Spawanie Elektronowe

Stale rozwijający się przemysł poszukuje nowych rozwiązań technologicznych, które będą zapewniały obniżenie kosztów produkcji, wprowadzenie nowego produktu na rynek lub ulepszenie istniejącego wyrobu. Jednym z takich rozwiązań jest zastosowanie spawania wiązką elektronów, inaczej zwane spawaniem elektronowym.

 

Spawanie elektronowe polega na stapianiu obszaru styku łączonych przedmiotów ciepłem uzyskanym przez bombardowanie go w próżni skoncentrowaną wiązką elektronów o dużej energii do 1,5x105 [W/mm2]. Spawanie elektronowe może być prowadzone przez nagrzewanie metalu spawanego tak jak w spawaniu łukowym z:

  • Tworzeniem płytkiego jeziorka spawalniczego

  • Z przetopieniem złącza na wskroś

Istnieje również możliwość wykonania spoin przy jednym przejściu o grubości 250mm dla stali i 450mm dla aluminium, oraz stosunku wysokości spoiny do szerokości w granicach od 1:1 do 50:1.

 

Spawarki elektronowe są produkowane w zakresie od kilku do 300[kW] o wysokiej próżni w komorze roboczej, rzędu 10-6-10-3 Tor, średniej próżni 10-3-1,0 Tor i niskiej próżni 1,0-25 Tor. W spawarkach bezpróżniowych (atmosferycznych) można wykonać złącza o grubości 75[mm].

 

Zdjęcie komory elektronowej

Zdjęcie 1: Komora elektronowa.

 

Podstawowe podzespoły wchodzące w skład spawarek elektronowych:

  • Działo elektronowe
  • Komora robocza
  • Układ sterowania
  • Układ zasilania
  • Mechanizm sterowania przesuwem przedmiotu spawanego lub działa elektronowego
  • Układ pompowania
  • Układ obserwacji obszaru spawania, optyczny, telewizyjny lub oscyloskopowy.

Działo elektronowe w zasadniczym stopniu decyduje o jakości spawania oraz czasie bezawaryjnej pracy maszyny.

 

Spawanie elektronowe charakteryzuje się tym, że potrzebna w tej metodzie jest komora próżniowa o średniej, niskiej lub wysokiej próżni. Wysoka próżnia ma duże znaczenie dla odgazowania jeziorka spawalniczego. Objętość komory roboczej jest zależna od kształtu i rozmiarów spawanej konstrukcji nawet do 100m3.

 

Parametry spawania elektronowego

  1. Napięcie przyspieszające wiązkę elektronów
  2. Natężenie prądu wiązki elektronów
  3. Prędkość spawania
  4. Średnica wiązki na powierzchni złącza
  5. Odległość ogniskowa wiązki elektronów
  6. Natężenie prądu ogniskującego wiązkę elektronów
  7. Podciśnienie w komorze roboczej

Parametr spawania reguluje mikrokomputer wchodzący w skład standardowego układu sterowania spawarek.

 

Napięcie przyspieszające – o głębokości przetopienia złącza decyduje napięcie przyspieszające które wynosi od 10[kV] do 175-200[kV].

 

Przykładowo, przy napięciu przyspieszającym 80 kV, można osiągnąć następujące głębokości wtopienia:

  • Stal-40mm,
  • Tytan-40mm,
  • Miedź-60mm,
  • Aluminium - 80 mm

Wzrost napięcia przyspieszającego zmniejsza średnicę ogniska wiązki i zwiększa energię wiązki, a więc i głębokość przetopienia złącza.

 

Prędkość spawania - od około 0,1m do ponad 10m/min.

 

Prędkość spawania decyduje o kształcie spoiny i głębokości przetopienia. Wzrost prędkości spawania powoduje węższą spoinę, a głębokość wtopienia maleje.

Przy nadmiernym wzroście prędkości spawania pojawiają się podtopienia, nierówności lica, przyklejenia, braki przetopu.

 

Średnica wiązki elektronów – decyduje o kształcie spoiny regulowana natężeniem prądu katody sterującej oraz natężeniem prądu cewki magnetycznej ogniskującej w zakresie 0,01-10mm. Obniżenie średnicy wiązki przy danej mocy równa się wzroście gęstości mocy a to wpływa na większą głębokość przetopienia.

Dobór średnicy wiązki elektronów jest uzależniony od grubości spawanego złącza, rodzaju spawanego materiału i dokładności przygotowania przedmiotów do spawania (szczeliny między przedmiotami).

Regułą jest, im mniejsza dokładność przygotowania przedmiotów i większa grubość złącza oraz większa skłonność spawanego metalu do tworzenia pęknięć i porowatości, tym większa powinna być średnica wiązki.

 

Natężenie prądu wiązki elektronów powoduje zmianę gęstości mocy, a tym samym kształtu i głębokości przetopienia spoiny.

 

Natężenie prądu ogniskującego decyduje o średnicy wiązki i położenia ogniska wiązki przy stałej odległości roboczej i mocy wiązki. Przez zmianę tego parametru możliwa jest dokładna regulacja kształtu i głębokości przetopienia spoiny, zwłaszcza przy zamykaniu spoin obwodowych.

