EBW: Ausrüstung, gemeinsames Design und Anwendungen
Nach dem Lesen dieses Artikels erfahren Sie mehr über: - 1. Einführung in das Elektronenstrahlschweißen (EBW) 2. Erforderliche Ausrüstung für das Elektronenstrahlschweißen (EBW) 3. Prozessmerkmale 4. Konstruktion und Vorbereitung der Schweißverbindung 5. Schweißcharakteristik und Qualität 6. Varianten 7. Anwendungen.
Einführung in das Elektronenstrahlschweißen (EBW) :
Das Ende des Zweiten Weltkriegs begann ein Rennen zwischen den Nationen um die Vorherrschaft in der Weltraum- und Atomforschung. Dies erforderte die Verwendung von reaktiven (wie Titan und Zirkonium) und hochschmelzenden Metallen (wie Wolfram, Molybdän und Tantal). Das Verbinden dieser Metalle durch die damals etablierten Schweißverfahren des Schmelzschweißens führte während des Schweißens und nach dem Schweißen zu einer schnellen Absorption von Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff durch reaktive Metalle, was zu einer verringerten Duktilität führte.
Dagegen erhöhte die Fusion und Rekristallisation von hochschmelzenden Metallen den Übergangstemperaturbereich zwischen duktil und spröde auf über die Raumtemperatur. Aufgrund dieser Nachteile war es erforderlich, diese Metalle bei Drücken von 10 -4 Torr oder weniger zu schweißen, um die gewünschte Schweißqualität zu erreichen, und dies führte zur Entwicklung des Elektronenstrahlschweißens.
Elektronenstrahlschweißen (EBW) ist ein Verfahren, bei dem ein Elektronenstrahl auf die Arbeitsfläche fällt, um sie an der gewünschten Stelle zu erwärmen. Ein Elektron ist ein sehr winziges Teilchen mit einem Radius von 2, 82 × 10 –12 mm und einer Masse von 9, 109 × 10 –28 g; Daher kann es keine bedeutende Entfernung in Luft oder anderen Gasen zurücklegen. Die Erzeugung eines Vakuums ist daher eine wesentliche Voraussetzung, damit ein Elektronenstrahl in die gewünschte Richtung eintreten kann.
Wenn jedoch ein erforderliches Vakuum erzeugt wird, kann der Elektronenstrahl ziemlich lange Strecken zurücklegen und jedes bekannte Metall oder Keramik schmelzen. Es ist also ein Verfahren, das im Wesentlichen zur Herstellung von kostspieligen und schwer schweißbaren reaktiven und hochschmelzenden Metallen etabliert wurde.
Erforderliche Ausrüstung für das Elektronenstrahlschweißen (EBW):
Die Ausrüstung für EBW ist recht kompakt und besteht im Wesentlichen aus zwei Hauptteilen, der EBW-Waffe und der Arbeitskammer. Abhängig von den elektrischen Verbindungen kann die EBW-Pistole vom Typ mit Arbeitsbeschleunigung oder vom Typ mit Selbstbeschleunigung sein. und auf der Grundlage des zur Steuerung des Strahlstroms verwendeten Systems kann die selbstbeschleunigte Pistole vom Diodenventiltyp oder vom Triodenventiltyp sein.
Je nach Vakuum in der Arbeitskammer werden alle diese Arten von Schweißzangen auch als Hochvakuum-, Mittelvakuum- und Nichtvakuumtyp klassifiziert. In ähnlicher Weise werden die Kanonen auf der Grundlage der zum Beschleunigen der Elektronengeschwindigkeit verwendeten Spannung als Niederspannungs- und Hochspannungstypen bezeichnet. Somit kann die Gesamtklassifizierung der EBW-Geschütze wie in Abb. 14.1 dargestellt dargestellt werden.
Die Hauptkomponenten der EBW-Kanone umfassen die Kathode oder das Filament zum Emittieren von Elektronen, das Elektronenbeschleunigungssystem, Strahl- und Fokussiervorrichtungen, das Sicht- oder Optiksystem und die Vakuum- oder Arbeitskammer, die ein Arbeitsdurchlaufsystem und manchmal Nahtverfolgungsvorrichtungen enthält auch enthalten, um qualitativ hochwertige fehlerfreie schweißnähte zu gewährleisten. Abb. 14.2 zeigt eine schematische Darstellung der meisten Komponenten einer typischen EBW-Pistole.
