Capitolul 13.3_Sudarea Cu Fascicul de Electroni

SUDAREA METALELOR SI ALIAJELOR

TANAVIOSOFT 2011

1

Autor : profesor Tănase Viorel

C13

Capitolul 13

13.PROCEDEE MODERNE DE SUDARE

13.3.SUDAREA CU FASCICUL DE ELECTRONI

13.3.1. PRELUCRAREA CU FASCICUL DE ELECTRONI

Metodele de prelucrare bazate pe efectul termic al fasciculelor accelerate de electroni sunt dezvoltate pe măsura extinderii unor ramuri noi ale industriei: mi-croelectronica, mecanica fină, optica, ingineria aerospaţială. Aceste metode elimi-nă dezavantajele metodelor clasice de prelucrare datorate durităţii materialelor, dimensiunilor si preciziei de prelucrare, complexităţii formelor pieselor.

13.3.2.SURSE DE PARTICULE ÎNCĂRCATE Sursele de particule încărcate sunt dispozitive care provoacă eliberarea par-

ticulelor de sarcină din substanţa neutră. Particulele încărcate, electronii si ionii pozitivi, folosite în procesul de accelerare sunt dirijate printr-un canal de extracţie în accelerator sau în sistemul de transport care formează fasciculul de electroni.

Un alt criteriu de alegere a materialelor pentru construcţia catozilor este pre-siunea vaporilor metalici. Astfel, la presiuni p < 10-5 torr se folosesc: tantalul cu mare putere de emisie, dar cu temperatură de lucru limitată de rezistenţa scăzută la în-muiere, wolframul, cel mai folosit, dar dificil de prelucrat si molibdenul. La presi-uni mai mari se foloseste catodul distribuit, realizat prin acoperirea suprafeţei cu o substanţă emisivă, în scopul reducerii lucrului de iesire si cresterii eficienţei la temperatură de lucru redusă. In această categorie intră catozii din wolfram thoriat, nichel acoperit cu un strat semiconductor din oxid de bariu sau stronţiu, wolfram sau molibden acoperit cu hexaborură de lantan, ceriu sau gandoliniu.

Încălzirea catodului se face: direct, prin trecerea curentului prin materialul catodului; prin conducţie, când substanţa emisivă depusă pe filament primeste căldură

prin contact; prin radiaţie, când filamentul de încălzire este la o distanţa de catod, care se

încălzeste datorită energiei radiante; prin bombardament electronic: catodul se află la un potenţial pozitiv faţă de un

filament din wolfram asezat de partea opusă suprafeţei emisive, realizând o diodă, iar încălzirea catodului are loc datorită energiei degajate la frânarea electronilor ce cad pe el.


TANAVIOSOFT 2011

2


C13

tabelul 13.3.2.1

Temperatura de încălzire mare a catodului emisiv poate provoca evaporarea acestuia astfel că, pentru valori ridicate ale densităţii curentului electronic, este necesară limitarea temperaturii de lucru, cu efecte pozitive asupra duratei de viaţă a catodului.

Emisia autoelectronică - densitatea curentului electronic se obţine aplicând un câmp electric intens la suprafaţa metalului. Dezavantajul catozilor cu efect de câmp este că, la valori foarte mari de câmp, se obţin valori mici ale curentului electronic. La valori ridicate ale temperaturii, cu-rentul creste, chiar la valori scăzute ale câmpului. Există însă o valoare critică a câmpului la care efectul temperaturii scade (efect Schottky).

Emisia secundară are loc la impactul cu suprafaţa catodului a unei particule cu energie mai mare decât lucrul de iesire. Particulele incidente pot fi electronii sau particule grele. Emisia secundară este caracterizată prin coeficientul de emisie secundară, care depinde de materialul catodului si tipul particulei incidente.

Emisia fotoelectrică se produce la impactul cu catodul al unui flux de radiaţie electromagnetică cu energie mai mare decât lucrul de iesire al electronilor.

13.3.3.PRINCIPIUL PRELUCRĂRII CU FASCICOL DE ELECTRONI

Prelucrarea unei piese cu ajutorul emisiei de electroni necesită concentrarea acestora într-un fascicol dirijat către piesă si accelerarea lor în spaţiul dintre catodul emisiv si anod, care poate fi chiar piesa de prelucrat.

La tensiuni mici, bombardamentul cu electroni reprezintă sursa termică su-perficială care încălzeste prin conducţie straturile superficiale ale materialului su-pus prelucrării. La tensiuni mai mari, creste adâncimea de pătrundere, iar bom-bardamentul cu electroni devine sursa termică volumică. Până la adâncimea de pă-trundere, materialul este neafectat de către fascicol, comportându-se practic trans-


TANAVIOSOFT 2011

3


C13

parent. La adâncimi mai mari, electronii sunt frânaţi si împrăstiaţi, energia lor ci-netică transformându-se în căldură.

13.3.4.FENOMENE FIZICE LA PRELUCRAREA CU FASCICOL DE ELECTRONI

La emisia electronică, energia iniţială a electronilor depinde de temperatura catodului. Cresterea energiei se realizează prin accelerare electrostatică. Electronii acceleraţi în câmp pot avea viteze ridicate si energie cinetică foarte mare care se va trans-forma în căldură la impactul cu piesa de prelucrat, producând topirea locală, ra-pidă a materialului bombardat. Căldura introdusă în piesă este consumată pentru vaporizarea materialului, conducţie si radiaţie termică.

Fig.13.3.4.1

Din figura se observă că eficienţa topirii materialului este redusă datorită: electronilor reflectaţi, a căror energie este egală aproximativ cu cea a celor

incidenţi; electronilor secundari cu o energie de ordinul eV; electronilor nedispersaţi; electronilor, a căror energie scade datorită fenomenelor de dispersie în me-

tal.

