EBW: Ekipman, Ortak Tasarım ve Uygulamalar
Bu makaleyi okuduktan sonra öğreneceksiniz: - 1. Elektron Işını Kaynağına Giriş (EBW) 2. Elektron Işını Kaynağı için Gerekli Ekipmanlar (EBW) 3. Proses Özellikleri 4. Kaynak Bağlantı Tasarımı ve Hazırlanması 5. Kaynak Özellikleri ve Kalitesi 6. Varyantlar 7. Uygulamalar.
Elektron Kiriş Kaynağına Giriş (EBW) :
İkinci Dünya Savaşı'nın sonu, uzayda üstünlük için uluslar ve nükleer araştırmalar arasında bir yarış başlattı. Bu, reaktif (titanyum ve zirkonyum gibi) ve refrakter (tungsten, molibden ve tantal gibi) metallerin kullanılmasını gerektiriyordu. Bu metallerin daha sonra kurulan füzyon kaynağı kaynak işlemleriyle birleştirilmesi, kaynak ve kaynak sonrası döngüler sırasında reaktif metaller tarafından hızlı bir şekilde oksijen, azot ve hidrojenin emilimine neden oldu ve bu da sünekliklerinin azalmasına neden oldu.
Refrakter metallerin füzyonu ve yeniden kristalleştirilmesi ise sünek-kırılgan geçiş sıcaklık aralığını oda sıcaklığının üstüne çıkardı. Bu dezavantajlar nedeniyle, bu metallerin istenen kalitede kaynaklara ulaşmak için 10 -4 torr veya daha düşük basınçlarda kaynaklanması gerekmiştir ve bu da elektron ışını kaynağının gelişmesine neden olmuştur.
Elektron ışını kaynağı (EBW), çalışma yüzeyine istenen noktada ısıtmak için bir elektron ışınının yapıldığı bir işlemdir. Bir elektron olarak, 2.82 x 10-12 mm yarıçapa ve 9.109 x 10-28 gram bir kütleye sahip olan çok küçük bir parçacık; bu nedenle hava veya diğer gazlarda önemli bir mesafeye gidemez. Bu nedenle, vakumun yaratılması, bir elektron ışınının istenen yönde gerçekleşmesi için temel bir gerekliliktir.
Bununla birlikte, gerekli vakum seviyesi yaratıldığında, elektron ışını oldukça uzun mesafelerde hareket edebilir ve bilinen herhangi bir metal veya seramik eriyebilir. Bu nedenle, temel olarak, pahalı ve kaynaklanması zor reaktif ve ateşe dayanıklı metaller üretmek için kurulan bir işlemdir.
Elektron Kirişi Kaynağı için Gerekli Ekipman (EBW):
EBW için kullanılan ekipman oldukça kompakttır ve temel olarak iki ana bölümden (EBW tabancası ve çalışma odası) oluşur. Elektrik bağlantılarına bağlı olarak EBW tabancası iş hızlandırmalı tipte veya kendinden hızlandırmalı tipte olabilir; ve kiriş akımını kontrol etmek için kullanılan sisteme dayanarak, kendinden hızlandırmalı tabanca diyot valfı tipinde veya triyot valfı tipinde olabilir.
Çalışma odasındaki vakumun derecesine bağlı olarak, tüm bu kaynak tabancası tipleri ayrıca yüksek vakum, orta vakum ve vakumsuz tipler olarak sınıflandırılır. Benzer şekilde, elektronların hızını arttırmak için kullanılan gerilime dayanarak, tabancalara düşük voltaj ve yüksek voltaj türleri olarak atıfta bulunulur. Böylece, EBW toplarının genel sınıflandırması, Şekil 14.1'de gösterildiği gibi gösterilebilir.
EBW tabancasının ana bileşenleri, katod veya elektron yayma için filament, elektron hızlandırma sistemi, ışınlama ve odaklama cihazları, görüntüleme veya optik sistemi ve iş hareket sistemi ve bazen de dikiş izleme cihazlarını içeren vakum veya çalışma odasıdır. ayrıca kaliteli hatasız kaynak sağlamak için dahil edilmiştir. Şekil 14.2, tipik bir EBW tabancasının bileşenlerinin çoğunun şematik bir gösterimini vermektedir.
