La soldadura por haz de electrones ( EBW ) es un proceso de soldadura por fusión en el que se aplica un haz de electrones de alta velocidad a dos materiales que se van a unir. Las piezas de trabajo se funden y fluyen juntas a medida que la energía cinética de los electrones se transforma en calor tras el impacto. La EBW se realiza a menudo en condiciones de vacío para evitar la disipación del haz de electrones.
La soldadura por haz de electrones fue desarrollada por el físico alemán Karl-Heinz Steigerwald en 1949, [1] quien en ese momento estaba trabajando en varias aplicaciones de haz de electrones. Steigerwald concibió y desarrolló la primera máquina de soldadura por haz de electrones práctica, que comenzó a funcionar en 1958. [2] Al inventor estadounidense James T. Russell también se le atribuye el diseño y la construcción de la primera soldadora por haz de electrones. [3] [4] [5]
Los electrones son partículas elementales que poseen una masa m = 9,1 · 10 −31 kg y una carga eléctrica negativa e = 1,6 · 10 −19 C. Existen ya sea unidos a un núcleo atómico , como electrones de conducción en la red atómica de los metales , o como electrones libres en el vacío .
Los electrones libres en el vacío pueden acelerarse y sus trayectorias pueden controlarse mediante campos eléctricos y magnéticos . De esta manera, se pueden formar haces de electrones con alta energía cinética . Al colisionar con átomos en sólidos, su energía cinética se transforma en calor. La soldadura por arco electrolítico proporciona excelentes condiciones porque implica:
La efectividad del haz depende de muchos factores. Los más importantes son las propiedades físicas de los materiales a soldar, especialmente la facilidad con la que pueden fundirse o vaporizarse en condiciones de baja presión. La EBW puede ser tan intensa que el material puede hervir, lo que debe tenerse en cuenta. A valores más bajos de densidad de potencia superficial (en el rango de aproximadamente 10 3 W/mm 2 ) la pérdida de material por evaporación es insignificante para la mayoría de los metales, lo que es favorable para la soldadura. A mayor potencia, el material afectado por el haz puede evaporarse rápidamente; pasando de la soldadura al mecanizado .
Los electrones de conducción (aquellos que no están ligados al núcleo de los átomos) se mueven en una red cristalina de metales con velocidades distribuidas según la ley de Gauss y en función de la temperatura. No pueden abandonar el metal a menos que su energía cinética (en eV) sea mayor que la barrera de potencial en la superficie del metal. El número de electrones que cumplen esta condición aumenta exponencialmente con el aumento de la temperatura del metal, siguiendo la regla de Richardson.
Como fuente de electrones para soldadores por haz de electrones, el material debe cumplir ciertos requisitos:
Estas y otras condiciones limitan la elección del material para el emisor a metales con altos puntos de fusión, prácticamente solo al tántalo y al tungsteno . Los cátodos de tungsteno permiten densidades de corriente de emisión de aproximadamente 100 mA/mm2 , pero solo una pequeña parte de los electrones emitidos participa en la formación del haz, dependiendo del campo eléctrico producido por el ánodo y las tensiones del electrodo de control. El cátodo utilizado con más frecuencia está hecho de una tira de tungsteno, de aproximadamente 0,05 mm de espesor, con la forma que se muestra en la Figura 1a. El ancho apropiado de la tira depende del valor más alto requerido de la corriente de emisión. Para el rango inferior de potencia del haz, hasta aproximadamente 2 kW, el ancho w = 0,5 mm es apropiado.
Los electrones emitidos desde el cátodo tienen poca energía, sólo unos pocos eV . Para darles la velocidad requerida, se aceleran mediante un campo eléctrico aplicado entre el emisor y el ánodo . El campo de aceleración también debe dirigir a los electrones para que formen un "haz" estrecho convergente alrededor de un eje. Esto se puede lograr mediante un campo eléctrico en la proximidad del cátodo que tiene una adición radial y un componente axial, forzando a los electrones en la dirección del eje. Debido a este efecto, el haz de electrones converge a un cierto diámetro en un plano cercano al ánodo.
Para aplicaciones prácticas, la potencia del haz de electrones debe ser controlable. Esto se puede lograr mediante otro campo eléctrico producido por otro cátodo cargado negativamente con respecto al primero.
Al menos esta parte del cañón de electrones debe ser evacuada al alto vacío, para evitar "quemar" el cátodo y la aparición de descargas eléctricas.
Después de salir del ánodo, el haz de electrones divergente no tiene una densidad de potencia suficiente para soldar metales y debe ser enfocado. Esto se puede lograr mediante un campo magnético producido por una corriente eléctrica en una bobina cilíndrica.
