EBW: Udstyr, fælles design og applikationer

Efter at have læst denne artikel vil du lære om: - 1. Introduktion til elektronstrålesvejsning (EBW) 2. Udstyr påkrævet til elektronstrålesvejsning (EBW) 3. Procesegenskaber 4. Svejsearbejde Design og forberedelse 5. Svejsegenskaber og kvalitet 6. Varianter 7. Ansøgninger.

Introduktion til elektronstrålesvejsning (EBW) :

Slutningen af ​​Anden Verdenskrig startede et løb mellem nationer for overherredømme i rummet og atomforskning. Dette krævede brug af reaktive (som titan og zirconium) og ildfaste (som wolfram, molybdæn og tantal) metaller. Sammenkobling af disse metaller med de dernæst etablerede svejseprocesser ved fusionssvejsning resulterede i absorption af oxygen, nitrogen og hydrogen hurtigt ved reaktive metaller under svejsnings- og efter-svejsesykluserne, hvilket resulterede i deres reducerede duktilitet.

Fusion og omkrystallisation af ildfaste metaller på den anden side rejste det duktile til sprøde overgangstemperaturområde til over rumtemperaturen. På grund af disse ulemper blev det påkrævet at svejse disse metaller ved tryk på 10 ^-4 torr eller mindre for at opnå de ønskede kvalitetssvejsninger, og det førte til udviklingen af ​​elektronstrålesvejsning.

Elektronstrålesvejsning (EBW) er en proces, hvor en stråle af elektroner er lavet til at ramme på arbejdsfladen for at varme det på det ønskede sted. Som en elektron er en meget lille partikel med en radius på 2, 82 × 10-12 mm og en masse på 9, 109 × 10-28 gm; så det kan ikke rejse nogen betydelig afstand i luft eller andre gasser. Oprettelse af vakuum er derfor et væsentligt krav for, at en elektronstråle kan materialisere i den ønskede retning.

Men når det er nødvendigt at skabe vakuumniveau, kan elektronstrålen bevæge sig ret lange afstande og smelte ethvert kendt metal eller keramik. Det er således en proces, som i grunden er etableret for at fremstille dyre og vanskelige at svejsere reaktive og ildfaste metaller.

Udstyr påkrævet til elektronbjælkesvejsning (EBW):

Udstyret til EBW er ret kompakt og består i det væsentlige af to hoveddele, nemlig EBW-pistolen og arbejdskammeret. Afhængig af de elektriske forbindelser kan EBW-pistolen være af den arbejdshastige type eller den selvaccelererede type; og baseret på det system, der anvendes til styring af strålestrømmen, kan den selvacelererede pistol være af diodeventiltypen eller triodeventiltypen.

Afhængigt af omfanget af vakuum i arbejdskammeret er alle disse typer svejsepistoler også klassificeret som højvakuum-, mediumvakuum- og ikke-vakuumtyper. På samme måde, baseret på den spænding, der anvendes til at accelerere hastigheden af ​​elektroner, betegnes våbenene som lavspændings- og højspændingstyper. Den samlede klassificering af EBW-pistoler kan således repræsenteres som vist i figur 14.1.

EBW-pistolens hovedkomponenter indbefatter katoden eller filamentet til udgivelse af elektroner, det elektron-accelererende system, strålings- og fokuseringsanordninger, syns- eller optiksystemet og vakuum- eller arbejdskammeret, der indbefatter arbejdsgennemgangssystemer og undertiden sømsporingsanordninger er også inkluderet for at sikre højkvalitets fejlfri svejsninger. Figur 14.2 giver en skematisk repræsentation af de fleste af komponenterne i en typisk EBW-pistol.

Processegenskaber ved elektronstrålesvejsning (EBW):

Svejsningerne produceret af EBW er typiske i form, da de er dannet fryse nailhead penetration, hvilket differentierer det fra fingerindtrængning af high current gas metalbuesvejsning (GMAW) proces, som vist i figur 14.4.

Denne nailhead type penetration opnås gennem et fænomen kaldet nøglehuling. I denne teknik trænger strømmen af ​​elektroner over overfladen af ​​arbejdet til en afstand på ca. 25 mikron. Når elektronstrømmen bevæger sig dybere ind i materialet, spredes elektronerne, sænkes og stoppes ved kollisioner med atomer af materialestrukturen, hvilket resulterer i opvarmning af et pæreformet volumen.