Elektron Kiriş Kaynağının Proses Karakteristikleri (EBW):
EBW tarafından üretilen kaynaklar, Şekil 14.4'te gösterildiği gibi, yüksek akım gaz metal ark kaynağı (GMAW) işleminin parmak penetrasyonundan farklılaşan yavru tırnak ucu penetrasyonunu oluşturdukları için tipiktir.
Bu tırnak ucu penetrasyon tipi, anahtar delme adı verilen bir fenomen ile elde edilir. Bu teknikte elektron akışı, çalışmanın yüzeyine yaklaşık 25 mikron mesafeye nüfuz eder. Elektron akımı malzemenin derinliklerine doğru ilerlerken, elektronlar dağılır, yavaşlar ve malzeme yapısındaki atomlarla çarpışarak durur ve böylece armut biçimli bir hacmin ısınmasına neden olur.
Üst etkilenmemiş ince yüzey daha sonra yırtılır ve hızlı bir buharlaştırılmış malzeme akışının yanı sıra, geliştirilen yüksek iç basıncı serbest bırakan bir kanalın açılmasıyla sonuçlanır. Kaçan malzeme kanalı açık tutar. Bu işlem, iş parçasının sonraki katmanlarında derin penetrasyona kadar tekrar edilir. Şekil 14.5'te gösterilen, erimiş duvarlı bir buhar deliği kiriş enerjisinin harcanmasıyla elde edilir.
Buhar deliğinin ileri kısmından erimiş metal, çevresinin etrafında akar ve kiriş kaynak hattı boyunca ilerlerken kaynak metali oluşturmak için arkada katılaşır. Bu nedenle penetrasyon kaynak genişliğinden çok daha derindir ve ısıdan etkilenen bölge çok dardır; örneğin, tam nüfuzlu bir alındaki kaynak genişliği, 13 mm kalınlığındaki bir çelik plakadaki kaynak, 1-5 mm kadar küçük olabilir. Çelik kaynaklarda, 50'ye kadar olan penetrasyon oranının elde edildiği bildirildi.
Anahtar delme mekanizmasının buhar oluşumu ve yüzey gerilimi üzerine bağımlılığı, metallerin elektron ışını ile kolayca girebileceği şekilde farklılık gösterir. Buhar oluşum ısısı azaldıkça penetrasyonun arttığı bildirilmektedir. Bu, tungstenin neden penetre edilmesinin alüminyumdan daha zor olduğunu açıklar. EBW'deki penetrasyon ayrıca erime noktası ve termal iletkenlik ile ters orantılıdır ve kaynak yapılan malzemenin termal difüzivitesinin karekökü ile orantılıdır.
EBW için Kaynak Ortak Tasarım ve Hazırlama:
Yaygın olarak EBW işlemi tarafından yapılan, Şekil 14.11'de gösterildiği gibi, eklemler, kenarlar, kenarlar, kenarlar ve Tişört tipleri ya da köşeli kenar hazırlığı kullanılarak özel uygulamalara uyacak modifikasyonları içerir. Normal fileto kaynaklarının kaynaklanması zordur ve bu nedenle genellikle önlenir.
Kare alın kenarı hazırlama, iş bileşenlerini istenen hizada tutmak için demirbaşların kullanılmasını gerektirir; bununla birlikte demirbaşlardan kaçınılması durumunda, bağlantı Şekil 14.11 (b) 'de gösterildiği gibi tavşan tipine göre değiştirilebilir. Bu aynı zamanda kendi kendine hizalanma sağlar.
Kaynak metal alanı arttırılacaksa, ince boruların birleştirilmesinde olduğu gibi, kenarlar çizilebilir. Ancak, eşarp kenarı hazırlama ve yerleştirme işleminin yapılması daha zordur. Kenar, dikiş ve vatka filetoları öncelikle sadece metal levhaları birleştirmek için kullanılır.
