Principales variables de proceso en EBW

Este artículo arroja luz sobre las cuatro variables principales del proceso en la soldadura por haz de electrones (EBW). Las variables de proceso son: 1. Voltaje de aceleración 2. Potencia del haz 3. Tamaño del punto del haz 4. Velocidad de soldadura.

Proceso Variable # 1. Voltaje de aceleración:

Con el aumento de la tensión de aceleración, aumenta la penetración de la soldadura. El sistema de alto voltaje (70-150 Kv) permite tamaños de puntos más finos, una mayor distancia focal y mayores distancias de trabajo. Por lo tanto, para largas distancias entre la pistola y el trabajo o la producción de soldaduras paralelas y estrechas, los voltajes de aceleración deben aumentarse para obtener la máxima distancia focal, Fig. 14.6. Esto se debe a que cuando aumenta el voltaje de aceleración, la corriente de haz necesaria para un ajuste de potencia dado disminuye en proporción.

Por lo tanto, con menos electrones en el haz para repeler entre sí, se forma un haz más estrecho según la siguiente relación:

Sin embargo, para el sistema de alto voltaje, las pistolas tienden a ser más largas y con el aislamiento de alto voltaje requerido, es imperativo que la pistola se mantenga estacionaria y que el trabajo se mueva debajo de él.

Para la misma potencia de haz pero menor voltaje de aceleración, la distancia de trabajo tiende a ser más corta y los haces más convergentes. Una pistola de este tipo, si se mantiene estacionaria, exigiría un área de trabajo más pequeña, por lo tanto, a menudo están diseñadas para moverse alrededor de una tarea estacionaria mantenida en la cámara de vacío.

Variable de proceso # 2. Potencia del haz:

La energía cinética de cada electrón viene dada por ½mv ^2, pero v, es decir, la velocidad del electrón es proporcional a la raíz cuadrada del voltaje de aceleración, de modo que la energía de cada electrón es proporcional al voltaje de aceleración. Dado que el número de electrones que llegan por unidad de tiempo es directamente proporcional a la corriente del haz, la potencia del haz se puede expresar en términos del producto del voltaje de aceleración y la corriente del haz, es decir, en vatios. A medida que aumenta la corriente del haz, también aumenta la penetración de la soldadura. La potencia del haz dividida por el área del punto del haz en la superficie de trabajo proporciona la densidad de energía y puede ser tan alta como 5 x 10 ⁹ W / mm ² .

La salida de calor de un haz de electrones que tiene un voltaje de aceleración de 120 KV y una corriente de haz de 12.5 mA se puede calcular de la siguiente manera:

Por lo tanto, en el impacto con superficie de trabajo, se liberan 1507 julios por segundo como energía térmica con un diámetro de punto de haz de 2, 5 mm; esta energía es capaz de curar tungsteno de 6 mm de espesor a 17000 ° C / seg. Un diámetro de haz reducido de 0, 25 mm puede producir teóricamente un aumento de cien veces en la velocidad de calentamiento. Aunque una parte de la energía térmica se pierde por conducción, vaporización y pérdidas de radiación, pero la potencia indicada es lo suficientemente alta como para tener en cuenta la alta relación de penetración de la soldadura a la anchura de la soldadura obtenida con los haces de electrones.

Las unidades EBW pueden tener potencias nominales de 1.25 a 60 KW, pero el rango más común es de 3 a 35 KW. Estas unidades están diseñadas para proporcionar un voltaje de salida y una corriente de haz particulares, como se muestra en la tabla 14.2.

El efecto de la corriente del haz sobre la profundidad de penetración para el acero inoxidable tipo 302 soldado a una velocidad de desplazamiento de 11 a 25 mm / s se muestra en función de la tensión de aceleración en la Fig. 14.7.

Fig. 14.7 Efecto de la corriente del haz en la penetración de la soldadura.

Variable de proceso n. ° 3. Tamaño del punto del haz:

El tamaño del punto del haz en el trabajo es un factor importante, ya que afecta el ancho de la soldadura, así como la densidad de energía y, por lo tanto, la relación de penetración a ancho. Dependiendo de la tensión de aceleración y la corriente del haz, es posible alcanzar un tamaño de punto de haz entre 0-1 y 0-5 mm de diámetro. Sin embargo, no es fácil obtener tamaños de mancha tan pequeños.

Esto se debe a que los electrones en el haz se mueven a diferentes velocidades y durante su paso a través de la lente electromagnética sufren un efecto similar a la aberración esférica en una lente óptica. Por lo tanto, el cono exterior de los rayos se enfoca más cerca que los rayos axiales debido a su proximidad a las piezas polares en la lente magnética donde la intensidad de campo es mayor.

Si bien el voltaje alto y la corriente de haz baja favorecen un tamaño de punto pequeño, es muy difícil obtener el haz de electrones largo, estrecho, denso y finamente deseado deseado para la soldadura. Además, debido a la rotación del haz durante su paso a través de la lente magnética, cualquier asimetría se gira de manera impredecible y problemática de acuerdo con los cambios en el enfoque y la distancia de trabajo.

Fig. 14.8 Efecto del foco que se centra en la geometría y la penetración de las perlas.

Un punto de haz bien enfocado da como resultado una densidad de calor efectiva máxima, por lo que produce una soldadura estrecha de lados paralelos. Desenfocar la viga mediante un enfoque excesivo o un enfoque insuficiente aumenta el tamaño del punto en la superficie de trabajo, lo que da como resultado un cordón de soldadura poco profundo o en forma de V; estos efectos se muestran en la figura 14.8.

Proceso Variable # 4. Velocidad de soldadura:

Para un nivel dado de potencia de haz, la velocidad de soldadura tiene un efecto marcado en la penetración a bajas velocidades de desplazamiento como se muestra en la figura 14.9; Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad, su efecto sobre la penetración continúa reduciéndose. El ancho de la soldadura también disminuye con el aumento de la velocidad de desplazamiento.

Para EBW, la expresión comúnmente aceptada para la tasa de entrada de energía al trabajo es julios por mm de longitud de soldadura como se expresa en la ecuación,

Entrada de energía, J / mm = VI / S = P / S …… (14.2)

dónde,

I = corriente de haz, amperios

P = potencia de haz, vatios o julios / seg.

S = velocidad de soldadura, mm / seg.

Las variables EBW se pueden interpolar gráficamente mediante el uso de la ecuación (14.2) junto con los datos disponibles para soldar diferentes espesores de metal. La Fig. 14.10 muestra datos de este tipo basados ​​en las condiciones establecidas para algunas de las aleaciones soldadas con mayor frecuencia por este proceso. Dichos gráficos son útiles para determinar el requisito de los ajustes iniciales de potencia y velocidad de viaje para soldar una aleación particular de un espesor determinado.

Fig. 14.10 Relación entre potencia, velocidad de soldadura y espesor del material para soldaduras de penetración total por EBW en diferentes materiales.