INTRODUCCIÓN
La historia de la unión de metales se remonta a varios milenios, con los primeros ejemplos de soldadura desde la edad de bronce y la edad de hierro en Europa y el Oriente Medio. En la Edad Media trajo avances en la soldadura de fragua, con la que los herreros repetidamente golpeaban y calentaban el metal hasta que ocurría la unión. En 1800, Sir Humphry Davy descubrió el arco eléctrico, y los avances en la soldadura por arco continuaron con las invenciones de los electrodos de metal por un ruso, Nikolai Slavyanov, y un americano, C. L. Coffin a finales de los años 1800, incluso como la soldadura por arco de carbón, que usaba un electrodo de carbón, ganó popularidad. Alrededor de 1900, A. P. Strohmenger lanzó un electrodo de metal recubierto en Gran Bretaña, que dio un arco más estable. Otros desarrollos recientes en la soldadura incluyen en 1958 el importante logro de la soldadura con rayo de electrones, haciendo posible la soldadura profunda y estrecha por medio de la fuente de calor concentrada. Siguiendo la invención del láser en 1960. La soldadura por rayos de electrones es un proceso de soldadura en el cual la energía requerida para derretir el material es suministrada por un rayo de electrones. Para evitar la dispersión del rayo de electrones la pieza de trabajo es generalmente ubicada en una cámara de vacío, aunque se ha intentado también realizar soldadura por rayo de electrones bajo presión atmosférica. La región afectada por el calor es muy pequeña. En este tipo de soldadura no hay material de aporte. El haz de electrones se obtiene de un cátodo, que suele ser de wolframio, y se enfoca mediante un campo magnético producido por bobinas.
DEFINICION La soldadura por haz de electrones es un proceso de soldadura de fusión, que se logra mediante el contacto de la pieza a soldar con un haz de electrones de alta densidad energética. El haz de electrones es de pequeño diámetro y elevada intensidad energética, lo cual permite atravesar grandes espesores de material (hasta 65 milímetros de una sola pasada aproximadamente). El principio de soldadura se puede explicar mediante el efecto keyhole (también denominado como ojo de cerradura).
Generalidades
La energía es entregada al transformar instantáneamente la energía cinética de los electrones acelerados en energía térmica
Es usada para soldar cualquier metal que puede ser soldado por arco
Se pueden lograr densidades de potencia de hasta 108 W / cm2.
Originalmente, EBW general se llevó a cabo sólo bajo alto vacío (£ 13 mPa, o1 × 10-4 torr) las condiciones, porque un medio vacío ambiental se requiere para generar el haz, la soldadura de la parte en la misma atmósfera limpia se considera beneficioso. Sin embargo, como la demanda para la producción de un aumento mayor parte, se encontró que la cámara de soldadura nivel de vacío no necesita ser tan alta como la necesaria para la región de armas, en última instancia, la necesidad de cualquier tipo de vacío alrededor de la pieza de trabajo se eliminó totalmente para algunas aplicaciones.
CARACTERÍSTICAS
Capacidad para hacer soldaduras profundas y con cordones de soldadura estrechos en una sola pasada. Soldadura casi uniforme y limpia, debido a que se realiza en un ambiente de vacío, lo cual evita la formación de óxidos y nitruros. Cantidad reducida de calor transmitida a la pieza, por lo que su microestructura se ve menos alterada que mediante otros procedimientos. No se necesita metal de aportación. Las velocidades de soldadura son muy elevadas (hasta 2000 mm/min). Permitir la unión de una gran diversidad de materiales e incluso de multitud de materiales distintos entre sí. El coste de los equipos es elevado. Genera rayos X, lo que requiere extremar las precauciones. Por lo general, de alto vacío vigas EBW se puede enfocar hacia abajo para detectar los tamaños en el rango de 0,25 a 1,3 mm (0,010 hasta 0,050pulgadas) de diámetro, con una densidad de potencia de alrededor de 107W/cm2 (106 W/in.2). Este alto nivel de intensidad de haz puntual genera temperaturas de aproximadamente 14.000 ° C.
CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS En función del grado de vacío que existe en la cámara donde se realiza el proceso, el soldeo por haz de electrones se clasifica en: 1. Soldeo de alto vacío 2. Soldeo de medio vacío 3. Soldeo atmosférico Soldeo de alto vacío:
El vacío practicado en la cámara es del orden de 0,13-0.30 mPa. Es un procedimiento idóneo para:
Conseguir uniones y zonas afectadas por la temperatura de reducidas dimensiones. Soldeo de metales reactivos con el oxígeno y nitrógeno, al trabajar a vacío. Soldeo de metales de gran espesor, debido a su gran poder de penetración.
Las limitaciones del proceso son:
La limitación del tamaño de la pieza a soldar, pues la cámara de vacío tiene un espacio útil reducido. La baja producción, ya que requiere altos tiempos de bombeo para alcanzar el vacío.
Soldeo en medio vacío:
El vacío practicado en la cámara es del orden de 0,13-3300 Pa. Las principales ventajas de este proceso son:
La productividad es mayor al reducirse el tiempo de bombeo. El equipo es más barato, al no ser necesaria una bomba difusora (imprescindible para obtener el alto vacío).
Las limitaciones más importantes del proceso son:
La alta concentración de aire en la cámara aumenta la divergencia del haz de electrones y en consecuencia la soldadura presenta cordones más anchos y de menor espesor.
Soldeo atmosférico:
No se practica vacío en la cámara de soldadura, pero el cañón debe trabajar a un vacío de 13 mPa como mínimo. En este proceso la protección de la pieza se realiza con un chorro de gas inerte. Las ventajas de este proceso son:
Es la soldadura de mayor productividad, al no ser necesario esperar a que se alcancen las condiciones de vacío. No existen tantas limitaciones en relación al tamaño de la pieza.
Las limitaciones del proceso son:
La divergencia del haz de electrones como consecuencia de la mayor concentración de aire da lugar a cordones considerablemente más anchos y menos profundos que los obtenidos con los otros procesos.
Tabla. 1. Valores Típicos de penetración Tipo de Sistema Presiones utilizadas Distancia de viaje del haz Penetración máxima Pa Torr mm in mm in 10-4 Alto Vacío 0.013 1x 455 18 25 1 Medio vacío 130 1 205 8 16 5/8 atmosférico
1 x 105
760
13
0.5
4
5/32
GENERACIÓN DEL HAZ DE ELECTRONES Básicamente el haz de electrones es formado mediante una pistola de electrones, la cual está constituida por un cátodo, una fuente de calefacción (emisor) de los electrones que se mantiene a un potencial negativo alto. El filamento del cátodo está hecho de un material de alta emisión, tales como el tungsteno o tantalio. Los electrones emitidos desde la superficie del filamento son acelerados a una velocidad alta y se forma en un haz colimado por la geometría del campo electrostático generado por la configuración de cátodo / red eléctrica/ ánodos empleados, lo que produce una constante corriente de electrones que fluye a través de una abertura en el ánodo. Una vez que los electrones salen del ánodo, y reciben el aporte de energía máximo permitido de la red eléctrica que es aplicado a la pistola. Los electrones luego pasan a través de los conjunto de la columna de haz de electrones y en el campo de una bobina electromagnética de enfoque (una lente magnética). Este enfoque del objetivo reduce el diámetro del haz de electrones, ya que sigue en su paso, y se centra el flujo de electrones hacia una sección de la viga transversal mucho menor en el plano de la pieza de trabajo. Esta reducción en el diámetro del haz aumenta la densidad de energía, produciendo un haz muy pequeño, de alta intensidad en la pieza de trabajo. Por otra parte, una bobina de deflexión electromagnética (situado debajo del lente magnético) puede ser empleados para "doblar" el haz, proporcionando así la flexibilidad de mover el haz de luz concentrado.
