EBW: Thiết bị, Thiết kế chung và Ứng dụng
Sau khi đọc bài viết này, bạn sẽ tìm hiểu về: - 1. Giới thiệu về Hàn chùm tia điện tử (EBW) 2. Thiết bị cần thiết cho hàn chùm tia điện tử (EBW) 3. Đặc điểm quy trình 4. Thiết kế và chuẩn bị mối hàn 5. Đặc điểm và chất lượng mối hàn 6. Các biến thể 7. Ứng dụng.
Giới thiệu về Hàn chùm tia điện tử (EBW) :
Sự kết thúc của Chiến tranh thế giới thứ hai đã bắt đầu một cuộc đua giữa các quốc gia vì quyền lực tối cao trong nghiên cứu vũ trụ và hạt nhân. Điều này đòi hỏi phải sử dụng các kim loại phản ứng (như titan và zirconi) và vật liệu chịu lửa (như vonfram, molypden và tantalum). Sự kết hợp của các kim loại này với các quá trình hàn được thiết lập sau đó của hàn nhiệt hạch dẫn đến việc hấp thụ oxy, nitơ và hydro nhanh chóng bởi các kim loại phản ứng trong các chu trình hàn và sau hàn dẫn đến độ dẻo của chúng giảm.
Sự kết hợp và kết tinh lại của các kim loại chịu lửa, mặt khác, đã nâng phạm vi nhiệt độ chuyển tiếp dễ uốn thành giòn lên trên nhiệt độ phòng. Do những hạn chế này, cần phải hàn các kim loại này ở áp suất 10 -4 torr trở xuống để đạt được các mối hàn chất lượng mong muốn và điều đó dẫn đến sự phát triển của hàn chùm tia điện tử.
Hàn chùm tia điện tử (EBW) là một quá trình trong đó một chùm electron được tạo ra để chạm vào bề mặt làm việc để làm nóng nó tại vị trí mong muốn. Vì một electron là một hạt rất nhỏ với bán kính 2, 82 × 10 -12 mm và khối lượng 9, 10 × 10 -28 gm; vì vậy nó không thể di chuyển bất kỳ khoảng cách đáng kể nào trong không khí hoặc các loại khí khác. Do đó, việc tạo ra chân không là một yêu cầu thiết yếu để một chùm electron hiện ra theo hướng mong muốn.
Tuy nhiên, khi mức độ chân không cần thiết được tạo ra, chùm electron có thể truyền đi khoảng cách khá dài và làm tan chảy bất kỳ kim loại hoặc gốm nào đã biết. Vì vậy, đây là một quá trình mà về cơ bản đã được thiết lập để chế tạo các kim loại phản ứng và vật liệu chịu lửa tốn kém và khó hàn.
Thiết bị cần thiết cho hàn chùm tia điện tử (EBW):
Thiết bị được sử dụng cho EBW khá nhỏ gọn và cơ bản bao gồm hai bộ phận chính là súng EBW và buồng làm việc. Tùy thuộc vào các kết nối điện, súng EBW có thể thuộc loại tăng tốc công việc hoặc loại tự tăng tốc; và dựa trên hệ thống được sử dụng để điều khiển dòng tia, súng tự tăng tốc có thể thuộc loại van diode hoặc loại van triode.
Tùy thuộc vào mức độ chân không trong buồng làm việc, tất cả các loại súng hàn này cũng được phân loại là loại chân không cao, chân không trung bình và không chân không. Tương tự, dựa trên điện áp được sử dụng để tăng tốc độ của các điện tử, súng được gọi là loại điện áp thấp và điện áp cao. Do đó, việc phân loại tổng thể súng EBW có thể được trình bày như trong hình 14.1.
Các thành phần chính của súng EBW bao gồm cực âm hoặc dây tóc để phát ra electron, hệ thống gia tốc electron, thiết bị chiếu tia và tập trung, hệ thống quan sát hoặc quang học, và buồng chân không hoặc buồng làm việc kết hợp hệ thống di chuyển ngang và đôi khi là thiết bị theo dõi đường may cũng bao gồm để đảm bảo các mối hàn không khuyết tật chất lượng cao. Hình 14.2 đưa ra một biểu diễn sơ đồ của hầu hết các thành phần của súng EBW điển hình.
