Spawanie wiązką elektronów - charakterystyka metody

Spawanie wiązką elektronów - charakterystyka metody
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

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.

Wprowadzenie

Historia spawania wiązką elektronów sięga roku 1951. W styczniu tego roku opatentowano urządzenie elektronowe do wykonywania otworów, a we wrześniu w Wielkiej Brytanii sposób spawania za pomocą wiązki elektronów [1], W Instytucie Spawalnictwa historia praktycznego zastosowania spawania wiązką elektronów sięga lat 70., kiedy to została zainstalowana spawarka elektronowa model EUS 25/6 wyprodukowana przez Przemysłowy Instytut Elektroniki w Warszawie.

Wiązka elektronów jako spawalnicze źródło ciepła jest znana od wielu już lat. Zastosowanie jej w różnorodnych procesach technologicznych, szczególnie spawania i modyfikowania powierzchni, jest jednak nadal prężnie rozwijającą się dziedziną tak od strony zastosowań przemysłowych, jak i badań naukowych.

Technologia spawania wiązką elektronów, pomimo dynamicznie rozwijających się konkurencyjnych spawalniczych technologii laserowych, pozostaje wciąż niezastąpioną w wielu przypadkach z uwagi na możliwą do osiągnięcia większą głębokość wtopienia i czystość metalurgiczną spoiny, a także dużą prędkość spawania.

Co ważne, technologia ta jest ulepszana głównie pod względem urządzeń spawalniczych. Firmy produkujące urządzenia do spawania wiązką elektronową, takie jak: Cambridge Vacuum Engineering (Wielka Brytania), Sciaky (USA), PTR Precision Technologies (USA) oraz Pro Beam (Niemcy), dostarczają urządzenia uniwersalne lub przewidziane do konkretnych zastosowań. Docenione przed laty walory technologii spawania elektronowego spowodowały, że wiązka elektronów jest obecnie wykorzystywana również do napawania, przetapiania, stopowania, szybkiego prototypowania, wykonywania otworów (perforowania), wytwarzania materiałów gradientowych i wielu innych. Do zalet tej metody z punktu widzenia spawania można zaliczyć przede wszystkim bardzo dużą gęstość mocy, brak oddziaływania szkodliwych czynników zewnętrznych na stopiony i nagrzany materiał (proces z reguły prowadzony jest w próżni) oraz bardzo małe odkształcenia spawanych elementów.

Charakterystyka metody

Istotą procesu spawania wiązką elektronów (zwanego też spawaniem elektronowym) jest wykorzystanie energii kinetycznej elektronów poruszających się z wysoką prędkością (około 200 km/s) w próżni. Podczas bombardowania powierzchni metalu zasadnicza część energii kinetycznej elektronów przekształca się w ciepło, które roztapia metal.

Spawanie wiązką elektronów wymaga zastosowania urządzeń wyposażonych w działo elektronowe, wytwarzające wiązkę elektronów oraz próżniową komorę roboczą (rys. 1).

Wiązka elektronów o określonym natężeniu prądu, regulowanym przez potencjał elektrody sterującej, jest przyspieszana w polu elektrostatycznym między katodą i anodą, a następnie ogniskowana w polu magnetycznym cewki ogniskującej i odchylana (jeśli zachodzi potrzeba) dynamicznie lub statycznie w polu magnetycznym cewek odchylających [2]. Wytworzona i uformowana w ten sposób w dziale elektronowym wiązka elektronów trafia w obszar komory roboczej i pada na powierzchnię spawanego elementu, który jest mocowany w specjalnych uchwytach i wykonuje zazwyczaj ruch roboczy. Schemat budowy urządzenia elektronowego przedstawiono na rysunku 1.

Spawanie elektronowe, w zależności od gęstości mocy, może być prowadzone tzw. techniką z jeziorkiem (nagrzewanie metalu spawanego jak w klasycznym procesie spawania łukowego z utworzeniem płytkiego jeziorka spawalniczego) lub znamienną dla tego procesu tzw. techniką z oczkiem (utworzenie głębokiego kanału gazodynamicz-nego - "oczka"), zazwyczaj z przetopieniem materiału na wskroś.

Na rysunku 2 przedstawiono schemat oddziaływania elektronu z atomem bombardowanego materiału.