13.3.5.INSTALAŢIA DE PRELUCRARE CU FASCICOL DE

ELECTRONI


TANAVIOSOFT 2011

4


C13

Instalaţiile de prelucrare cu fascicol de electroni se clasifică astfel: instalaţii de prelucrare de joasă tensiune U = 30kV, pentru adâncimi de pă-

trundere mici, focalizare redusă a fascicolului de electroni; instalaţii de prelucrare de medie tensiune U = 50...80kV, 6...25kW ; instalaţii de prelucrare de înaltă tensiune U = 100kV, 6...25kW pentru prelu-

crări cu adâncimi de pătrundere mari, raport adâncime - lăţime 50:1, preci-zie de prelucrare ridicată; apar probleme de izolaţie la înaltă tensiune si ecranare împotriva radiaţiei X.

Fig.13.3.5.1

Tunul electronic generează, accelerează si focalizează fasciculul de electroni si este compus din: catozi sau elemente emisive de electroni; sisteme electromagnetice de focalizare si deflexie a fascicolului de electroni. Tunul electronic poate fi de tip diodă sau triodă cu catod emisiv, electrod de fo-

calizare si anod sau electrod de accelerare. Acesta din urmă este avantajos din punct de vedere al controlului intensităţii fasciculului electronic. Soluţiile con-structive de principiu sunt prezentate în figura :

Fig.13.3.5.2


TANAVIOSOFT 2011

5


C13

tun accelerat de piesă, dacă piesa de prelucrat are rol de electrod de accelerare, figura ;

tun autoaccelerat, dacă electrodul de accelerare este dispus separat si este prevăzut cu un orificiu ce permite trecerea electronilor, figura.

Tunul electronic este alimentat de la o sursă de înaltă tensiune de tip redresor cu tub electronic sau redresor cu diode semiconductoare. Încălzirea catodului emisiv se face de la o sursă specială de joasă tensiune. Caracteristicile tunului electronic: tensiunea de accelerare cu impact direct asupra diametrului fascicolului; la pu-

tere constantă, dacă tensiunea de accelerare creste, curentul scade, scade numărul de electroni care se resping reciproc, si deci diametrul scade;

intensitatea curentului I; intensitatea curentului sistemului de focalizare If ; distanţa de lucru, de la centrul sistemului de focalizare la suprafaţa piesei; viteza de deplasare a fascicolului de electroni;

13.3.6.INCINTA DE LUCRU Procesul de prelucrare se desfăsoară într-o incintă vidată unde sunt montate

tunul de accelerare si dispozitivele de manipulare ale pieselor prelucrate. Vidarea incintei are ca scop evitarea atenuării energiei fascicolului la ciocnirea cu moleculele de aer. Valoarea vidului depinde de tipul catodului si caracteristicile materialelor care se prelucrează. La prelucrarea cu catozi cu emisie termoelectro-nică se recomandă un vid < 10 torr, iar pentru catozi reci cu descărcare luminis-centă, un vid de 10-4 torr . Pentru majoritatea aplicaţiilor tehnice, se recomandă 10-1 torr. Pentru prelucrarea pieselor cu dimensiuni mari, incinta se compartimentează: compartimentul tunului electronic, cu vid avansat ; compartimentul de prelucrare la o presiune mai ridicată . Prin urmare manevrele de schimbare a pieselor nu periclitează valoarea vidu-

lui din compartimentul tunului electronic. Valoarea vidului depinde si de tipul catodului si caracteristicile materialelor care se prelucrează. Pereţii incintei sunt realizaţi din oţel inoxidabil, pentru evitarea fenomenelor de oxidare care ar dete-riora valoarea vidului.

Vizualizarea procesului de prelucrare este posibilă cu ajutorul unor ferestre din sticlă plumbuită, protejate la acţiunea vaporilor metalici. Ecranarea incintei insta-laţiilor de înaltă tensiune pentru protecţia împotriva radiaţiei X se face prin mon-tarea unei căptuseli din plumb, a cărei grosime depinde liniar de valoarea tensiu-


TANAVIOSOFT 2011

6


C13

nii de accelerare. Mărimea si forma geometrică a incintei depind de tipul tunului electronic, dimensiunile pieselor de prelucrat si sistemul de manipulare al piese-lor. Cele mai utilizate forme sunt cele cilindrice si cubice.

13.3.7.PRELUCRĂRI SPECIFICE CU FASCICUL DE ELECTRONI Prelucrarea cu fascicul de electroni poate fi aplicată oricărui tip de material con-ductor, semiconductor sau izolator. Avantajele metodelor de prelucrare cu fascicul de electroni: fasciculul de electroni este o sursă termică concentrată, de mare precizie; temperatura de lucru se obţine practic instantaneu; zonele adiacente celei supuse impactului cu fasciculul de electroni, nu sunt

afectate termic, cu efecte pozitive asupra vitezei de răcire, producându-se autocălirea; viteza de răcire foarte mare se poate regla prin intermediului schimbului de

temperatură, cu consecinţe asupra cresterii calităţii tratamentului termic. prelucrarea poate fi asistată de calculator.

Aplicaţiile specifice prelucrării cu fascicol de electroni sunt: Perforarea aplicabilă materialelor dintr-un domeniu extrem de variat de la

superaliaje rezistente la temperaturi înalte la materiale plastice, precedeul fiind independent de caracteristicile materialului, cum ar fi duritatea sau conductivita-tea electrică. Perforarea se realizează cu ajutorul tehnicii impulsurilor cu o durată de 5...500. Este aplicabilă pentru obţinerea de caneluri, orificii sau fante calibrate în piese folosite pentru reglarea debitelor fluidelor sau din componenţa motoare-lor avioanelor supersonice, ventile ale injectoarelor de carburant în rachete, mo-toarelor Diesel, filiere pentru fibre de sticlă. Caracteristica specifică a fascicolelor de electroni este aptitudinea de perforare a orificiilor cu diametru mic în piese cu grosimi mari, de exemplu reţele de găuri pentru răcirea aripilor de turbină, cu raportul diametru-adâncime 1:10.

