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 haces de electrones. Steigerwald concibió y desarrolló la primera máquina práctica de soldadura por haz de electrones, 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 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 están controladas por campos eléctricos y magnéticos . De esta manera se pueden formar haces de electrones con alta energía cinética . Al chocar con átomos en sólidos, su energía cinética se transforma en calor. EBW proporciona excelentes condiciones de soldadura porque involucra:
La eficacia del haz depende de muchos factores. Las 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. El EBW puede ser tan intenso que el material puede llegar a hervir, lo cual 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; Pasar de soldar a mecanizar .
Los electrones de conducción (los que no están unidos al núcleo de los átomos) se mueven en una red cristalina de metales con velocidades distribuidas según la ley de Gauss y dependiendo 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 al aumentar la temperatura del metal, siguiendo la regla de Richardson.
Como fuente de electrones para los 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 puntos de fusión elevados, prácticamente sólo al tantalio y al tungsteno . Los cátodos de tungsteno permiten densidades de corriente de emisión de aproximadamente 100 mA/mm 2 , pero sólo una pequeña porción de los electrones emitidos participa en la formación del haz, dependiendo del campo eléctrico producido por el ánodo y los voltajes del electrodo de control. El cátodo utilizado con mayor 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 corriente de emisión. Para el rango inferior de potencia del haz, hasta aproximadamente 2 kW, es apropiada la anchura w=0,5 mm.
Los electrones emitidos por el cátodo son de baja energía, sólo unos pocos eV . Para darles la velocidad requerida, son acelerados por 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 y convergente alrededor de un eje. Esto se puede lograr mediante un campo eléctrico en las proximidades del cátodo que tiene una adición radial y una componente axial, forzando a los electrones en la dirección del eje. Debido a este efecto, el haz de electrones converge hasta cierto diámetro en un plano cercano al ánodo.
Para aplicaciones prácticas, la potencia del haz de electrones debe ser controlable. Esto puede lograrse mediante otro campo eléctrico producido por otro cátodo cargado negativamente con respecto al primero.
Al menos esta parte del cañón de electrones debe evacuarse a alto vacío, para evitar que se "queme" el cátodo y que se produzcan descargas eléctricas.
El haz de electrones divergente, tras salir del ánodo, no tiene suficiente densidad de potencia para soldar metales y debe enfocarse. 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 complicada influencia de un campo magnético sobre un electrón en movimiento. Este efecto es una fuerza proporcional a la inducción B del campo y la velocidad del electrón v . El producto vectorial de la componente radial de la inducción B r y la 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 caso, las variaciones de la distancia focal (corriente de excitación) provocan una ligera rotación de la sección transversal del haz.
El punto del haz debe estar posicionado exactamente con respecto a la unión a soldar. Esto normalmente se logra mecánicamente moviendo la pieza de trabajo con respecto al cañón de electrones, pero a veces es preferible desviar el haz. Para este fin se suele utilizar un sistema de cuatro bobinas colocadas simétricamente alrededor del eje de la pistola detrás de la lente de enfoque, produciendo un campo magnético perpendicular al eje de la pistola.
Cuando los electrones del haz impactan la superficie de un sólido, algunos de ellos se reflejan (retrodispersan), mientras que otros penetran en la superficie, donde chocan con el sólido. En colisiones no elásticas pierden su energía cinética. Los electrones sólo pueden "viajar" 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 (la corriente del haz), la potencia del haz se puede aumentar a cualquier valor deseado. Al enfocar el haz en un diámetro pequeño, se pueden alcanzar valores de densidad de potencia plana de hasta 10 4 hasta 10 7 W/mm 2 . Debido a que los electrones transfieren su energía en calor en una capa delgada del sólido, la densidad de potencia en este volumen puede ser alta. La densidad volumétrica puede alcanzar valores del orden de 10 5 – 10 7 W/mm 3 . En consecuencia, la temperatura en este volumen aumenta rápidamente, entre 10 8 y 10 9 K/s.
Los resultados de la aplicación de la viga dependen de varios factores:
El efecto final depende de la combinación particular de estos parámetros.
Para soldar piezas de paredes delgadas, generalmente se necesitan ayudas de soldadura adecuadas. Su construcción debe proporcionar un perfecto contacto de las piezas y evitar movimientos durante la soldadura. Por lo general, deben diseñarse individualmente para una pieza de trabajo determinada.