Rozpraszanie wiązki elektronowej w materiale jest zagadnieniem bardzo złożonym, obejmującym wiele procesów uzależnionych od wielu parametrów, a zwłaszcza od energii elektronów pierwotnych E0, liczby atomowej Z pierwiastka bombardowanego, gęstości p materiału bombardowanego, grubości materiału d oraz kąta padania elektronów pierwotnych cp. Rozpraszanie elektronów jest przede wszystkim spowodowane zderzeniami sprężystymi z jądrami atomów ośrodka, hamowanie zaś (straty energii) zderzeniami z elektronami materiału (zderzeniami niespręży-stymi). W tym drugim przypadku zmianie ulega nie tylko kierunek ruchu elektronu pierwotnego, ale i jego energia. Wskutek licznych zderzeń energia elektronu pierwotnego maleje do wartości niewystarczającej do spowodowania wzbudzenia czy jonizacji atomu, a tym samym kończy się proces wnikania elektronu w materiał. Część elektronów pierwotnych opuszcza materiał, są to elektrony rozproszone wstecznie lub przechodzące w zależności od tego, przez którą powierzchnię opuszczają materiał. Przedstawione na rysunku 3 inne rodzaje oddziaływania elektronów pierwotnych z atomem generują straty energii elektronów pierwotnych, jednak stanowią one niewielką część ogólnych strat energii w procesie termicznym [4].

Jeżeli elektron pierwotny o energii E0 poruszający się wzdłuż osi z uderzy w powierzchnię materiału o gęstości p (rys. 3), to energia kinetyczna elektronu staje się równa zeru w odległości R od powierzchni materiału. Odległość ta nazywa się głębokością wnikania. Długość L rzeczywistej, przebytej przez elektron drogi jest większa niż głębokość wnikania R. Jednym z podstawowych parametrów rozpraszania jest kąt rozpraszania ˆ(E) oraz prawdopodobieństwo rozpraszania w kącie ˆ w przedziale dˆ. Straty energii 8E/8L wzdłuż rzeczywistej drogi elektronu różnią się od wielkości 8E/8z, odniesionych do osi z. Należy zauważyć, iż przy małych wartościach "z" 8E/8z«8E/8L. Ponieważ rozpraszanie i straty energii są procesami stochastycznymi, więc wielkości te podlegają rozkładom statystycznym [4]. Na rysunku 4 przedstawiono model rozpraszania niesprężystego. Zderzenia nie-sprężyste są powodem strat energii elektronu pierwotnego oraz powodują zmianę kierunku ruchu tego elektronu [4].

W przypadku rozpraszania elektronów w ciele stałym ruch elektronów, począwszy od pewnej głębokości, wskutek bardzo dużej liczby zderzeń staje się zupełnie przypadkowy. Istnieje kilka definicji głębokości wnikania elektronów, przy czym część z nich jest związana ze strumieniem elektronów, a część z energią elektronów [3]. Z praktycznego punktu widzenia najczęściej mowa jest o praktycznej głębokości wnikania, którą można obliczyć z zależności [5].

Na rysunku 5 przedstawiono szacunkowe wyliczenia praktycznej głębokości wnikania elektronów, przy napięciu przyspieszającym 150kV.

Należy podkreślić, iż proces tworzenia kanału gazody-namicznego ("oczka") rozciągającego się na całą grubość materiału spawanego nie został dotychczas w pełni wyjaśniony, ze względu na wiele wzajemnie powiązanych zjawisk fizycznych i parametrów występujących w czasie spawania elektronowego. Na podstawie analizy zdjęć obszaru spawania elektronowego, wykonanych szybką kamerą, zaproponowano model procesu tworzenia się wgłębień, cylindrycznego kanału i złącza spawanego [6]: - wiązka elektronów bombardując powierzchnię metalu w obszarze złącza, stapia ją ciepłem powstałym w wyniku zamiany energii kinetycznej elektronów i tworzy się jeziorko spawalnicze o małej głębokości (rys. 6a), dalsze bombardowanie wiązką elektronów powoduje powiększenie się objętości jeziorka spawalniczego (rys. 6b) aż do osiągnięcia takiego stanu cieplnego, w którym prawie cała objętość metalu stopionego w jeziorku przechodzi w stan pary. Duża prężność par metalu powoduje wyciskanie stopionego metalu na ścianki tworzącego się kanału o dużej głębokości. Utworzony w ten sposób kanał pozostaje przez pewien czas otwarty w wyniku określonego rozkładu pola temperatury w kanale i szeregu sił, szczególnie napięcia powierzchniowego, działających na warstewkę ciekłego metalu (rys. 6c), co umożliwia coraz głębsze wnikanie wiązki elektronów w materiał. W wyniku ciągłego oddziaływania wiązki elektronów objętość stopionego metalu tworzącego warstewkę okalającą wnętrze kanału zwiększa się aż do zasklepienia kanału u jego wlotu. Grubość warstwy zasklepiającej wlot do kanału stanowi ułamek jim (rys. 6c). a temperatura na jej powierzchni zawiera się w granicach 1800-r1900°C w przypadku stopów aluminium oraz 1800-r2300°C w przypadku stali. Ciśnienie par metali i gazów we wgłębieniu dochodzi do kilkuset kPa [6],