Kaynak metalinin kontaminasyonunun mekanik özelliklerin bozulmasının yanı sıra gözeneklilik ve / veya çatlamalara neden olması muhtemeldir. Bu nedenle, bağlantı ve hizalama işleminden önce eklemi iyice temizlemek zorunludur. Aseton, EBW için bileşenlerin temizlenmesi için tercih edilen bir çözücüdür; Bununla birlikte, asetonun yüksek derecede yanıcı olması çok dikkatli bir şekilde ele alınmalıdır.
Dolgu veya eksik kaynaşmayı önlemek için, iyi bir uyum ve uyum sağlamak için derzler dikkatlice hazırlanmalıdır. Çarpma yüzeyleri arasındaki boşluk, maksimum 0.125 mm ile mümkün olduğu kadar küçük olmalıdır; Bununla birlikte, alüminyum alaşımları çeliklerden biraz daha büyük boşlukları tolere edebilir.
Normal olarak EBW'de dolgu metali kullanılmaması amaçlanmıştır, bu nedenle kaynak bağlantısı buna göre seçilir. Bununla birlikte, bazen tam bir kalınlık sağlamak üzere bir ikinci veya kozmetik geçiş sırasında eklemi doldurmak için dolgu metali eklenir. Dolgu teli besleme ekipmanı genellikle gaz tungsten ark kaynağı için kullanılana benzer, ancak özel ihtiyaçlar vakum odalarında kullanılmak için özel olarak tasarlanmış birimlerin kullanılmasını gerektirebilir. Dolgu teli çapları genellikle maksimum 0-5 mm ile küçüktür ve tel, küçük kaynak havuzunun ön kenarına beslenir.
Kaynak metalinin istenen fiziksel veya metalurjik özelliklerini elde etmek için bazen dolgu metali eklenebilir; Kontrol edilen özellikler süneklik, çekme dayanımı, sertlik ve çatlamaya karşı direnç içerebilir. Küçük miktarda alüminyum tel veya şimin eklenmesi, örneğin, öldürülmüş çeliğin üretilmesine neden olabilir ve bu da gözenekliliği azaltır.
EBW'nin Kaynak Özellikleri ve Kalitesi:
EB kaynaklarının geniş penetrasyon oranlarının yüksek olması nedeniyle, iki farklı avantaj tahakkuk eder, yani, nispeten kalın plakalar tek bir geçişte kaynaklanabilir ve ark kaynağında elde edilebilenden çok daha yüksek kaynak hızları kullanılabilir.
50'ye kadar bir derinlik-genişlik oranı vermek için bir dizi metal kaynaklanabilir. Kare kenarlı hazırlık kullanarak, 450 mm kalınlığa kadar alüminyum levhalar çelikten tek bir geçişte kaynaklanabilir, ancak çelikte karşılık gelen kalınlık genellikle 300 mm ile sınırlıdır .
Yüksek vakumlu EBW işlemi, farklı kalınlıktaki farklı metalleri kaynaklamak için ve diğer işlemler tarafından kurtarılması mümkün olmayan bileşenlerin onarımında kaynak yapmak için mükemmel bir araçtır. Genel olarak, EBW ile kaynak, yüksek iletken malzemeler için bile ön ısıtma gerekmez.
Her ne kadar EBW yüksek güç yoğunluklu bir işlem olsa da, birim uzunluk başına enerji girişi, Tablo 14.3'te görüldüğü gibi düşüktür. Sürecin bu özelliği iki avantaja neden olur, ısıdan etkilenen bölgenin boyutunu azaltır ve bozulmayı en aza indirir. EB kaynaklarındaki kaynak metali normalde baz metalinkine benzer mekanik özelliklere sahiptir.
Proses değişkenleri, kaynaklarda yüksek derecede güvenilirlik ve tekrar üretilebilirlik sağlamak için kontrol edilebilir. Bununla birlikte, ark kaynağı işlemleriyle karşılaştırıldığında, EB kaynakları yapmak için daha yakın işleme toleransları gerekir. Ayrıca, kaynak sırasında yüksek buhar basınçlı metallerin buharlaşma olasılığı vardır.