Đặc điểm quy trình của hàn chùm tia điện tử (EBW):
Các mối hàn do EBW tạo ra có hình dạng điển hình khi chúng được hình thành thâm nhập đầu móng tay, khác biệt với sự xâm nhập ngón tay của quá trình hàn hồ quang kim loại khí hiện tại (GMAW), như trong Hình 14.4.
Kiểu thâm nhập đầu móng tay này đạt được thông qua một hiện tượng gọi là khóa-holing. Trong kỹ thuật này, dòng electron xuyên qua bề mặt của công trình đến khoảng cách khoảng 25 micron. Khi dòng electron di chuyển sâu hơn vào vật liệu, các electron bị phân tán, chậm lại và dừng lại do va chạm với các nguyên tử của cấu trúc vật liệu, dẫn đến sự nóng lên của một thể tích hình quả lê.
Bề mặt mỏng không bị ảnh hưởng phía trên sau đó vỡ ra dẫn đến việc mở một kênh giải phóng áp suất bên trong cao phát triển cũng như một dòng vật liệu bay hơi nhanh chóng. Các vật liệu thoát giữ cho kênh mở. Quá trình này được lặp lại trong các lớp tiếp theo của công việc cho đến khi thâm nhập sâu. lỗ hơi với các bức tường nóng chảy, như trong hình 14, 5, đạt được bằng cách sử dụng năng lượng chùm tia.
Kim loại nóng chảy từ phần phía trước của lỗ hơi chảy xung quanh ngoại vi của nó và hóa cứng ở phía sau để tạo thành kim loại hàn khi chùm tia di chuyển về phía trước dọc theo đường hàn. Do đó, sự thâm nhập sâu hơn nhiều so với chiều rộng mối hàn và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt rất hẹp; ví dụ chiều rộng mối hàn trong mối hàn xuyên thấu hoàn toàn trong tấm thép dày 13 mm có thể nhỏ tới 1-5 mm. Tỷ lệ chiều rộng và thâm nhập lên tới 50, trong các mối hàn thép, đã đạt được.
Sự phụ thuộc của cơ chế khóa phím vào sự hình thành hơi và sức căng bề mặt có nghĩa là các kim loại khác nhau ở mức độ dễ dàng mà chúng có thể bị xuyên qua bởi chùm electron. Nó được báo cáo rằng sự thâm nhập tăng lên khi sức nóng của sự hình thành hơi giảm. Điều này giải thích tại sao vonfram khó thâm nhập hơn nhôm. Sự thâm nhập trong EBW cũng tỷ lệ nghịch với điểm nóng chảy và độ dẫn nhiệt và tỷ lệ với căn bậc hai của độ khuếch tán nhiệt của vật liệu được hàn.
Thiết kế và chuẩn bị mối hàn cho EBW:
Các khớp thường được thực hiện theo quy trình EBW, như trong Hình 14.11, bao gồm các loại mông, comer, lap, edge và Tee hoặc sửa đổi của chúng để phù hợp với các ứng dụng cụ thể, sử dụng chuẩn bị cạnh vuông. Các mối hàn phi lê thông thường rất khó hàn và do đó, thường được tránh.
Chuẩn bị cạnh mông vuông yêu cầu sử dụng đồ đạc để giữ cho các thành phần làm việc trong sự liên kết cần thiết; tuy nhiên khi cần tránh đồ đạc, khớp có thể được sửa đổi thành loại thỏ như trong hình 14.11 (b). Điều đó cũng đảm bảo tự sắp xếp.
Nếu tăng diện tích kim loại mối hàn, như trong trường hợp nối các ống mỏng, các cạnh có thể bị quàng. Tuy nhiên, chuẩn bị cạnh khăn và phù hợp là khó khăn hơn để thực hiện. Philê cạnh, đường may và vạt áo chủ yếu chỉ được sử dụng để nối kim loại tấm.