Tratamentul termic - fascicolul de electroni este folosit ca sursă termică pen-tru transformări structurale ale suprafeţelor tratate prin încălzire si topire pe o adâncime controlată cu ajutorul densităţii de putere a fascicolului. In locul de im-pact al fascicolului cu suprafaţa piesei are loc procesul de topire punctual, urmat de solidificarea foarte rapidă, ceea ce conduce la îmbunătăţirea structurii la supra-faţa piesei, apreciată prin cresterea durităţii si rezistenţei la uzură si coroziune.

Prelucrarea straturilor foarte subţiri cu grosimi de ordinul g = 10...100«m, aplicate pe un substrat cum este sticla sau ceramica, cu condiţia g «5 . întrucât pre-lucrarea acestor straturi trebuie să aibă loc fără eroziunea substraturilor este nece-


TANAVIOSOFT 2011

7


C13

sar ca presiunea de vapori a materialului substratului să fie mai mare decât presi-unea de vapori a materialelor folosite pentru straturile de acoperire Ni-Cr, Fe-Ni. Calitatea prelucrării depinde de grosimea stratului, caracteristicile materialului folosit (punct de topire, conductivitate termică, electrică, densitate, presiune de vapori), precum si caracteristicile substratului.

Gravarea metalelor, ceramicii sau straturilor foarte subţiri. Fabricarea si asamblarea sistemelor si componentelor electronice miniatu-

rizate. 13.3.8.SUDAREA CU FASCICUL DE ELECTRONI

Sursa termică o constituie un fascicul de electroni concentrat, având o viteza şi, ca urmare, o energie cinetica mare care bombardează componentele de sudat. La impactul fasciculului de electroni cu componentele de sudat, energia cinetică a acestuia se transformă în căldură şi are loc o încălzire locală, rapidă, a materialu-lui. Procesul de sudare decurge în vid, deoarece atmosfera ar provoca o frânare şi dispersie a fascicolului.

Procedeul de sudare cu fascicul de electroni opereaza cu densitate de pute-re foarte mare.

Se prezintă puterile specifice pentru diferite procedee de sudare prin topire. Sunt indicate, de asemenea, suprafeţele minime de acţiune ale surselor termice respective. În comparaţie cu celelalte procedee de sudare prin topire, sudarea cu


TANAVIOSOFT 2011

8


C13

fascicul de electroni se plasează pe locul al doilea sub aspectul densităţilor de pu-tere realizate, respectiv al dimensiunilor minime ale suprafeţei de acţiune.

tabelul 13.3.8.1

Se aminteşte, comparativ, că la sudarea sub strat de flux se pot, suda dintr-o trecere, cu material de adaos, componente cu grosimi până la cca 20 mm, cu viteze de sudare până la 0,8 m/min, coeficientul de supleţe al sudurilor fiind de cca 1 : 1 . Solicitarea termică a materialului este limitată, astfel, într-un domeniu relativ în-gust. Energia liniară la sudarea cu fascicul de electroni este 3-10% din valoarea corespunzătoare sudării manuale cu electrozi înveliţi. În tabelul se prezintă ener-giile liniare folosite la sudarea prin diferite procedee a unor table din oţel carbon cu grosimea de 10 mm. Datorită concentrării puternice a energiei, precum şi a formei sudurii, tensiunile si deformaţiile introduse prin sudare cu fascicul de elec-troni sunt semnificativ mai reduse decât în cazul altor procedee de sudare. Astfel, de exemplu, contracţia transversală la sudarea cap la cap a unor table cu grosimea de 30 mm este de cca 3 mm la sudarea manuala cu clectrozi înveliţi si de cca 0,3 mm la sudarea cu fascicul de electroni.

Sudarea cu fascicul de electroni având loc în vid se asigură o protecţie a ma-terialului topit faţă de acţiunea gazelor. Procentul de impurificare la sudarea cu

fascicul de electroni la un nivel de vid de 10-3

din valoarea corespunzătoare sudă-rii în mediu de argon.

Pe lângă particularităţile cu aspect favorabil menţionate, procedeul de suda-re cu fascicul de electroni are şi o serie de neajunsuri, dintre care se remarcă com-plexitatea echipamentelor de sudare şi generarea radiaţiei X în timpul sudării.

13.3.9.MECANISMUL PĂTRUNDERII FASCICULULUI DE ELECTRONI ÎN MATERIAL

La impactul cu piesa, fasciculul de electroni pătrunde în material până la adâncimea R şi îşi cedează la acel nivel energia cinetică. Dacă puterea specifică a fasciculului este scăzută are loc o încălzire a materialului prin conducţie, asemănă-


TANAVIOSOFT 2011

9


C13

tor cu cazul procedeelor de sudare cu arcul electric. Cu creşterea puterii specifice a fasciculului profilul zonei încălzite se modifică. Datorită încălzirii puternice se produce o vaporizare a materialului, vaporii de metal fiind eliminaţi din craterul produs. Dacă se măreşte în continuare puterea specifică, până la valori de ordinul

106 W/cm

2, sub acţiunea presiunii vaporilor produşi se formează un tub capilar cu

vapori având o adâncime mare. Tubul capilar este înconjurat de un înveliş subţire de material topit. La creşterea mai departe a puterii specifice, până la valori de or-

dinul 108

W/cm2

se produce o eliminare explozivă a învelişului topit şi o străpun-gere a materialului pe întreaga grosime a sa. În cazul sudării cu fascicul de elec-

troni se utilizează puteri specifice de ordinul 105—lO

7 W/cm

2. Puteri specifice mai

mari se folosesc pentru operaţii de perforare cu fascicul de electroni. Formarea craterului cu vapori este condiţionată de refularea materialului lichid din calea fasciculului de electroni. Aceasta se face ca urmare a forţelor care acţio-nează asupra învelişului topit.

