EBW: Equipos, diseño de juntas y aplicaciones

Después de leer este artículo, aprenderá acerca de: - 1. Introducción a la soldadura por haz de electrones (EBW) 2. Equipo requerido para la soldadura por haz de electrones (EBW) 3. Características del proceso 4. Diseño y preparación de la junta de soldadura 5. Características y calidad de la soldadura 6. Variantes 7. Aplicaciones.

Introducción a la soldadura por haz de electrones (EBW) :

El final de la Segunda Guerra Mundial comenzó una carrera entre naciones por la supremacía en el espacio y la investigación nuclear. Esto requirió el uso de metales reactivos (como el titanio y el circonio) y refractarios (como el tungsteno, el molibdeno y el tantalio). La unión de estos metales mediante los procesos de soldadura de fusión por fusión establecidos en ese momento dieron como resultado la absorción rápida de oxígeno, nitrógeno e hidrógeno por parte de los metales reactivos durante los ciclos de soldadura y post-soldadura, lo que resultó en su reducida ductilidad.

La fusión y la recristalización de metales refractarios, por otro lado, elevaron el rango de temperatura de transición dúctil a frágil por encima de la temperatura ambiente. Debido a estos inconvenientes, se requirió soldar estos metales a presiones de 10 -4 torr o menos para lograr las soldaduras de la calidad deseada y eso llevó al desarrollo de la soldadura por haz de electrones.

La soldadura por haz de electrones (EBW) es un proceso en el cual un haz de electrones se hace para incidir en la superficie de trabajo y calentarla en el lugar deseado. Como un electrón es una partícula muy diminuta con un radio de 2.82 × 10 -12 mm y una masa de 9.109 × 10 -28 gm; por lo que no puede recorrer ninguna distancia significativa en el aire u otros gases. Por lo tanto, la creación de vacío es un requisito esencial para que un haz de electrones se materialice en la dirección deseada.

Sin embargo, cuando se crea el nivel de vacío requerido, el haz de electrones puede viajar distancias bastante largas y fundir cualquier cerámica o metal conocido. Por lo tanto, es un proceso que se ha establecido básicamente para fabricar metales refractarios y reactivos costosos y difíciles de soldar.

Equipo requerido para la soldadura por haz de electrones (EBW):

El equipo utilizado para EBW es bastante compacto y consta básicamente de dos partes principales, a saber, la pistola EBW y la cámara de trabajo. Dependiendo de las conexiones eléctricas, la pistola EBW puede ser del tipo acelerado por el trabajo o del tipo autoacelerado; y en función del sistema utilizado para controlar la corriente del haz, la pistola autoacelerada puede ser del tipo de válvula de diodo o del tipo de válvula de triodo.

Dependiendo de la extensión del vacío en la cámara de trabajo, todos estos tipos de pistolas de soldadura también se clasifican en tipos de alto vacío, medio vacío y no vacío. De manera similar, en función del voltaje utilizado para acelerar la velocidad de los electrones, las pistolas se conocen como tipos de bajo y alto voltaje. Por lo tanto, la clasificación general de las pistolas EBW se puede representar como se muestra en la Fig. 14.1.

Los componentes principales de la pistola EBW incluyen el cátodo o el filamento para emitir electrones, el sistema de aceleración de electrones, los dispositivos de emisión y enfoque, el sistema de visión u óptica y la cámara de trabajo o de vacío que incorpora el sistema de desplazamiento de trabajo y, a veces, los dispositivos de seguimiento de costura También se incluye para garantizar soldaduras libres de defectos de alta calidad. La figura 14.2 proporciona una representación esquemática de la mayoría de los componentes de una pistola EBW típica.

Características del proceso de soldadura por haz de electrones (EBW):

Las soldaduras producidas por EBW son típicas en su forma, ya que se forman la penetración de la cabeza de clavo de freír, lo que la diferencia de la penetración de los dedos en el proceso de soldadura de arco metálico con gas de corriente alta (GMAW), como se muestra en la Fig. 14.4.

Este tipo de penetración de la cabeza de clavo se logra a través de un fenómeno llamado llave de llave. En esta técnica, la corriente de electrones penetra en la superficie del trabajo a una distancia de aproximadamente 25 micrones. A medida que la corriente de electrones se adentra más profundamente en el material, los electrones se dispersan, se ralentizan y se detienen por colisiones con los átomos de la estructura del material, lo que resulta en el calentamiento de un volumen en forma de pera.