Sự ô nhiễm của kim loại mối hàn có khả năng gây ra độ xốp hoặc và nứt cũng như suy giảm các tính chất cơ học. Do đó, bắt buộc phải làm sạch khớp một cách kỹ lưỡng trước khi lắp và căn chỉnh. Acetone là một dung môi ưa thích để làm sạch các thành phần cho EBW; tuy nhiên acetone rất dễ cháy cần phải được xử lý rất cẩn thận.
Để tránh phản ứng tổng hợp dưới hoặc không đầy đủ, các khớp phải được chuẩn bị cẩn thận để đạt được sự phù hợp và liên kết tốt. Khoảng cách giữa các bề mặt phân lớp phải càng nhỏ càng tốt với tối đa 0, 125 mm; tuy nhiên hợp kim nhôm có thể chịu được những khoảng trống lớn hơn thép.
Thông thường trong EBW, mục đích của nó là không sử dụng kim loại phụ, do đó, mối hàn được chọn cho phù hợp. Tuy nhiên, đôi khi kim loại filler được thêm vào để lấp đầy khớp trong một giây hoặc mỹ phẩm để cung cấp độ dày đầy đủ. Thiết bị cấp dây Filler thường tương tự như thiết bị được sử dụng cho hàn hồ quang vonfram khí mặc dù nhu cầu cụ thể có thể cần sử dụng các thiết bị được thiết kế đặc biệt để sử dụng trong buồng chân không. Đường kính dây Filler thường nhỏ với tối đa khoảng 0-5 mm và dây được đưa vào cạnh đầu của bể hàn nhỏ.
Đôi khi kim loại phụ có thể được thêm vào để đạt được các đặc tính vật lý hoặc luyện kim mong muốn của kim loại hàn; các đặc tính được kiểm soát có thể bao gồm độ dẻo, độ bền kéo, độ cứng và khả năng chống nứt. Chẳng hạn, việc bổ sung một lượng nhỏ dây nhôm hoặc shim có thể dẫn đến việc sản xuất thép bị chết và làm giảm độ xốp.
Đặc điểm hàn và chất lượng của EBW:
Do tỷ lệ thâm nhập trên bề rộng của mối hàn EB cao, hai ưu điểm khác biệt tích lũy, viz., Các tấm tương đối dày có thể được hàn trong một lần duy nhất và tốc độ hàn cao hơn nhiều so với khả năng hàn hồ quang có thể sử dụng.
Một số kim loại có thể được hàn để cho tỷ lệ chiều sâu / chiều rộng lên tới 50. Sử dụng chuẩn bị cạnh vuông, các tấm nhôm dày tới 450 mm có thể được hàn trong một lần duy nhất mặc dù trong thép, độ dày tương ứng thường được giới hạn ở 300 mm .
Quá trình EBW chân không cao là một công cụ tuyệt vời để hàn các kim loại khác nhau có độ dày khác nhau cũng như để sửa chữa hàn các thành phần không thể cứu vãn bằng các quy trình khác. Nói chung, không cần gia nhiệt trước ngay cả đối với hàn, vật liệu có độ dẫn cao, với EBW.
Mặc dù EBW là một quá trình mật độ năng lượng cao, nhưng năng lượng đầu vào trên mỗi đơn vị chiều dài thấp như hiển nhiên trong bảng 14.3. Đặc tính này của quá trình dẫn đến hai lợi thế viz., Nó làm giảm kích thước của vùng bị ảnh hưởng nhiệt và giảm thiểu biến dạng. Kim loại mối hàn trong mối hàn EB có tính chất cơ học thường tương tự như kim loại cơ bản.
Các biến quá trình có thể được kiểm soát để đạt được độ tin cậy và độ tái lập cao trong các mối hàn. Tuy nhiên, so với các quy trình hàn hồ quang, cần có dung sai gia công gần hơn để chế tạo các mối hàn EB. Ngoài ra, có khả năng bay hơi của kim loại áp suất hơi cao trong quá trình hàn.
