EBW: Utstyr, felles design og applikasjoner

Etter å ha lest denne artikkelen vil du lære om: - 1. Introduksjon til elektrobjelkesveising (EBW) 2. Utstyr som kreves for elektrobjelkesveising (EBW) 3. Prosesskarakteristikker 4. Sveis Felles utforming og forberedelse 5. Sveisegenskaper og kvalitet 6. Varianter 7. Søknader.

Introduksjon til elektrobjelkesveising (EBW) :

Slutten av andre verdenskrig startet et løp mellom nasjoner for overlegenhet i rom og nukleær forskning. Dette krevde bruk av reaktive (som titan og zirkonium) og ildfaste (som wolfram, molybden og tantal) metaller. Sammenkobling av disse metallene med de da etablerte sveiseprosessene for fusjonssveising resulterte i absorpsjon av oksygen, nitrogen og hydrogen raskt ved reaktive metaller under sveise- og etter-sveisesyklusene som resulterte i deres reduserte duktilitet.

Fusjon og omkrystallisering av ildfaste metaller, derimot, økte det duktile til sprø overgangstemperaturområde til over romtemperaturen. På grunn av disse ulempene var det nødvendig å sveise disse metallene ved trykk på 10 ^-4 torr eller mindre for å oppnå de ønskede kvalitetssveisene, og det førte til utviklingen av elektronstrålesveising.

Elektronstrålesveising (EBW) er en prosess der en stråle av elektroner er laget for å ramme arbeidsflaten for å varme den på ønsket sted. Som en elektron er en meget liten partikkel med en radius på 2, 82 × ^10-12 mm og en masse på 9, 109 × 10-28 g; så det kan ikke reise noen betydelig avstand i luft eller andre gasser. Opprettelse av vakuum er derfor et viktig krav for at en elektronstråle skal materialisere i ønsket retning.

Men når det er nødvendig nivå av vakuum er opprettet, kan elektronstrålen bevege seg ganske lange avstander og smelte ethvert kjent metall eller keramikk. Dermed er det en prosess som i utgangspunktet er etablert for å fremstille kostbare og vanskelige sveisende reaktive og ildfaste metaller.

Utstyr som kreves for elektrobjelkesveising (EBW):

Utstyret som brukes til EBW er ganske kompakt og består i utgangspunktet av to hoveddeler, nemlig EBW-pistolen og arbeidskammeret. Avhengig av de elektriske tilkoblingene kan EBW-pistolen være av arbeidsakselerert type eller selvakselerert type; og basert på systemet som brukes til å styre strålestrømmen, kan den selvaksellerte pistolen være av diodeventiltypen eller triodeventiltypen.

Avhengig av omfanget av vakuum i arbeidskammeret, er alle disse typer sveisepistoler også klassifisert som høyvakuum-, mediumvakuum- og ikke-vakuumtyper. På samme måte, basert på spenningen som benyttes for å akselerere hastigheten på elektroner, blir pistolene referert til som lavspennings- og høyspent-typer. Således kan den generelle klassifiseringen av EBW-våpen bli representert som vist i figur 14.1.

Hovedkomponentene til EBW-pistolen inkluderer katoden eller filamentet for emitterende elektroner, det elektronakselerende systemet, strålings- og fokuseringsanordninger, visning eller optikk-systemet, og vakuum- eller arbeidskammeret som innbefatter arbeidsoverføringssystem og noen ganger sømsporingsanordninger er Inkludert også for å sikre feilfri sveising av høy kvalitet. Fig. 14.2 gir en skjematisk fremstilling av de fleste av komponentene i en typisk EBW-pistol.

Prosessegenskaper for elektronbjelkesveising (EBW):

Sveisene produsert av EBW er typiske i form da de dannes fritypspikpenetrering som skiller det fra fingerinntrengning av prosess med høy gjeldende gassmetallbuesveising (GMAW), som vist i figur 14.4.

Denne nailhead type penetrasjon oppnås gjennom et fenomen som kalles nøkkelhull. I denne teknikken trenger strømmen av elektroner inn i overflaten av arbeidet i en avstand på ca. 25 mikron. Når elektronstrømmen beveger seg dypere inn i materialet, blir elektronene spredt, redusert og stoppet av kollisjoner med atomer av materialstrukturen, noe som resulterer i oppvarming av et pæreformet volum.

