EBW: sprzęt, wspólne projektowanie i zastosowania
Po przeczytaniu tego artykułu dowiesz się o: - 1. Wstępie do spawania wiązką elektronową (EBW) 2. Sprzęt wymagany do spawania wiązką elektronową (EBW) 3. Charakterystyki procesu 4. Projektowanie i przygotowanie spoiny spawanej 5. Charakterystyka spoiny i jej jakość 6. Warianty 7. Wnioski.
Wprowadzenie do spawania wiązką elektronową (EBW) :
Koniec Drugiej Wojny Światowej rozpoczął wyścig między narodami o zwierzchnictwo w kosmosie i badania nuklearne. Wymagało to użycia metali reaktywnych (takich jak tytan i cyrkon) i materiałów ogniotrwałych (takich jak wolfram, molibden i tantal). Łączenie tych metali przez ustalone wówczas procesy zgrzewania spajanego prowadziło do szybkiego pochłaniania tlenu, azotu i wodoru przez reaktywne metale podczas spawania i po spawaniu, co powodowało ich zmniejszoną ciągliwość.
Z drugiej strony, fuzja i rekrystalizacja metali ogniotrwałych podniosły zakres temperatur przejścia plastycznego do plastycznego powyżej temperatury pokojowej. Ze względu na te wady wymagane było spawanie tych metali przy ciśnieniu 10 -4 tora lub niższym w celu uzyskania pożądanej jakości spoin, co doprowadziło do opracowania spawania wiązką elektronów.
Spawanie wiązką elektronów (EBW) to proces, w którym wiązka elektronów jest uderzana w powierzchnię roboczą, aby ogrzać ją w pożądanym miejscu. Ponieważ elektron jest bardzo małą cząstką o promieniu 2, 82 x 10-12 mm i masie 9 099 x 10-28 g; więc nie może przebyć żadnej znaczącej odległości w powietrzu lub innych gazach. Stworzenie próżni jest zatem zasadniczym wymogiem dla materializacji wiązki elektronów w pożądanym kierunku.
Jednakże, gdy tworzony jest wymagany poziom próżni, wiązka elektronów może przemieszczać się na dość dużych odległościach i topić dowolny znany metal lub ceramikę. Jest to zatem proces, który został zasadniczo ustanowiony do wytwarzania kosztownych i trudnych do spawania reaktywnych i ogniotrwałych metali.
Sprzęt wymagany do spawania wiązką elektronową (EBW):
Sprzęt wykorzystywany w EBW jest dość zwarty i składa się zasadniczo z dwóch głównych części, tj. Pistoletu EBW i komory roboczej. Zależnie od połączeń elektrycznych, pistolet EBW może być typu przyspieszanego lub przyspieszanego; i w oparciu o układ stosowany do sterowania prądem wiązki, samoprzyspieszający się pistolet może być typu zaworu diodowego lub typu zaworu triodowego.
W zależności od stopnia podciśnienia w komorze roboczej, wszystkie te typy pistoletów spawalniczych są również klasyfikowane jako wysokopróżniowe, średnio próżniowe i nie próżniowe. Podobnie, w oparciu o napięcie wykorzystywane do przyspieszania prędkości elektronów, pistolety są określane jako typy niskiego napięcia i wysokiego napięcia. W związku z tym ogólną klasyfikację dział EBW można przedstawić w sposób przedstawiony na rysunku 14.1.
Główne elementy działa EBW obejmują katodę lub włókno do emitowania elektronów, układ przyspieszający elektrony, urządzenia promieniujące i skupiające, system widzenia lub optyki, a próżnia lub komora robocza zawierająca system przemieszczania roboczego, a czasami urządzenia do śledzenia szwów są również w celu zapewnienia wysokiej jakości spawów bez defektów. Rys. 14.2 przedstawia schematycznie większość elementów typowego pistoletu EBW.
Charakterystyka procesu spawania wiązką elektronową (EBW):
Spoiny wytwarzane przez EBW mają typowy kształt, ponieważ są formowane w postaci penetracji głowicy paznokcia, co odróżnia ją od penetracji palcami procesu spawania łukiem elektrycznym wysokoprądowym (GMAW), jak pokazano na rys. 14.4.
Ten rodzaj penetracji paznokcia uzyskuje się poprzez zjawisko zwane dziurkowaniem. W tej technice strumień elektronów wnika w powierzchnię pracy na odległość około 25 mikronów. Gdy strumień elektronów wnika głębiej w materiał, elektrony są rozpraszane, spowalniane i zatrzymywane przez zderzenia z atomami struktury materialnej, co powoduje ogrzewanie gruszki w kształcie gruszki.