Prozessmerkmale des Elektronenstrahlschweißens (EBW):
Die von EBW erzeugten Schweißnähte sind von typischer Form, da sie durch das Eindringen des Nagelkopfes gebildet werden. Dies unterscheidet sie vom Eindringen von Fingern beim Hochstrom-Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW), wie in Abb. 14.4 dargestellt.
Diese Art der Durchdringung mit dem Nagelkopf wird durch ein Phänomen erreicht, das als Schlüsselloch bezeichnet wird. Bei dieser Technik dringt der Elektronenstrom bis zu einer Entfernung von etwa 25 Mikrometern in die Oberfläche des Werkstücks ein. Wenn der Elektronenstrom tiefer in das Material eindringt, werden die Elektronen durch Kollisionen mit Atomen der Materialstruktur gestreut, abgebremst und gestoppt, wodurch ein birnenförmiges Volumen erhitzt wird.
Die obere, unberührte, dünne Oberfläche bricht dann, was zur Öffnung eines Kanals führt, der den entwickelten hohen Innendruck sowie einen schnellen Strom von verdampftem Material freigibt. Das austretende Material hält den Kanal offen. Dieser Vorgang wiederholt sich in den nachfolgenden Schichten des Werkstücks bis zum tiefen Eindringen. Ein Dampfloch mit geschmolzenen Wänden (siehe Abb. 14.5) wird durch Aufbringen der Strahlenenergie erreicht.
Das geschmolzene Metall aus dem vorderen Abschnitt des Dampflochs fließt um seinen Umfang herum und erstarrt an der Rückseite, um Schweißmetall zu bilden, wenn sich der Balken entlang der Schweißlinie vorwärts bewegt. Daher ist die Durchdringung viel tiefer als die Schweißnahtbreite, und die Wärmeeinflusszone ist sehr eng. Beispielsweise kann die Schweißnahtbreite in einer Volldurchstoßstumpfschweißung in einer 13 mm dicken Stahlplatte nur 1 bis 5 mm betragen. Das Verhältnis von Breite zu Durchdringung von bis zu 50 in Stahlschweißnähten wurde erreicht.
Die Abhängigkeit des Schlüssellochmechanismus von der Dampfbildung und der Oberflächenspannung bedeutet, dass Metalle sich in der Leichtigkeit unterscheiden, mit der sie vom Elektronenstrahl durchdrungen werden können. Es wird berichtet, dass die Durchdringung zunimmt, wenn die Wärme zur Bildung von Dämpfen abnimmt. Dies erklärt, warum Wolfram schwieriger als Aluminium einzudringen ist. Die Durchdringung in EBW ist auch umgekehrt proportional zum Schmelzpunkt und zur Wärmeleitfähigkeit und proportional zur Quadratwurzel der Wärmeleitfähigkeit des zu schweißenden Materials.
Schweißnahtdesign und -vorbereitung für EBW:
Die üblicherweise im EBW-Verfahren hergestellten Verbindungen, wie in Abb. 14.11 dargestellt, umfassen Stumpf-, Eck-, Überlappungs-, Kanten- und T-Typen oder deren Modifikationen für bestimmte Anwendungen, wobei die Vorbereitung der Rechteckkanten verwendet wird. Normale Kehlnähte sind schwer zu schweißen und werden daher normalerweise vermieden.
Die Vorbereitung für die rechteckige Stoßkante erfordert den Einsatz von Vorrichtungen, um die Arbeitskomponenten in der erforderlichen Ausrichtung zu halten. Wenn Spannvorrichtungen vermieden werden sollen, kann das Gelenk auf den Falztyp geändert werden, wie in Abb. 14.11 (b) gezeigt. Das sichert auch das Selbstausrichten.
Wenn die Schweißgutfläche wie beim Verbinden dünner Rohre vergrößert werden soll, können die Ränder abgenutzt sein. Die Vorbereitung und Anpassung der Schalkanten ist jedoch schwieriger. Kanten-, Naht- und Überlappungsleisten werden hauptsächlich zum Verbinden von Blechen verwendet.
