Soldadura Por Haz De Electrones

1-Historia de la soldadura EBW

El proceso de soldadura por Haz de electrones o también llamado por Bombardeo de electrones (Electron Beam Welding “EBW”) se comenzó a desarrollar en los años cincuenta en Francia y Alemania, destinado sobre todo a la industria de la energía nuclear. Esta industria necesitaba soldar metales refractarios1 y metales reactivos y este tipo de soldadura cubría dichas necesidades con un alto nivel de calidad. Los éxitos iniciales fueron logrados por la industria de energía nuclear francesa, seguida poco después por la estadounidense; Alemania, en cambio, desarrolló su propia versión de la soldadura. Fue precisamente un físico alemán Karl-Heinz Steigerwald quien estaba trabajando en varias aplicaciones de haces de electrones el que desarrolló la primera máquina de soldar por haz de electrones que empezó a funcionar en 1958. Pero no fue hasta los años setenta cuando ha sido posible adquirir el equipo para la Soldadura por Haz de electrones de manera comercial. Dicho equipo está siendo mejorado continuamente y en la actualidad la soldadura por Haz de electrones es un proceso popular de rápido crecimiento, bien es cierto que presenta como principales problemas la enorme inversión que supone la compra de los equipos y que su alta calidad no es rentable en la mayoría de los casos, solo para aplicaciones muy concretas (industria aeroespacial, industria automotriz, industria nuclear, industria médica).

*Científico estadounidense frente a una de las primeras máquinas de Soldadura por Haz de electrones

1) refractarios: propiedad de ciertos materiales de resistir altas temperaturas sin descomponerse.

2-Principio del Proceso de Soldadura

La soldadura por Haz de electrones es un proceso de soldadura donde la energía o calor necesario para fundir el material es suministrado por un rayo de electrones acelerado y bien enfocado que posee alta densidad de energía. Es, por tanto, un proceso de soldadura por fusión donde las piezas a unir se funden debido al haz de electrones que atraviesa la junta a gran velocidad logrando así una homogeneidad de propiedades entra ambas piezas (sin necesidad de material de aporte). La energía es entregada a la pieza al transformarse instantáneamente la energía cinética de los electrones en energía térmica. El calor o energía generado llega a vaporizar el metal formando lo que se conoce como un agujero de vapor que penetra en toda la pieza; posteriormente este agujero solidifica formando el cordón de soldadura tanto longitudinalmente como en profundidad. Todo ello debido a la presión del vapor y a fuerzas de tensión superficiales. El principio de esta soldadura se puede explicar gracias al efecto Keyhole:

El efecto Keyhole (ojo de cerradura)

(A) La alta concentración de energía en el punto de focalización funde el material.

(B) En el centro se evapora el material.

(C) El Haz penetra profundamente en la pieza a través de la cavidad de vapor.

(D) A medida que la pieza se mueve, el material fundido fluye desde el frente hacia la parte trasera, alrededor del canal de vapor, solidificando.

El Haz de electrones generado es de pequeño diámetro y elevada intensidad energética, permitiendo atravesar grandes espesores de material en una única pasada. Este proceso es el que mayor densidad de energía por centímetro cuadrado consigue llegando incluso hasta 108 W/cm²; por encima del láser y del plasma, y por supuesto muy por encima de los procesos con arco. Gracias a esta densidad energética tan elevada el material se funde y evaporiza en el centro de la sección del rayo tan rápido que casi no se conduce calor fuera de la zona de impacto del haz, es decir, la ZAT2 es mínima. Este procedimiento de soldadura está destinado para aplicaciones muy concretas y permite soldar cualquier metal que pueda ser soldado con arco.

Una de las partes más importantes en esta soldadura es la protección de la pieza, ésta protección se consigue gracias a una cámara de vacío (soldeo de alto y medio vacío) o en su defecto a un chorro de gas inerte (soldeo atmosférico) que evita la dispersión de los electrones en la atmósfera normal al entrar en contacto con las moléculas de aire. Ésta protección es importante y también es donde radica la escasa productividad de esta soldadura salvo para aplicaciones muy concretas; debido a que alcanzar el vacío en la cámara de vacío es una operación muy costosa en tiempo y dinero. Además esta cámara es relativamente pequeña con lo que no es factible soldar piezas demasiado grandes.

