EBW: Utrustning, gemensam design och applikationer

Efter att ha läst den här artikeln kommer du att lära dig om: - 1. Introduktion till elektronbältessvetsning (EBW) 2. Utrustning som krävs för elektrobalksvetsning (EBW) 3. Processegenskaper 4. Svetsfoglig konstruktion och förberedelse 5. Svetsegenskaper och kvalitet 6. Varianter 7. Ansökningar.

Introduktion till Electron Beam Welding (EBW) :

I slutet av andra världskriget inleddes en tävling mellan nationer för överlägsenhet i rymden och kärnforskning. Detta krävde användning av reaktiva (som titan och zirkonium) och eldfasta (som volfram, molybden och tantal) metaller. Sammankoppling av dessa metaller med de sedan etablerade svetsprocesserna för fusionssvetsning resulterade i absorptionen av syre, kväve och väte snabbt genom reaktiva metaller under svetsnings- och eftersvetscyklerna vilket resulterade i deras reducerade duktilitet.

Fusion och omkristallisation av eldfasta metaller å andra sidan ökade det rörliga övergångstemperaturintervallet över rumstemperaturen över rumstemperaturen. På grund av dessa nackdelar krävdes det att svetsa dessa metaller vid tryck av 10 ^-4 torr eller mindre för att uppnå önskade kvalitetssvetsar och som ledde till utvecklingen av elektronstrålsvetsning.

Elektronstrålesvetsning (EBW) är en process där en stråle av elektroner är gjord för att påverka arbetsytan för att värma den på önskad plats. Som en elektron är en mycket liten partikel med en radie av 2, 82 × ^10-12 mm och en massa av 9, 109 × ^10-28 g; så det kan inte resa något betydande avstånd i luft eller andra gaser. Skapande av vakuum är därför ett väsentligt krav för att en elektronstråle ska materialisera i önskad riktning.

När det emellertid skapas vakuumnivå kan elektronstrålen röra sig ganska långa avstånd och smälta någon känd metall eller keramik. Således är det en process som i grunden har etablerats för att tillverka dyra och svåra svets-reaktiva och eldfasta metaller.

Utrustning som krävs för elektronstrålsvetsning (EBW):

Utrustningen som används för EBW är ganska kompakt och består i grunden av två huvuddelar, nämligen EBW-pistolen och arbetskammaren. Beroende på de elektriska anslutningarna kan EBW-pistolen vara av den arbetsaccelererade typen eller den självaccelererade typen; och baserat på det system som används för att styra strålströmmen kan den självaccelererade pistolen vara av diodventil typ eller triodventil typ.

Beroende på omfattningen av vakuum i arbetskammaren klassificeras alla dessa typer av svetspistoler också som högvakuum-, mediumvakuum- och icke-vakuumtyper. På samma sätt, beroende på spänningen som används för att accelerera elektronernas hastighet, betecknas pistolerna som lågspännings- och högspänningstyper. Således kan den övergripande klassificeringen av EBW-vapen representeras som visas i figur 14.1.

Huvudkomponenterna i EBW-pistolen innefattar katoden eller filamentet för emitterande elektroner, elektronaccelerationssystemet, strålande och fokuseringsanordningar, betraktnings-eller optiksystemet och vakuum- eller arbetskammaren som innehåller arbetsförflyttningssystem och ibland sömnspårningsanordningar är ingår också för att säkerställa felfria svetsar av hög kvalitet. Fig. 14.2 ger en schematisk representation av de flesta av komponenterna i en typisk EBW-pistol.

Processegenskaper hos elektronbalksvetsning (EBW):

Svetsarna som produceras av EBW är typiska i form, eftersom de bildas fry-nailhead penetration vilket skiljer det från fingerpenetration av process med hög ström gasbågsvetsning (GMAW), såsom visas i figur 14.4.

Denna nagelhuvudtyp av penetration uppnås genom ett fenomen som kallas nyckelhålning. I denna teknik tränger strömmen av elektroner in i ytan av arbetet till ett avstånd av ca 25 mikron. När elektronströmmen färdas djupare in i materialet sprids elektronerna, saktas ner och stoppas av kollisioner med atomer av materialstrukturen, vilket resulterar i uppvärmning av en päronformad volym.