Den øvre upåvirkede tynde overflade bryder derefter op, hvilket resulterer i åbning af en kanal, der frigiver det høje interne tryk udviklet såvel som en hurtig strøm af inddampet materiale. Det undslippende materiale holder kanalen åben. Denne proces gentages i de efterfølgende lag af arbejdsstykket indtil dyb penetration. damphul med smeltede vægge, vist i figur 14.5, opnås ved at udbrede stråleenergien.

Det smeltede metal fra den forreste del af damphullet strømmer rundt om sin periferi og størkner på bagsiden for at danne svejsemetal, når strålen bevæger sig fremad langs svejselinien. Dermed er penetrationen meget dybere end svejsebredden, og den varmebegrænsede zone er meget smal; for eksempel svejsebredde i en fuld penetrationsstuds i en 13 mm tykk stålplade kan være så lille som 1-5 mm. Bredden til indtrængningsforholdet op til 50 i stål svejsninger er angiveligt blevet opnået.

Afhængigheden af ​​nøglehulingsmekanismen ved dampdannelse og overfladespænding betyder, at metaller adskiller sig i den lethed, hvormed de kan penetreres af elektronstrålen. Det rapporteres, at penetrationen stiger, da dampens dannelse dannes. Dette forklarer hvorfor wolfram er vanskeligere at trænge ind end aluminium. Penetration i EBW er også omvendt proportional med smeltepunktet og termisk ledningsevne og proportional med kvadratroden af ​​termisk diffusivitet af materialet, der svejses.

Svejsning Fælles design og forberedelse til EBW:

De led, der almindeligvis fremstilles af EBW-processen, som vist i figur 14.11, omfatter skæl, comer, lap, kant og Tee-typer eller deres modifikationer, der passer til bestemte applikationer ved anvendelse af kvadratkantsforberedelse. Normale filetsvejsninger er vanskelige at svejses og således undgås man sædvanligvis.

Firkantet kantpræparation kræver anvendelse af armaturer for at holde arbejdskomponenterne i den nødvendige justering; men når armaturer skal undgås, kan leddet modificeres til rabbetype som vist i figur 14.11 (b). Det sikrer også selvjustering.

Hvis svejsemetalområdet skal øges, som ved tilfældet med tynde rør, kan kanterne blive scarfed. Imidlertid er scarf kant forberedelse og fit-up vanskeligere at gøre. Kant-, søm- og lapfileter anvendes primært kun til sammenføjning af metalplader.

Forurening af svejsemetallet vil sandsynligvis forårsage porøsitet eller og revner samt forringelse af mekaniske egenskaber. Det er derfor vigtigt at rengøre leddet grundigt før tilpasning og justering. Aceton er et foretrukket opløsningsmiddel til rengøring af komponenterne til EBW; Men aceton er meget brandfarlig, skal håndteres meget omhyggeligt.

For at undgå underfyldning eller ufuldstændig fusion, skal leddene omhyggeligt forberedes for at opnå god tilpasning og justering. Afstanden mellem de faying overflader bør være så lille som muligt med et maksimum på 0.125 mm; Aluminium legeringer kan dog tolerere noget større huller end stål.

Normalt i EBW er det tilsigtet at bruge ikke fyldstof, så svejsesamlingen vælges derfor. Imidlertid sættes der undertiden fyldstof til for at fylde fugen under et andet eller kosmetisk pas for at give en fuld tykkelse. Fyldningsudstyr til fodertråd svarer normalt til den, der er beskæftiget med gaswolframbuesvejsning, selv om særlige behov kan nødvendiggøre brugen af ​​specielt konstruerede enheder til brug i vakuumkamre. Fyldtråddiametre er generelt små med maksimalt ca. 0-5 mm, og ledningen føres ind i forkanten af ​​den lille svejsepulje.

Sommetider kan fyldemetal tilsættes for at opnå de ønskede fysiske eller metallurgiske egenskaber af svejsemetallet; De så kontrollerede egenskaber kan omfatte duktilitet, trækstyrke, hårdhed og modstandsdygtighed mod revner. Tilsætningen af ​​små mængder aluminiumtråd eller skum kan for eksempel resultere i produktion af dræbt stål og det reducerer porøsiteten.