En general, los cañones de electrones se operan con voltajes aplicados que varían de 30 a 200 kV, y emplean a corrientes de haz, que van desde 0.5 hasta 1500 mA. Haz de electrones de equipos de soldadura con niveles de potencia hasta 30 kW es común, y varias unidades con niveles de potencia de hasta 200 kW están disponibles comercialmente.
El equipo para la soldadura por haz de electrones está formado por los siguientes elementos:
Cañón de electrones. Bombas para la obtención de vacío. Cámara de trabajo. Sistemas para la manipulación de las piezas.
Cañón de electrones:
El cañón de electrones es una cámara donde se alojan el cátodo, el ánodo y un electrodo de control. El cátodo es un filamento de metal refractario que se calienta hasta la temperatura de emisión (2500K) por el paso de una intensidad de corriente elevada. El cátodo se encuentra a una tensión negativa respecto al ánodo que oscila entre 30 y 200kV. Esta es la tensión de aceleración que puede proporcionar velocidades a los electrones algo superiores a la mitad de la velocidad de la luz. Entre el cátodo y el ánodo se encuentra el electrodo de control, que es un electrodo con forma de copa con una diferencia de potencial de entre 1 y 2kV respecto al cátodo. Es el encargado de concentrar y regular el número de electrones. Estos electrones atraviesan el ánodo dirigiéndose a la pieza de trabajo. Tras abandonar el ánodo los electrodos tienden a separarse unos de otros debido a la repulsión electromagnética entre cargas del mismo signo y a la agitación térmica radial que poseen. Esta dispersión se corrige mediante el sistema de enfoque que consiste en una bobina que crea un campo magnético corrector de la trayectoria de los electrones. Sistemas de vacío:
El sistema de vacío es una cámara donde se aloja el cañón de electrones y en la que se practica el vacío para evitar la dispersión del haz por las moléculas del aire. Cámara de trabajo:
La cámara de trabajo es el lugar donde se alojan las piezas que van a ser soldadas. La forma y el tamaño de estas cámaras son dos variables a tener en cuenta, pues cuanto mayores sean las dimensiones más tiempo se tardará en alcanzar las condiciones de vacío. Por otro lado, cuanto más reducidas sean sus dimensiones más limitadas serán las dimensiones de las piezas que se pueden soldar. Sistemas de manipulación:
Debido a las condiciones de trabajo de estos equipos es necesario dotarlos de unos sistemas que permiten la manipulación de las piezas a lo largo de todo el proceso. Un ejemplo son los sistemas de control numérico que permiten desplazamientos rotativos y longitudinales de la pieza respecto al haz de electrones. De esta forma también se asegura la repetitividad de los movimientos, necesaria para los procesos en serie.
GEOMETRIA DE LAS PIEZAS La forma de las piezas a soldar y los diseños de conjunto correspondientes son críticos para la aplicación exitosa de EBW en el vacío o en la presión atmosférica. Mientras que la entrada de calor mínimo y baja distorsión térmica son ventajas importantes de EBW, el metal fundido se reduce aún al solidificarse. Esfuerzos de contracción puede dar lugar a microfisuras en las piezas, debido a las restricciones de diseño, no son capaces de reducir a tasas correspondientes y el volumen conjunto se ve limitada por completo. MAQUINAS UTILIZADAS Los equipo de soldadura está disponible en dos diseños básicos: el sistema de baja tensión, que utiliza voltajes de aceleración en el rango de 15 kV a 60, y el sistema de alta tensión, con voltajes de aceleración en el rango de 100 a 200 kV. Las máquinas de baja tensión operan a una corriente más alta. Por lo general, máquinas de 30 a 60 kV operan a una corriente del haz 500 mA. Las máquinas de alta tensión de 150 kV operan a 40 mA. Las máquinas de alto voltaje producen una mayor profundidad en la soldadura.
El espacio para instalar un equipo completo de soldadura para haz de electrones debe ser lo bastante amplio, se recomienda superficies de 6.7 m (22 ft) por 5.48 m (18 ft).
