SOLDADURA POR RAYOS O HAZ DE ELECTRONES

1. SOLDADURA POR RAYOS O HAZ DE ELECTRONES Presentado por: Willington Rodríguez - Iván Pertuz.

2. DEFINICIÓN • La soldadura por rayos de electrones es un proceso de soldadura en el cual la energía requerida para fundir el material es suministrada por un rayo de electrones de alta densidad de energía. • Es un proceso de soldadura con la fusión conjunta del metal base, y posiblemente del metal de aporte, para producir un soldado. Se genera calor en la pieza de trabajo a medida que esta es bombardeada por el haz de electrones de alta velocidad. La energía cinética de los electrones se transfiere para calentar bajo su impacto. Es una fuente de calor altamente concentrado y poderoso que actúa de modo similar al arco de soldadura por arco de tungsteno con gas o al plasma de la soldadura por arco de plasma al hacer trabajos de soldado.

3. HISTORIA. El proceso por haz de electrones se desarrollo en los años cincuenta en la industria de energía nuclear. Los éxitos iníciales fueron logrados por la industria de energía nuclear francesa, seguidos por los estadounidenses. Poco tiempo después, los científicos alemanes desarrollaron su propia versión de la soldadura con haz de electrones. Desde los años sesenta, ha sido posible adquirir equipo comercial el cual ha sido mejorado continuamente. La soldadura por haz de electrones es ahora un proceso popular de rápido crecimiento.

4. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO. El haz de electrones, característico de este proceso, se genera y acelera en un cañón de electrones compuesto por un emisor o cátodo, un electrodo-bias y un ánodo. Los electrones se generan cuando el cátodo se calienta como consecuencia del paso de una corriente eléctrica (corriente del haz) y son acelerados y dirigidos al ánodo, que se encuentra perforado y cargado positivamente. Los electrones que forman el haz poseen, por tanto, una velocidad alta al haber sido acelerados en un campo electroestático con una diferencia de potencial elevada. La energía cinética que poseen se convierte en calor al chocar con las piezas a unir favoreciendo la formación del denominado “keyhole” (ojo de cerradura), mediante el cual se produce el soldeo de las piezas.

5. EQUIPOS El equipo para la soldadura por haz de electrones está formado por los siguientes elementos: • Cañón de electrones. • Bombas para la obtención de vacío. • Cámara de trabajo. • Sistemas para la manipulación de las piezas.

6. EQUIPOS CAÑÓN DE ELECTRONES. El cañón de electrones es una cámara donde se alojan el cátodo (filamento de metal refractario), el ánodo y un electrodo de control. Es el encargado de concentrar y regular el número de electrones.

7. EQUIPOS BOMBAS PARA LA OBTENCIÓN DE VACÍO. El sistema de vacío es una cámara donde se aloja el cañón de electrones y en la que se practica el vacío para evitar la dispersión del haz por las moléculas del aire.

8. EQUIPOS CÁMARA DE TRABAJO. Lugar donde se alojan las piezas que van a ser soldadas. La forma y el tamaño de estas cámaras son dos variables a tener en cuenta, pues cuanto mayor sean las dimensiones más tiempo se tardará en alcanzar las condiciones de vacío. Por otro lado, cuanto más reducidas sean sus dimensiones más limitadas serán las dimensiones de las piezas que se pueden soldar.

9. EQUIPOS SISTEMAS PARA LA MANIPULACIÓN DE LAS PIEZAS. Este sistema permite la manipulación de las piezas a lo largo de todo el proceso. Un ejemplo son los sistemas de control numérico que permiten desplazamientos rotativos y longitudinales de la pieza respecto al haz de electrones.

10. PARÁMETROS DEL PROCESO. Los parámetros que controlan la cantidad de calor que el rayo suministra a la pieza de trabajo son: • El voltaje de aceleración entre el ánodo y el cátodo, que normalmente es del orden de 30-200 kV. • La cantidad de electrones o intensidad del haz, que habitualmente se sitúa entre 0,5 y 1500 mA. • El grado de concentración del haz o diámetro del foco, que suele ser de 0,25-1.3 mm. • La velocidad de soldeo. La relación existente entre estas variables se puede comprender analizando la expresión: Q = η (n*qe*V)/Us Donde: • Q es la energía necesaria para realizar la soldadura por unidad de longitud del cordón. • η es el rendimiento energético del proceso. • n es la intensidad electrónica. qe es la carga eléctrica del electrón (1,6021*10-19 C). • V es la tensión de aceleración de los electrones o tensión entre el cátodo y el ánodo. • Us es la velocidad de avance o velocidad de soldadura.

11. CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS. En función del grado de vacío que existe en la cámara donde se realiza el proceso, el soldeo por haz de electrones se clasifica en: SOLDEO DE ALTO VACÍO: El vacío practicado en la cámara es del orden de 0,13-13 mPa. Es un procedimiento idóneo para: • Conseguir uniones y zonas afectadas por la temperatura de reducidas dimensiones. • Soldeo de metales reactivos con el oxígeno y nitrógeno, al trabajar a vacío. • Soldeo de metales de gran espesor, debido a su gran poder de penetración. Las limitaciones del proceso son: • La limitación del tamaño de la pieza a soldar, pues la cámara de vacío tiene un espacio útil reducido. • La baja producción, ya que requiere altos tiempos de bombeo para alcanzar el vacío.

12. CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS. SOLDEO EN MEDIO VACÍO: El vacío practicado en la cámara es del orden de 0,13-3300 Pa. Las principales ventajas de este proceso son: • La productividad es mayor al reducirse el tiempo de bombeo. • El equipo es más barato, al no ser necesaria una bomba difusora (imprescindible para obtener el alto vacío). Las limitaciones más importantes del proceso son: • La alta concentración de aire en la cámara aumenta la divergencia del haz de electrones y en consecuencia la soldadura presenta cordones más anchos y de menor espesor.

13. CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS. SOLDEO ATMOSFÉRICO: No se practica vacío en la cámara de soldadura, pero el cañón debe trabajar a un vacío de 13 mPa como mínimo. En este proceso la protección de la pieza se realiza con un chorro de gas inerte. Las ventajas de este proceso son: • Es la soldadura de mayor productividad, al no ser necesario esperar a que se alcancen las condiciones de vacío. • No existen tantas limitaciones en relación al tamaño de la pieza. Las limitaciones del proceso son: • La divergencia del haz de electrones como consecuencia de la mayor concentración de aire da lugar a cordones considerablemente más anchos y menos profundos que los obtenidos con los otros procesos.

14. LAS APLICACIONES Las aplicaciones en las que se ha consolidado el soldeo por haz de electrones son: • En la soldadura de grandes espesores (mayores de 100 mm). • En soldadura de metales refractarios y resistentes a la corrosión. • En soldaduras de responsabilidad. • Soldeo disimilar de flejes continuos de aceros endurecidos, como los que se usan para la fabricación de sierras y otras herramientas. • En la soldadura de sensores y transductores, en particular de presión. En cuanto a los sectores que más emplean este proceso son: • El sector automovilístico: • Soldadura de engranajes. • Soldadura de ejes. • El sector aeroespacial. Soldadura del fuselaje. • Soldadura de tanques de combustible, fabricados típicamente en aluminio. • En la industria nuclear. • En la industria química: • Soldadura de grandes recipientes a presión, empleando aleaciones de níquel o níquel-cobalto.

15. VENTAJAS. • El aporte térmico es pequeño, por lo que la zona afectada por el calor también es más pequeña y se reducen los problemas relacionados con la distorsión de las piezas soldadas. • Es un proceso limpio, es decir, tiene un menor riesgo de contaminación del baño de fusión y del material que en cualquier otra técnica de soldadura. • Proporciona cordones de soldadura estrechos y profundos, permite realizar soldaduras de grandes espesores en una sola pasada. • Es un proceso que normalmente no utiliza material de aporte. • Permite soldar materiales con alta tendencia a la oxidación y elevadas exigencias de pureza química, como el titanio, superaleaciones, circonio, cromo, etc. • La alta densidad de energía permite soldar a altas velocidades. • Permite la ejecución de uniones de difícil acceso ya que el haz puede proyectarse a 510 mm de distancia y además se puede provocar su oscilación y deflexión por medios magnéticos. • Tiene una eficiencia de conversión de energía del orden del 65% ligeramente superior a la de los procesos de soldeo por arco y muy superior a la del láser.

16. LIMITACIONES. • El coste de los equipos, instalaciones y medios de protección es alto. • El tamaño de las cámaras de vacío limita el tamaño de las piezas que pueden ser soldadas. • La preparación de los bordes y ajuste deben ser de precisión ya que el foco del haz puede ser tan solo de décimas de milímetro. • La necesidad de realizar el vacío en el soldeo de medio y alto vacío aumenta el tiempo de procesado de la pieza y, por tanto, disminuye su productividad.

17. Gracias