Fasciculul de electroni interacţionează atât cu învelişul topit, cât şi cu tubul capilar cu vapori şi îşi cedează energia învelişului topit. Procesul de cedare a energiei fasciculului de electroni este influenţat de următoarele fenomene : reflexia electronilor pe suprafaţa învelişului topit, focalizarea electronilor sub acţiunea ionilor pozitivi produşi prin ciocnirile

vaporilor in tubul capilar, reflexia electronilor la baza tubului capilar, absorbţia electronilor de către stropii de metal topit, transmiterea de căldura din tubul capilar prin radiaţie şi prin condensarea

vaporilor. Este posibil ca la o alegere corespunzătoare a parametrilor fasciculului de

electroni să se obţină o repartizare practic uniformă a puterii fasciculului de elec-troni pe adâncimea de topire. Grosimea învelişului topit este determinată de echi-librul dintre puterea preluată de acesta şi puterea transmisă prin conducţie. Cu cât densitatea de putere este mai mare, la o putere dată, cu atât adâncimea tubului capilar va fi mai mare, iar grosimea învelişului topit mai mică. Practic, diametrul tubului capilar este egal cu diametrul fasciculului de electroni.

În cazul în care fasciculul de electroni nu se deplasează faţă de piesă, ca ur-mare a simetriei de rotaţie a fasciculului, tubul capilar şi învelişul topit vor avea, de asemenea, simetrie de rotaţie. Daca fasciculul de electroni se deplasează faţă de piesă, geometria tubului capilar şi cea a învelişului topit se vor abate de la sime-tria de rotaţie cu atât mai mult, cu cât viteza de deplasare relativă este mai mare.


TANAVIOSOFT 2011

10


C13

Prin mişcarea relativă faţă de piesa fasciculul de electroni întâlneşte material rece, solid care va fi topit. În condiţii de echilibru o cantitate egală de material se solidi-fică în urma fasciculului de electroni. În felul acesta se creează un front de topire şi un front de solidificare, despărţite de fasciculul de electroni

13.3.10.EFICIENŢA ENERGETICĂ A SUDĂRII

Pierderea de energie se datoreaza electronilor retrodifuzaţi şi vaporizării materialului. Aceste pierderi depind de natura materialului care se sudează şi de parametrii de sudare. Randamentul efectiv al sudării are valori de cca 60-95%, va-lorile mai mari corespunzând sudurilor cu coeficienţi de supleţe înalt. Astfel, de exemplu, pentru cazul unei suduri caracterizate printr-un coeficient de supleţe 5/1, materialul de baza fiind oţel carbon, s-au obţinut următoarele valori ale pier-derilor de energie :

—prin electroni retrodifuzaţi < 4%, —prin vaporizare 0,5—2%, — prin radiaţie X 0,5%.

În felul acesta, pentru cazul considerat, materialul de baza preia cca 93—95% din energia totală a fasciculului.

Energia preluată de componente nu este folosită integral pentru încălzirea materialului în zona sudurii, o parte din energie disipându-se prin conducţie ter-mică în material. Se poate defini, astfel, un randament termic al sudării ca raportul dintre energia necesară încălzirii în zona sudurii şi energia totală introdusă in componente. Randamentul termic are valori cuprinse între 15—60%. Determinări-le experimentale efectuate au arătat că la viteze de sudare superioare unei viteze critice, pierderile prin conducţie devin independente de parametrii de sudare. Vi-teza de sudare critică depinde de materialul de bază.

13.3.11.ECHIPAMENTE DE SUDARE

Un echipament de sudare cu fascicul de electroni se compune din următoa-rele părţi principale : tun electronic, camera de sudare, sistem de vidare, sistem de alimentare, sistem de comanda si reglare.


TANAVIOSOFT 2011

11


C13

Caracteristicile principale ale unui echipament de sudare cu fascicul de electroni sunt: tensiunea de accelerare, puterea tunului electronic si dimensiunile camerei de sudare.

În funcţie de tensiunea de accelerare cu care operează, echipamentele de su-dare se clasifică în doua grupe :

echipamente de sudare de tensiune joasă, 30—60 kV, echipamente de sudare de tensiune înaltă, 150—175 kV.

Între cele doua grupe de echipamente nu există diferenţe semnificative sub

aspectul performanţelor de sudare. Ambele grupe pot rezolva aceleaşi proble-me de sudare, cu observaţia că echipamentele de tensiune înaltă lucrează cu un fascicul de electroni de diametru mai mic, mai uşor de comandat. În acelaşi timp însă, echipamentele de tensiune joasă sunt mai simple şi, ca urmare, mai puţin costisitoare.

În funcţie de presiunea la locul sudurii, echipamentele de sudare pot fi :

echipamente de sudare în vid înaintat (l0-4

torr),

echipamente de sudare în vid parţial (10-2

torr), echipamente de sudare în atmosferă.

În funcţie de regimul de lucru, echipamentele de sudare se pot clasifica în : echipamente de sudare standard, echipamente de sudare cu regim ciclic, echipamente de sudare cu regim continuu.

Echipamentele de sudare standard sunt dotate cu o cameră de sudare care

preia componentele de sudat. Fiecare ciclu de sudare cuprinde încărcarea-descărcarea componentelor, vidarea camerei şi sudarea. Durata unui ciclu poate fi de câteva minute până la zeci de minute, depinzând de dimensiunile camerei, presiunea necesară pentru sudare şi de sistemul de vidare. Aceste echipamente sunt, de regulă, universale, fiind destinate producţiei de serie mică. În figura 3.9 se prezintă un echipament de sudare standard realizat la I.F.A. Bucureşti, având ca-racteristicile principale: tensiunea de accelerare maximă 60 kV, puterea tunului

electronic 12 kW, voiumul camerei de sudare 600 dm3.