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, lo que afecta al zinc , cadmio , magnesio y prácticamente a 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. Todavía es posible realizar uniones que cumplan altas exigencias de compacidad mecánica y que sean perfectamente estancas al vacío. El método principal es fundir el que tiene el punto de fusión más bajo, mientras el otro permanece sólido. La ventaja de la soldadura por haz de electrones es su capacidad para 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 desde la viga.
Los sistemas de vacío locales permiten soldar piezas de trabajo sin necesidad de encerrar la pieza de trabajo dentro de la cámara de trabajo. En cambio, 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 (continuamente 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 un tratamiento térmico). Las soldaduras evitan la contaminación por óxidos o nitruros. El material conserva mejor la resistencia. La soldadura tiene menos defectos/huecos, requiere menos NDE y existe desde hace décadas.
Si el material fundido por la viga 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 quebradizo (aunque sólo sea después de refundirlo mediante soldadura).
Se han diseñado muchos tipos de soldadores, que se diferencian en su construcción, volumen del espacio de trabajo, manipuladores de piezas de trabajo y potencia del haz. Los generadores de haces de electrones (cañón de electrones) diseñados para aplicaciones de soldadura pueden suministrar haces con potencias que van desde unos pocos vatios hasta unos cien kilovatios. Se pueden realizar "microsoldaduras" de componentes pequeños, así como soldaduras profundas de hasta 300 mm o más. Los volúmenes de las cámaras de trabajo al vacío varían desde unos pocos litros hasta cientos de metros cúbicos.
Los principales componentes de EBW son:
El cañón de electrones genera, acelera y enfoca el haz. Los electrones libres se obtienen mediante termoemisión de una correa (o cable) de metal caliente.
Luego son acelerados y formados en un haz estrecho mediante un campo eléctrico producido por tres electrodos: la correa 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 control) está cargado negativamente con respecto al cátodo. Su potencial negativo controla la porción de electrones emitidos que entran en el campo de aceleración, es decir, la corriente del haz de electrones. Después de pasar la abertura del ánodo, los electrones se mueven con velocidad constante en un cono ligeramente divergente.
Para aplicaciones tecnológicas es necesario enfocar el haz divergente, lo que se realiza 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 alguna dirección radial específica y fuerza perpendicular al eje óptico antes de la lente de enfoque. Esto suele realizarse mediante un sencillo sistema de corrección que consta de dos pares de bobinas. Ajustar las corrientes en estas bobinas produce el campo correcto.
Después de pasar la lente de enfoque, el haz se puede aplicar para soldar, ya sea directamente o después de desviarse mediante un sistema de deflexión. Un sistema de desviación. Consta de dos pares de bobinas, una para las direcciones X e Y. Estos pueden usarse para deflexión "estática" o "dinámica". La deflexión estática es útil para el posicionamiento exacto de la viga. La deflexión dinámica se realiza 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, imágenes y grabado. Se puede alcanzar una resolución de 0,1 mm.
La soldadura normalmente se realiza en una cámara de vacío en funcionamiento en un ambiente de alto o bajo vacío, aunque los soldadores también pueden operar sin cámara.
Los volúmenes de la cámara de trabajo varían desde unos pocos litros hasta cientos de metros cúbicos.
La soldadura por haz de electrones nunca puede ser "manipulada manualmente", incluso si no se realiza en vacío, debido a la presencia de una fuerte radiación X. El movimiento relativo de la viga y la pieza de trabajo se logra con mayor frecuencia girando o moviendo la pieza de trabajo o la viga.
Los equipos de haz de electrones deben estar provistos de una fuente de alimentación adecuada. El voltaje de aceleración oscila entre 30 y 200 kV, normalmente entre 60 y 150 kV. Los desafíos técnicos y los costes de los equipos dependen cada vez más de la tensión 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 desviación.
La electrónica controla el manipulador de piezas de trabajo, monitorea el proceso de soldadura y ajusta los distintos voltajes necesarios para una aplicación específica.
Estos sistemas se han aplicado para soldar recipientes a presión de reactores modulares pequeños , con enormes ahorros de tiempo y costes respecto a la soldadura por arco. [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 un tratamiento térmico). Las soldaduras evitan la contaminación por óxidos o nitruros. El material conserva mejor la resistencia. La soldadura tiene menos defectos/huecos. Se requiere menos ECM. [7]
Una turbina eólica marina puede requerir 6.000 horas de soldadura con arco. La EBM al vacío local puede reemplazar esto a un costo y tiempo mucho menores, y con una calidad mejorada. [7]