Verunreinigungen des Schweißgutes verursachen wahrscheinlich Porosität oder Risse sowie eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften. Es ist daher unerlässlich, die Fuge vor der Montage und Ausrichtung gründlich zu reinigen. Aceton ist ein bevorzugtes Lösungsmittel zum Reinigen der Komponenten für EBW; Aceton, das leicht entzündlich ist, muss jedoch sehr sorgfältig gehandhabt werden.
Um Unterfüllung oder unvollständige Verschmelzung zu vermeiden, müssen die Verbindungen sorgfältig vorbereitet werden, um eine gute Anpassung und Ausrichtung zu erreichen. Der Spalt zwischen den Passflächen sollte mit einem Maximum von 0, 125 mm so klein wie möglich sein; Aluminiumlegierungen tolerieren jedoch etwas größere Lücken als Stähle.
Normalerweise wird bei EBW darauf geachtet, kein Schweißmetall zu verwenden, die Schweißnaht wird daher entsprechend gewählt. Manchmal wird jedoch Füllmetall hinzugefügt, um die Verbindung während eines zweiten oder kosmetischen Durchgangs zu füllen, um eine volle Dicke bereitzustellen. Die Ausrüstung zum Befüllen von Draht zum Füllen von Draht ist normalerweise ähnlich der für das Wolfram-Lichtbogenschweißen verwendeten, obwohl spezielle Anforderungen die Verwendung speziell konstruierter Einheiten für den Einsatz in Vakuumkammern erforderlich machen können. Der Durchmesser des Zusatzdrahtes ist im Allgemeinen mit einem Maximum von etwa 0 bis 5 mm klein und der Draht wird in die Vorderkante des kleinen Schweißbeckens eingeführt.
Manchmal kann Zusatzmetall hinzugefügt werden, um die gewünschten physikalischen oder metallurgischen Eigenschaften des Schweißgutes zu erreichen; Die so kontrollierten Eigenschaften können Duktilität, Zugfestigkeit, Härte und Rissbeständigkeit umfassen. Die Zugabe einer geringen Menge an Aluminiumdraht oder Unterlegscheibe kann zum Beispiel dazu führen, dass abgetöteter Stahl hergestellt wird und die Porosität verringert wird.
Schweißcharakteristik und Qualität von EBW:
Aufgrund der hohen Durchdringungs-Breiten-Verhältnisse von EB-Schweißungen ergeben sich zwei unterschiedliche Vorteile, nämlich relativ dicke Platten können in einem einzigen Durchgang geschweißt werden, und Schweißgeschwindigkeiten, die viel höher sind als die beim Lichtbogenschweißen erzielbaren, können verwendet werden.
Eine Anzahl von Metallen kann geschweißt werden, um ein Verhältnis von Tiefe zu Breite von bis zu 50 zu erhalten. Bei der Vorbereitung von eckigen Kanten können Aluminiumplatten mit einer Dicke von bis zu 450 mm in einem einzigen Durchgang geschweißt werden. In Stahl ist die entsprechende Dicke jedoch normalerweise auf 300 mm begrenzt .
Das Hochvakuum-EBW-Verfahren ist ein hervorragendes Werkzeug zum Schweißen von unterschiedlichen Metallen unterschiedlicher Dicke sowie zum Reparaturschweißen von Bauteilen, die nicht durch andere Verfahren gerettet werden können. Im Allgemeinen ist kein Vorwärmen erforderlich, selbst wenn mit EBW Materialien mit hoher Leitfähigkeit geschweißt werden.
Obwohl EBW ein Prozess mit hoher Leistungsdichte ist, ist der Energieeintrag pro Längeneinheit gering, wie aus Tabelle 14.3 ersichtlich ist. Diese Charakteristik des Verfahrens führt zu zwei Vorteilen: Es reduziert die Größe der Wärmeeinflusszone und minimiert Verzerrungen. Das Schweißgut in EB-Schweißnähten hat mechanische Eigenschaften, die normalerweise denen des Grundmetalls ähnlich sind.
Die Prozessvariablen können gesteuert werden, um eine hohe Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit bei Schweißteilen zu erreichen. Im Vergleich zu Lichtbogenschweißverfahren sind jedoch engere Bearbeitungstoleranzen für das Herstellen von EB-Schweißungen erforderlich. Es besteht auch die Wahrscheinlichkeit, dass sich beim Schweißen Metalle mit hohem Dampfdruck verdampfen.