Các biến thể của quy trình EBW:
Các tính năng 80 được thảo luận chủ yếu liên quan đến súng EBW loại chân không cao. Tuy nhiên, EBW chân không cao là một sản xuất thấp và quá trình chi phí cao. Vì vậy, nó được sử dụng để hàn các thành phần rất quan trọng chủ yếu là kim loại phản ứng. Có hai biến thể hoặc chế độ của quy trình chính, EBW chân không trung bình và EBW không chân không.
1. EBW chân không trung bình:
Trong khi EBW chân không cao được thực hiện ở dải áp suất 10 -3 đến 10 -6 torr, EBW chân không trung bình sử dụng dải áp suất từ 10 -3 đến 25 torr. Trong các giới hạn này, phạm vi áp suất từ 10 -3 đến 1 torr được gọi là 'chân không mềm hoặc một phần' và từ 1 đến 25 torr, nó được gọi là 'chân không nhanh'. Quá trình chân không trung bình giữ lại hầu hết các lợi thế của hàn chân không cao và với khả năng sản xuất được cải thiện.
Trong súng EBW chân không trung bình, chùm tia được tạo ra trong chân không cao và sau đó chiếu vào buồng hàn bằng chân không mềm hoặc nhanh, như trong hình 14, 14. Điều này được thực hiện thông qua một lỗ đủ lớn để chùm tia đi qua nhưng không cho phép khuếch tán ngược đáng kể các khí từ buồng sang cột súng.
Một lợi thế lớn của EBW chân không trung bình là yêu cầu bơm chân không giảm đáng kể dẫn đến lợi nhuận cao về mặt thương mại và kinh tế. Biến thể này phù hợp lý tưởng cho các nhiệm vụ sản xuất hàng loạt, ví dụ, bánh răng có thể được hàn thành công vào trục trong điều kiện gia công cuối cùng của chúng mà không liên quan đến bất kỳ hoạt động hoàn thiện tiếp theo nào trong khi vẫn duy trì dung sai gần.
Do sự hiện diện của không khí được tăng cường ở chế độ chân không trung bình (100 ppm), quá trình này không thỏa đáng hơn so với hàn chân không cao đối với các kim loại phản ứng. Tuy nhiên, quá trình này được tìm thấy đầy đủ để hàn các kim loại chịu lửa trong đó có thể dung nạp một lượng nhỏ oxy và nitơ.
2. EBW không chân không :
Hàn không chân không được thực hiện ở áp suất khí quyển mặc dù súng EB phải được giữ ở áp suất 10 - 4 torr hoặc ít hơn để hàn ổn định và hiệu quả.
EB trong hàn không chân không được đưa ra khỏi hệ thống chân không thông qua một loạt các buồng được sơ tán với khẩu độ nhỏ, như trong hình 14.15, theo cách để giảm thiểu dòng khí trong khí quyển vào cột súng. Buồng làm việc có thể chứa đầy heli vì nó cung cấp ít vật cản hơn cho EB và cho hình dạng thâm nhập tốt hơn so với thu được với argon hoặc không khí như khí quyển. Ngoài ra, đối với sự thâm nhập và che chắn helium từ xa đến nơi làm việc cho phép hàn ở tốc độ hàn cao hơn đáng kể.
Điện áp gia tốc càng cao thì chùm tia truyền đi trong khí ở áp suất khí quyển và điện áp từ 150 đến 175 KV được sử dụng. Ngoài điện áp tăng tốc, công suất chùm tia, tốc độ di chuyển, súng đến khoảng cách làm việc và khí bảo vệ là các biến quy trình quan trọng. Hình 14.16 cho thấy sự thâm nhập của mối hàn như là một hàm của tốc độ di chuyển đối với ba mức công suất khác nhau của EBW không chân không cho thấy sự gia tăng đáng kể về tốc độ di chuyển bằng cách tăng công suất cho một lần thâm nhập nhất định.
EBW không chân không cho thấy sự thâm nhập nhiều hơn ở mức công suất trên 50 kw, điều này cho phép hàn thép có độ dày trên 25 mm với loại xuyên lỗ có lỗ khóa đặc trưng của EBW; điều này cũng giúp hàn ở tốc độ gấp nhiều lần so với khả năng hàn hồ quang chìm.