Echipamentele de sudare cu regim ciclic sunt specializate, camerele de vid fiind adaptate ca formă pieselor care se sudează. Echipamentele de sudare sunt, dotate cu mai multe camere de vid; în timp ce într-o cameră de vid, aflată sub tu-nul electronic, are loc sudarea, în celelalte camere se desfăşoară operaţiile au-


TANAVIOSOFT 2011

12


C13

xiliare sudării (încărcarea-descărcarea componentelor, vidarea camerei). În felul acesta, ciclul de sudare durează un timp scurt, de ordinul secundelor, echipamen-tele de sudare de acest tip fiind destinate producţiei de serie mare. Echipamentele de sudare cu regim continuu sunt destinate sudării unor compo-nente cu lungime nedefinită (ţevi, benzi). Camera de sudare este intercalată între camere de previdare, respectiv de trecere la presiunea atmosferică. Procesul de sudare decurge continuu, componentele trecând prin camerele cu diferite trepte de vidare cu viteză ridicată (până la 20 m/min).

13.3.12.COMPORTAREA LA SUDARE A UNOR MATERIALE

0ţeluri pentru structuri sudate. Întrucât vitezele de răcire la sudarea cu fas-cicul de electroni sunt ridicate, la sudarea oţelurilor carbon şi slab aliate poate să apară o fragilizare a materialului mai accentuată decât la procedeele convenţiona-le de sudare prin topire, datorită constituienţilor structurali duri. Oţelurile cu un conţinut de carbon peste 0,2% sunt susceptibile la fisurare, mai ales în cazul sudu-rilor circulare. Duritatea sudurii poate fi redusă prin mijloace tehnologice, ca, de exemplu, preîncălzirea cu ajutorul unui fascicul de electroni defocalizat, introdu-cerea între cele două piese de sudat a unei folii din alt material, de obicei, din ni-chel sau sudarea cu viteză redusă .

În cazul unor oţeluri slab aliate, sudarea cu fascicul de electroni poate ridica dificultăţi datorită vâscozităţii ridicate a băii de sudură, respectiv a golurilor de contracţie ce pot apare caurmare a adâncimii mari a tubului capilar. Aceste defec-te pot fi evitate prin lărgirea băii topite, prin defocalizarea sau deflexia transversa-lă a fasciculului de electroni.

Sudarea oţelurilor necalmate este dificilă datorită reacţiei chimice intense dintre carbon şi oxigen, ceea ce face ca pericolul de apariţie al porozităţii să fie foarte mare. Pentru reducerea susceptibilităţii la fisurare şi porozitate se reco-mandă menţinerea cantităţii de sulf şi fosfor din materialul de bază la nivele foar-te scăzute (S+P<0,03%).

La sudarea oţelurilor pentru structuri sudate cu grosimi de material peste 100 mm este frecventă apariţia porilor. Pentru evitarea lor se recomanda, adesea, sudarea în mai multe straturi, cu material de adaos, utilizând rosturi cu deschideri de cca 5—6 mm. Pentru a preveni curgerea materialului topit, în cazul pieselor de grosime mare se preferă sudarea cu fascicul de electroni orizontal.

Oţeluri aliate. Sudarea oţelurilor inoxidabile austenitice este posibilă fără dificultăţi. În cazul oţelurilor feritice poate să apară o tendinţa de fisurare


TANAVIOSOFT 2011

13


C13

intercristalină, ce poate fi redusă prin micşorarea tensiunilor reziduale din sudura, prin alegerea con-venabilă a formei îmbinărilor sudate sau sudarea cu viteză re-dusă. Oţelurile întărite prin precipitare, oţelurile maraging au o comportare la su-dare foarte bună. Scăderea durităţii în zona influenţată termic, caracteristica sudă-rii acestor oţeluri este puţin importantă la sudarea cu fascicul de electroni, datorită lăţimii reduse a zonei influenţate termic.

Aluminiu. Aluminiul şi aliajele sale, cu excepţia celor care conţin zinc, au o comportare bună la sudare. În general, ca la orice procedeu de sudare caracteristi-cile mecanice ale îmbinării sudate sunt mai reduse decât cele ale materialului de baza, dar ele pot fi îmbunătăţite prin tratament termic. In tabel se prezintă rezis-tenţa la rupere a unor îmbinări din aliaj AIZnMgCu 1,5 sudate cu fascicul de elec-troni şi supuse unor tratamente termice după sudare .

tabelul 13.3.12.1

Cupru. Sudarea cuprului ridică dificultăţi datorită conductibilităţii sale ter-mice ridicate. Datorită concentrării puternice a energiei la sudarea cu fascicul de electroni a cuprului se obţin rezultate mai bune decât la sudarea cu alte procedee. Uneori pot să apară însă pori în sudură. Pentru evitarea lor se recomandă, de re-gulă, preîncălzirea cu un fascicul defocalizat şi deflexia circulară a fasciculului.

Nichel. Nichelul pur are o comportare la sudare foarte bună. La creşterea nivelului de aliere comportarea la sudare a aliajelor de nichel se înrăutăţeşte şi materialul devine din ce în ce mai sensibil la fisuraţia la cald. Ca remediu se re-comandă sudarea cu viteză scăzută.

Materiale reactive şi refractare. Titanul, zirconiul, tantalul sau niobiul au o comportare bună la sudare, îmbinarea sudată prezentând proprietăţi mecanice asemănătoare cu cele ale materialului de bază. Molibdenul, wolframul ăi beriliul sunt susceptibile la fragilizarea în zona sudurii şi necesită o preîncălzire sau o postâncălzire cu un fascicul de electroni defocalizat sau deflexia fasciculului.


TANAVIOSOFT 2011

14


C13

13.3.13.DEFECTE DE SUDARE

La sudarea cu fascicul de electroni pot să apară defecte ale îmbinărilor suda-te. Unele dintre acestea sunt proprii procedeelor de sudare prin topire, altele sunt tipice sudării cu fascicul de elec-troni. Frecvenţa şi mărimea defectelor la sudare cresc cu grosimea materialului, fiind funcţie de natura materialului de bază şi tehnologia de sudare aplicată. Global, incidenţa defectelor la sudarea cu fascicul de electroni este mai redusă decât în cazul procedeelor convenţionale de sudare.

În general, pot să apară următoarele defecte de sudare : porozitate, fisurare, suduri reci, incluziuni, devierea fasciculului pe linia îmbinării, oscilaţiile pătrun-derii.