Varianten des EBW-Prozesses:
Die bisher diskutierten Merkmale betreffen hauptsächlich die Hochvakuumpumpen vom Typ EBW. Hochvakuum-EBW ist jedoch ein niedriger Produktions- und Kostenprozess. So werden sehr kritische Bauteile hauptsächlich aus reaktiven Metallen geschweißt. Es gibt zwei Varianten oder Modi des Hauptprozesses, nämlich Mittelvakuum-EBW und Nicht-Vakuum-EBW.
1. Mittelvakuum EBW:
Während Hochvakuum-EBW in einem Druckbereich von 10 & supmin; ³ bis 10 & supmin; & sup6; Torr ausgeführt wird, wendet das EBW mit mittlerem Vakuum einen Druckbereich von 10 & supmin; ³ bis 25 Torr an. Innerhalb dieser Grenzen wird der Druckbereich zwischen 10 -3 und 1 Torr als "weiches oder teilweises Vakuum" und von 1 bis 25 Torr als "Schnellvakuum" bezeichnet. Der Mittelvakuumprozess behält die meisten Vorteile des Hochvakuumschweißens bei verbesserter Produktionsfähigkeit.
In einer EBW-Pistole mit mittlerem Vakuum wird der Strahl im Hochvakuum erzeugt und dann mit weichem oder schnellem Vakuum in die Schweißkammer projiziert, wie in Abb. 14.14 gezeigt. Dies wird durch eine Öffnung erreicht, die groß genug ist, um den Strahl durchzulassen, aber keine signifikante Rückdiffusion von Gasen aus der Kammer in die Pistolensäule erlaubt.
Ein wesentlicher Vorteil des EBW mit mittlerem Vakuum besteht darin, dass der Bedarf an Vakuumpumpen erheblich reduziert wird, was zu wirtschaftlichen und wirtschaftlichen Gewinnen führt. Diese Variante ist ideal für Massenproduktionsaufgaben geeignet. Zum Beispiel können Zahnräder im fertig bearbeiteten Zustand erfolgreich mit Wellen verschweißt werden, ohne dass ein anschließender Schlichtvorgang mit engen Toleranzen erforderlich ist.
Aufgrund des verstärkten Vorhandenseins von Luft im Modus mit mittlerem Vakuum (100 ppm) ist das Verfahren weniger zufriedenstellend als das Hochvakuumschweißen für reaktive Metalle. Dieses Verfahren wird jedoch für das Schweißen von hochschmelzenden Metallen als ausreichend befunden, wobei die Absorption kleiner Mengen an Sauerstoff und Stickstoff toleriert werden kann.
2. Nichtvakuum-EBW :
Das Schweißen ohne Vakuum erfolgt bei Atmosphärendruck. Die EB-Pistole muss jedoch für einen stabilen und effizienten Schweißvorgang bei einem Druck von 10 - 4 Torr oder darunter gehalten werden.
Das EVG wird beim Nicht-Vakuumschweißen durch eine Reihe von evakuierten Kammern mit kleinen Öffnungen aus dem Vakuumsystem herausgeführt, wie in Abb. 14.15 gezeigt, um den Strom von atmosphärischen Gasen in die Pistolensäule zu minimieren. Die Arbeitskammer kann mit Helium gefüllt sein, da sie die EB weniger behindert und eine bessere Eindringungsform ergibt als mit Argon oder Luft als Atmosphäre. Bei gegebener Durchdringung und Pistolen-zu-Arbeits-Distanz ermöglicht die Heliumabschirmung auch das Schweißen mit einer wesentlich höheren Schweißgeschwindigkeit.
Je höher die Beschleunigungsspannung ist, desto weiter wandert der Strahl im Gas bei Atmosphärendruck und es werden Spannungen von 150 bis 175 kV verwendet. Neben der Beschleunigungsspannung sind die Strahlleistung, die Fahrgeschwindigkeit, der Abstand zwischen der Pistole und dem Schutzgas wichtige Prozessvariablen. Abb. 14.16 zeigt die Schweißnahtdurchdringung als Funktion der Bewegungsgeschwindigkeit für drei verschiedene Leistungsstufen einer nicht-Vakuum-EBW, die die deutliche Erhöhung der Bewegungsgeschwindigkeit durch Erhöhen der Leistung für eine gegebene Durchdringung anzeigt.
