EBW: apparatuur, gezamenlijk ontwerp en toepassingen

Na het lezen van dit artikel leert u over: - 1. Inleiding tot elektronenbundellassen (EBW) 2. Benodigde apparatuur voor elektronenbundellassen (EBW) 3. Proceskenmerken 4. Laslasontwerp en -gereedschap 5. Laskarakteristieken en kwaliteit 6. Varianten 7. Toepassingen.

Inleiding tot elektronenbundellassen (EBW) :

Het einde van de Tweede Wereldoorlog begon een race tussen naties voor de suprematie in de ruimte en nucleair onderzoek. Dit vereiste het gebruik van reactieve (zoals titanium en zirkonium) en vuurvaste (zoals wolfraam, molybdeen en tantaal) metalen. Het samenvoegen van deze metalen door de toen gevestigde lasprocessen van smeltlassen resulteerde in de snelle absorptie van zuurstof, stikstof en waterstof door reactieve metalen tijdens de las- en nalascycli, hetgeen resulteerde in hun verminderde vervormbaarheid.

Fusie en herkristallisatie van vuurvaste metalen, daarentegen, verhoogden het ductiele naar brosse overgangstemperatuurbereik tot boven de kamertemperatuur. Vanwege deze nadelen was het vereist om deze metalen te lassen bij drukken van ^10-4 torr of minder om de gewenste kwaliteitslassen te bereiken en dat leidde tot de ontwikkeling van elektronenbundellassen.

Elektronenbundellassen (EBW) is een proces waarbij een elektronenbundel op het werkoppervlak botst om het op de gewenste plek te verwarmen. Omdat een elektron een heel klein deeltje is met een straal van 2, 82 x ^10-12 mm en een massa van 9, 109 x 10-28 g; dus het kan geen significante afstand afleggen in lucht of andere gassen. Het creëren van vacuüm is daarom een ​​essentiële vereiste voor het materialiseren van een elektronenbundel in de gewenste richting.

Wanneer het vereiste niveau van vacuüm wordt gecreëerd, kan de elektronenstraal echter vrij lange afstanden afleggen en elk bekend metaal of keramiek smelten. Het is dus een proces dat in principe is opgezet om kostbare en moeilijk lasbare reactieve en vuurvaste metalen te fabriceren.

Benodigde apparatuur voor elektronenstraallassen (EBW):

De apparatuur die wordt gebruikt voor EBW is vrij compact en bestaat in wezen uit twee hoofdonderdelen, namelijk het EBW-pistool en de werkkamer. Afhankelijk van de elektrische aansluitingen kan het EBW-pistool van het werkversnellende type zijn of van het zelfversnelde type; en op basis van het systeem dat wordt gebruikt voor het regelen van de bundelstroom, kan het zelfversnelde pistool van het diodekleptype zijn of van het triode kleptype.

Afhankelijk van de mate van vacuüm in de werkkamer, worden al deze soorten laspistolen ook geclassificeerd als hoogvacuüm, gemiddeld vacuüm en niet-vacuüm typen. Evenzo worden op basis van de spanning gebruikt voor het versnellen van de snelheid van elektronen de pistolen aangeduid als typen met lage spanning en hoge spanning. Aldus kan de algemene classificatie van EBW-pistolen worden weergegeven zoals getoond in Fig. 14.1.

De hoofdcomponenten van het EBW-pistool omvatten de kathode of de gloeidraad voor het uitzenden van elektronen, het elektronenversnellingssysteem, bundel- en focusseertoestellen, het kijk- of optieksysteem en de vacuüm- of werkkamer met werkverplaatsingssysteem en soms naadvolgapparatuur. ook inbegrepen om hoogwaardige defectvrije lassen te garanderen. Fig. 14.2 geeft een schematische weergave van de meeste componenten van een typisch EBW-pistool.

Proceskenmerken van elektronenbundellassen (EBW):

De lassen geproduceerd door EBW zijn typerend van vorm, aangezien ze worden gevormd door een spijkerkoppenetratie die het onderscheidt van vingerpenetratie van een hoogstroomgasmetaalbooglasproces (GMAW), zoals getoond in Fig. 14.4.

Dit type spijkerpen wordt bereikt door een fenomeen dat key-holing wordt genoemd. Bij deze techniek dringt de elektronenstroom het oppervlak van het werk tot op een afstand van ongeveer 25 micron binnen. Naarmate de elektronenstroom dieper het materiaal in reist, worden de elektronen verstrooid, vertraagd en gestopt door botsingen met atomen van de materiaalstructuur, wat resulteert in de verwarming van een peervormig volume.

