de haz mayor causa un aumento en la entrada de calor y la penetración, mientras que una mayor velocidad de desplazamiento disminuye la cantidad de entrada de calor y reduce la penetración. El diámetro del haz puede variarse moviendo el punto focal con respecto a la pieza de trabajo-enfocar el haz de debajo de la superficie aumenta la penetración, mientras que la colocación del punto focal encima de la superficie aumenta la anchura de la soldadura.

Los tres métodos principales de cada EBW se aplican en diferentes ambientes de soldadura. El método desarrollado primero requiere que la cámara de soldadura esté en un alto vacío. El material del grosor de 15 cm (6 in) pueden soldarse, y la distancia entre la pistola de soldadura y la pieza de trabajo (la distancia de separación) puede ser tan grande como 0,7 m (30 in). Mientras que el más eficiente de los tres modos, las desventajas incluyen la cantidad de tiempo requerido para evacuar adecuadamente la cámara y el costo de toda la máquina. A medida que avanzaba la tecnología cañón de haz electrónico, se hizo posible realizar EBW en un vacío suave, bajo la presión de 0,1 torrs. Esto permite grandes cámaras de soldadura y reduce el tiempo y el equipo necesario para alcanzar evacuar la cámara, pero reduce la distancia máxima stand-off por medio y disminuye el espesor máximo del material a 5 cm (2 in). El tercer modo EBW se llama nonvacuum o EBW fuera de vacío, ya que se realiza a presión atmosférica. La distancia de separación debe ser disminuida a 4 cm (1,5 pulgadas), y el espesor máximo del material es de unos 5 cm (2 pulgadas). Sin embargo, permite para piezas de trabajo de cualquier tamaño a soldar, ya que el tamaño de la cámara de soldadura ya no es un factor. Un dibujo esquemático puede ser útil

Equipo

El cañón de haz de electrones se utiliza en EBW tanto produce los electrones y los acelera, utilizando una emisor de cátodo caliente hecha de tungsteno que emite electrones cuando se calienta. Los electrones son acelerados a continuación a un hueco ánodo dentro de la columna de la pistola por medio de un diferencial de alta tensión. Pasan a través del ánodo a alta velocidad (aproximadamente 1/2 de la velocidad de la luz) y se dirige entonces a la pieza de trabajo con las fuerzas magnéticas resultantes de enfoque y bobinas de deflexión. Estos componentes están alojados en una rayo de electrones la columna de la pistola, en el que se mantiene un vacío duro (aproximadamente 0,00001 torr).

El poder EBW suministro de tira de una baja corriente (por lo general menos de 1 A), pero proporciona una tensión de hasta 60 kV en máquinas de baja tensión, o 200 kV en máquinas de alta tensión. Las máquinas de alta tensión de alimentación de una corriente tan baja como 40 mA, y pueden proporcionar una soldadura relación de profundidad a anchura de 25: 1, mientras que la relación con un equipo de bajo voltaje es de alrededor de 12: 1. La potencia del haz de una fuente de alimentación es un indicador de su capacidad para hacer el trabajo, y determina la densidad de potencia (generalmente 40-4000 kW / cm² o 100-10.000 kW / pulg²).

Para el alto vacío y métodos EBW vacío suaves, la cámara de soldadura utilizada debe ser hermético y lo suficientemente fuerte como para evitar que se destruya por la presión atmosférica. Debe tener aberturas para que las piezas se pueden insertar y retirar, y su tamaño debe ser suficiente para mantener las piezas de trabajo, pero no significativamente más grandes, como las cámaras más grandes requieren más tiempo para evacuar. La cámara también debe estar equipado con bombas capaces de evacuar a la presión deseada. Para un alto vacío, una bomba de difusión es necesario, mientras que los vacíos suaves a menudo se pueden obtener mediante un equipo menos costoso.