Svejsegenskaber og kvalitet af EBW:

På grund af EB-svejsernes høje penetration-til-breddeforhold er der to forskellige fordele, dvs. relativt tykke plader kan svejses i en enkelt passage, og svejsningshastighederne meget højere end de, der opnås ved buesvejsning, kan anvendes.

En række metaller kan svejses for at give et dybde-til-breddeforhold på op til 50. Ved anvendelse af kvadratkantspredning kan aluminiumplader op til 450 mm tykke svejses i et enkelt pas, men i stål er den tilsvarende tykkelse normalt begrænset til 300 mm .

EBW-processen med højvakuum er et glimrende værktøj til svejsning af forskellige metaller af forskellig tykkelse såvel som til reparationssvejsning af komponenter, der er umulige at redde ved andre processer. Generelt er der ikke behov for forvarmning selv for svejsning, materialer med høj ledningsevne, med EBW.

Selvom EBW er en proces med høj effekttæthed, er energiindgangen pr. Længdeenhed lav, som det fremgår af tabel 14.3. Denne karakteristika ved processen medfører to fordele, nemlig det reducerer størrelsen af ​​den varmetabte zone og minimerer forvrængning. Svejsemetallet i EB-svejsninger har mekaniske egenskaber, der normalt svarer til de af basismetal.

Processvariablerne kan styres for at opnå en høj grad af pålidelighed og reproducerbarhed i svejsninger. Sammenlignet med buesvejsningsprocesser kræves der imidlertid tættere bearbejdningstolerancer til fremstilling af EB svejsninger. Der er også en sandsynlighed for fordampning af højdamptryksmetaller under svejsning.

Varianter af EBW-processen:

Funktionerne 80 langt diskuteret vedrører hovedsagelig de højvakuum type EBW pistoler. Men højvakuum EBW er en lav produktion og en høj pris proces. Det er således anvendt til svejsning af meget kritiske komponenter hovedsageligt af reaktive metaller. Der er to varianter eller tilstande af hovedprocessen, dvs. mediumvakuum EBW og ikke-vakuum EBW.

1. Medium vakuum EBW:

Mens højvakuum-EBW udføres ved et trykområde på ^10-3 til ^10-6 torr, anvender mediumvakuum EBW et trykområde på ^10-3 til 25 torr. Inden for disse grænser betegnes trykområdet mellem 10 ^-3 og 1 torr som "blødt eller partielt vakuum" og fra 1 til 25 torr kaldes det "hurtigvakuum". Medievakuumprocessen bevarer de fleste fordele ved højvakuumsvejsning og med forbedret produktionsevne.

I en mediumvakuum EBW-pistol genereres strålen i højvakuum og projiceres derefter ind i svejsekammeret med blødt eller hurtigt vakuum, som vist i figur 14.14. Dette opnås ved hjælp af en åbning, der er stor nok til at strålen passerer, men tillader ikke signifikant tilbagespredning af gasser fra kammeret til pistolens kolonne.

En stor fordel ved mediumvakuum EBW er, at kravet om vakuumpumpe er væsentligt reduceret, hvilket medfører høje gevinster i kommercielle og økonomiske termer. Denne variant er ideel til masseproduktionsopgaver, for eksempel kan gearene svejses effektivt til aksler i deres endelige bearbejdede tilstand uden at involvere efterfølgende efterbehandling, samtidig med at der opretholdes tætte tolerancer.

På grund af øget tilstedeværelse af luft i medium vakuum (100 ppm) er processen mindre tilfredsstillende end højvakuumsvejsning for reaktive metaller. Denne fremgangsmåde er imidlertid fundet tilstrækkelig til svejsning af ildfaste metaller, hvor absorption af små mængder oxygen og nitrogen kan tolereres.

2. Ikke-vakuum EBW :

Ikke-vakuumsvejsning udføres ved atmosfærisk tryk, selvom EB-pistolen skal holdes ved et tryk på 10-4 torr eller mindre for stabil og effektiv svejsning.

EB i ikke-vakuumsvejsning føres ud af vakuumsystemet gennem en række evakuerede kamre med små åbninger som vist i figur 14.15 på en sådan måde, at strømmen af ​​atmosfæriske gasser i pistolens kolonne minimeres. Arbejdskammeret kan fyldes med helium, da det giver mindre obstruktion til EB og giver bedre indtrængningsform end opnået med argon eller luft som atmosfære. For en given gennemtrængning og pistol-til-arbejde-afstand tillader heliumafskærmning også svejsning ved en væsentligt højere svejsningshastighed.