Górna, niedotknięta cienka powierzchnia pęka, powodując otwarcie kanału, który uwalnia powstałe wysokie ciśnienie wewnętrzne, jak również gwałtowny strumień odparowanego materiału. Uciekający materiał utrzymuje kanał otwarty. Proces ten powtarza się w kolejnych warstwach przedmiotu aż do głębokiej penetracji. otwór parowy ze stopionymi ścianami, pokazany na ryc. 14.5, osiąga się przez wydatkowanie energii wiązki.
Roztopiony metal z przedniej części otworu oparów przepływa wokół jego obrzeża i zestala się z tyłu, aby utworzyć metal spoiny, gdy belka przesuwa się do przodu wzdłuż linii zgrzewania. W związku z tym penetracja jest znacznie głębsza niż szerokość spoiny, a strefa wpływu ciepła jest bardzo wąska; na przykład szerokość spoiny w spoinie czołowej o pełnej grubości w płytce stalowej o grubości 13 mm może wynosić zaledwie 1-5 mm. Zgłaszano, że stosunek szerokości do penetracji do 50, w spawach stalowych, został osiągnięty.
Zależność mechanizmu kluczowania od tworzenia pary i napięcia powierzchniowego oznacza, że metale różnią się łatwością, z jaką mogą być penetrowane wiązką elektronów. Podaje się, że penetracja wzrasta wraz ze spadkiem ciepła tworzenia oparów. To wyjaśnia, dlaczego wolfram jest trudniejszy do penetracji niż aluminium. Penetracja w EBW jest również odwrotnie proporcjonalna do temperatury topnienia i przewodności cieplnej i proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego dyfuzyjności cieplnej spawanego materiału.
Zgrzewanie konstrukcji i przygotowanie do EBW:
Połączenia zwykle wykonywane w procesie EBW, jak pokazano na rys. 14.11, obejmują typy tyłek, narożniki, krawędzie i trójniki lub ich modyfikacje dostosowane do konkretnych zastosowań, za pomocą przygotowania krawędzi prostokątnych. Normalne spoiny pachwinowe są trudne do spawania i dlatego zazwyczaj unika się ich.
Przygotowanie krawędzi doczołowej wymaga użycia uchwytów do utrzymania elementów roboczych w wymaganym ustawieniu; jednak w przypadku, gdy należy unikać elementów złącznych, złącze można zmodyfikować do rodzaju zrębu, jak pokazano na rys. 14.11 (b). Zapewnia to również samoregulację.
Jeśli powierzchnia spoiny ma zostać zwiększona, tak jak w przypadku łączenia cienkich rur, krawędzie mogą być usztywnione. Jednak przygotowanie i dopasowanie krawędzi szalika jest trudniejsze. Krawędzie brzegowe, szewowe i zakładkowe służą przede wszystkim do łączenia tylko blach.
Zanieczyszczenie metalu spoiny może powodować porowatość lub pękanie, a także pogorszenie właściwości mechanicznych. Konieczne jest dokładne wyczyszczenie złącza przed ustawieniem i wyrównaniem. Aceton jest preferowanym rozpuszczalnikiem do czyszczenia składników dla EBW; jednak bardzo niepalny aceton należy obchodzić się bardzo ostrożnie.
Aby uniknąć zalania lub niecałkowitego stopienia, połączenia muszą być starannie przygotowane, aby uzyskać dobre dopasowanie i wyrównanie. Szczelina między powierzchniami powinna być tak mała, jak to możliwe, z maksimum 0, 125 mm; jednak stopy aluminium mogą tolerować nieco większe szczeliny niż stale.
Zwykle w EBW nie stosuje się metalu wypełniającego, dlatego złącze spawalnicze jest odpowiednio dobrane. Czasami jednak dodaje się metal wypełniający, aby wypełnić spoinę podczas drugiego lub kosmetycznego przejścia, aby zapewnić pełną grubość. Sprzęt do napełniania drutu napełniacza jest zwykle podobny do tego stosowanego do spawania łukiem elektrycznym z wolframu gazowego, chociaż szczególne potrzeby mogą wymagać użycia specjalnie zaprojektowanych urządzeń do stosowania w komorach próżniowych. Średnice drutu wypełniacza są zazwyczaj małe, a ich grubość wynosi maksymalnie około 0-5 mm, a drut podawany jest do prowadzącej krawędzi małej jeziorka spawalniczego.
Czasami można dodać metal wypełniający w celu uzyskania pożądanych właściwości fizycznych lub metalurgicznych metalu spoiny; tak kontrolowane właściwości mogą obejmować ciągliwość, wytrzymałość na rozciąganie, twardość i odporność na pękanie. Dodatek niewielkiej ilości drutu aluminiowego lub podkładki może na przykład spowodować produkcję zabitej stali i zmniejsza porowatość.