Porozitatea. Apariţia porozităţii la sudarea cu fascicul de electroni este favo-rizată de vaporizarea gazelor şi a elementelor de aliere în vid, precum şi de solidi-ficarea rapidă a băii de metal topit.

Conţinutul ridicat de gaze din materialul de bază, descompunerea incluziu-nilor nemetalice (mai ales la sudarea oţelurilor carbon), precum şi existenţa unor compuşi de tip carburi sau nitruri sunt factori care contribuie la porozitate.

Reducerea frecvenţei de apariţie a porozităţii poate fi făcuta prin măsuri tehnologice care promovează eliminarea bulelor de gaz din materialul topit, ca, de exemplu, mărirea puterii de sudare, scăderea vitezelor de sudare, oscilarea fasci-culului de electron şi alegerea convenabilă a poziţiei focarului. De la aceste reguli face excepţie titanul şi aluminiul care reclamă viteze de sudare ridicate pentru re-ducerea porozităţii. Apariţia porozităţii este limitată, de asemenea, prin curăţirea pieselor înainte de introducerea în camera de sudare prin spălare cu tricloretilenă, alcool etilic sau tetraclorură de carbon.

La sudarea cu fascicul de electroni cu pătrundere incompletă a sudurii în grosimea materialului este posibilă apariţia unui defect specific procedeului şi anume, porozitate la rădăcină. Aceasta se datoreşte vaporilor de metal şi gazelor reţinute la rădăcina sudurii, precum şi unei tensiuni superficiale insuficiente a me-talului topit. Întrucât defectul este un concentrator de tensiune se recomandă evi-tarea sudurilor nepătrunse complet în cazul pieselor solicitate dinamic. Probabili-tatea de apariţie a porozităţii la rădăcina poate fi redusă prin mărirea lăţimii su-durii, întrucât prin aceasta se uşurează curgerea materialului topit în cavitate.

Fisurarea. Fisurile sunt cele mai grave defecte de sudare, ele pot să apară şi în cazul sudării cu fascicul de electroni, cu toate că riscul de fisurare este mai re-dus decât la celelalte procedee de sudare prin topire. Frecvenţa fisurilor la cald poate fi scăzută prin alegerea formei îmbinărilor astfel încât tensiunile introduse


TANAVIOSOFT 2011

15


C13

la sudare să fie cât mai mici, respectiv prin sudarea cu viteză redusă. Pericolul de fisurare este micşorat, de asemenea, prin folosirea unor materiale de bază cu un conţinut scăzut de impurităţi. În cazul sudurilor cu fascicul de electroni nu au fost detectate fisuri la rece, sub cordon, fapt ce poate fi pus în legătură cu nivelul redus de hidrogen, respectiv de tensiuni introduse la sudare.

Sudurile reci. Acest defect, cunoscut în literatură sub numele ,,cold shut", este propriu unui număr ridicat de materiale de bază, ca, de exemplu, oţel carbon, oţel aliat, titan, nichel. Sudurile reci sunt cauzate de incapacitatea metalului topit de a umple tubul capilar creat sub acţiunea fasciculului de electroni. Existenţa tensiunilor interne, asociate cu viteze de răcire mari în zona rădăcinii sudurii poa-te fi suficientă, uneori, pentru a iniţia o fisură. Aceste defecte se pot elimina prin mărirea lăţimii sudurii şi scăderea vitezelor de răcire ale sudurii

Retasurile. Apariţia retasurilor (skrinkage voids) este favorizată de materia-lele care prezintă la sudare contracţii volumice. Ele se deosebesc de pori prin for-ma complicată, neregulată pe care o au. Apariţia acestor defecte poate fi redusă prin scăderea vitezelor de răcire, adică prin sudarea cu viteze reduse sau prin os-cilarea fasciculului de electroni.

Devierea fasciculului de electroni. În cazul sudării unor combinaţii de ma-teriale se poate produce o deviere a fasci-culului de electroni din axa îmbinării, pe grosimea materialului. Această deviere, cauzată de neomogenitatea câmpului magnetic al pieselor, ca urmare a curentului termoelectric dintre cele două mate-riale, poate cauza întreruperea continuităţii sudurii. Sudura rece prin poate fi re-dusă. oscilarea fasciculului de electroni.

Oscilaţiile pătrunderii sudurii. În cazul sudurilor nepătrunse se observă o oscilare a pătrunderii sudurii (spikes), care se datorează discontinuităţii procesu-lui de formare a tubului capilar. La rădăcina acestor oscilaţii pot apare pori fini sau microfisuri. În general, apariţia spikes-urilor este greu de evitat, reducerea lor se poate face uneori prin oscilarea fasciculului de electroni.

Crestăturile marginale, apar, în general, la sudarea cu viteză mare (peste 2 m/min). Pentru evitarea lor se recomandă sudarea cu viteză mai mică sau, mai recent, sudarea tandem. Această tehnică utilizează două fascicule de electroni consecutive şi permite sudarea în bune condiţii la viteze de sudare de 10 m/min


TANAVIOSOFT 2011

16


C13

13.3.14.TEHNOLOGIA SUDARII CU FASCICUL DE ELECTRONI

Din punct de vedere tehnologic, procedeul de sudare cu fascicul de electroni se caracterizează printr-un grad înalt de versatilitate permiţând sudarea dintr-o trecere a componentelor cu grosimea de 0,05—300 mm. Practic, prin alegerea con-venabilă a parametrilor de sudare, cu un anumit echipament de sudare se poate realiza atât sudarea componentelor cu grosime mică, cât şi a celor cu grosime ma-re, limitarea superioară a grosimii fiind determinată doar de puterea tunului elec-tronic.