La superficie delgada superior no afectada se rompe, lo que resulta en la apertura de un canal que libera la alta presión interna desarrollada, así como una rápida corriente de material evaporado. El material de escape mantiene el canal abierto. Este proceso se repite en las capas subsiguientes de la pieza de trabajo hasta la penetración profunda. El orificio de vapor con paredes fundidas, que se muestra en la figura 14.5, se logra al gastar la energía del haz.

El metal fundido de la parte delantera del orificio de vapor fluye alrededor de su periferia y se solidifica en la parte posterior para formar metal de soldadura a medida que la viga avanza a lo largo de la línea de soldadura. Por lo tanto, la penetración es mucho más profunda que el ancho de la soldadura, y la zona afectada por el calor es muy estrecha; por ejemplo, el ancho de la soldadura en una soldadura a tope de penetración completa en una placa de acero de 13 mm de espesor puede ser tan pequeño como 1-5 mm. El ancho a la relación de penetración hasta 50, en soldaduras de acero, se ha alcanzado.

La dependencia del mecanismo de apertura de la llave en la formación de vapor y la tensión superficial significa que los metales difieren en la facilidad con la que pueden penetrar por el haz de electrones. Se informa que la penetración aumenta a medida que disminuye el calor de formación de vapores. Esto explica por qué el tungsteno es más difícil de penetrar que el aluminio. La penetración en EBW también es inversamente proporcional al punto de fusión y la conductividad térmica y proporcional a la raíz cuadrada de la difusividad térmica del material que se está soldando.

Diseño y preparación de juntas de soldadura para EBW:

Las juntas hechas comúnmente por el proceso EBW, como se muestra en la figura 14.11, incluyen los tipos de tope, esquina, regazo, borde y T o sus modificaciones para adaptarse a aplicaciones particulares, utilizando la preparación de bordes cuadrados. Las soldaduras de filete normales son difíciles de soldar y, por lo tanto, generalmente se evitan.

La preparación del borde de tope cuadrado exige el uso de accesorios para mantener los componentes de trabajo en la alineación requerida; sin embargo, cuando se deben evitar los accesorios, la junta puede modificarse al tipo de conejera como se muestra en la figura 14.11 (b). Eso también asegura la auto alineación.

Si se va a aumentar el área de metal de soldadura, como en el caso de unir tubos delgados, los bordes pueden estar escarpados. Sin embargo, la preparación y el ajuste del borde de la bufanda es más difícil de hacer. Los filetes de borde, costura y solapa se utilizan principalmente para unir chapa solamente.

La contaminación del metal de soldadura puede causar porosidad o agrietamiento, así como el deterioro de las propiedades mecánicas. Por lo tanto, es imperativo limpiar la junta a fondo antes del ajuste y la alineación. La acetona es un disolvente preferido para limpiar los componentes para EBW; Sin embargo, la acetona es altamente inflamable y debe manejarse con mucho cuidado.

Para evitar un llenado insuficiente o una fusión incompleta, las juntas deben prepararse cuidadosamente para lograr un buen ajuste y alineación. El espacio entre las superficies de contacto debe ser lo más pequeño posible con un máximo de 0, 125 mm; sin embargo, las aleaciones de aluminio pueden tolerar espacios algo más grandes que los aceros.

Normalmente, en EBW está destinado a no usar metal de aportación, por lo tanto, la junta de soldadura se elige en consecuencia. Sin embargo, a veces se agrega metal de relleno para llenar la junta durante un segundo pase o un pase cosmético para proporcionar un espesor completo. El equipo de alimentación de alambre de relleno suele ser similar al empleado para la soldadura con arco de tungsteno con gas, aunque las necesidades específicas pueden requerir el uso de unidades especialmente diseñadas para su uso en cámaras de vacío. Los diámetros del alambre de relleno son generalmente pequeños con un máximo de aproximadamente 0-5 mm y el alambre se introduce en el borde delantero del pequeño grupo de soldadura.

A veces se puede agregar metal de aportación para lograr las características físicas o metalúrgicas deseadas del metal de soldadura; Las características así controladas pueden incluir ductilidad, resistencia a la tracción, dureza y resistencia al agrietamiento. La adición de una pequeña cantidad de alambre de aluminio o calza, por ejemplo, puede resultar en la producción de acero muerto y eso reduce la porosidad.