En este lugar van ubicados los siguientes componentes: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Cámara de vacío y manipulación de mecanismos. Sistema de bombeo para generar vacío. ORDENADOR (armario de control). Gabinete de Servicios Regulador de voltaje automático Alimentación de alto voltaje. Armario de distribución de potencia. Armario de Bombeo. Consola de operación.
PARÁMETROS O VARIABLES DEL PROCESO Velocidad de soldadura: Al incrementar la velocidad de soldadura se producirá un efecto opuesto, por ser menor el aporte energético por unidad de longitud. Tensión de aceleración: Al incrementarla se reduce el tamaño de la huella del haz y produce una zona fundida más pequeña y una soldadura más estrecha y profunda. Intensidad del haz: Al incrementar la corriente del haz, incrementamos la energía del haz y posibilita una mayor penetración y una mayor velocidad de soldadura.
Diámetro del haz: Para la soldadura de grandes espesores es más adecuado el uso de un haz muy fino, también podemos acceder a zonas muy estrechas y ejecutar uniones de g ran precisión. Distancia entre pieza y cañón: Una distancia de trabajo pequeña permite una mayor concentración del haz sobre la superficie de la pieza. Efecto de la presión en el haz: Sólo en valores de presión por debajo de 10-1 Pa podemos alcanzar la máxima efectividad de la producción de soldaduras relativamente profundas y estrechas.
La soldadura por haz de electrones es un proceso de soldadura por fusión, en el cual el calentamiento necesario para producir la fusión del metal se logra mediante el impacto con la pieza a soldar de un haz de electrones de alta densidad de energía. Los parámetros que controlan la cantidad de calor que el haz suministra a la pieza de trabajo son:
El voltaje de aceleración entre el ánodo y el cátodo, que normalmente es del orden de 30200 kV. La cantidad de electrones o intensidad del haz, que habitualmente se sitúa entre 0,5 y 1500 mA. El grado de concentración del haz o diámetro del foco, que suele ser de 0,25-1.3 mm. La velocidad de soldeo.
La relación existente entre estas variables se puede comprender analizando la expresión: Q = η (n*qe*V)/Us
Dónde:
Q es la energía necesaria para realizar la soldadura por unidad de longitud del cordón.
η es el rendimiento energético del proceso.
n es la intensidad electrónica. qe es la carga eléctrica del electrón (1,6021*10-19 C). V es la tensión de aceleración de los electrones o tensión entre el cátodo y el ánodo. Us es la velocidad de avance o velocidad de soldadura.
SECUENCIA TIPICA DE SOLDADURA POR HAZ DE ELECTRONES 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Preparación de la junta Limpieza (Puede incluir des magnetización) Fijación a la mesa de trabajo Precalentamiento (Equipo y pieza) Soldeo con el haz de electrones Poscalentamiento
METALES SOLDABLES POR ESTE PROCESO
Aceros al carbono y aleados. Metales refractarios (W,Mo,Nb). Cobre y sus aleaciones. Aleaciones de Magnesio. Aleaciones de Titanio. Berilio. Zirconio.
APLICACIONES
Industria aeroespacial. Industria automotriz: soldadura de engranes y turbocompresor. Construcción e ingeniería: válvulas, sierras, tanques blindados... Industria energética: calderas nucleares, recipientes para desechos nucleares, turbinas de vapor.
TIPOS DE JUNTAS A TOPE Y SOLDADURAS UTILIZADAS EN EL PROCESO EWB
a) b) c) d) e) f) g) h) i)
Soldadura de ranura escuadrada Soldadura de ranura escuadrada. Junta a ras Soldadura de ranura escuadrada. Junta escalonada Soldadura de ranura escuadrada. Junta de autoalineamiento con rebaje Soldadura de ranura escuadrada. Junta de autorespaldo con rebaje Soldadura de ranura escuadrada. Junta de autorespaldo con doble r ebaje Soldadura de ranura escuadrada. Junta integral de labio con metal de aporte Soldadura de ranura escuadrada. Junta integral de hombro con metal de aporte Junta de ranura inclinada
PERFILES DE DUREZA DE ALTO VACIO Y GTAW PARA UNIR PIEZAS DE ESPESOR DE 1.57 mm. El material utilizado es un acero de alta resistencia
La dureza se mido en escala Rockwell C tanto para el proceso GTAW como el proceso EBW. Como se puede observar la gráfica nos representa la dureza contra la distancia desde la línea central. En el proceso EBW la zona ZAT es más pequeña y más cerca al centro de la unión. La dureza mínima en el proceso EBW es de 36 HRC, mientras que en el proceso GTAW es de 32 HRC. El cordón de soldadura o metal soldado es más estrecho en el proceso EBW, él cual es de aproximadamente 80 in, mientras que el cordón para el proceso GTAW es mucho más amplio, él cual es de aproximadamente 280 in.