 

Położenie ogniska decyduje o kształcie i głębokości przetopienia spoiny oraz jej jakości. Zmiana położenia ogniska względem złącza, przy niezmienionych pozostałych parametrach spawania, powoduje zmianę średnicy wiązki na powierzchni złącza i w konsekwencji gęstości mocy wiązki. W ten sposób możliwe jest oddziaływanie na kształt i głębokość przetopienia spoiny oraz wyeliminowanie wad takich jak przyklejenia, brak przetopu oraz porowatości.

Położenie ogniska na głębokości 1/3-1/2 grubości złącza decyduje o wynikach spawania. Odległość robocza wiązki jest ściśle zależna od odległości ogniskowej i wynosi dla spawania bez próżniowego 10-20mm a dla spawania w wysokiej, średniej i niskiej próżni 50-200mm.

 

Próżnia – (podciśnienie), decyduje o jakości złącza. Wysoka próżnia zapewnia najwyższą jakość spawania, dokładne odgazowanie metalu spoiny i odparowanie metali o wysokim ciśnieniu pary tych metali.

Ze spadkiem podciśnienia maleje głębokość przetopienia i zwiększa się zawartość gazów w jeziorku spawalniczym.

 

Technologia i technika spawania

Spawanie elektronowe pozwala łączyć metale o grubości od setnych części do 250-450mm w dowolnej pozycji spawania. Połączenia wykonywane są spoinami czołowymi lub punktowymi. Spoiny pachwinowe wykonywane są z dodatkiem materiału dodatkowego. Spawanie elektronowe jest w zasadzie procesem spawania bez materiału dodatkowego.

 

Jeśli materiał dodatkowy ma za zadanie zwiększenie własności mechanicznych lub odporności na pękanie złącza, wystarczy wprowadzić do obszaru wkładkę z metalu o odpowiednim składzie chemicznym.

Cienka folia Al wstawiona w szczelinę złącza ze stali nieuspokojonej spełni rolę odtleniacza i obniży porowatość spoiny. Wkładka w postaci foli, szczególnie w przypadku złączy o większej grubości zapewnia, że w wyniku przetopienia złącza wiązką elektronów na całej wysokości złącza nastąpi równomierne wymieszanie materiału dodatkowego z materiałem rodzimym.

 

Zaletą tej metody jest również różnorodność jej zastosowania. Można swobodnie ją wykorzystywać do produkcji materiałów gradientowych, napawania, perforowania, lutowania, grawerowania, badania zjawisk fizycznych, przetapiania, prototypowania, teskturyzacji powierzchni oraz stopowania. Kolejną korzyścią wynikającą z zastosowania tej technologii jest brak oddziaływania szkodliwych czynników zewnętrznych na materiał oraz duża gęstość mocy.

 

Schemta spawania elektronowego
Schemat 1: Spawanie elektronowe.

 

Spawane materiały:

  1. Stale niskowęglowe
  2. Stale niskostopowe
  3. Stale wysokostopowe
  4. Aluminium i jego stopy
  5. Stopy magnezu
  6. Miedź i jego stopy
  7. Nikiel i jego stopy
  8. Tytan
  9. Cyrkon
  10. Tantal
  11. Beryl

W/w materiały łączone są z dużą prędkością i wydajnością oraz bardzo wysoką jakością złączy. Złącza spawane elektronowo cechują się bardzo wysoką czystością.

 

Należy unikać spawania stali nieuspokojonych i stali utwardzonych przez nawęglanie lub azotowanie oraz staliwa z uwagi na wystąpienie porowatości spoin oraz rozprysku. Zaleca się w tedy stosowanie materiału dodatkowego wprowadzającego azot i tlen (pierwiastki wiążące) lub przez pokrycie powierzchni spawanych warstwą zawierającą te pierwiastki, lub przez zastosowanie wkładki pośredniej z odpowiednią zawartością odtleniaczy.

 

Złącza stali utwardzonych przez hartowanie wymagają podgrzewania wstępnego i dokładnego doboru parametrów spawania,

Stale niskostopowe i stopowe są łatwiej spawane elektronowo niż za pomocą procesu łukowego. Maja mniejszą skłonność do pękania zimnego.

Stale martenzytyczne odporne na korozję spawane z zastosowaniem podgrzewania wstępnego mają mniejszą skłonność do pęknięć w SWC.

Stale duplex spawane są z zastosowaniem materiałów dodatkowych wielowarstwowo.

 

Technologie elektronowe, pomimo stale rozwijanych metod spawania wykorzystujących skoncentrowaną wiązkę fotonów, wciąż są stosowane i wykorzystywane w wielu gałęziach przemysłu. Łączenie materiałów o znacznie różniących się własnościach fizycznych lub o dużej grubości może odbywać się jedynie metodą spawania elektronowego. Równie ważne jest zastosowanie wiązki elektronów do wykonywania złączy spawanych w najróżniejszych pozycjach, gdzie inne technologie są niemożliwe do zastosowania. Spawanie wiązką zapewnia bardzo wysoką jakość i czystość samego złącza, przy bardzo dużej wydajności prowadzenia procesu.

 

 

 

Literatura:

[1] - Poradnik Inżyniera Spawalnictwo tom2 – WNT 2005

[2] – Spawanie i zgrzewanie i cięcie metali - Andrzej Klimpel WNT 1999

[3] - http://stalesia.com/spawanie-wiazka-elektronow/

[4] - http://hutnictwo.wnp.pl/spawanie-wiazka-elektronow-charakterystyka-metody,234283_2_0_0.html

[5] - http://www.pwl.mikrokontroler.pl/spawanie/spawanie.htm