wiązka elektronów przenikając z łatwością przez warstewkę ciekłego metalu zamykającą wlot do kanału powoduje dalsze odparowanie metalu w jego wnętrzu i wzrost ciśnienia par metalu do wartości przekraczającej wartość siły napięcia powierzchniowego, powodując rozerwanie tej warstewki (rys. 6d),

ciśnienie par i gazów uwolnionych z kanału spada i ponownie tworzy się warstewka ciekłego metalu zamykająca kanał w wyniku działania sił napięcia powierzchniowego (rys. 6e).

Opisany proces tworzenia kanału ("oczka") powtarza się cyklicznie, głębokość kanału zwiększa się, aż do osiągnięcia stanu równowagi, w którym cała energia wiązki elektronów jest absorbowana przez pary metalu, gazy i ciekły metal otaczający wnętrze kanału.

Parametry spawania elektronowego

Podstawowe parametry procesu spawania elektronowego to: napięcie przyspieszające, natężenie prądu spawania, prędkość spawania, średnica wiązki na powierzchni elementu spawanego, odległość ogniskowa soczewki elektromagnetycznej, natężenie prądu soczewki elektromagnetycznej oraz próżnia w komorze roboczej [6].

Napięcie przyspieszające wiązkę elektronów [kV], w zależności od rodzaju urządzenia wynosi od 10 do 200 kV. Im napięcie przyspieszające jest wyższe, tym większa jest moc wiązki (przy stałej wartości natężenia prądu wiązki) i tym większa jest głębokość wtopienia. Poprawia się przy tym współczynnik kształtu spoiny - spoiny stają się węższe i głębsze, a granice wtopienia bardziej równoległe, co wpływa na zmniejszenie odkształceń spawalniczych. Zbyt wysoka wartość napięcia przyspieszającego może powodować podtopienia, nierówności lica lub wycieki spoiny.

Energię elektronów można wyrazić jako:

E = U I (1)

gdzie:
U - napięcie przyspieszające, I - natężenie prądu wiązki.

Na rysunku 7 przedstawiono wpływ prędkości spawania i napięcia przyspieszającego na głębokość wtopienia dla stali 40NiCrMo6.

Przykładowo, przy napięciu przyspieszającym 80 kV, można osiągnąć następujące głębokości wtopienia [9]:
- Stal - 40 mm,
- Tytan - 40 mm,
- Miedź - 60 mm,
- Aluminium - 80 mm.

Wyższe napięcie przyspieszające umożliwia stosowanie większych odległości roboczych, a co za tym idzie większą elastyczność procesu i możliwość spawania elementów o bardziej skomplikowanym kształcie.

Natężenie prądu wiązki elektronów [mA] wpływa na zmianę gęstości mocy, a tym samym na głębokość wtopienia w materiał spawany i kształt spoiny (rys. 8). Wraz ze wzrostem wartości natężenia prądu wiązki zwiększa się głębokość wtopienia. Przy małych natężeniach prądu wiązki, ok. 1-r10 mA (rys. 8), wyniki spawania są praktycznie takie same jak uzyskane w konwencjonalnych procesach spawania łukowego.

Prędkość spawania [m/min], odpowiednio dobrana do mocy wiązki elektronów decyduje o energii liniowej procesu, a zatem o ilości ciepła wprowadzonego do materiału. Wpływa na geometrię spoiny - głębokość wtopienia i szerokość lica. Wraz ze wzrostem prędkości głębokość wtopienia maleje, zmniejsza się również szerokość spoiny.