Jo højere accelerationsspænding jo længere strålen bevæger sig i gas ved atmosfærisk tryk og spændinger på 150 til 175 KV anvendes. Bortset fra accelerationsspændingen er strålekraft, kørehastighed, pistol til arbejdsafstand og afskærmningsgas vigtige procesvariabler. Figur 14.16 viser svejsepennetrækning som en funktion af transporthastigheden for tre forskellige effektniveauer af et ikke-vakuum-EBW, der angiver den betydelige stigning i transporthastigheden ved at øge effekten for en given indtrængning.

EBW med ikke-vakuum viser mere gennemtrængning ved kraftniveau over 50 KW, hvilket har gjort det muligt at svejse stål med over 25 mm tykkelse med indtrængning af nøglehullet, som er karakteristisk for EBW; dette hjælper også ved svejsning ved hastigheder mange gange mere end dem, der er mulige med nedsænket buesvejsning.

Den største fordel ved ikke-vakuumsystem er, at arbejdet må forblive ved atmosfærisk tryk, og det fører til højere produktionshastigheder med reducerede omkostninger. Størrelsen af ​​svejsningen er muligvis ikke begrænset af kammeret. Imidlertid opnås disse fordele på bekostning af lave svejsedybde til breddeforhold, reduceret svejsepennetrækning og små pistol-til-arbejdsafstande.

Materialerne, der kan svejses ved EBW-system uden vacuum, omfatter kulstof, lav legering og rustfrit stål, højtemperaturlegeringer, ildfaste legeringer samt kobber og aluminiumlegeringer. Nogle af disse metaller kan svejses i luften, mens andre har brug for inert atmosfære, som normalt opnås ved anvendelse af argon eller helium som afskærmningsgas.

Anvendelser af Electron Beam Welding (EBW):

Alle metaller og legeringer, der kan smeltesvejses af andre processer, kan som regel svejses af EBW. Disse kan omfatte strukturelle stål, hårdgørende stål, rustfrit stål, titanium, zirconium, wolfram, molybdæn, beryllium, rhenium, tantal og columbium. Forskellige metalkombinationer, der er metallurgisk kompatible, kan også svejses. EBW anvendes dog hovedsageligt til applikationer med høj præcision og høj produktionshastighed.

Højpræcisions applikationer kræver svejsning i høj renhed miljø for at undgå forurening på grund af atmosfærisk ilt og nitrogen. Sådanne anvendelser er hovedkravet for atomkraft, fly, luftrum og elektroniske industrier. Typiske produkter fremstillet ved denne proces omfatter nukleare brændselselementer, speciallegerede jetmotorkomponenter, trykbeholdere til raketfremdrivningssystemer og hermetisk lukkede vakuumindretninger som tætning af transistorer, mikroafbrydere osv.

Typiske eksempler på applikationer med høj produktionshastighed omfatter komponenter som tandhjul, rammer, styresøjler, transmission og drivende dele af biler, tyndvægget rør, svejsning af højhastighedstål til båndsav og motorsavklinger.

Specielle former, der kræver dyb indtrængning som dem, der er vist i figur 14.12, er kun mulige med EBW. Fig. 14.13 viser typer af led, der er unikke for elektronstrålesvejsning; svejsning i en forsænkning, svejsning af en T-ledning med en spids og svejsning samtidig flere led.

De fleste svejsninger i EBW er lavet uden fyldstof. Men hvis underfyldning eller ugunstig form af perlen er fremstillet, kan den korrigeres ved et efterfølgende kosmetisk pas, forudsat at arbejdsemnet ikke skal bearbejdes efter svejsning. Dette gøres ved at gå over svejsekuglen igen ved hjælp af en lavere strømstråle med enten strålespind eller væv påført af afbøjningsspolen.

Nogle af de specifikke industrielle anvendelser af EBW omfatter svejsning af klynge gear, titanium kompressor rotor og kraftaksel af en gasturbine motor, raket motor indsprøjtemaskine lavet af aluminium legering 5083, termionic varmeanordninger og til sammenføjning af høj temperatur metal komponenter som columbium bælge .