Den øvre upåvirkede tynne overflaten brister seg og resulterer i åpning av en kanal som frigjør det høye interne trykket utviklet så vel som en rask strøm av fordampet materiale. Det rømmende materialet holder kanalen åpen. Denne prosessen gjentas i de etterfølgende lagene i arbeidsstykket til dyp penetrasjon. damphull med smeltede vegger, vist i figur 14.5, oppnås ved å utnytte stråleenergien.

Det smeltede metallet fra det fremre partiet av damphullet strømmer rundt sin periferi og størkner på baksiden for å danne sveisemetall når strålen beveger seg fremover langs sveiselinjen. Dermed er gjennomtrengningen mye dypere enn sveisebredden, og den varmebehandlede sonen er meget smal; for eksempel sveisebredde i en full gjennomtrengningsbunnsveis i en 13 mm tykk stålplate kan være så liten som 1-5 mm. Bredden til gjennomtrengningsforholdet opptil 50 i stål sveisene er angivelig oppnådd.

Avhengigheten av nøkkelhule-mekanismen ved dampdannelse og overflatespenning betyr at metaller avviker i den enkle måte de kan trenge inn i av elektronstrålen. Det er rapportert at penetrasjonen øker ettersom dampens dannelse avtar. Dette forklarer hvorfor tungsten er vanskeligere å trenge inn enn aluminium. Inntrengning i EBW er også omvendt proporsjonal med smeltepunktet og termisk ledningsevne og proporsjonal med kvadratroten av den termiske diffusiviteten til materialet som sveises.

Sveis Felles design og forberedelse til EBW:

Leddene som vanligvis er laget av EBW-prosessen, som vist i figur 14.11, inkluderer skudd-, komer-, lap-, kant- og Tee-typer eller deres modifikasjoner for å passe spesielle applikasjoner ved bruk av kvadratkantspreparasjon. Normale filetsveis er vanskelige å sveise og blir derfor vanligvis unngått.

Firkantet rumpekantpreparasjon krever bruk av inventar for å holde arbeidskomponentene i den nødvendige justeringen; men når armaturer skal unngås, kan leddet modifiseres til rabbetype som vist i figur 14.11 (b). Det sørger også for selvjustering.

Hvis sveisemetallområdet skal økes, som ved tilføyelse av tynne rør, kan kantene være skjerf. Det er imidlertid vanskeligere å lage skjerfkanten og tilpasning. Kant-, søm- og lapfileter brukes først og fremst for å bli med i metallplater.

Forurensning av sveisemetallet vil trolig forårsake porøsitet eller sprekkdannelse samt forringelse av mekaniske egenskaper. Det er derfor viktig å rengjøre skjøten grundig før tilpasning og justering. Aceton er et foretrukket løsningsmiddel for rengjøring av komponentene for EBW; men aceton er svært brennbar, må håndteres svært nøye.

For å unngå under fylling eller ufullstendig fusjon, må leddene være nøye forberedt for å oppnå god tilpasning og justering. Spalten mellom faying overflatene skal være så liten som mulig med maksimalt 0, 125 mm; Aluminium legeringer kan imidlertid tåle noe større hull enn stål.

Normalt i EBW er det rettet mot å bruke ikke filler metall, og sveiseleddet er derfor valgt tilsvarende. Imidlertid blir det til tider fyllmateriale tilsatt for å fylle skjøten i løpet av et sekund eller et kosmetisk pass for å gi en full tykkelse. Fyllingstrådfôringsutstyr er vanligvis lik den som er ansatt for gasswolframbuesveising, selv om spesifikke behov kan kreve bruk av spesialdesignede enheter for bruk i vakuumkamre. Fyldtråddiametre er generelt små med maksimalt ca. 0-5 mm og ledningen mates inn i forkant av det lille sveisepunktet.

Noen ganger kan fyllmateriale bli tilsatt for å oppnå de ønskede fysiske eller metallurgiske egenskaper av sveisemetallet; Egenskapene som er så kontrollert kan inkludere duktilitet, strekkfasthet, hardhet og motstand mot sprengning. Tilsetningen av små mengder aluminiumtråd eller skum kan for eksempel resultere i produksjon av drept stål og som reduserer porøsiteten.