Średnica wiązki ogniskowanej na powierzchni elementu spawanego [mm] decyduje o gęstości mocy wiązki elektronów, a tym samym wpływa na głębokość wtopienia i kształt spoiny. Może być regulowana natężeniem prądu katody sterującej oraz natężeniem prądu cewki magnetycznej ogniskującej, w zakresie 0,01-10 mm.

Odległość ogniskowa wiązki elektronów [wyrażona w mm], decyduje o głębokości wtopienia w materiał spawany i kształcie spoiny oraz jej jakości. Zmiany położenia ogniska wiązki względem powierzchni elementu spawanego, przy nie zmienionych pozostałych parametrach spawania, powodują zmianę średnicy wiązki na powierzchni elementu spawanego i w konsekwencji zmianę gęstości mocy wiązki.

Natężenie prądu soczewki ogniskującej wiązkę elektronów [mA] decyduje o średnicy wiązki i położeniu ogniska wiązki, przy stałej odległości roboczej i mocy wiązki.

Próżnia w komorze roboczej [mbar lub Tr] decyduje 0 jakości złącza. Wysoka próżnia zapewnia najwyższą jego jakość w wyniku dokładnego odgazowania metalu spoiny. W procesie spawania prowadzonym w próżni występuje również odparowanie składników stopowych o wysokiej prężności par, co może prowadzić do spadku zawartości tych składników w spoinie. Wraz z obniżeniem ciśnienia panującego w komorze roboczej maleje średnica wiązki 1 rośnie gęstość mocy (rys. 9).

Spawalność materiałów konstrukcyjnych łączonych wiązką elektronów

W zależności od geometrii zogniskowanej wiązki elektronów oraz od trybu pracy działa elektronowego (wiązka stacjonarna lub oscylująca) w szerokim zakresie zmienia się ilość ciepła wprowadzonego do materiału spawanego, co umożliwia spawanie elementów zestawionych z różnorodnych metali i stopów, o różnej grubości i kształcie. Elastyczność procesu spawania wiązką elektronów pozwala na spawanie zarówno materiałów spawalnych, jak i trudno spawalnych lub całkowicie niespawalnych metodami łukowymi.

Małe odkształcenia i naprężenia spawalnicze powodują, że technologia elektronowa jest użyteczna m.in. do spawania stopów AlCu, skłonnych do pękania gorącego. Z drugiej strony, gdy istnieje potrzeba spawania stali o dużej zawartości węgla, z uwagi na wysoką twardość w SWC, zachodzi konieczność przeprowadzenia procesu obróbki cieplnej. Obróbkę cieplną prowadzi się równocześnie z procesem spawania, wykorzystując tryb pracy z wieloma wiązkami (wiązka z dużą częstotliwością, większą niż może zauważyć oko ludzkie, jest przełączana i odchylana, co daje skuteczny efekt występowania wielu wiązek). W przypadku spawania wiązką elektronów bez materiału dodatkowego nie ma możliwości kompensacji zjawiska parowania pierwiastków stopowych z obszaru spoiny. Biorąc jednak pod uwagę, iż spoina jest wąska, w wielu zastosowaniach zmiana składu chemicznego jest tak mała, że można jej nie brać pod uwagę [11].

Stopy aluminium

Spawanie wiązką elektronów stopów aluminium charakteryzujących się małą gęstością i dobrą przewodnością cieplną znajduje szerokie zastosowanie nawet przy produkcji przedmiotów codziennego użytku. W trakcie procesu spawania następuje usuwanie warstwy trudnotopliwych tlenków, dzięki czemu zmniejsza się porowatość w spoinie. Ponadto nie nastręcza problemów spawanie materiałów silnie odbijających promieniowanie. Możliwa do osiągnięcia głębokość wtopienia wynosi 200 mm i więcej, przy wciąż dobrym stosunku szerokości do wysokości spoiny. Stopy aluminium serii 5000 (AlMg) są dobrze spawalne przy użyciu wiązki elektronów, natomiast stopy serii 2000 (AlCu),

4000 (AlSI) i 6000 (AlMgSi) wymagają dodatkowych zabiegów, które mają na celu ograniczenie pęknięć gorących. Należy jednak wziąć pod uwagę, że ryzyko pęknięć gorących jest uzależnione od zawartości pierwiastków stopowych, przewodności cieplnej oraz naprężeń powstałych w trakcie lub po procesie spawania, dlatego też podanie ogólnych zasad jest trudne. Można jednak przyjąć, iż w przypadku wymienionych stopów zmiana składu chemicznego materiału może być pominięta. Inaczej sytuacja wygląda w przypadku spawania stopów serii 7000 (AlZnMg), w których parowanie cynku może powodować obniżenie lub pogorszenie własności mechanicznych złącza. W przypadku spawania odlewniczych stopów aluminium może istnieć, z uwagi na dużą zawartość wodoru, skłonność do porowatości. W tym przypadku konieczne jest zastosowanie technologii spawania "wieloma" wiązkami [11].