EBW Süreci Çeşitleri:
Şimdiye kadar tartışılan özellikler, esas olarak yüksek vakum tipi EBW tabancaları ile ilgilidir. Bununla birlikte, yüksek vakumlu EBW düşük üretim ve yüksek maliyetli bir işlemdir. Bu nedenle, esas olarak reaktif metallerden oluşan çok kritik bileşenleri kaynaklamak için kullanılır. Ana işlem viz., Orta vakum EBW ve vakum olmayan EBW olmak üzere iki değişken veya mod vardır.
1. Orta Vakum EBW:
Yüksek vakumlu EBW, 10 ila 10 ila 6 torr basınç aralığında gerçekleştirilirken, orta vakumlu EBW, 10 ila 25 torr basınç aralığında kullanılır. Bu sınırlar içinde 10 ila 1 torr arasındaki basınç aralığı 'yumuşak veya kısmi vakum' olarak adlandırılır ve 1 ila 25 torr 'hızlı vakum' olarak adlandırılır. Orta dereceli vakum işlemi, yüksek vakum kaynağının avantajlarının çoğunu ve gelişmiş üretim kabiliyetine sahiptir.
Bir orta vakumlu EBW tabancasında ışın, yüksek vakumda üretilir ve daha sonra, Şekil 14.14'te gösterildiği gibi, kaynak odasına yumuşak veya hızlı vakum ile yansıtılır. Bu, kirişin geçmesi için yeterince büyük olan ancak gazların odadan tabanca kolonuna kayda değer şekilde geri difüzyonuna izin vermeyen bir delik vasıtasıyla gerçekleştirilir.
Orta dereceli vakum EBW'sinin büyük bir avantajı, vakumlu pompalama gereksiniminin ticari ve ekonomik açıdan yüksek kazanımlara neden olacak şekilde önemli ölçüde azaltılmasıdır. Bu değişken seri üretim görevleri için idealdir, örneğin dişliler son işlenmiş durumlarında millere yakın toleransları koruyarak daha sonraki bitirme işlemlerine gerek kalmadan başarılı bir şekilde kaynaklanabilir.
Orta vakum (100 ppm) modunda artan hava varlığından dolayı, işlem reaktif metaller için yüksek vakum kaynağından daha az tatmin edicidir. Bununla birlikte, bu işlemin, az miktarda oksijen ve azotun emilimine tolere edilebildiği refrakter metallerin kaynağı için yeterli bulunmuştur.
2. Vakumsuz EBW :
Vakumsuz kaynak atmosferik basınçta yapılır, ancak EB tabancası kararlı ve verimli kaynak için 10 - 4 torr veya daha düşük bir basınçta tutulmalıdır.
Vakumsuz kaynaktaki EB, atmosferik gazların tabanca kolonuna akışını en aza indirecek şekilde, Şekil 14.15'te gösterildiği gibi, küçük delikli bir dizi tahliye haznesi vasıtasıyla vakum sisteminden çıkarılır. Çalışma odası, EB'ye daha az engel sunduğu ve atmosfer olarak argon veya hava ile elde edilenden daha iyi penetrasyon şekli sağladığı için helyum ile doldurulabilir. Ayrıca, belirli bir penetrasyon ve tabanca-çalışma mesafesi için helyum koruması, kayda değer ölçüde daha yüksek kaynak hızında kaynağa izin verir.
Hızlanma voltajı ne kadar yüksek olursa, ışın atmosferik basınçta gaz içinde o kadar ilerler ve 150 ila 175 KV voltaj kullanılır. Hızlanma voltajının yanı sıra, ışın gücü, hareket hızı, tabanca çalışma mesafesi ve koruyucu gaz, önemli proses değişkenleridir. Şekil 14.16, kaynak penetrasyonunu, vakumsuz bir EBW'nin üç farklı güç seviyesi için hareket hızının bir fonksiyonu olarak gösterir, verilen bir penetrasyon için gücü arttırarak hareket hızında önemli bir artışı gösterir.
Vakumsuz EBW, EBW'nin karakteristik özelliği olan anahtar deliği tipi delme tipi ile 25 mm kalınlığındaki çeliklerin kaynaklanmasını mümkün kılan 50 KW üzerindeki güç seviyesinde daha fazla penetrasyon gösterir; Bu aynı zamanda tozaltı ark kaynağı ile mümkün olanlardan çok daha fazla hızlarda kaynak yapmaya da yardımcı olur.