Sveisegenskaper og kvalitet på EBW:

På grunn av høye penetrerings-til-breddeforhold for EB-sveiser, oppnås to forskjellige fordeler, dvs. relativt tykke plater kan sveises i et enkelt pass og sveishastigheter som er mye høyere enn de som kan oppnås ved buesveising, kan benyttes.

En rekke metaller kan sveises for å gi et dybde til breddeforhold på opptil 50. Ved bruk av kvadratkanten kan aluminiumplater opptil 450 mm tykke sveises i et enkelt pass, selv om de er i stål, er den tilsvarende tykkelsen vanligvis begrenset til 300 mm .

EBW-prosessen med høyvakuum er et utmerket verktøy for sveising av forskjellige metaller av forskjellige tykkelser, samt for reparasjonssveising av komponenter som er umulige å redde av andre prosesser. Generelt er det ikke nødvendig med forvarming selv for sveising, høy ledningsevne, med EBW.

Selv om EBW er en høy effektdensitetsprosess, er energiinngangen per lengdeenhet lav, slik det fremgår av tabell 14.3. Denne egenskapen til prosessen fører til to fordeler, for eksempel, det reduserer størrelsen på den varme-berørte sonen og minimerer forvrengning. Sveisemetallet i EB sveiser har mekaniske egenskaper som ligner på grunnmetallene.

Prosessvariablene kan styres for å oppnå en høy grad av pålitelighet og reproduserbarhet i sveising. Imidlertid, i forhold til bueveisprosesser, er det behov for nærmere bearbeidingstoleranser for å lage EB sveiser. Det er også en sannsynlighet for fordamping av høyt damptrykksmetall under sveising.

Varianter av EBW-prosessen:

Funksjonene 80 som er langt diskutert, vedrører hovedsakelig EBW-pistoler med høyvakuumtype. Men høyvakuum EBW er en lav produksjon og en høy kostnadsprosess. Således er det anvendt for sveising av svært kritiske komponenter hovedsakelig av reaktive metaller. Det er to varianter eller moduser av hovedprosessen, dvs. mediumvakuum EBW og ikke-vakuum-EBW.

1. Medium vakuum EBW:

Mens høyvakuum-EBW utføres ved et trykkområde på ^10-3 til ^10-6 torr, bruker mediumvakuum EBW et trykkområde på ^10-3 til 25 torr. Innenfor disse grensene er trykkområdet mellom 10 ^-3 og 1 torr referert til som "mykt eller delvis vakuum" og fra 1 til 25 torr kalles det "hurtigvakuum". Den middels vakuumprosessen beholder de fleste fordelene ved høyvakuumsveising og med forbedret produksjonsevne.

I en mediumvakuum EBW-pistol blir strålen generert i høyvakuum og deretter projisert inn i sveisekammeret med mykt eller hurtig vakuum, som vist i figur 14.14. Dette oppnås gjennom en åpning som er stor nok til at strålen skal passere, men tillater ikke signifikant tilbakediffusjon av gasser fra kammer til pistolkolonnen.

En stor fordel ved middelsvakuumet EBW er at kravet til vakuumpumpe blir betydelig redusert, noe som resulterer i høye gevinster i kommersielle og økonomiske termer. Denne varianten er ideell for masseproduksjonsoppgaver, for eksempel kan gir lett sveises til aksler i sin endelige bearbeidede tilstand uten å involvere noen etterfølgende etterbehandling, samtidig som de holder tette toleranser.

På grunn av økt tilstedeværelse av luft i medium vakuum (100 ppm) modus, er prosessen mindre tilfredsstillende enn høyvakuumsveising for reaktive metaller. Imidlertid er denne prosessen funnet tilstrekkelig til sveising av ildfaste metaller hvor absorpsjon av små mengder oksygen og nitrogen kan tolereres.

2. Ikke-vakuum EBW :

Ikke-vakuum sveising gjøres ved atmosfærisk trykk, selv om EB-pistolen må holdes ved et trykk på 10 ^{- 4} torr eller mindre for stabil og effektiv sveising.

EB i vakuumsveising bringes ut av vakuumsystemet gjennom en rekke evakuerte kamre med små åpninger, som vist i figur 14.15, på en måte som minimerer strømmen av atmosfæriske gasser inn i pistolen. Arbeidskammeret kan fylles med helium, da det gir mindre obstruksjon til EB og gir bedre penetreringsform enn oppnådd med argon eller luft som atmosfære. Også for en gitt gjennomtrengning og pistol-til-arbeid-avstand tillater heliumskjerming sveising ved en betydelig høyere sveisehastighet.

