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

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