Charakterystyka spoiny i jakość EBW:
Ze względu na wysoki stosunek penetracji do szerokości spoin EB uzyskuje się dwie wyraźne zalety, a mianowicie, względnie grube płyty mogą być spawane w jednym przejściu i mogą być stosowane prędkości spawania o wiele wyższe niż osiągalne w spawaniu łukowym.
Szereg metali można spawać, aby uzyskać stosunek głębokości do szerokości wynoszący 50. Przy formowaniu z kwadratową krawędzią płyty aluminiowe o grubości do 450 mm można spawać w jednym przejściu, chociaż w przypadku stali odpowiednia grubość jest zwykle ograniczona do 300 mm .
Proces EBW o wysokiej próżni jest doskonałym narzędziem do spawania różnych metali o różnej grubości, a także do spawania napraw elementów niemożliwych do odzyskania w innych procesach. Zasadniczo nie jest wymagane wstępne podgrzewanie, nawet w przypadku spawania, materiałów o wysokiej przewodności, z EBW.
Chociaż EBW jest procesem o dużej gęstości mocy, to jednak nakład energii na jednostkę długości jest niski, jak wynika z tabeli 14.3. Ta charakterystyka procesu prowadzi do dwóch zalet, mianowicie: zmniejsza rozmiar strefy wpływu ciepła i minimalizuje zniekształcenia. Metalowe spoiny w spoinach EB mają właściwości mechaniczne podobne do właściwości metali nieszlachetnych.
Zmienne procesowe można kontrolować, aby osiągnąć wysoki stopień niezawodności i powtarzalności w spawach. Jednak w porównaniu do procesów spawania łukowego, wymagane są bliższe tolerancje obróbki przy spawaniu EB. Istnieje również prawdopodobieństwo parowania metali o wysokiej prężności pary podczas spawania.
Warianty procesu EBW:
Cechy 80 daleko dyskutowane dotyczą głównie pistoletów wysokopróżniowych typu EBW. Jednak EBW o wysokiej próżni jest procesem o niskiej produkcji i wysokim koszcie. W związku z tym jest on stosowany do spawania bardzo krytycznych składników, głównie metali reaktywnych. Istnieją dwa warianty lub tryby głównego procesu, mianowicie średniego próżniowego EBW i próżniowego EBW.
1. Średni próżniowy EBW:
Podczas gdy EBW o wysokiej próżni jest przeprowadzane przy ciśnieniu w zakresie 10-3 do 10-6 torów, średnioprężne EBW wykorzystuje zakres ciśnienia od 10-3 do 25 torr. W tych granicach zakres ciśnień między 10-3 a 1 torr jest określany jako "miękka lub częściowa próżnia", a od 1 do 25 torów nazywany jest "szybką próżnią". Proces średniego podciśnienia zachowuje większość zalet spawania w wysokiej próżni i lepszych zdolności produkcyjnych.
W średniociśnieniowym pistoletu EBW belka jest generowana w wysokiej próżni, a następnie rzutowana do komory zgrzewania z miękką lub szybką próżnią, jak pokazano na rys. 14.14. Osiąga się to przez otwór, który jest wystarczająco duży, aby belka mogła przejść, ale nie pozwala na znaczną dyfuzję wsteczną gazów z komory do kolumny pistoletu.
Główną zaletą EBW w średnich próżniach jest to, że zapotrzebowanie na pompowanie podciśnieniowe jest znacznie zmniejszone, co daje wysokie zyski pod względem handlowym i ekonomicznym. Ten wariant idealnie nadaje się do zadań związanych z produkcją masową, na przykład, koła zębate mogą być z powodzeniem przyspawane do wałów w ich gotowym stanie obrabianym, bez angażowania żadnych późniejszych operacji wykańczania przy zachowaniu wąskich tolerancji.
Ze względu na zwiększoną obecność powietrza w trybie średniej próżni (100 ppm) proces ten jest mniej zadowalający niż spawanie wysokociśnieniowe dla metali reaktywnych. Jednak proces ten jest odpowiedni do spawania metali ogniotrwałych, w których można tolerować absorpcję małych ilości tlenu i azotu.
2. Nie-próżniowa EBW :
Spawanie nie-próżniowe odbywa się pod ciśnieniem atmosferycznym, chociaż pistolet EB musi być trzymany pod ciśnieniem 10-4 tora lub mniej, aby zapewnić stabilne i wydajne spawanie.
EB w spawie bez próŜni jest wyprowadzany z układu podciśnieniowego przez szereg próżniowych komór z małymi szczelinami, jak pokazano na fig. 14.15, w taki sposób, aby zminimalizować przepływ gazów atmosferycznych do kolumny pistoletu. Komora robocza może być wypełniona helem, ponieważ zapewnia mniej przeszkód dla EB i daje lepszy kształt penetracji niż uzyskany z argonem lub powietrzem jako atmosferą. Ponadto, dla danej odległości penetracji i odległości między pistoletem a helem, możliwe jest spawanie ze znacznie większą prędkością spawania.