Miedź i stopy miedzi

Spawanie wiązką elektronów miedzi i jej stopów w porównaniu do procesów łukowych nie nastręcza poważniejszych kłopotów, z wyjątkiem mosiądzów (z uwagi na parowanie cynku). Duża gęstość mocy wiązki powoduje, że bez podgrzewania wstępnego można spawać elementy o grubości ponad 50 mm w jednym przejściu. Wiadomo, że nawet czysta miedź może zawierać znaczne ilości zanieczyszczeń, jak np. tlen, siarkę, fosfor i węgiel. W związku z powyższym zaleca się stosować miedź odtlenioną o małej zawartości fosforu. Należy wspomnieć, iż szczególnie w przypadku materiałów o wysokiej przewodności cieplnej, takich jak aluminium i miedź, mogą występować w trakcie spawania z niepełnym przetopem tzw. wtopienia kolcowe - niezgodności charakterystyczne tylko dla metod wysokoenergetycznych, będące wynikiem cyklicznie zmieniającej się głębokości wtopienia spowodowanej niestabilnym procesem parowania i rozkładem ciśnienia w kanale gazo-dynamicznym. Wyeliminowanie niezgodności tego rodzaju jest możliwe w wyniku zmiany konstrukcji połączenia i wykonania spoiny z pełnym przetopem materiału [11].

Materiały reaktywne

Duża gęstość mocy wiązki i prowadzenie procesu w próżni powoduje, że nie tylko materiały trudnotopliwe, ale również reaktywne, wrażliwe na działanie nawet małej ilości gazów, mogą być spawane wiązką elektronów. Przykładem mogą być tytan i stopy tytanu, które mogą być spawane wiązką bez ryzyka utlenienia, tworzenia węglików, kruchości wodorowej lub trudnej do wykrycia obniżonej udarno-ści materiału. Z tego powodu elementy wykonane z tytanu stosowane w lotnictwie i odpowiadające za bezpieczeństwo są spawane wiązką elektronów. Technologia spawania elektronowego tytanu i jego stopów znajduje też szerokie zastosowanie w przemyśle medycznym, szczególnie w procesie wytwarzania implantów lub narzędzi chirurgicznych. Jest to związane z tym, iż implanty są wykorzystywane przez lata i muszą się charakteryzować najwyższą jakością wykonania, co w konsekwencji pozwoli na ich niezawodną

pracę [11].

Stopy cyrkonu i niobu używane głównie do budowy elementów reaktorów jądrowych reagują również z gazami w trakcie spawania. Biorąc to pod uwagę oraz wysoką cenę i bardzo wysokie wymagania dotyczące jakości wykonania samych złączy jedyną możliwą do zastosowania metodą łączenia jest spawanie wiązką elektronów. Wymagania takie odnoszą się również do takich materiałów, jak: tantal, iryd, wanad i ich stopy. Możliwe jest spawanie wolframu, molibdenu i ich stopów. Należy jednak wziąć pod uwagę możliwość pojawienia się obniżonej udarności. Obniżenie

udarności jest spowodowane szybkim parowaniem niklu jaki występuje np. w wolframie. Należy też podkreślić, iż spawanie wiązką elektronów jest jedyną metodą pozwalającą spawać wolfram [11].

Stale

Większość stali spawalna metodami łukowymi może być również spawana wiązką elektronów. Wąska strefa wpływu ciepła i brak wodoru w atmosferze powoduje, iż również stale drobnoziarniste, w których może wystąpić obniżenie własności mechanicznych, są łatwo spawalne wiązką elektronów. W tym przypadku nie ma potrzeby stosowania dodatkowych zabiegów. Metoda ta znajduje zastosowanie również do spawania blach transformatorowych wykonanych ze stali o wysokiej zawartości krzemu [11].