Het bovenste, niet aangetaste dunne oppervlak breekt vervolgens, resulterend in het openen van een kanaal dat de ontwikkelde hoge inwendige druk vrijgeeft alsmede een snelle stroom verdampt materiaal. Het ontsnappende materiaal houdt het kanaal open. Dit proces wordt herhaald in de daaropvolgende lagen van het werkstuk tot het diep doordringt. dampgat met gesmolten wanden, getoond in Fig. 14.5, wordt bereikt door de bundelenergie te besteden.

Het gesmolten metaal van het voorste deel van het dampgat stroomt rond de omtrek ervan en stolt aan de achterkant om lasmetaal te vormen wanneer de bundel naar voren beweegt langs de laslijn. Vandaar dat de penetratie veel dieper is dan de lasbreedte en dat de door hitte beïnvloede zone erg smal is; bijvoorbeeld lasbreedte in een volledige penetratie stomplas in een 13 mm dikke staalplaat kan zo klein zijn als 1-5 mm. De breedte tot penetratie verhouding tot 50, in staallassen, zijn naar verluidt bereikt.

De afhankelijkheid van het sleutelgatmechanisme bij dampvorming en oppervlaktespanning betekent dat metalen verschillen in het gemak waarmee ze door de elektronenbundel kunnen worden gepenetreerd. Naar verluidt neemt de penetratie toe naarmate de vormingsdampen van de dampen afnemen. Dit verklaart waarom wolfraam moeilijker te penetreren is dan aluminium. Penetratie in EBW is ook omgekeerd evenredig met het smeltpunt en thermische geleidbaarheid en evenredig met de vierkantswortel van de thermische diffusiecoëfficiënt van het materiaal dat wordt gelast.

Weldgewricht ontwerp en voorbereiding voor EBW:

De verbindingen die gewoonlijk worden gemaakt door het EBW-proces, zoals weergegeven in Fig. 14.11, omvatten stoot-, hoek-, schoot-, rand- en Tee-typen of hun modificaties voor specifieke toepassingen, met gebruik van een voorbereiding met rechte randen. Normale hoeklassen zijn moeilijk te lassen en worden daarom meestal vermeden.

Vierkante voorbereiding van de baleinen vereist het gebruik van armaturen om de werkcomponenten in de vereiste uitlijning te houden; Wanneer echter armaturen moeten worden vermeden, kan de verbinding worden gewijzigd in sponningtype zoals weergegeven in figuur 14.11 (b). Dat zorgt ook voor zelfuitlijning.

Als het gebied van het lasmetaal moet worden vergroot, zoals in het geval van het verbinden van dunne buizen, kunnen de randen worden afgeschermd. Het voorbereiden van de sjaalrand en de pasvorm is echter moeilijker. Rand-, naad- en heupfilets worden voornamelijk gebruikt voor het verbinden van alleen plaatwerk.

Verontreiniging van het lasmetaal veroorzaakt waarschijnlijk porositeit of en scheurvorming evenals verslechtering van mechanische eigenschappen. Het is daarom noodzakelijk om de voeg grondig te reinigen voordat deze wordt gemonteerd en uitgelijnd. Aceton is een voorkeursoplosmiddel voor het reinigen van de componenten voor EBW; echter, aceton, dat zeer ontvlambaar is, moet zeer zorgvuldig worden behandeld.

Om ondervulling of onvolledige fusie te voorkomen, moeten de verbindingen zorgvuldig worden voorbereid om een ​​goede afstelling en uitlijning te bereiken. De opening tussen de vervuilende oppervlakken moet zo klein mogelijk zijn met een maximum van 0, 125 mm; aluminiumlegeringen kunnen echter enigszins grotere spleten tolereren dan staalsoorten.

Normaal gesproken is het doel van EBW om geen vulmetaal te gebruiken, daarom wordt het lasnaadwerk dienovereenkomstig gekozen. Soms wordt echter vulstof toegevoegd om de verbinding tijdens een tweede of cosmetische passage te vullen om een ​​volledige dikte te verschaffen. Vulvoedingsapparatuur is meestal vergelijkbaar met degene die wordt gebruikt voor het lassen van gaswolfraamboog, hoewel specifieke behoeften het gebruik van speciaal ontworpen eenheden voor gebruik in vacuümkamers noodzakelijk kunnen maken. De diameters van de vuldraad zijn over het algemeen klein met een maximum van ongeveer 0-5 mm en de draad wordt in de voorrand van het kleine smeltbad geleid.

Soms kan vulmetaal worden toegevoegd om de gewenste fysische of metallurgische kenmerken van het lasmetaal te bereiken; de eigenschappen die zo worden geregeld kunnen ductiliteit, treksterkte, hardheid en bestendigheid tegen scheuren omvatten. De toevoeging van een kleine hoeveelheid aluminiumdraad of vulring kan bijvoorbeeld leiden tot de productie van gedood staal en dat vermindert de porositeit.