La soldadura mediante Haz de electrones es una soldadura autógena, es decir, no requiere material de aportación.

2) ZAT: zona próxima a la soldadura afectada térmicamente

Procedimiento de Soldadura

El proceso para unir dos o varias piezas por soldadura con Haz de electrones, tras haber preparado la junta, limpiado las superficies de las piezas y realizado el vaciado de la cámara de vacío, es el siguiente:

El cátodo de la pistola del haz de electrones es un filamento cargado negativamente. Al ser calentado hasta su temperatura de emisión termoiónica3, este filamento emite electrones. Estos electrones son acelerados por un campo eléctrico entre un electrodo de polarización de carga negativa (incrustado debajo del cátodo) y el ánodo. Estos electrones pasan a través del ánodo y son enfocados por una bobina electromagnética hacia el punto en la superficie de trabajo. Las corrientes de haz y los voltajes de aceleración empleados por un proceso EBW típico varían entre 50-1000mA y 30-150Kv, respectivamente. Un Haz de electrones de muy alta intensidad vaporiza el metal como mencionamos anteriormente y como se muestra en la figura (b).

3) Emisión termoiónica: La emisión termoiónica, conocida arcaicamente como efecto Edison es el flujo de partículas cargadas llamadas iones desde una superficie de metal (u óxido de metal) causada por una energía térmica de tipo vibracional que provoca una fuerza electrostática que empuja a los electrones hacia la superficie.

3-Clasificación de la Soldadura EBW

La clasificación de esta soldadura puede hacerse en función de dos factores: según los voltajes de trabajo y según el grado de vacío de la cámara. Si atendemos al primer aspecto la Soldadura puede ser de Bajo Voltaje (15-60 KV) o de Alto Voltaje (100-200 KV) aplicaremos una u otra en función del material y el espesor a soldar. Para acero y aluminio junto con sus aleaciones hasta 50mm de espesor emplearemos la soldadura de Bajo voltaje; para el resto de materiales y espesores superiores a los 50 mm tendremos que emplear voltajes a partir de 60 KV. Atendiendo al segundo factor que tiene en cuenta el grado de vacío de la cámara donde se realiza el proceso podemos diferenciar: Soldeo de Alto Vacío, Soldeo de Medio Vacío, Soldeo Atmosférico.

Soldeo de alto vacío

El vacío practicado en la cámara es del orden de 0,13-13 MPa3. Es un procedimiento idóneo para: -Conseguir uniones y zonas afectadas térmicamente (ZAT) 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.

Soldeo de medio vacío

El vacío practicado en la cámara es del orden de 0,13-3300 Pa. Las principales ventajas 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).

La limitación más importante en este caso es: 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.

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.

La limitación es similar a la del medio vacío pero en mayor rango: 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.

4) MPa: El pascal (símbolo Pa) es la unidad de presión del Sistema Internacional de Unidades. Se define como la presión que ejerce una fuerza de 1 newton sobre una superficie de 1 metro cuadrado normal a la misma. 106Pa= 1 MPa

4-Características y Aplicaciones del proceso

Una de las características principales de la soldadura por Haz de electrones (Electron Beam Welding) que la distingue de otros procesos de soldadura es la posibilidad de concentrar una mayor cantidad de energía en zonas muchísimo más reducidas. Esta elevada densidad de energía se consigue mediante la concentración de un Haz de electrones de alta velocidad producido por un cañón de electrones. A continuación se recogen las diferentes características que se pueden apreciar en la forma, grado de limpieza, calidad… de esta soldadura:

-Los cordones de soldadura son estrechos, profundos y de lados casi paralelos.

-Esta soldadura en una única pasada puede llegar a soldar espesores de más de 60mm e incluso llegar a 150mm en el caso del aluminio.