VENTAJAS DEL PROCESO EBW
Una de las principales ventajas de EBW es la capacidad de hacer las soldaduras que son más profundas y más estrecho que las soldaduras de arco. la entrada de calor total es mucho menor que la requerida en la soldadura por arco. Elimina la necesidad de múltiples soldaduras de paso, como se requiere en la soldadura por arco. La zona afectada por el calor también es más pequeña y se reducen los problemas relacionados con la distorsión de las piezas soldadas. Un ambiente de vacío de alta pureza puede ser utilizado para la soldadura, que se traduce en la ausencia de impurezas, tales como óxidos y nitruros. La capacidad de emplear una mayor velocidad de soldadura, debido a las tasas de fusión altos asociados con la fuente de calor concentrado, reduce el tiempo necesario para llevar a cabo la soldadura, lo que resulta en un aumento de la productividad y una mayor eficiencia de energía para el proceso. Eficiencia de conversión total de energía de EBW es aproximadamente el 65%. Proceso que normalmente no utiliza material de aporte. Permite soldar materiales con alta tendencia a la oxidación y elevadas exigencias de pureza química, como el titanio, superaleaciones, circonio, cromo, etc. La alta densidad de energía permite soldar a altas velocidades. Permite la ejecución de uniones de difícil acceso ya que el haz puede proyectarse a 510 mm de distancia y además se puede provocar su oscilación y deflexión por medios magnéticos. Tiene una eficiencia de conversión de energía del orden del 65% ligeramente superior a la de los procesos de soldeo por arco y muy superior a la del láser.
LIMITACIONES
Los costos de los equipos para EBW generalmente son más altos que los de los procesos convencionales, sin embargo, cuando se compara a otros tipos de soldadura de alta densidad de energía (por ejemplo LBW) pueden considerarse económicos. Las capacidades de la cámara de vacío disponibles son limitados, el tamaño de la pieza de trabajo se limita, en cierta medida, por el tamaño de la cámara de vacío empleado. La preparación de los bordes y ajuste deben ser de precisión ya que el foco del haz puede ser tan solo de décimas de milímetro. La necesidad de realizar el vacío en el soldeo de medio y alto vacío aumenta el tiempo de procesado de la pieza y, por tanto, disminuye su productividad. BIBLIOGRAFÍA
ASM Metals Handbook, Vol 06 - Weding Brazing and Soldering LIBROS
JEFFUS L. Soldadura Principios y aplicaciones. 5° Edición. Editorial Paraninfo. Madrid, ESPAÑA. 2009 HOULDTCROFT P.T. Tecnología de los proceso de soldadura. Editorial CEAC. Barcelona ESPAÑA. INTERNET Páginas web visitas el día 30 de Julio:
http://es.scribd.com/doc/8738256/Soldadura-por-Haz-de-Electrones http://es.wikipedia.org/wiki/Soldadura_por_haz_de_electrones
SOLDADURA POR HAZ DE ELECTRONES EBW
Presentado por:
Jerez Silva Edinson Javier Ramírez Pita Fabián Andrés Rueda Rodríguez Oscar Mauricio
xxxxxxx xxxxxxx 2072265
Presentado a: Orlando José Gómez Moreno
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENÍERIA METALÚRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES PROCESOS DE SOLDADURA BUCARAMANGA 20011