W stalach stopowych, w tym austenitycznych i duplex, często azot pełni rolę pierwiastka stopowego. Wobec powyższego, przy spawaniu należy stosować tak dobrane parametry procesu, przy których ograniczone będzie ryzyko porowatości spowodowane odgazowaniem azotu oraz, zwłaszcza w stalach typu duplex, skompensowana zostanie utrata azotu i tym samym zachwianie równowagi fazowej. W trakcie spawania stali duplex odgazowanie azotu powoduje przesunięcie wykresu fazowego w kierunku ferrytu, co powoduje zmniejszenie odporności na korozję. Należy jednak podkreślić, iż stosując właściwe parametry spawania oraz materiał dodatkowy, można skompensować zmniejszenie zawartości azotu i tym samym zachować właściwą odporność na korozję. W przypadkach, w których zachodzi proces utwardzania wydzieleniowego, spawanie wiązką elektronów może powodować obniżenie wytrzymałości złącza, Wówczas konieczne są dodatkowe zabiegi technologiczne. W wielu zastosowaniach stale stopowe są spawane wiązką elektronów bez dodatkowych zabiegów, nawet jeśli wytwarzane z nich elementy są stosowane na odpowiedzialne elementy w turbinach samolotów lub samochodów. Odporne na starzenie stale NiCrMo mogą być spawane bez podgrzewania wstępnego, również przy wykonywaniu złączy o znacznej grubości [11].

Stale ferrytyczne stopowe z reguły są łatwo spawalne, jeśli zawartość węgla nie przekracza 0,2%. Nie są wówczas wymagane dodatkowe zabiegi technologiczne. W przypadku stali o większej zawartości tego pierwiastka może występować skłonność do tworzenia fazy martenzytycznej i wówczas konieczne staje się stosowanie podgrzewania wstępnego. Zabieg ten może być prowadzony poprzez zastosowanie spawania "wieloma" wiązkami lub też poprzez podgrzewanie wstępne w piecu. Metoda z podgrzewaniem wiązką elektronów jest stosowana do wykonywania złączy ze stali w gatunku 42CrMo4 do grubości 20 mm, a powyżej należy stosować dodatkowe podgrzewanie. Nieco większe problemy występują przy spawaniu stali w gatunku 17CrNiMo5 lub 16MnCr5, które są nawęglane i utwardzane. Materiały te są stosowane na koła zębate w motoryzacji. Wysoka zawartość węgla w zewnętrznej warstwie musi być usunięta z obszaru wykonywania złącza. Dodatkowo, w celu zmniejszenia ryzyka pęknięć zimnych, z reguły wymagane jest zastosowanie podgrzewania wstępnego do temperatury w zakresie od 150 do 180oC [11].

Żeliwo

Chociaż z metalurgicznego punktu widzenia żeliwo jest materiałem trudnospawalnym, to przy zachowaniu właściwych warunków prowadzenia procesu spawania można wykonać złącze. Należy jednak wziąć pod uwagę możliwość wystąpienia porowatości. Maksymalna głębokość wtopienia wynosi około 20 mm, przy grubszych elementach należy zastosować spawanie dwustronne. Łatwiej spa-walne jest żeliwo sferoidalne. W przypadku wykonywania złączy różnoimiennych, jak np. żeliwo GJS440 ze stalą S235, koniecznym jest zastosowanie materiału dodatkowego do spawania. Dzięki takiemu rozwiązaniu znacząco można obniżyć twardość w spoinie (z 1000 HV1 do 300 HV1), rys. 11. W przypadku takiego złącza zastosowanie jedynie podgrzewania wstępnego pozwoliło na obniżenie twardości do poziomu 600 HV1 [11].

Nikiel i stopy niklu

Czysty nikiel, stop nikiel-miedź i wiele gatunków stopów nikiel-żelazo może być spawane wiązką elektronów bez większych problemów. Jednak nadstopy o bardziej skomplikowanym składzie chemicznym wymagają dodatkowych zabiegów celem zmniejszenia ryzyka wystąpienia pęknięć w trakcie obróbki cieplnej po procesie spawania. W tym przypadku koniecznym będzie zastosowanie np. spawania "wieloma" wiązkami, aby uniknąć pęknięć gorących

[11].