*Soldadura por Haz de Electrones *Soldadura por Arco con Electrodos Revestidos

-La soldadura es muy limpia debido a que se realiza en un ambiente de vacío, evitando así la aparición de óxidos y nitruros que contaminan las soldaduras.

-No se necesita material de aportación.

-La Energía total aportada es baja (ZAT pequeña).

-Soldaduras de gran precisión, el diámetro del Haz (0.5 mm) permite soldar zonas inaccesibles para cualquier herramienta.

-La relación profundidad-anchura es mayor de 10:1, llegando incluso a 30:1. Es decir por cada milímetro de ancho, la soldadura profundiza 30 milímetros en el espesor.

-El nivel de calidad de soldadura es muy alto.

-El Haz de alta energía permite realizar tratamientos térmicos superficiales como por ejemplo el de temple, con el consiguiente endurecimiento de la superficie.

-Posición Plana (PA) ya que el Haz de electrones se proyecta desde la parte superior de la cámara de vacío hacia las piezas a soldar, no existen equipos todavía que permitan soldar en otras posiciones aunque por definición si se podría.

-Permite altas velocidades de soldeo.

-Es un proceso de soldadura automatizado.

Metales Soldables

Este tipo de soldadura por Bombardeo de electrones te permite soldar una amplia gama de productos, llegando a espesores de entre 0,01 y 150mm:

-Aceros al carbono y aleados, incluso los resistentes al calor (0,01-100mm de espesor)

-Aluminio y aleaciones (0,01-150mm de espesor)

-Cobre y sus aleaciones (0,5-25mm de espesor)

-Aleaciones de magnesio y aleaciones de titanio

-Berilio y Zirconio

-Metales refractarios (W,Mo,Nb)

*no permite soldar prácticamente todos los no metales ni tampoco los materiales con alta presión de vapor a la temperatura de fusión.

Aplicaciones del Proceso

El proceso de soldadura por Bombardeo de electrones es un proceso con un nivel de calidad muy elevado. El problema, es que estas exigencias de calidad solo son requeridas en aplicaciones muy concretas, ya que en el resto de ellas no es un proceso ni rentable ni productivo. Sólo cuando se necesiten soldaduras con altos niveles de responsabilidad como en los siguientes casos:

-Industria Aeroespacial

-Industria Automotriz (Soldadura de Engranes y Turbo-cargadores)

-Construcción e Ingeniería (Válvulas para ser instaladas en los cascos de submarinos, Sierras de corte bimetálicas, Soldadura de Tanques blindados, acabados superficiales para resistencia a la corrosión)

-Equipos consumibles y materiales energéticos ( Calderas de plantas nucleares, recipientes de desechos nucleares,fabricación y reparación de turbinas de vapor)

-Industria médica ( cápsulas de marcapasos y prótesis de cadera)

-Industria química y petrolera (tuberías fuera de costa)

5-Equipos y parámetros a regular

El proceso de soldadura mediante Haz de electrones (EBW) se efectúa en el interior de una cámara de vacío (1), este vacío se genera a través de bombas destinadas para ese fin. Encima de la cámara se encuentra una pistola o cañón de electrones (2) que consta de un cátodo y un ánodo entre los que se genera una diferencia de potencial y se induce el paso de la corriente; debajo del ánodo existe una lente magnética o bobina de enfoque para dirigir el haz de electrones hacia la zona de soldadura. Las piezas que van a ser soldadas se fijan en el interior de la cámara gracias a unas mordazas y dispositivos especiales(3) dentro de la cámara de vacío que permite los desplazamientos rotativos y longitudinales de las piezas respecto del haz. Todo esto controlado y dirigido por un sistema de manipulación (4).

Por tanto el equipo necesario para este proceso de soldadura es:

-Cámara de Vacío (1): lugar donde se aloja el cañón de electrones y en el que se practica el vacío para evitar la dispersión del haz por las moléculas del aire. La forma y el tamaño de estas cámaras son dos de las variables a destacar. Cuanto mayor sean las dimensiones más se tardará en alcanzar las condiciones de vacío, pero en cambio cuanto más reducidas sean más limitadas serán las dimensiones de la pieza a soldar. El vacío se efectúa a través de unas bombas que extraen el aire del interior de la cámara.