Nichtvakuum-EBW weist eine höhere Durchdringung bei einer Leistung von mehr als 50 KW auf, die es ermöglicht, Stahl mit einer Dicke von mehr als 25 mm mit der für EBW charakteristischen Schlüsselloch-Durchdringung zu schweißen. Dies hilft auch beim Schweißen mit einer um ein Vielfaches höheren Geschwindigkeit als beim Unterpulverschweißen.
Der Hauptvorteil eines Nichtvakuumsystems besteht darin, dass die Arbeit bei Atmosphärendruck bleiben darf und dies zu höheren Produktionsraten bei reduzierten Kosten führt. Auch kann die Größe der Schweißverbindung nicht durch die Kammer begrenzt sein. Diese Vorteile werden jedoch auf Kosten eines geringen Verhältnisses der Schweißnahtiefe zu Breite, eines geringeren Schweißdurchdringens und geringer Pistolenabstände erzielt.
Zu den Materialien, die mit einem nicht-vakuum-EBW-System geschweißt werden können, gehören Kohlenstoff, niedriglegierte und nichtrostende Stähle, Hochtemperaturlegierungen, hochschmelzende Legierungen sowie Kupfer- und Aluminiumlegierungen. Einige dieser Metalle können in Luft geschweißt werden, während andere eine inerte Atmosphäre benötigen, die normalerweise durch Verwendung von Argon oder Helium als Schutzgas erhalten wird.
Anwendungen des Elektronenstrahlschweißens (EBW):
Alle Metalle und Legierungen, die durch andere Verfahren schmelzgeschweißt werden können, können in der Regel auch von EBW geschweißt werden. Diese können Baustähle, Feststähle, Edelstähle, Titan, Zirkonium, Wolfram, Molybdän, Beryllium, Rhenium, Tantal und Columbium einschließen. Es können auch unähnliche Metallkombinationen geschweißt werden, die metallurgisch kompatibel sind. EBW wird jedoch hauptsächlich für Anwendungen mit hoher Präzision und hoher Produktionsrate verwendet.
Hochpräzise Anwendungen erfordern das Schweißen in einer hochreinen Umgebung, um eine Kontamination durch Luftsauerstoff und Stickstoff zu vermeiden. Solche Anwendungen sind die Hauptanforderung der Nuklearindustrie, der Luftfahrtindustrie, der Luftfahrtindustrie und der Elektronikindustrie. Typische Produkte, die durch dieses Verfahren hergestellt werden, umfassen Kernbrennelemente, spezielle Jet-Triebwerkskomponenten, Druckbehälter für Raketenantriebssysteme und hermetisch dichte Vakuumvorrichtungen, wie das Abdichten von Transistoren, Mikroschaltern usw.
Typische Beispiele für Anwendungen mit hoher Produktionsrate sind Komponenten wie Zahnräder, Rahmen, Lenksäulen, Getriebe- und Antriebsteile von Automobilen, dünnwandige Rohre, das Schweißen von Schnellarbeitsstahl mit Bandsägen und Motorsägeblättern.
Sonderformen, die ein tiefes Eindringen erfordern, wie in Abb. 14.12 gezeigt, sind nur mit EBW möglich. Abb. 14.13 zeigt Verbindungsarten, die beim Elektronenstrahlschweißen einzigartig sind; Schweißen in einer Vertiefung, Schweißen einer T-Fuge mit einer Spitze und gleichzeitiges Schweißen mehrerer Fugen.
Die meisten Schweißnähte in EBW werden ohne Zusatzmetall hergestellt. Wenn jedoch eine Unterfüllung oder eine ungünstige Form des Wulstes erzeugt wird, kann diese durch einen nachfolgenden kosmetischen Durchlauf korrigiert werden, vorausgesetzt, das Werkstück soll nach dem Schweißen nicht bearbeitet werden. Dies erfolgt durch erneutes Überfahren der Schweißnaht mit einem Strahl niedrigerer Leistung, der entweder von den Ablenkspulen aufgebracht wird.
Zu den spezifischen industriellen Anwendungen von EBW gehören das Schweißen von Gruppenradgetrieben, Titan-Verdichterrotor und Antriebswelle eines Gasturbinentriebwerks, Raketenmotoreinspritzdüsen aus Aluminiumlegierung 5083, thermionische Heizvorrichtungen und das Verbinden von Hochtemperatur-Metallkomponenten, wie z .