Jo høyere akselererende spenning jo lenger strålen beveger seg i gass ved atmosfærisk trykk og spenninger på 150 til 175 KV blir brukt. Bortsett fra akselerasjonsspenningen er strålekraft, kjørehastighet, pistol til arbeidsavstand, og skjermgassen viktige prosessvariabler. Fig. 14.16 viser sveiseinntrengning som en funksjon av reisens hastighet for tre forskjellige effektnivåer av et ikke-vakuum-EBW som indikerer den betydelige økningen i kjørehastigheten ved å øke kraften for en gitt gjennomtrenging.

Ikke-vakuum-EBW viser mer inntrengning på kraftnivå over 50 KW, noe som har gjort det mulig å sveise stål med over 25 mm tykkelse med nøkkelhullstype penetrering som er karakteristisk for EBW; Dette hjelper også i sveising ved hastigheter mange ganger mer enn de som er mulige med nedsenket buesveising.

Hovedfordelen ved ikke-vakuumsystem er at arbeidet får lov til å forbli ved atmosfærisk trykk, og det fører til høyere produksjonshastigheter med reduserte kostnader. Størrelsen på sveisningen kan heller ikke begrenses av kammeret. Imidlertid er disse fordelene oppnådd på bekostning av lav sveisedybde til breddeforhold, redusert sveisepenetrering og små pistol-til-arbeidsavstander.

Materialene som kan sveises av ikke-vakuum EBW-system inkluderer karbon, lav legering og rustfritt stål, høy temperatur legeringer, ildfaste legeringer samt kobber og aluminium legeringer. Noen av disse metallene kan sveises i luft, mens andre trenger inert atmosfære som vanligvis oppnås ved bruk av argon eller helium som skjermgassen.

Anvendelser av elektrobjelkesveising (EBW):

Alle metaller og legeringer som kan smeltesveis av andre prosesser, kan som regel sveises av EBW. Disse kan omfatte konstruksjonsstål, hardstålstål, rustfritt stål, titan, zirkonium, wolfram, molybden, beryllium, rhenium, tantal og columbium. Ulike metallkombinasjoner som er metallurgisk kompatible kan også sveises. EBW brukes imidlertid hovedsakelig for applikasjoner med høy presisjon og høy produksjonshastighet.

Høypresisjonskrav krever sveising i miljø med høy renhet for å unngå forurensning på grunn av atmosfærisk oksygen og nitrogen. Slike applikasjoner er hovedkravet for kjernekraft, fly, flyplass og elektroniske næringer. Typiske produkter produsert av denne prosessen inkluderer kjernefysiske brenselelementer, spesiallegeringsstrålemotorkomponenter, trykkbeholdere for rakettfremdriftssystemer og hermetisk forseglede vakuuminnretninger som tetning av transistorer, mikrobrytere etc.

Typiske eksempler på applikasjoner med høy produksjonshastighet inkluderer komponenter som gir, ramper, styrespoler, overføring og drivende deler av biler, tynnvegger, sveising av høyhastighetsstål til motorsag og motorsagblad.

Spesielle former som krever dyp penetrasjon som de som er vist i figur 14.12, er kun mulig med EBW. Fig. 14.13 viser typer ledd som er unike for elektronstrålesveising; sveise i en fordypning, sveise en T-ledd med en spike og sveise samtidig flere ledd.

De fleste sveisene i EBW er laget uten fyllmateriale. Men hvis underfylling eller ugunstig form av perlen er produsert, kan den rettes ved et etterfølgende kosmetisk pass, forutsatt at arbeidsemnet ikke skal bearbeides etter sveising. Dette gjøres ved å gå over sveisestrengen igjen ved hjelp av en lavere kraftstråle med enten strålespinn eller vev påført av avbøyningsspolen.

Noen av de spesifikke industrielle bruksområdene til EBW inkluderer sveising av klyngedrev, titankompressorrotor og kraftaksel av en gasturbinmotor, rakettmotorinjektor laget av aluminiumlegering 5083, termioniske oppvarmingsanordninger og for sammenføring av høytemperaturmetallkomponenter som columbiumbellows .