El efecto de enfoque de un campo magnético rotacionalmente simétrico sobre la trayectoria de los electrones es el resultado de la compleja influencia de un campo magnético sobre un electrón en movimiento. Este efecto es una fuerza proporcional a la inducción B del campo y a la velocidad del electrón v . El producto vectorial del componente radial de la inducción B r y el componente axial de la velocidad v a es una fuerza perpendicular a esos vectores, que hace que el electrón se mueva alrededor del eje. Un efecto adicional de este movimiento en el mismo campo magnético es otra fuerza F orientada radialmente al eje, que es responsable del efecto de enfoque de la lente magnética. La trayectoria resultante de los electrones en la lente magnética es una curva similar a una hélice . En este contexto, las variaciones de la longitud focal (corriente de excitación) causan una ligera rotación de la sección transversal del haz.
El punto de emisión debe estar ubicado con precisión con respecto a la junta que se va a soldar. Esto se logra generalmente de manera mecánica moviendo la pieza de trabajo con respecto al cañón de electrones, pero a veces es preferible desviar el haz. Para este propósito, se utiliza típicamente un sistema de cuatro bobinas ubicadas simétricamente alrededor del eje del cañón detrás de la lente de enfoque, que producen un campo magnético perpendicular al eje del cañón.
Cuando los electrones del haz impactan en la superficie de un sólido, algunos de ellos se reflejan (retrodispersan), mientras que otros penetran en la superficie, donde chocan con el sólido. En las colisiones no elásticas pierden su energía cinética. Los electrones pueden "viajar" sólo una pequeña distancia por debajo de la superficie antes de transformar su energía cinética en calor. Esta distancia es proporcional a su energía inicial e inversamente proporcional a la densidad del sólido. En condiciones típicas, la "distancia recorrida" es del orden de centésimas de milímetro.
Al aumentar el número de electrones (corriente del haz), se puede aumentar la potencia del haz hasta cualquier valor deseado. Al enfocar el haz sobre un diámetro pequeño, se pueden alcanzar valores de densidad de potencia plana de entre 10 4 y 10 7 W/mm 2 . Debido a que los electrones transfieren su energía en forma de calor en una capa delgada del sólido, la densidad de potencia en este volumen puede ser alta. La densidad de volumen puede alcanzar valores del orden de 10 5 – 10 7 W/mm 3 . En consecuencia, la temperatura en este volumen aumenta rápidamente, en 10 8 – 10 9 K/s.
Los resultados de la aplicación del haz dependen de varios factores:
El efecto final depende de la combinación particular de estos parámetros.
Para soldar piezas de paredes delgadas, generalmente se necesitan herramientas auxiliares de soldadura adecuadas. Su construcción debe garantizar un contacto perfecto entre las piezas y evitar que se muevan durante la soldadura. Por lo general, deben diseñarse individualmente para cada pieza de trabajo.
No todos los materiales pueden soldarse mediante un haz de electrones en el vacío. Esta tecnología no se puede aplicar a materiales con alta presión de vapor a la temperatura de fusión, como ocurre con el zinc , el cadmio , el magnesio y prácticamente todos los no metales.
Otra limitación puede ser el cambio de las propiedades del material inducido por el proceso de soldadura, como una alta velocidad de enfriamiento. [2]
Algunos componentes metálicos no se pueden soldar, es decir, fundir parte de ambos en las proximidades de la unión, si los materiales tienen propiedades diferentes. Sin embargo, es posible realizar uniones que cumplan con los altos requisitos de compacidad mecánica y que sean perfectamente herméticas al vacío. El enfoque principal es fundir el que tiene el punto de fusión más bajo, mientras que el otro permanece sólido. La ventaja de la soldadura por haz de electrones es su capacidad de localizar el calentamiento en un punto preciso y controlar exactamente la energía necesaria para el proceso. Un mayor vacío contribuye sustancialmente a un resultado positivo. Una regla general para la construcción de uniones realizadas de esta manera es que la parte con el punto de fusión más bajo debe ser directamente accesible al haz.
Los sistemas de vacío local permiten soldar piezas de trabajo sin necesidad de encerrarlas en la cámara de trabajo. En su lugar, se establece un vacío sellando la cámara a una sección de la pieza de trabajo, soldando esa sección y moviendo la cámara o la pieza de trabajo (de forma continua o en pasos discretos) a secciones adicionales y repitiendo el proceso hasta que se complete la soldadura. [6] El uso de soldadura por arco en recipientes a presión requiere 100 o más soldaduras/ciclos separados con procesamiento adicional para cada ciclo. Se pueden soldar materiales de hasta 200 mm de espesor en una sola pasada. La contracción es mínima (se recomienda el tratamiento térmico). Las soldaduras evitan la contaminación por óxido o nitruro. El material retiene mejor la resistencia. La soldadura tiene menos defectos/vacíos, requiere menos NDE y ha existido durante décadas.
Si el material fundido por el rayo se contrae durante el enfriamiento después de la solidificación, pueden producirse grietas, deformaciones y cambios de forma.
La soldadura a tope de dos placas puede provocar la flexión de la soldadura porque se ha fundido más material en la cabeza que en la raíz de la soldadura, aunque este efecto no es tan sustancial como en la soldadura por arco.