PARAMETRII DE SUDARE La sudarea cu fascicul de electroni se pot defini următorii parametrii de su-

dare : a. tensiunea de accelerare, U, b. curentul fasciculului de electroni, I, c. curentul de focalizare, If,

d. distanţa focală, df,

e. diametrul fasciculului de electroni, d, f. distanţa de tir (distanţa de la suprafaţa inferioară a tunului electronic la suprafaţa componentei de sudat), d

t,

g. viteza de sudare, vs

h. presiunea în camera tunului, pt,

i. presiunea la locul sudarii, ps,

j. forma, amplitudinea, frecvenţa oscilaţiilor şi direcţia de oscilare a fascicu-lului de electroni, k. direcţia şi unghiul de deflexie al fasciculului de electroni faţă de axa electronoptica a tunului, l. forma şi durata impulsurilor la sudarea în regim de impulsuri, m. modul de variaţie al curentului fasciculului la începutul şi sfârşitul sudu-rii (slope control), n. natura, dimensiunile şi viteza de introducere a materialului de adaos în sudură, în cazul sudării cu material de adaos, o. tratamentul termic înainte sau după sudare (pre- sau post încălzire). Aceşti parametri de sudare depind în primul rând de natura materialului de

baza şi de geometria îmbinării sudate, fiind condiţionaţi însă de caracteristicile


TANAVIOSOFT 2011

17


C13

echipamentului de sudare. Materialul de bază intervine în procesul de sudare prin următoarele caracteristici: compoziţia chimică, modul de elaborare, constantele de material (temperatura de topire ν

t, temperatura de vaporizare ν

t, căldura specifică

c, căldura latentă de topire şi de vaporizare H, conductibilitatea termica λ, difuzi-vitatea a, presiunea de vapori, densitatea ρ).

Pentru a conduce procesul de sudare astfel încât să se obţină o sudură cu o anumită geometrie este necesară cunoaşterea influenţei fiecărui parametru asupra geometriei sudurii.

13.3.15.PREGĂTIREA COMPONENTELOR PENTRU SUDARE

La sudarea cu fascicul de electroni se utilizează în exclusivitate rosturi ne-prelucrate (rost în I). Datorită faptului că diametrul fasciculului are o valoare re-dusa (0,05—0,5 mm) şi pentru că, de obicei, nu se utilizează material de adaos, es-te necesară o pregătire pretenţioasă a componentelor de sudat, ceea ce măreşte costurile tehnologice la sudare. Pentru realizarea unor suduri de calitate se admit rosturi cu deschideri sub 0,1 mm pe întreaga lungime a sudurii. La componentele cu grosimi peste 30 mm deschiderea rostului poate fi mărita până la 0,2 mm. În cazul unor rosturi cu deschideri mai mari decât valorile admisibile se pot realiza suduri corespunzătoare doar prin utilizarea unor materiale de adaos sub formă de sârmă introdusă continuu în baia topită.

Înainte de sudare componentele trebuie curăţate mecanic pentru a îndepărta orice urma de oxizi, rugină, ulei. Înainte de sudare materialele se spală cu un sol-vent organic.

În cazul sudării materialelor magnetice, fasciculul de electroni poate fi deflectat de pe linia îmbinării de câmpul magnetic propriu al materialului. Pentru evitarea acestui fenomen se recomandă o demagnetizare a materialului feromag-netic înainte de introducerea lui în camera de sudare.

13.3.16.PROIECTAREA ÎMB1NĂRILOR PENTRU SUDAREA CU FASCICUL DE ELECTRONI

Având în vedere posibilităţile de orientare precisă a fasciculului de elec-troni, distanţele de tir mari cu care se poate opera, precum şi concentrarea energi-ei, la sudarea cu fascicul de electroni există o libertate mai mare decât în cazul procedeelor convenţionale de sudare pentru alegerea tipului de îmbinare. În con-tinuare se prezintă câteva posibilităţi tehnologice de pregătire a componentelor pentru sudare .


TANAVIOSOFT 2011

18


C13

A. Suduri cap la cap. În figura se prezintă forme de suduri cap la cap rea-lizabile prin sudare cu fascicul de electroni. Îmbinarea „a” oferă cea mai simplă soluţie şi asigură posibilitatea unei prinderi uşoare a componentelor în dispoziti-vul de fixare. Obţinerea unei suduri de calitate reclamă însă potrivirea atentă a componentelor faţă de axa fasciculului de electroni şi reglarea exactă a parametri-lor de sudare. Ca urmare a defectelor ce pot să apară, în primul rând pătrunderea incompleta a sudurii, soluţia „a” nu este recomandată pentru piese solicitate di-namic. 0 soluţie mai bună este folosirea unui suport la rădăcina (soluţia b) sau pregătirea unui guler (soluţiile c—g'). Utilizarea suportului are avantajul formării unei suduri de geometrie corespunzătoare, dar reclamă o cheltuială suplimentară pentru pregătirea, susţinerea şi îndepărtarea suportului. Soluţiile d—g asigură pe lângă materialul necesar formării sudurii şi poziţionarea relativă a celor două componente. În cazul sudării componentelor cu grosime mare (peste 100 mm), pentru evitarea porozităţii se poate executa sudarea în două sau mai multe stra-turi. De obicei, sudarea are loc, în acest caz, cu material

Fig.13.3.16.1

de adaos introdus în rost sub formă de sârmă sau pulbere. La grosimi mari se uti-lizează, in ultimul timp, sudarea cu fascicul de electroni orizontal, deoarece în ca-zul sudării cu fascicul de electroni vertical, sub acţiunea forţei de gravitaţie, baia lichidă curge şi devine necesară folosirea unui suport.

B. Suduri in T. In figura se prezintă câteva tipuri de îmbinări în T reali-zabile prin


TANAVIOSOFT 2011

19


C13

Fig.13.3.16.2

sudare cu fascicul de electroni. Soluţia a se remarcă prin simplitate şi poate fi apli-cată la îmbinări nesolicitate puternic. Are însă dezavantajul că necesită o poziţio-nare atentă, zona îmbinării nu este vizibilă şi, întrucât sudura are pătrundere in-completă, poate să apară porozitate la rădăcină. În cazul în care există posibilita-tea de acces se preferă una din soluţiile b—e. Dintre acestea, soluţiile c—e au avantajul transformării îmbinării de colţ într-o îmbinare cap la cap, fapt important mai ales pentru cazul secţiunilor groase.