Laskarakteristieken en kwaliteit van EBW:

Vanwege de hoge penetratie-tot-breedteverhoudingen van EB-lassen ontstaan ​​twee duidelijke voordelen, namelijk dat relatief dikke platen in een enkele doorgang kunnen worden gelast en lassnelheden die veel hoger zijn dan die welke kunnen worden bereikt bij booglassen kunnen worden gebruikt.

Een aantal metalen kan worden gelast tot een diepte-tot-breedteverhouding van maximaal 50. Met behulp van een vierkante randvoorbereiding kunnen aluminiumplaten tot 450 mm dik in één keer worden gelast, hoewel in staal de overeenkomstige dikte meestal wordt beperkt tot 300 mm .

Het hoogvacuüm EBW-proces is een uitstekend hulpmiddel voor het lassen van ongelijksoortige metalen van verschillende dikten en voor het repareren van lassen van componenten die onmogelijk door andere processen kunnen worden geborgen. Over het algemeen is geen voorverwarming vereist, zelfs voor lassen, materialen met hoge geleidbaarheid, met EBW.

Hoewel EBW een proces met hoge vermogensdichtheid is, is de energie-input per lengte-eenheid laag, zoals blijkt uit tabel 14.3. Deze karakteristiek van het proces leidt tot twee voordelen, namelijk, het vermindert de grootte van de door warmte beïnvloede zone en minimaliseert vervorming. Het lasmetaal in EB-lassen heeft mechanische eigenschappen die gewoonlijk vergelijkbaar zijn met die van onedel metaal.

De procesvariabelen kunnen worden geregeld om een ​​hoge mate van betrouwbaarheid en reproduceerbaarheid in lassen te bereiken. In vergelijking met booglasprocessen zijn echter nauwere bewerkingstoleranties vereist voor het maken van EB-lassen. Ook is er een kans op verdamping van metalen met hoge dampspanning tijdens het lassen.

Varianten van EBW-proces:

De eigenschappen 80 die ver worden besproken hebben voornamelijk betrekking op de EBW-pistolen van het hoge vacuümtype. Hoog vacuüm EBW is echter een lage productie en een duur proces. Het wordt dus gebruikt voor het lassen van zeer kritieke componenten, voornamelijk van reactieve metalen. Er zijn twee varianten of modi van het hoofdproces nl., Medium vacuüm EBW en niet-vacuüm EBW.

1. Medium vacuüm EBW:

Terwijl hoogvacuüm EBW wordt uitgevoerd bij een drukbereik van ^10-3 tot ^10-6 torr, gebruikt medium vacuüm EBW een drukbereik van ^10-3 tot 25 torr. Binnen deze grenzen wordt het drukbereik tussen ^10-3 en 1 torr aangeduid als 'zacht of gedeeltelijk vacuüm' en van 1 tot 25 torr wordt dit 'snelvacuüm' genoemd. Het medium vacuümproces behoudt de meeste voordelen van hoogvacuümlassen en met verbeterde productiecapaciteit.

In een medium vacuüm EBW-pistool wordt de bundel gegenereerd in hoog vacuüm en vervolgens geprojecteerd in de laskamer met een zacht of snel vacuüm, zoals weergegeven in Fig. 14.14. Dit wordt bereikt door een opening die groot genoeg is om de bundel te laten passeren maar die geen significante terugdiffusie van gassen uit de kamer naar de pistoolkolom mogelijk maakt.

Een groot voordeel van het medium vacuüm EBW is dat de vereiste voor vacuumpompen aanzienlijk wordt verminderd, wat resulteert in hoge winsten in commercieel en economisch opzicht. Deze variant is bij uitstek geschikt voor massaproductie taken, bijvoorbeeld, tandwielen kunnen met succes worden gelast op assen in hun uiteindelijke bewerkte staat zonder dat een volgende nabewerking nodig is, terwijl nauwe toleranties worden gehandhaafd.

Vanwege de verhoogde aanwezigheid van lucht in medium vacuüm (100 ppm) modus is het proces minder bevredigend dan hoogvacuümlassen voor reactieve metalen. Dit proces is echter geschikt gebleken voor het lassen van vuurvaste metalen, waarbij absorptie van kleine hoeveelheden zuurstof en stikstof kan worden getolereerd.

2. Niet-vacuüm EBW :

Niet-vacuümlassen wordt uitgevoerd bij atmosferische druk, hoewel het EB-pistool op een druk van 10 ^{- 4} torr of minder moet worden gehouden voor stabiel en efficiënt lassen.

De EB in niet-vacuümlassen wordt uit het vacuümsysteem gebracht door een reeks geëvacueerde kamers met kleine openingen, zoals weergegeven in Fig. 14.15, op een zodanige wijze dat de stroom van atmosferische gassen in de pistoolkolom wordt geminimaliseerd. De werkkamer kan worden gevuld met helium omdat het minder obstructie biedt voor de EB en een betere penetratievorm geeft dan verkregen met argon of lucht als atmosfeer. Ook maakt heliumafscherming voor een gegeven penetratie en afstand tussen pistool en werk lassen met een aanzienlijk hogere lassnelheid mogelijk.