Den övre opåverkade tunna ytan brister då och resulterar i att en kanal öppnas som frigör det höga inre trycket som utvecklas liksom en snabb ström av avdunstat material. Det flyktiga materialet håller kanalen öppen. Denna process upprepas i de följande skikten av arbetsstycket tills djup penetration. Ånghål med smälta väggar, som visas i Fig. 14.5, uppnås genom att strålenergi exponeras.

Den smälta metallen från ånghålets främre del strömmar runt sin periferi och stelnar sig bakåt för att bilda svetsmetall när strålen rör sig framåt längs svetslinjen. Därför är penetreringen mycket djupare än svetsbredden och den värmebaserade zonen är mycket smal; till exempel svetsbredd i en full penetrationsstångsvets i en 13 mm tjock stålplåt kan vara så liten som 1-5 mm. Bredden till penetrationsförhållandet upp till 50 i stålsvetsar har enligt uppgift uppnåtts.

Beroende på nyckelhålningsmekanismen vid ångbildning och ytspänning betyder att metaller skiljer sig åt med den lätthet med vilken de kan penetreras av elektronstrålen. Det rapporteras att penetrationen ökar när värmen av bildning av ångor minskar. Detta förklarar varför volfram är svårare att penetrera än aluminium. Penetration i EBW är också omvänd proportionell mot smältpunkten och värmeledningsförmågan och proportionell mot kvadratroten av den termiska diffusiviteten hos materialet som svetsas.

Svets gemensam design och förberedelse för EBW:

De leder som vanligtvis tillverkas av EBW-processen, som visas i figur 14.11, inkluderar strumpbyxor, knä-, knä-, kant- och tejptyper eller deras modifieringar för att passa speciella applikationer, med användning av kvadratkanter. Normala filetsvetsar är svåra att svetsa och sålunda undviks vanligtvis.

Förberedelse av kvadratisk rumpa kant kräver användning av armaturer för att hålla arbetskomponenterna i den nödvändiga inriktningen. men när fixturer ska undvikas kan fogen modifieras till rabbetyp som visas i figur 14.11 (b). Det garanterar också självjustering.

Om svetsmetallområdet ska ökas, kan det hända att kanterna skärs, som vid tunna rörledningar. Det är dock svårare att göra halsdukförberedelse och passform. Kant-, söms- och lapfiléer används i första hand för att endast ansluta plåt.

Förorening av svetsmetallen kan sannolikt orsaka porositet eller sprickbildning samt försämring av mekaniska egenskaper. Det är därför absolut nödvändigt att rengöra fogen ordentligt före passform och anpassning. Aceton är ett föredraget lösningsmedel för rengöring av komponenterna för EBW; men aceton är mycket brandfarlig måste hanteras mycket noggrant.

För att undvika under fyllning eller ofullständig fusion, måste lederna förberedas noggrant för att uppnå bra passform och anpassning. Klyftan mellan fayingytorna bör vara så liten som möjligt med högst 0, 125 mm; Aluminiumlegeringar kan emellertid tolerera något större luckor än stål.

Normalt i EBW syftar det till att använda ingen fyllnadsmetall, svetsfoget är därför valt i enlighet därmed. Emellertid tillsätts ibland fyllnadsmetall för att fylla fogen under ett andra eller kosmetiskt pass för att ge en full tjocklek. Fodertrådsmatningsutrustning motsvarar vanligtvis den som är anställd för gaswolframbågsvetsning, men specifika behov kan kräva användning av specialdesignade enheter för användning i vakuumkammare. Fyllnadsdiametrar är generellt små med högst ca 0-5 mm och tråden matas in i den främre kanten av den lilla svetsbassängen.

Ibland kan fyllnadsmetall tillsättas för att uppnå de önskade fysikaliska eller metallurgiska egenskaperna hos svetsmetallen; De så kontrollerade egenskaperna kan innefatta duktilitet, draghållfasthet, hårdhet och motståndskraft mot sprickbildning. Tillsatsen av liten mängd aluminiumtråd eller skum kan till exempel resultera i produktion av dödat stål och som minskar porositeten.