-Cañón de electrones (2): cámara donde se encuentran el cátodo, el ánodo, un electrodo de control y la bobina de enfoque. El cátodo es un filamento de metal que se calienta hasta la temperatura de emisión (2500K) por el paso de una intensidad de corriente elevada. El cátodo se encuentra a una tensión negativa respecto al ánodo que oscila entre 30 y 200Kv. Esta es la tensión de aceleración que puede proporcionar velocidades a los electrones algo superiores a la mitad de la velocidad de la luz. Entre el cátodo y el ánodo se encuentra el electrodo de control, este electrodo es el encargado de concentrar y regular el número de electrones. Por último la bobina de enfoque, que es la encargada de corregir la dispersión de los electrones gracias al campo magnético corrector que crea.

-Mordazas y dispositivos especiales (3): utensilios destinados a la sujeción de las piezas a soldar.

-Sistemas de manipulación (4): por las condiciones de trabajo de estos equipos es imprescindible dotarlos de sistemas que permitan la manipulación de las piezas a lo largo de todo el proceso. Un ejemplo son los sistemas de control numérico (CNC) que permiten desplazamientos rotativos y longitudinales de la pieza respecto al haz de electrones. De esta forma también se asegura la repetitividad de los movimientos, necesaria para los procesos en serie. Esta soldadura no puede realizarse jamás a mano ya que siempre existirá una fuerte radiación X. El operario capacitado para este proceso deberá de controlar toda la soldadura desde el exterior con ayuda de un ordenador y controlando los parámetros en todo momento, podrá ver cómo va el proceso a través de una lente que posee el propio equipo que deja ver lo que está sucediendo en el interior de la cámara de vacío.

Consumibles

La soldadura por bombardeo electrónico es una soldadura autógena, es decir, que no requiere material de aportación. Se realiza en vacío, por lo que tampoco existen gases en el proceso. El equipo no es más que un generador de alta tensión, por lo que no tiene consumibles, sólo los fungibles típicos de cualquier instalación eléctrica de cierta potencia. Sin embargo a veces se usan finas láminas de metal puro (aluminio normalmente) colocadas entre las piezas a soldar para producir una unión de calidad reduciendo los problemas metalúrgicos debidos al enfriamiento rápido. Es la única ocasión en la que podemos hablar de algún consumible, y son láminas de aluminio que se posicionarán antes de soldar.

Parámetros a regular

Los parámetros que controlan la cantidad de energía que el haz suministra a la pieza de trabajo y los que determinar el resultado final de la soldadura son:

-Velocidad de Soldadura (m/s): al aumentar la velocidad se producirá un efecto opuesto en la energía aportada, por ser menor el aporte energético por unidad de longitud. (según convenga)

-Tensión de aceleración (Kv): al aumentarla se reduce el tamaño de la huella del haz y produce una zona fundida más pequeña y una soldadura más estrecha y profunda. (entre 30-200Kv)

-Intensidad del Haz (ma): al incrementar la corriente del haz, incrementamos la energía del haz y posibilita una mayor penetración y una mayor velocidad de soldadura. (entre 0,5-1500ma)

-Grado de concentración del haz o diámetro del foco (mm): para la soldadura de grandes espesores es más adecuado el uso de un haz muy fino. (entre 0,25-1,3mm)

-Distancia entre pieza y cañón: una distancia de trabajo pequeña permite una mayor concentración del haz sobre la superficie de la pieza. (según convenga)

-Efecto de la presión en el haz: sólo en valor de presión por debajo de 10-1 Pa podemos alcanzar la máxima efectividad de la producción de soldaduras relativamente profundas y estrechas.

La relación existente entre todas estas variables se puede entender con la siguiente fórmula:

Q=(ƞ (n x qe x V) )/Us

Q= energía necesaria para realizar la soldadura por unidad de longitud.

Ƞ = es el rendimiento energético del proceso.

n = es la carga eléctrica del electrón (1,6021 x 10-19 C ).

qe = intensidad del haz al salir del cañón de electrones.

