Spawanie wiązką elektronową w próżni – jak wygląda i kiedy zaleca się tę metodę?

spawanie wiazka elektronowa w prozniStale rozwijający się przemysł wymaga coraz to nowszych rozwiązań technologicznych, dzięki którym obniżą się koszty produkcji na rzecz zwiększenia ich szybkości i wydajności lub które pomogą ulepszyć istniejący już wyrób. Spawanie wiązką elektronową to jedna z nowszych metod spawania metali. Polega na miejscowym nagrzewaniu łączeń z wykorzystaniem strumienia elektronów. Do przeprowadzenia tego rodzaju procesu potrzebna jest spawarka elektronowa, w której źródłem elektronów jest działo elektronowe.

Kilka słów o historii

Początki wykorzystywania elektronów jako materiału zdolnego topić metale sięgają aż końcówki XIX wieku. Pod koniec tego stulecia Wiliam Crookes zauważył, że promienie katodowe są w stanie rozgrzewać umieszczone na ich drodze folie metalowe. W 1907 r. Marcello von Pirani, niemiecki wynalazca, wykorzystał to zjawisko do rafinacji trudno topliwych metali. W następnych latach pracowano nad udoskonaleniem tej metody. Konstruktorzy budowali coraz doskonalsze piecie elektronowe do topienia metali. Dopiero rozwój techniki nuklearnej przyczynił się do powstania nowego sposobu łączenia metali, które wcześniej nie dało się połączyć znanymi metodami spawalniczymi. W 1950 r. skonstruowano pierwszą spawarkę elektronową, która została wykorzystana przy produkcji elementów paliwa do reaktorów nuklearnych. W Polsce badania nad tą metodą spawania rozpoczęły się dopiero w latach 60. XX wieku w Przemysłowym Instytucie Elektroniki w Warszawie. W latach 70. XX wieku skonstruowano tam pierwszą spawarkę elektronową.

Na czym polega spawanie wiązką elektronową w próżni?

Istotną częścią procesu spawania wiązką elektronów jest wykorzystanie energii kinetycznej elektronów poruszających się z prędkością około 200 km/s. Cały proces przeprowadzony jest w środowisku próżni rzędu 10‾⁸ atm. Podczas bombardowania powierzchni metalu większa część energii kinetycznej elektronów zostaje przekształcona w ciepło, które roztapia metal. Warto zauważyć, że podczas tego rodzaju spawania spoina tworzy się przez stopienie brzegów łączonych metali.

Zasada działania spawarki elektronowej jest następująca: w próżniowej komorze znajduje się elektronowa wyrzutnia, która spełnia również funkcję zimnej katody. Wyrzutnia jest zasilana z zasilacza wysokiego napięcia, w którym napięcie jest płynnie regulowane w zakresie od zera do kilku kV. Wyrzutnię stanowi aluminiowy wałek, w którego czole wytłoczono wklęsłą powierzchnię sferyczną. W środku wyrzutni znajduje się otwór, z którego wypuszczana jest wiązka elektronów. Proces spawania wiązką elektronową wymaga przyłożenia wysokiego napięcia oraz obecności gazu szlachetnego pod niewielkim ciśnieniem w komorze.

Kiedy zaleca się tę metodę?

Próżniowe spawanie wiązką elektronową charakteryzuje się szeregiem zalet. Do najważniejszych z nich należą:

  • Możliwość łączenia metali, których nie daje się łączyć innymi technikami spawalniczymi. Są nimi przykładowo kombinacje wolfram-miedź czy też niob-miedź.
  • Brak niepożądanych odkształceń spawanych powierzchni. Wykorzystanie próżni otaczającej spawany przedmiot zapobiega tworzeniu się szkodliwych pęcherzy gazu i defektów. Ponadto próżnia uniemożliwia utlenianie się łączonych metali, co prowadzi do wytwarzania spoin jeszcze lepszej jakości.
  • Nie wymaga drutu elektronowego – metalowego żarnika umieszczonego między dwoma elementami do zespawania ze sobą. W przeciwieństwie do innych form spawania, w spawaniu wiązką elektronową cała spoina jest tworzona ze stopu krawędzi połączonych elementów. Co więcej, wiązka elektronów jest bardzo wąska, dzięki czemu może działać w sytuacjach, w których pożądane jest minimalne nagrzewanie całego materiału.

Ze względu na wymienione powyżej zalety spawania elektronowego, ma ono zastosowanie głównie w przemyśle:

  • Motoryzacyjnym. Jest wykorzystywane do spawania między innymi elementów przekładni zębatych, korpusów silników, czujników, chłodnic, wałów korbowych, filtrów, katalizatorów, felg, poduszek powietrznych i wielu innych.
  • Lotniczym. Służy do spawania przykładowo: tytanowych zbiorników na propylen, które są stosowane w satelitach i rakietach, zbiorników aluminiowych, dysz ciągu, elementów kadłubów z tytanu, łopatek i osłon turbin, dysków w wirniku bębnowym sprężarek osiowych.
  • Energetycznym i elektroenergetycznym. Wykorzystuje się ten proces do spawania elementów turbin, łopatek, wysokoprądowych elastycznych łączników, pojemników na odpady promieniotwórcze.
  • Budowie maszyn. Spawanie elektronowe sprawdza się podczas spawania elementów haków transportowych w silnikach okrętowych, pieców do niszczenia zużytej amunicji, kół i przekładni zębatych, cylindrów hydraulicznych, czujników temperatury i odkształceń, ram mikroskopów ze stopu aluminium, komutatorów, pił taśmowych, narzędzi wiertniczych, krystalizatorów do ciągłego odlewania stali oraz wysokociśnieniowych zaworów.
  • Medycznym. W tym przypadku spawanie ma zastosowanie między innymi podczas tworzenia elementów przekładni zębatych w protezach kończyn, w szybkim prototypowaniu elementów endoprotez lub modyfikacji powierzchni implantów.
  • Szynowym i kolejnictwie. Spawanie wykorzystuje się do produkcji elementów wagonów, jak np. belek poprzecznych ze stopów aluminium, haków holowniczych, tulei łożyskowych, elementów zwrotnic czy sprzęgieł cardana.

Spawarki elektronowe

Odrębnym zagadnieniem jest eksploatacja spawarek elektronowych. Ze względu na ich specyfikę, są to urządzenia dość wymagające, dlatego też ich obsługa wiąże się ze sporymi kosztami, przede wszystkim energetycznymi. Do tego dochodzą koszty konserwacji. Warto wiedzieć, że usługi spawania elektronowego świadczy Instytut Tele- i Radiotechniczny w Warszawie.

Partnerem artykułu jest Technika Spawalnicza.


Opublikowano

w