Wykonywanie złączy różnoimiennych

Jedną z głównych zalet spawania wiązką elektronów jest możliwość spawania materiałów o różnej temperaturze topnienia i przewodności cieplnej. Jednak z powodu znacznych różnic składu chemicznego i możliwości tworzenia niekorzystnych faz, nie wszystkie kombinacje materiałów są możliwe do spawania. Na skutek zjawiska termoelektrycznego, przy łączeniu różnych materiałów może się wytworzyć na tyle silne pole magnetyczne, że wiązka elektronów będzie odchylana, a proces spawania niestabilny. Znaczenie tego zjawiska określa możliwe kombinacje łączonych materiałów co do ich składu chemicznego i kształtu. W przypadku gdy nie istnieje możliwość wykonania połączenia dwóch materiałów bezpośrednio, stosuje się materiały pośrednie, dobrze spawalne wiązką elektronów z każdym z nich oddzielnie. Na rysunkach 12 i 13 przedstawiono możliwe kombinacje materiałów do spawania wiązką elektronów [11].

Zastosowanie i zalety technologii spawania wiązką elektronów

Technologie elektronowe są zwłaszcza użyteczne w przemyśle:
- motoryzacyjnym; spawanie elementów przekładni zębatych, korpusów silników, czujników, chłodnic, wałów korbowych, trzonów tłokowych, grzybków zaworów, filtrów, katalizatorów, turbosprężarek, felg, poduszek powietrznych i wielu innych;
- lotniczym; spawanie tytanowych zbiorników na propylen stosowanych w satelitach i rakietach, zbiorników aluminiowych, dysz ciągu, wtrysków paliwa, elementów kadłubów z tytanu, podłokietników, stojanów, łopatek i osłon turbin, dysków w wirniku bębnowym sprężarek osiowych, den sitowych w rakietach;
- energetycznym i elektroenergetycznym; spawanie elementów turbin, łopatek, wysokoprądowych elastycznych łączników, pojemników na odpady promieniotwórcze;
- budowie maszyn; spawanie elementów haków transportowych w silnikach okrętowych, pieców do niszczenia zużytej amunicji, kół i przekładni zębatych, cylindrów hydraulicznych, czujników temperatury i odkształceń, ram mikroskopów ze stopu aluminium, komutatorów, pił taśmowych, narzędzi wiertniczych, krystalizatorów do ciągłego odlewania stali, wysokociśnieniowych zaworów;
- medycznym; spawanie elementów przekładni zębatych w protezach kończyn, szybkie prototypowanie elementów endoprotez, modyfikacja powierzchni implantów;
- szynowym i kolejnictwie; spawanie elementów wagonów, jak np. belek poprzecznych ze stopów aluminium, haków holowniczych, tulei łożyskowych, elementów zwrotnic, sprzęgieł cardana.

Spawanie wiązką elektronów wykorzystywane jest do produkowania na skalę przemysłową i wytwarzania pojedynczych elementów. Proces spawania prowadzony jest w komorach próżniowych o objętości od kilku do kilkuset tysięcy litrów. Nowoczesne elektronowe urządzenia do spawania i modyfikowania powierzchni gwarantują stabilność parametrów prowadzenia procesu technologicznego, pełną powtarzalność wyników oraz swobodną możliwość programowania. Urządzenia uniwersalne, dostępne z "katalogu" o napięciu przyspieszającym 150 kV, umożliwiają wykonywanie złączy spawanych ze stali o grubości przekraczającej 100 mm (dla porównania maksymalna grubość elementów spawanych przy użyciu komercyjnie dostępnych laserów to około 20 mm). Przykładowo wykonanie złącza o grubości 150 mm ze stali wymaga, w przypadku spawania łukiem krytym, wykonania 157 ściegów, a czas spawania 1 mb wynosi 314 min (bez uwzględnienia koniecznych przerw). Ilość materiału dodatkowego do spawania to 32 kg. W przypadku zastosowania wiązki elektronów złącze wykonano jednym ściegiem, bez materiału dodatkowego do spawania, złącza nie ukosowano, a czas spawania 1 mb wynosił 8 min [11].

Warto podkreślić, iż urządzenia do spawania wiązką elektronów umożliwiają również prowadzenie innych procesów technologicznych, takich jak: lutowanie, napawanie, stopowanie, szybkie prototypowanie, teskturyzacja powierzchni, grawerowanie, badanie zjawisk fizycznych przy oddziaływaniu wiązki elektronów z materią i monitorowanie procesu spawania wiązką elektronów.