Hoe hoger de versnellingsspanning, des te verder de bundel in gas beweegt bij atmosferische druk en worden spanningen van 150 tot 175 KV gebruikt. Afgezien van de versnellingsspanning zijn bundelvermogen, rijsnelheid, afstand tussen pistool en werk en het beschermgas belangrijke procesvariabelen. 14.16 toont de laserdoordringing als een functie van de rijsnelheid voor drie verschillende vermogensniveaus van een niet-vacuüm EBW die de significante toename van de rijsnelheid aangeeft door het vermogen voor een gegeven penetratie te vergroten.

Niet-vacuüm EBW vertoont meer penetratie op vermogensniveau boven 50 kW, waardoor het mogelijk is om staal met een dikte van meer dan 25 mm te lassen met penetratie van het sleutelgattype dat kenmerkend is voor EBW; dit helpt ook bij het lassen met snelheden vele malen meer dan die haalbaar zijn met ondergedompeld booglassen.

Het belangrijkste voordeel van een niet-vacuümsysteem is dat het werk op atmosferische druk mag blijven en dat leidt tot hogere productiesnelheden met lagere kosten. Ook kan de afmeting van het lasdeel niet worden beperkt door de kamer. Deze voordelen worden echter opgedaan ten koste van lage lasdiepte tot breedteverhoudingen, verminderde lasspenetratie en kleine afstand tussen pistool en werk.

De materialen die kunnen worden gelast door een niet-vacuüm EBW-systeem omvatten koolstof, laaggelegeerde en roestvrije staalsoorten, legeringen op hoge temperatuur, vuurvaste legeringen evenals koper en aluminiumlegeringen. Sommige van deze metalen kunnen aan de lucht worden gelast, terwijl andere een inerte atmosfeer nodig hebben die gewoonlijk wordt verkregen door het gebruik van argon of helium als beschermgas.

Toepassingen van Electron Beam Welding (EBW):

Alle metalen en legeringen die door andere processen met smeltlassen kunnen worden gelast, kunnen in de regel ook door EBW worden gelast. Deze kunnen constructiestaal, hard-in staat zijn staal, roestvast staal, titanium, zirkonium, wolfraam, molybdeen, beryllium, rhenium, tantaal en columbium omvatten. Verschillende metaalcombinaties die metallurgisch compatibel zijn, kunnen ook worden gelast. EBW wordt echter voornamelijk gebruikt voor toepassingen met hoge precisie en hoge productiesnelheid.

Zeer precieze toepassingen vereisen lassen in een omgeving met hoge zuiverheid om verontreiniging door atmosferische zuurstof en stikstof te voorkomen. Dergelijke toepassingen zijn de belangrijkste vereiste voor nucleaire, luchtvaart-, ruimtevaart- en elektronische industrieën. Typische producten die door dit proces worden geproduceerd, zijn onder meer splijtstofelementen, onderdelen van speciale straalmotorelementen, drukvaten voor raketvoortstuwingssystemen en hermetisch afgesloten vacuüminrichtingen zoals afdichting van transistors, microschakelaars, enz.

Typische voorbeelden van toepassingen met hoge productiesnelheid omvatten componenten zoals tandwielen, frames, stuurkolommen, transmissie- en aandrijfonderdelen van auto's, dunwandige buizen, lassen van HSS-band en Power Saw-bladen.

Speciale vormen die een diepe penetratie vereisen, zoals die getoond in Fig. 14.12, zijn alleen mogelijk met EBW. 14.13 toont soorten verbindingen die uniek zijn voor elektronenbundellassen; lassen in een uitsparing, lassen van een T-verbinding met een spijker en gelijktijdig lassen van meerdere verbindingen.

De meeste lassen in EBW zijn gemaakt zonder vulmetaal. Als er echter een te kleine of ongunstige vorm van de hiel wordt geproduceerd, kan deze worden rechtgezet door een volgende cosmetische pas, op voorwaarde dat het werkstuk na het lassen niet wordt bewerkt. Dit wordt gedaan door opnieuw over de lasrups te gaan met behulp van een bundel met een lager vermogen met bundelspin of weving aangebracht door de afbuigspoelen.

Enkele van de specifieke industriële toepassingen van EBW omvatten het lassen van bundeltandwielen, titanium compressorrotor en aandrijfas van een gasturbinemotor, raketmotorinjector gemaakt van aluminiumlegering 5083, thermionische verwarmingsinrichtingen en voor het verbinden van metalen onderdelen op hoge temperatuur zoals columbium-balgen .