Im wyższe jest napięcie przyspieszające, tym dalej promień porusza się w gazie pod ciśnieniem atmosferycznym i stosowane są napięcia od 150 do 175 KV. Oprócz napięcia przyspieszającego, mocy wiązki, prędkości ruchu, odległości pistoletu i gazu osłonowego są ważnymi zmiennymi procesowymi. Ryc. 14.16 przedstawia penetrację spoiny jako funkcję prędkości jazdy dla trzech różnych poziomów mocy nie próżniowego EBW wskazującego na znaczny wzrost prędkości ruchu przez zwiększenie mocy dla danej penetracji.
Nie próżniowy EBW wykazuje większą penetrację przy poziomie mocy powyżej 50 KW, co umożliwiło spawanie stali o grubości powyżej 25 mm z typem penetracji dziurki od klucza, co jest charakterystyczne dla EBW; pomaga to również przy spawaniu z prędkością wielokrotnie większą niż jest to możliwe przy spawaniu łukiem krytym.
Główną zaletą systemu bez próżni jest to, że praca może pozostawać pod ciśnieniem atmosferycznym, co prowadzi do wyższych wydajności produkcji przy zmniejszonych kosztach. Ponadto wielkość komory spawanej nie może być ograniczona przez komorę. Jednak te zalety uzyskuje się kosztem niskich stosunków głębokości zgrze- wania do szerokości, zmniejszonej penetracji spoiny i niewielkich odległości między pistoletami.
Materiały, które mogą być spawane przez nie próżniowy system EBW, obejmują stale węglowe, niskostopowe i nierdzewne, stopy wysokotemperaturowe, stopy ogniotrwałe, a także stopy miedzi i aluminium. Niektóre z tych metali można spawać w powietrzu, podczas gdy inne wymagają obojętnej atmosfery, zwykle otrzymywanej przez użycie argonu lub helu jako gazu osłonowego.
Zastosowania spawania wiązką elektronową (EBW):
Wszystkie metale i stopy, które mogą być spawane przez inne procesy, mogą być z reguły spawane również przez EBW. Mogą to być stale konstrukcyjne, stale o wysokiej twardości, stale nierdzewne, tytan, cyrkon, wolfram, molibden, beryl, ren, tantal i kolumb. Można również spawać różne połączenia metali, które są kompatybilne metalurgicznie. Jednak EBW jest używany głównie do zastosowań wymagających wysokiej precyzji i wysokiej wydajności produkcji.
Aplikacje o wysokiej precyzji wymagają spawania w środowisku o wysokiej czystości, aby uniknąć zanieczyszczenia z powodu tlenu atmosferycznego i azotu. Takie aplikacje są głównym wymaganiem dla przemysłu jądrowego, lotniczego, powietrznego i elektronicznego. Do typowych produktów wytwarzanych w tym procesie należą jądrowe elementy paliwowe, specjalne elementy silników odrzutowych ze stopu, zbiorniki ciśnieniowe do napędów rakietowych i hermetycznie zamknięte urządzenia próżniowe, takie jak uszczelnienie tranzystorów, mikroprzełączniki itp.
Typowymi przykładami zastosowań o wysokiej wydajności produkcji są takie elementy, jak koła zębate, ramy, kolumny kierownicy, części samochodowe do przenoszenia i przenoszenia, rury cienkościenne, spawanie stali szybkotnącej do piły taśmowej i piły spalinowej.
Specjalne kształty wymagające głębokiej penetracji, jak te pokazane na rys. 14.12, są możliwe tylko z EBW. Rys. 14.13 pokazuje typy połączeń, które są unikalne dla spawania wiązką elektronów; spawanie we wnęce, zgrzewanie złącza typu T ze szpikulcem i jednoczesne zgrzewanie wielu połączeń.
Większość spoin w EBW wykonana jest bez wypełniacza. Jednakże, jeżeli powstaje niepełne wypełnienie lub niekorzystny kształt zgrubienia, może być on rektyfikowany przez kolejną przepustkę kosmetyczną, pod warunkiem, że obrabiany przedmiot nie będzie obrabiany po spawaniu. Odbywa się to poprzez ponowne przejście przez zgrubienie spoiny przy użyciu wiązki o niższej mocy z obróceniem wiązki lub splotem zastosowanym przez cewki odchylające.
Niektóre z konkretnych zastosowań przemysłowych w EBW obejmują spawanie kół zębatych, wirnika sprężarki tytanowej i wału napędowego silnika turbogazowego, wtryskiwacza silnika rakietowego wykonanego ze stopu aluminium 5083, termo-termicznych urządzeń grzejnych i łączenia wysokotemperaturowych komponentów metalowych, takich jak mieszki rdzenia .