Características de la soldadura y calidad de EBW:

Debido a las altas relaciones de penetración a ancho de las soldaduras EB, se obtienen dos ventajas distintas, a saber, las placas relativamente gruesas se pueden soldar en una sola pasada y se pueden usar velocidades de soldadura mucho más altas que las que se pueden obtener en la soldadura por arco.

Se pueden soldar varios metales para obtener una relación de profundidad a anchura de hasta 50. Usando una preparación de borde cuadrado, las planchas de aluminio de hasta 450 mm de grosor se pueden soldar en una sola pasada, aunque en acero, el grosor correspondiente generalmente se limita a 300 mm .

El proceso EBW de alto vacío es una herramienta excelente para soldar metales diferentes de diferentes espesores, así como para la reparación de componentes imposibles de salvar mediante otros procesos. Generalmente, no se requiere precalentamiento incluso para soldadura, materiales de alta conductividad, con EBW.

Aunque el EBW es un proceso de alta densidad de potencia, la entrada de energía por unidad de unidad es baja, como se observa en la tabla 14.3. Esta característica del proceso conduce a dos ventajas, a saber, reduce el tamaño de la zona afectada por el calor y minimiza la distorsión. El metal de soldadura en las soldaduras EB tiene propiedades mecánicas normalmente similares a las del metal base.

Las variables de proceso se pueden controlar para lograr un alto grado de confiabilidad y reproducibilidad en las soldaduras. Sin embargo, en comparación con los procesos de soldadura por arco, se requieren tolerancias de mecanizado más estrechas para realizar soldaduras EB. Además, existe una probabilidad de evaporación de metales de alta presión de vapor durante la soldadura.

Variantes del proceso EBW:

Las características 80 discutidas hasta ahora se refieren principalmente a las pistolas EBW de tipo de alto vacío. Sin embargo, el alto vacío de EBW es un proceso de baja producción y alto costo. Por lo tanto, se emplea para soldar componentes muy críticos principalmente de metales reactivos. Existen dos variantes o modos del proceso principal, a saber, EBW de vacío medio y EBW sin vacío.

1. Medio vacío EBW:

Mientras que el EBW de alto vacío se lleva a cabo en un rango de presión de 10 -3 a 10 -6 torr, el EBW de medio vacío emplea un rango de presión de 10 -3 a 25 torr. Dentro de estos límites, el rango de presión entre 10 -3 y 1 torr se conoce como 'vacío suave o parcial' y de 1 a 25 torr se llama 'vacío rápido'. El proceso de vacío medio conserva la mayoría de las ventajas de la soldadura de alto vacío y con una capacidad de producción mejorada.

En una pistola EBW de vacío medio, el haz se genera en alto vacío y luego se proyecta en la cámara de soldadura con vacío suave o rápido, como se muestra en la Fig. 14.14. Esto se logra a través de un orificio que es lo suficientemente grande como para que pase el haz, pero no permite una difusión significativa de los gases desde la cámara hasta la columna de la pistola.

Una ventaja importante del EBW de vacío medio es que los requisitos para el bombeo de vacío se reducen considerablemente, lo que se traduce en grandes ganancias en términos comerciales y económicos. Esta variante es ideal para tareas de producción en serie, por ejemplo, los engranajes se pueden soldar con éxito a los ejes en su condición de maquinado final sin involucrar ninguna operación de acabado posterior mientras se mantienen las tolerancias cercanas.

Debido a la mayor presencia de aire en modo de vacío medio (100 ppm), el proceso es menos satisfactorio que la soldadura de alto vacío para metales reactivos. Sin embargo, este proceso se encuentra adecuado para la soldadura de metales refractarios en los que se puede tolerar la absorción de pequeñas cantidades de oxígeno y nitrógeno.

2. EBW sin vacío :

La soldadura sin vacío se realiza a presión atmosférica, aunque la pistola EB debe mantenerse a una presión de 10 a 4 torr o menos para una soldadura estable y eficiente.

El EB en soldadura sin vacío es sacado del sistema de vacío a través de una serie de cámaras evacuadas con pequeñas aberturas, como se muestra en la figura 14.15, de manera tal de minimizar el flujo de gases atmosféricos hacia la columna de la pistola. La cámara de trabajo puede estar llena de helio, ya que ofrece menos obstrucción a la EB y da una mejor forma de penetración que la obtenida con argón o aire como atmósfera. Además, para una penetración dada y una distancia de pistola a trabajo, el blindaje de helio permite la soldadura a una velocidad de soldadura significativamente mayor.