Svetsegenskaper och kvalitet hos EBW:

På grund av höga penetrationsförhållanden mellan EB-svetsar uppstår två olika fördelar, dvs relativt tjocka plattor kan svetsas i ett enda pass och svetshastigheter mycket högre än de som kan uppnås vid bågsvetsning kan användas.

Ett antal metaller kan svetsas för att ge ett djup till breddförhållande upp till 50. Med användning av kvadratkanter kan aluminiumplattor upp till 450 mm tjockas i ett enda pass, men i stål är motsvarande tjocklek vanligtvis begränsad till 300 mm .

EBW-processen med högvakuum är ett utmärkt verktyg för svetsning av olika metaller av olika tjocklekar samt för reparationssvetsning av komponenter som är omöjliga att rädda med andra processer. I allmänhet krävs ingen förvärmning även för svetsning, hög ledningsförmåga, med EBW.

Även om EBW är en process med hög effektdensitet är energinången per enhetslängd låg, vilket framgår av tabell 14.3. Denna egenskap hos processen leder till två fördelar, dvs det minskar storleken på den värmebaserade zonen och minimerar distorsionen. Svetsmetallen i EB-svetsar har mekaniska egenskaper som normalt liknar dem hos basmetall.

Processvariablerna kan styras för att uppnå en hög grad av pålitlighet och reproducerbarhet i svetsningar. Men i jämförelse med bågsvetsning krävs närmare bearbetningstoleranser för att göra EB-svetsar. Det finns också en sannolikhet att förånga höga ångtrycksmetaller under svetsning.

Varianter av EBW-processen:

Funktionerna 80 som beskrivs ovan är huvudsakligen relaterade till EBW-pistoler med högvakuum. Högvakuum EBW är dock en låg produktion och en högkostnadsprocess. Sålunda används den för svetsning av mycket kritiska komponenter huvudsakligen av reaktiva metaller. Det finns två varianter eller lägen av huvudprocessen, dvs. mediumvakuum EBW och icke-vakuum-EBW.

1. Medium vakuum EBW:

Medan högvakuum EBW utförs vid ett tryckområde av 10-3 till 10 ^-6 torr, använder mediumvakuum EBW ett tryckområde av 10 ^-3 till 25 torr. Inom dessa gränser kallas tryckområdet mellan 10 ^-3 och 1 torr som "mjukt eller partiellt vakuum" och från 1 till 25 torr kallas det "snabbvakuum". Medelsvakuumprocessen bibehåller de flesta fördelarna med högvakuumsvetsning och med förbättrad produktionskapacitet.

I en mediumvakuum-EBW-pistol genereras strålen i högvakuum och projiceras sedan in i svetskammaren med mjukt eller snabbt vakuum, såsom visas i fig 14.14. Detta åstadkommes genom en öppning som är stor nog för att strålen ska passera men tillåter inte signifikant återdiffusion av gaser från kammaren till pistolkolonnen.

En stor fördel med medelvakuumet EBW är att kravet på vakuumpumpning minskas avsevärt, vilket resulterar i stora vinster i kommersiella och ekonomiska termer. Denna variant är idealisk för massproduktionsuppgifter, t ex kan växlarna svetsas till axlarna i deras slutliga bearbetningsförhållanden utan att involvera någon efterföljande efterbehandlingsoperation samtidigt som de håller nära toleranser.

På grund av ökad närvaro av luft i medium vakuum (100 ppm) är processen mindre tillfredsställande än högvakuumsvetsning för reaktiva metaller. Emellertid är denna process tillräcklig för svetsning av eldfasta metaller, varvid absorption av små mängder syre och kväve kan tolereras.

2. Icke-vakuum EBW :

Icke-vakuumsvetsning görs vid atmosfärstryck, men EB-pistolen måste hållas vid ett tryck på 10-4 torr eller mindre för stabil och effektiv svetsning.

EB i icke-vakuumsvetsning bringas ut ur vakuumsystemet genom en serie av evakuerade kamrar med små öppningar, såsom visas i figur 14.15, på ett sätt som minimerar flödet av atmosfäriska gaser i vapenkolonnen. Arbetskammaren kan fyllas med helium eftersom det ger mindre obstruktion mot EB och ger bättre penetrationsform än erhållen med argon eller luft som atmosfär. Vidare tillåter heliumavskärmning för en given penetrations- och pistol-till-arbetsavstånd svetsning vid en signifikant högre svetshastighet.