Spawanie wiązką elektronów to jedna z najbardziej ener-go- i materiałooszczędnych technologii. Zastosowanie wiązki elektronów w procesach spawalniczych umożliwia [13]:
- spawanie metali o różnych właściwościach fizyko-chemicznych,

układanie spoin w miejscach trudno dostępnych, np. na dnie głębokich i wąskich szczelin (szerokość około 2-3 mm, głębokość rzędu kilkuset mm), w szerokim zakresie położenia ogniska (ponad 1000 mm od wyjścia z działa elektronowego),
- uzyskanie dzięki dużej gęstości mocy i dużej prędkości procesu wąskich spoin (współczynnik - szerokość/głębokość spoiny od 1:10 do 1:50) przy ograniczonej strefie wpływu ciepła w złączu spawanym i minimalnych (prak-

tycznie pomijalnych) odkształceniach elementów spawanych,
- stosowanie złączy doczołowych przygotowanych na "I" bez konieczności ukosowania brzegów dla pełnego zakresu grubości łączonych elementów i przy całkowitej eliminacji materiałów dodatkowych,
- automatyzację procesów technologicznych,
- łatwą integrację z innymi systemami technologicznymi.

Racjonalne wykorzystanie spawania elektronowego pozwala uzyskać znaczne efekty ekonomiczne i szybki zwrot nakładów inwestycyjnych wskutek [13]:
- zwiększenia prędkości, wydajności i możliwości automatyzacji procesu spawania,
- eliminacji materiałów dodatkowych (spoiwa, topniki, gazy),
- uproszczenia technologii wykonania przez zmianę rozwiązań konstrukcyjnych wyrobu polegającą na zastąpieniu skomplikowanej obróbki plastycznej lub wiórowej przez podział danego układu konstrukcyjnego na elementy prostsze geometrycznie oraz przez spawanie tak przygotowanych elementów bez konieczności dodatkowej obróbki cieplnej lub wiórowej po spawaniu,
- podniesienia jakości wyrobu,
- eliminacji odkształceń spawalniczych,
- możliwości spawania elementów po końcowej obróbce mechanicznej i cieplnej.

Podsumowanie

Technologie elektronowe, pomimo stale rozwijanych metod spawania wykorzystujących skoncentrowaną wiązkę fotonów, wciąż są stosowane i rozwijane 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 takim miejscu i tak ukształtowanych, że inne technologie są niemożliwe do zastosowania. Spawanie wiązką zapewnia wysoką jakość samego złącza, przy bardzo dużej wydajności prowadzenia procesu.

LITERATURA:

1. Meleka A.H.: Electron beam welding: principles and practice. McGRAW-HILL, London, 1971.
2. Myśliwiec M., Oparty-Myśliwiec D.: Techniki wytwarzania. Spawalnictwo. PWN 1981, Warszawa.
3. Szymański H., Friedel K., Stówko W.: Urządzenia elek-tronowiązkowe. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1990.
4. Friedel K.: Oddziaływanie wiązki elektronowej na ciało stałe w warunkach głębokiej penetracji. Prace naukowe Instytutu Technologii Elektronowej, Politechnika Wrocławska, 1983.
5. Husmann O.K.: Accelerated Alpha-S deteriorated in geostationary orbit. Spacecraft Charging Technology, Colorado Springs, 1980.
6. Klimpel A.: Spawanie, zgrzewanie i cięcie metali. WNT Warszawa, 1999.
7. Welding handbook. Electron beam welding.
8. Bakish R.: Introduction to elektron beam technology. John Wiley and Sons, New York, 1962.
9. Materiały reklamowe Instytutu Inżynierii Materiałowej we Freibergu, Niemcy.
10. http://www.solidmetals.net/2011/04/16/electron-beam-welding/, Sindo K.: Welding metallurgy. Wiley Inter-science, Londyn, 2003.
11. Volker A., Claufi U. i inni: The fundamentals of a fasci-nating technology. Wydawnictwo Probeam, 2011.
12. Materiały reklamowe firmy Focus GmbH, Electron beam welding with the Focus MEBW-60.
13. Dworak J.: Spawanie wiązką elektronów. Materiały szkoleniowe Instytutu Spawalnictwa.
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Spawanie wiązką elektronów - charakterystyka metody

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!