Cuanto mayor es el voltaje de aceleración, más se desplaza el haz en gas a presión atmosférica y se utilizan voltajes de 150 a 175 KV. Además del voltaje de aceleración, la potencia del haz, la velocidad de desplazamiento, la distancia entre la pistola y el trabajo, y el gas de protección son variables importantes del proceso. La figura 14.16 muestra la penetración de la soldadura como una función de la velocidad de desplazamiento para tres niveles de potencia diferentes de un EBW sin vacío que indica el aumento significativo de la velocidad de desplazamiento al aumentar la potencia para una penetración determinada.

El EBW sin vacío muestra una mayor penetración a un nivel de potencia superior a 50 KW, lo que ha hecho posible soldar acero de más de 25 mm de grosor con el tipo de penetración tipo ojo de cerradura que es característico de EBW; esto también ayuda a soldar a velocidades muchas veces más que las posibles con soldadura por arco sumergido.

La principal ventaja del sistema sin vacío es que se permite que el trabajo permanezca a la presión atmosférica y eso conduce a mayores tasas de producción con costos reducidos. Además, el tamaño de la soldadura puede no estar limitado por la cámara. Sin embargo, estas ventajas se obtienen a expensas de bajas relaciones de profundidad a ancho de soldadura, menor penetración de la soldadura y pequeñas distancias entre la pistola y el trabajo.

Los materiales que pueden soldarse con un sistema EBW sin vacío incluyen carbono, baja aleación y aceros inoxidables, aleaciones para altas temperaturas, aleaciones refractarias y aleaciones de cobre y aluminio. Algunos de estos metales se pueden soldar al aire, mientras que otros necesitan una atmósfera inerte que se obtiene generalmente mediante el uso de argón o helio como gas protector.

Aplicaciones de la soldadura por haz de electrones (EBW):

Todos los metales y aleaciones que pueden soldarse por fusión con otros procesos pueden, por regla general, ser soldados por EBW también. Estos pueden incluir aceros estructurales, aceros duros, aceros inoxidables, titanio, circonio, tungsteno, molibdeno, berilio, renio, tantalio y columbio. También se pueden soldar combinaciones de metales diferentes que sean compatibles con la metalurgia. Sin embargo, EBW se utiliza principalmente para aplicaciones que involucran alta precisión y alta tasa de producción.

Las aplicaciones de alta precisión requieren soldadura en un entorno de alta pureza para evitar la contaminación debido al oxígeno y el nitrógeno de la atmósfera. Tales aplicaciones son el principal requisito de las industrias nuclear, aeronáutica, aeroespacial y electrónica. Los productos típicos producidos por este proceso incluyen elementos de combustible nuclear, componentes de motores a reacción de aleaciones especiales, recipientes a presión para sistemas de propulsión de cohetes y dispositivos de vacío herméticamente sellados, como sellado de transistores, microinterruptores, etc.

Los ejemplos típicos de aplicaciones de alta tasa de producción incluyen componentes como engranajes, bastidores, columnas de dirección, piezas de transmisión y transmisión de automóviles, tubos de paredes delgadas, soldadura de acero de alta velocidad a la sierra de cinta y cuchillas de sierra mecánica.

Las formas especiales que requieren una penetración profunda como las que se muestran en la Fig. 14.12 son posibles solo con EBW. La Fig. 14.13 muestra tipos de uniones que son exclusivas de la soldadura por haz de electrones; Soldar en un hueco, soldar una unión en T con una punta y soldar varias uniones simultáneas.

La mayoría de las soldaduras en EBW están hechas sin metal de relleno. Sin embargo, si se produce una forma de relleno insuficiente o desfavorable de la perla, se puede rectificar con un pase cosmético posterior, siempre que la pieza de trabajo no se mecanice después de la soldadura. Esto se hace pasando el cordón de soldadura nuevamente usando un haz de menor potencia con giro de la viga o tejido aplicado por las bobinas de desviación.

Algunas de las aplicaciones industriales específicas de EBW incluyen la soldadura de engranajes de grupo, el rotor del compresor de titanio y el eje de potencia de un motor de turbina de gas, un inyector de motor de cohete hecho de aleación de aluminio 5083, dispositivos de calefacción termoiónica y para la unión de componentes metálicos de alta temperatura como fuelles de columbio. .