C. Suduri prin suprapunere. Sudurile prin suprapunere sunt, în general, de evitat, ele putându-se executa numai în cazul pieselor slab solicitate mecanic sau chimic. În figura 5.20 se indică posibilităţi de realizare a unor suduri prin su-prapunere. Datorită suprafeţei active mai mari a sudurilor, soluţia b se preferă so-luţiei a. Sudarea cu fascicul de electroni oferă, de asemenea, posibilitatea realizării simultane a mai multor suduri.

D. Suduri circulare. Sudurile circulare oferă, în prezent, ponderea cea mai mare a aplicaţiilor sudării cu fascicul de electroni. Sudarea circulară poate fi realizată cu fascicul de electroni radial (sudură b) sau cu fascicul de electroni axial (sudura a). Sudura a produce tensiuni termice progresive pe măsura desfăşurării procesului de sudare, ceea ce poate conduce la fisuri, mai ales în zona terminală a sudurii. Sudura b este o sudura circumferenţială, cele două componente de sudat, au acelaşi diametru în zona de îmbinare. Tensiunile induse prin sudare sunt rela-tiv reduse, componentele având posibilitatea să se deformeze nesemnificativ.


TANAVIOSOFT 2011

20


C13

Fig.13.3.16.3

În figura se prezintă câteva forme de pregătire a componentelor de grosime dife-rită pentru sudare. Soluţia a presupune o pregătire simplă, dar conduce uneori la porozitate la rădăcină. Soluţia b oferă un remediu pentru acest inconvenient. În cazul soluţiei c există un pericol de fisurare în zona superioara a sudurii, pericol ce poate fi evitat prin alegerea variantei d. În cazul componentelor cu grosime mult diferită se recomanda soluţia e, degajarea asigurând o compensare a fluxului termic în cele două componente. Soluţia f foloseşte o piesă intermediară, care, de regulă, nu se îndepărtează după sudare.

13.3.17.APLICAŢII

În prezent, procedeul de sudare cu fascicul de electroni a depăşit sfera de experimentare şi cunoaşte o dezvoltare industrială în continuă creştere. Se apreci-ază că în lume lucrează, la ora actuală, în industrie peste 2 000 instalaţii de sudare.

În timp ce la începutul aplicării procedeului de sudare cu fascicul de elec-troni (în perioada 1956—1966) se sudau mai ales materiale reactive sau refractare ce nu puteau fi sudate cu procedeele convenţionale, astăzi centrul de greutate al aplicaţiilor îl constitute sudarea oţelurilor pentru structuri sudate, a oţelurilor alia-te şi aluminiului. Pe lângă motivaţia tehnică, sudarea cu fascicul de electroni bene-ficiază, în prezent, în cele mai multe cazuri de aplicare şi de o motivaţie economi-că. Aceasta este asigurată, în principal, de economia de metal şi energie, respectiv de productivitatea mare a procedeului în condiţiile utilizării unor echipamente de sudare specializate.

Sudarea cu fascicul de electroni permite nu numai înlocuirea unor procedee de sudare convenţionale, ci şi operarea unor modificări substanţiale în concepţia diferitelor produse, în primul rând prin posibilitatea de a realiza piese complicate din elemente simple sudate între ele. În acelaşi timp, prin posibilitatea de a realiza diferite piese din combinaţii de ma-teriale se poate asigura o economie de materiale deficitare şi scumpe. Astfel, de


TANAVIOSOFT 2011

21


C13

exemplu, în cazul lamelor pentru ferăstraie mecanice există posibilitatea realizării lor din două materiale diferite şi anume, oţel rapid pentru lama ferăstrăului şi oţel arc pentru suportul acestuia. Pe lângă economia semnificativă de oţel rapid şi re-ducerea corespunzătoare a preţului de cost al lamei de ferăstrău se asigură o creş-tere a calităţii acesteia.

Domeniile principale de aplicare a procedeului sunt industria autovehicule-lor, aeronautică, industria nucleară, energetică, electronică.

O aplicaţie consacrată a sudării cu fascicul de electroni o constitute sudarea roţilor dinţate şi pinioanelor danturate. În acest caz se poate obţine o reducere masivă de material şi masă prin suprimarea spaţiului tehnologic dintre două pi-nioane alăturate, necesar danturării în cazul pieselor monobloc. Sudarea se face pe piese prelucrate şi tratate termic, fără a fi necesară o prelucrare ulterioară. Defor-maţiile produse la sudare sunt neglijabile.

În prezent se sudează, în mod curent, cu fascicul de electroni: pistoane pen-tru motoare diesel, ambreiaje, arbori portsateliţi, conuri de sincronizare pe pini-oane, roţi dinţate, tuburi baladoare, bujii, amortizoare, punţi de autocamioane.

În domeniul aeronauticii se sudează, printre altele, rotoare de turboreactoa-re şi structuri metalice de avion. Un rol important revine, în acest domeniu, repa-raţiei prin sudare a diferitelor piese. În domeniul nuclear se sudează, în general, piese din aliaje de zirconiu, nichel, aluminiu pentru bare de combustibil, ţevi în placa tubulară, surse pentru genera-tori de izotopi, iar în domeniul microtehnicii diferite relee, membrane, traductoa-re.

Un domeniu de actualitate îl reprezintă recondiţionarea şi încărcarea prin topi-rea materialeleor de adaos cu fascicul de electroni. Pulberile pentru încărcare au temperaturi de topire ridicate, dar energia fasciculuilui de electroni este suficientă. Diametrul fasciculului este defocalizat pentru acoperirea unei suprafeţe cât mai mari. Se asigură topirea superficială a materialeului de bază, concomitent cu topi-rea pulberii de încărcare. Aceasta poate să aibă compuşi nemiscibili în stare topită: metalici, intermetalici, metalo-ceramici.

Documents

Capitolul 13.3_Sudarea Cu Fascicul de Electroni