Ju högre accelerationsspänning ju längre strålen färdas i gas vid atmosfärstryck och spänningar på 150 till 175 KV används. Bortsett från den accelererande spänningen är strålkraft, körhastighet, pistol till arbetsavstånd och avskärmningsgasen viktiga processvariabler. Fig. 14.16 visar svetspenetration som en funktion av färdhastigheten för tre olika effektnivåer av en icke-vakuum-EBW som indikerar den signifikanta ökningen av färdhastigheten genom att öka effekten för en given penetration.

Icke-vakuum-EBW visar mer penetration vid effektnivå över 50 KW vilket har gjort det möjligt att svetsa stål med tjocklek över 25 mm med nyckelhål typ penetration som kännetecknar EBW; detta hjälper också vid svetsning med hastigheter många gånger mer än de som är möjliga med nedsänkt bågsvetsning.

Den främsta fördelen med icke-vakuumsystem är att arbetet får förbli vid atmosfärstryck och det leder till högre produktionshastigheter med reducerade kostnader. Dessutom kan svetsningens storlek inte vara begränsad av kammaren. Dessa fördelar uppnås emellertid på bekostnad av lågsvetsdjup och breddförhållanden, minskad svetspenetration och små avstånd från arbetskraft till arbete.

Materialen som kan svetsas av EBW-system utan vakuum inkluderar kol, låglegering och rostfritt stål, högtemperaturlegeringar, eldfasta legeringar samt koppar och aluminiumlegeringar. Vissa av dessa metaller kan svetsas i luft medan andra behöver inert atmosfär som vanligtvis erhålls genom användning av argon eller helium som avskärmningsgas.

Tillämpningar av elektronstrålesvetsning (EBW):

Alla metaller och legeringar som kan vara fusionssvetsade med andra processer kan som regel svetsas av EBW också. Dessa kan omfatta konstruktionsstål, hårdmetall, rostfritt stål, titan, zirkonium, volfram, molybden, beryllium, rhenium, tantal och columbium. Olika metallkombinationer som är metallurgiskt kompatibla kan också svetsas. EBW används emellertid huvudsakligen för applikationer med hög precision och hög produktionshastighet.

Hög precisionstillämpningar kräver svetsning i miljö med hög renhet för att undvika förorening på grund av atmosfäriskt syre och kväve. Sådana tillämpningar är det huvudsakliga kravet på kärnkraft, flygplan, flygutrymme och elektroniska industrier. Typiska produkter som framställs genom denna process innefattar kärnbränsleelement, speciallegeringsjetmotorkomponenter, tryckkärl för raketpropulsionssystem och hermetiskt förseglade vakuumanordningar som tätning av transistorer, mikrobrytare etc.

Typiska exempel på applikationer med hög produktionshastighet inkluderar komponenter som kugghjul, ramar, styrkolonner, överföring och drivande delar av bilar, tunnväggiga rör, svetsning av höghastighetsstål till bandsåg och motorsågblad.

Speciella former som kräver djup penetration som de som visas i figur 14.12 är endast möjliga med EBW. Fig. 14.13 visar typer av leder som är unika för elektronstrålesvetsning; svetsning i en urtagning, svetsning av en T-fog med en spik och svetsning samtidigt flera flikar.

De flesta svetsarna i EBW är gjorda utan fyllnadsmetall. Om emellertid underfyllning eller ogynnsam form av pärlan framställs kan den korrigeras genom ett efterföljande kosmetiskt pass, förutsatt att arbetsstycket inte ska bearbetas efter svetsning. Detta görs genom att gå över svetspärsen igen med hjälp av en nedre kraftstråle med antingen strålspinn eller väv applicerad av avböjningsspolen.

Några av de specifika industriella användningarna av EBW inkluderar svetsning av klusterutrustningar, titankompressorrotor och kraftaxel hos en gasturbinmotor, raketmotorinjektor av aluminiumlegering 5083, termiska värmeanordningar och för anslutning av högtemperaturmetallkomponenter som kolumbalger .