V= es la tensión de aceleración de los electrones.

Us = es la velocidad de avance o velocidad de soldadura.

*Todas estas variables se regulan previamente a la soldadura desde el sistema informático de manipulación.

6-Ventajas y limitaciones de este proceso de soldadura

Ventajas

Las ventajas que presenta este tipo de soldaduras frente al resto van enfocadas sobre todo a los enormes beneficios que produce la concentración de la energía en el proceso y el ambiente de vacío del mismo.

-Realiza cordones de soldadura estrechos y profundos, permitiendo realizar soldaduras de grandes espesores en una única pasada. Relación profundidad-anchura mayor de 10:1 y llegando incluso a 30:1.

-Es un proceso limpio, es decir, tiene un menor riesgo de contaminación del baño de fusión que en cualquier otro proceso.

-La energía total aportada es baja (ZAT mínima), es decir, el aporte térmico es pequeño por lo que se reducen los problemas relacionados con la distorsión de las piezas soldadas.

-No es necesario la utilización de metal de aporte.

-Permite soldar materiales con alta tendencia a la oxidación y elevadas exigencias de pureza química, como el titanio, circonio, cromo…

-La alta densidad de energía permite soldar a altas velocidades.

-Tiene una eficiencia de conversión de energía5 de 65%, ligeramente superior a la de los procesos por arco y muy superior a la del láser.

-El ambiente de vacío evita la formación de óxidos y nitruros.

-Mayor resistencia (hasta el 95% de la original).

Limitaciones

El tipo de limitaciones que posee este tipo de proceso de soldadura van dirigidas sobre todo a los equipos que necesita y a los requisitos para trabajar con ella:

-El coste de los equipos, instalaciones y medios de protección es alto para una instalación nueva el precio varía entre 60.000€ y 200.000€ en función de las prestaciones.

-El tamaño de las cámaras de vacío limita el tamaño de las piezas que puedan ser soldadas.

-La preparación de los bordes y ajustes deben ser de gran precisión ya que el foco del haz puede ser tan solo de décimas de milímetro.

-La necesidad de realizar el vacío en el Alto y Medio vacío aumenta mucho el tiempo de procesado de la pieza disminuyendo notablemente su productividad.

5) eficiencia de conversión de energía: se trata del grado de aprovechamiento de la energía eléctrica al transformarse en energía térmica para realizar la soldadura.

7-Protección y medidas de seguridad a tener en cuenta

La protección debe ser provista por el diseño del equipo, su distribución y las medidas de seguridad para protegerse de: altos voltajes que generan el haz de electrones, el propio haz y los rayos X generados por el impacto del haz sobre la superficie de la pieza. Por tanto no se necesita protección personal y la medida de seguridad más importante es el conocimiento del equipo y el sentido común. Ya que no abriendo la cámara de vacío durante su funcionamiento y asegurándonos de que queda bien cerrada antes de comenzar nos bastaría para evitar que nos suceda algo. La máquina posee numerosas medidas de seguridad con lo que no comenzará a trabajar hasta que todo esté correctamente. Este tipo de equipos deberán de tener una revisión y mantenimiento cada 6 meses para evitar cualquier imprevisto.

Conclusión

En este proyecto sobre la soldadura por Haz de electrones (EBW) he tratado de analizar con la información disponible todos los aspectos relevantes en profundidad. Comenzando por la historia del proceso hasta nuestros días y acabando por la protección y las medidas de seguridad a tener en cuenta para esta soldadura. Citando entre medias todos los aspectos como por ejemplo el principio del proceso, los equipos, las ventajas, las características…. Y si tenemos en cuenta una visión general del proceso llegamos a la clara conclusión que este tipo de soldadura está destinada para grandes empresas o construcciones de gran responsabilidad ya que si no es así es un proceso de baja productividad y excesivo nivel de calidad para la industria de fabricación normal, es decir, no es rentable ni necesaria esta calidad sino es para fabricaciones destinadas a soportar grandes esfuerzos o aparatos muy minuciosos.

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