Vakumsuz sistemin temel avantajı, işin atmosferik basınçta kalmasına izin verilmesi ve bu da maliyetlerin düşmesiyle daha yüksek üretim oranlarına yol açmasıdır. Ayrıca, kaynağın boyutu oda tarafından sınırlandırılmayabilir. Bununla birlikte, bu avantajlar düşük kaynak derinliği - genişlik oranları, azalan kaynak penetrasyonu ve küçük silahla çalışma mesafeleri pahasına kazanılır.
Vakumsuz EBW sistemi ile kaynaklanabilen malzemeler arasında karbon, düşük alaşımlı ve paslanmaz çelikler, yüksek sıcaklık alaşımları, refrakter alaşımların yanı sıra bakır ve alüminyum alaşımları bulunur. Bu metallerin bazıları havada kaynaklanabilirken, diğerleri koruyucu gaz olarak genellikle argon veya helyum kullanımıyla elde edilen atıl atmosfere ihtiyaç duyar.
Elektron Kiriş Kaynağı Uygulamaları (EBW):
Diğer işlemler tarafından füzyonla kaynaklanabilen tüm metaller ve alaşımlar, kural olarak, EBW tarafından da kaynaklanabilir. Bunlar yapısal çelikler, sert-etkin çelikler, paslanmaz çelikler, titanyum, zirkonyum, tungsten, molibden, berilyum, renyum, tantal ve columbium içerebilir. Metalurjik olarak uyumlu olan benzer olmayan metal kombinasyonları da kaynaklanabilir. Bununla birlikte, EBW temel olarak yüksek hassasiyet ve yüksek üretim oranı içeren uygulamalar için kullanılır.
Yüksek hassasiyetli uygulamalar, atmosferik oksijen ve azottan dolayı kirlenmeyi önlemek için yüksek saflıkta ortamda kaynak gerektirir. Bu tür uygulamalar nükleer, uçak, aero-uzay ve elektronik endüstrilerinin temel gereksinimidir. Bu işlemle üretilen tipik ürünler arasında nükleer yakıt elemanları, özel alaşımlı jet motor bileşenleri, roket tahrik sistemleri için basınçlı kaplar ve transistörlerin sızdırmazlığı, mikro anahtarlar vb. Gibi hava geçirmez şekilde kapatılmış vakum cihazları bulunur.
Yüksek üretim oranlı uygulamaların tipik örnekleri, dişliler, çerçeveler, direksiyon kolonları, otomobillerin transmisyon ve tahrik parçaları, ince cidarlı boru, yüksek hız çeliğinin şerit testereye kaynaklanması ve testere bıçakları gibi bileşenleri içerir.
Şekil 14.12'de gösterilenler gibi derin penetrasyon gerektiren özel şekiller sadece EBW ile mümkündür. Şekil 14.13, elektron ışını kaynağına özgü olan bağlantı türlerini gösterir; bir oyukta kaynak yapmak, bir T-ek yerini bir diken ile kaynak yapmak ve aynı anda birden fazla ek yerini kaynaklamak
EBW'deki kaynakların çoğu dolgu metalsiz yapılır. Bununla birlikte, dolgunun altında veya uygun olmayan bir boncuk şekli üretilirse, iş parçasının kaynak işleminden sonra işlenmemesi koşuluyla bir sonraki kozmetik geçiş ile düzeltilebilir. Bu, saptırma bobinleri tarafından uygulanan kiriş döndürme veya dokumaya sahip daha düşük bir güç ışını kullanılarak tekrar kaynak şeridinden geçerek yapılır.
EBW'nin spesifik endüstriyel uygulamalarından bazıları arasında küme dişlilerinin, titanyum kompresör rotorunun ve bir gaz türbini motorunun güç şaftının kaynağı, alüminyum alaşım 5083'ten yapılmış roket motor enjektörü, termiyonik ısıtma cihazları ve columbium körükler gibi yüksek sıcaklık metal bileşenlerinin birleştirilmesi bulunmaktadır. .