Pueden aparecer grietas en la soldadura. Si ambas partes son rígidas, la contracción de la soldadura puede producir una tensión elevada que puede agrietar un material frágil (aunque solo sea después de volver a fundirlo mediante soldadura).
Se han diseñado muchos tipos de soldadoras que difieren en su construcción, volumen del espacio de trabajo, manipuladores de piezas y potencia del haz. Los generadores de haz de electrones (cañón de electrones) diseñados para aplicaciones de soldadura pueden suministrar haces con una potencia que va desde unos pocos vatios hasta unos cien kilovatios. Se pueden realizar "microsoldaduras" de componentes diminutos, así como soldaduras profundas de hasta 300 mm o más. Los volúmenes de la cámara de trabajo de vacío varían desde unos pocos litros hasta cientos de metros cúbicos.
Los componentes principales del EBW son:
El cañón de electrones genera, acelera y enfoca el haz. Los electrones libres se obtienen mediante emisión térmica desde una tira (o alambre) de metal caliente.
A continuación, se aceleran y forman un haz estrecho mediante un campo eléctrico producido por tres electrodos: la banda emisora de electrones, el cátodo conectado al polo negativo de la fuente de alimentación de alto voltaje (acelerador) (30 - 200 kV) y el ánodo. El tercer electrodo (Wehnelt o de control) está cargado negativamente con respecto al cátodo. Su potencial negativo controla la parte de los electrones emitidos que entran en el campo acelerador, es decir, la corriente del haz de electrones. Después de pasar por la abertura del ánodo, los electrones se mueven a velocidad constante en un cono ligeramente divergente.
Para aplicaciones tecnológicas, el haz divergente debe estar enfocado, lo que se logra mediante el campo magnético de una bobina, la lente de enfoque magnético.
El haz debe estar orientado hacia los ejes ópticos de la lente eléctrica aceleradora y la lente de enfoque magnético. Esto se puede hacer aplicando un campo magnético de una dirección radial y una intensidad específicas perpendiculares al eje óptico delante de la lente de enfoque. Esto se suele lograr mediante un sistema de corrección simple que consta de dos pares de bobinas. El ajuste de las corrientes en estas bobinas produce el campo correcto.
Después de pasar por la lente de enfoque, el haz se puede aplicar para soldar, ya sea directamente o después de desviarlo mediante un sistema de deflexión. Un sistema de deflexión consta de dos pares de bobinas, una para cada dirección X e Y. Se pueden utilizar para deflexión "estática" o "dinámica". La deflexión estática es útil para el posicionamiento exacto del haz. La deflexión dinámica se logra suministrando a las bobinas de deflexión corrientes controladas por una computadora. Luego, el haz se puede redirigir para satisfacer las necesidades de aplicaciones más allá de la soldadura, como endurecimiento de superficies, recocido, posicionamiento exacto del haz, obtención de imágenes y grabado. Se puede lograr una resolución de 0,1 mm.
La soldadura normalmente se realiza en una cámara de vacío en un entorno de alto o bajo vacío, aunque los soldadores también pueden operar sin cámara.
Los volúmenes de las cámaras de trabajo varían desde unos pocos litros hasta cientos de metros cúbicos.
La soldadura por haz de electrones nunca se puede "manipular manualmente", incluso si no se realiza en vacío, debido a la presencia de una fuerte radiación X. El movimiento relativo del haz y la pieza de trabajo se logra con mayor frecuencia rotando o moviendo la pieza de trabajo o el haz.
Los equipos de rayos electrónicos deben contar con una fuente de alimentación adecuada. El voltaje de aceleración varía de 30 a 200 kV, normalmente de 60 a 150 kV. Los desafíos técnicos y los costos de los equipos dependen cada vez más del voltaje de funcionamiento.
El equipo de alto voltaje también debe suministrar corriente de bajo voltaje, superior a 5 V, para el calentamiento del cátodo, y voltaje negativo de hasta aproximadamente 1000 V para el electrodo de control.
El cañón de electrones necesita suministros de bajo voltaje para el sistema de corrección, la lente de enfoque y el sistema de deflexión.
La electrónica controla el manipulador de la pieza de trabajo, supervisa el proceso de soldadura y ajusta los distintos voltajes necesarios para una aplicación específica.
Estos sistemas se han aplicado a la soldadura de recipientes a presión para reactores modulares pequeños , con un enorme ahorro de tiempo y costes en comparación con la soldadura por arco. [6] El uso de la soldadura por arco en recipientes a presión requiere 100 o más soldaduras/ciclos separados con procesamiento adicional para cada ciclo. Se pueden soldar materiales de hasta 200 mm de espesor en una sola pasada. La contracción es mínima (se recomienda el tratamiento térmico). Las soldaduras evitan la contaminación por óxido o nitruro. El material retiene mejor la resistencia. La soldadura tiene menos defectos/vacíos. Se requiere menos NDE. [7]
Una turbina eólica marina puede requerir 6.000 horas de soldadura con arco eléctrico. La electroerosión por vacío local puede reemplazar esto a un costo y tiempo mucho menores, con una calidad mejorada. [7]