Ưu điểm chính của hệ thống không chân không là công việc được phép duy trì ở áp suất khí quyển và dẫn đến tỷ lệ sản xuất cao hơn với chi phí giảm. Ngoài ra, kích thước của mối hàn có thể không bị giới hạn bởi buồng. Tuy nhiên, những lợi thế này có được với chi phí từ độ sâu hàn thấp đến tỷ lệ chiều rộng, giảm thâm nhập mối hàn và khoảng cách súng nhỏ đến công việc.
Các vật liệu có thể được hàn bằng hệ thống EBW không chân không bao gồm carbon, hợp kim thấp và thép không gỉ, hợp kim nhiệt độ cao, hợp kim chịu lửa cũng như hợp kim đồng và nhôm. Một số kim loại này có thể được hàn trong không khí trong khi những kim loại khác cần khí quyển trơ thường thu được bằng cách sử dụng argon hoặc helium làm khí bảo vệ.
Các ứng dụng của hàn chùm tia điện tử (EBW):
Tất cả các kim loại và hợp kim có thể được hàn tổng hợp bởi các quy trình khác đều có thể, theo quy luật, cũng được hàn bởi EBW. Chúng có thể bao gồm thép kết cấu, thép cứng, thép không gỉ, titan, zirconi, vonfram, molypden, beryllium, rhenium, tantalum và columbium. Sự kết hợp kim loại khác nhau tương thích với luyện kim cũng có thể được hàn. Tuy nhiên, EBW được sử dụng chủ yếu cho các ứng dụng liên quan đến độ chính xác cao và tỷ lệ sản xuất cao.
Các ứng dụng có độ chính xác cao đòi hỏi phải hàn trong môi trường có độ tinh khiết cao để tránh ô nhiễm do oxy và nitơ trong khí quyển. Các ứng dụng này là yêu cầu chính của các ngành công nghiệp hạt nhân, máy bay, không gian và điện tử. Các sản phẩm tiêu biểu được sản xuất bởi quá trình này bao gồm các yếu tố nhiên liệu hạt nhân, các thành phần động cơ phản lực hợp kim đặc biệt, bình chịu áp lực cho hệ thống đẩy tên lửa và các thiết bị chân không kín như niêm phong bóng bán dẫn, công tắc vi mô, v.v.
Ví dụ điển hình của các ứng dụng tốc độ sản xuất cao bao gồm các bộ phận như bánh răng, khung, cột lái, bộ phận truyền động và truyền động của ô tô, ống vách mỏng, hàn thép tốc độ cao vào lưỡi cưa và lưỡi cưa điện.
Các hình dạng đặc biệt đòi hỏi sự thâm nhập sâu như những hình thể hiện trong hình 14.12 chỉ có thể có với EBW. Hình 14.13 cho thấy các loại khớp duy nhất đối với hàn chùm tia điện tử; hàn trong hốc, hàn một khớp chữ T bằng mũi nhọn và hàn đồng thời nhiều khớp.
Hầu hết các mối hàn trong EBW được chế tạo mà không có kim loại phụ. Tuy nhiên, nếu hình dạng không đầy hoặc không thuận lợi của hạt được tạo ra, nó có thể được chỉnh sửa bằng một đường chuyền mỹ phẩm tiếp theo với điều kiện phôi không được gia công sau khi hàn. Điều này được thực hiện bằng cách đi qua hạt hàn một lần nữa bằng cách sử dụng chùm năng lượng thấp hơn với spin chùm hoặc dệt được áp dụng bởi các cuộn dây lệch.
Một số ứng dụng công nghiệp cụ thể của EBW bao gồm hàn bánh răng cụm, rôto máy nén titan và trục công suất của động cơ tuabin khí, kim phun động cơ tên lửa làm bằng hợp kim nhôm 5083, thiết bị gia nhiệt nhiệt và để nối các thành phần kim loại nhiệt độ cao như ống thổi columbium .
