EBW: المعدات والتصميم المشترك والتطبيقات
بعد قراءة هذه المقالة سوف تتعلم عن: - 1. مقدمة لحام شعاعي الالكترون (EBW) 2. المعدات المطلوبة لحام شعاعي الالكترون (EBW) 3. خصائص العملية 4. تصميم مشترك اللحام والتحضير 5. خصائص اللحام وجودة 6. المتغيرات 7. التطبيقات.
مقدمة لحام شعاع الالكترون (EBW) :
بدأت نهاية الحرب العالمية الثانية في سباق بين الدول من أجل التفوق في مجال الفضاء والبحوث النووية. وهذا يتطلب استخدام مواد تفاعلية (مثل التيتانيوم والزركونيوم) وحراريات (مثل التنجستين والموليبدنوم والتنتالوم). أدى الانضمام إلى هذه المعادن بواسطة عمليات اللحام التي تم إنشاؤها آنذاك في لحام الانصهار إلى امتصاص الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين بسرعة بواسطة معادن تفاعلية أثناء اللحام ودورات ما بعد اللحام مما نتج عنه انخفاض ليونة.
من ناحية أخرى ، أدى الانصهار وإعادة التبلور للمعادن الحرارية إلى رفع درجة حرارة الانتقال إلى درجة حرارة الغرفة. وبسبب هذه العيوب ، كان مطلوبًا لحام هذه المعادن عند ضغوط تصل إلى 10 -4 أو أقل لتحقيق اللحامات ذات الجودة المطلوبة والتي أدت إلى تطوير لحام شعاعي الإلكترون.
لحام شعاع الالكترون (EBW) هو عملية يتم فيها جعل حزمة من الإلكترونات تؤثر على سطح العمل لتسخينها في البقعة المطلوبة. حيث أن الإلكترون هو جسيم دقيق جدًا يبلغ نصف قطره 2.82 × 10 -12 ملم وكتلة قدرها 9.109 × 10 -28 جرامًا ؛ لذلك لا يمكن أن تسافر أي مسافة كبيرة في الهواء أو الغازات الأخرى. وبالتالي ، يشكل خلق الفراغ شرطا أساسيا لكي يتجسد شعاع الالكترون في الاتجاه المرغوب.
ومع ذلك ، عندما يتم إنشاء مستوى الفراغ المطلوب ، يمكن لشعاع الإلكترون أن يسافر مسافات طويلة إلى حد ما ويذوب أي معدن أو سيراميك معروف. وبالتالي ، فهي عبارة عن عملية تم إنشاؤها أساسًا لتكوين معادن تفاعلية وصهرية مكلفة وصعبة اللحام.
المعدات المطلوبة لحام شعاعي الالكترون (EBW):
المعدات المستخدمة للـ EBW مضغوطة تمامًا وتتكون أساسًا من جزأين رئيسيين هما ، مدفع EBW وغرفة العمل. اعتمادًا على التوصيلات الكهربائية ، قد يكون مسدس EBW من النوع المعجل بالعمل أو من النوع ذي التسارع الذاتي ؛ وعلى أساس النظام المستخدم للتحكم في تيار الحزمة ، يمكن أن يكون المدفع الذاتي المعجل من نوع صمام الصمام الثنائي أو نوع الصمام الثلاثي الصمام.
اعتمادا على مدى الفراغ في غرفة العمل ، تصنف جميع هذه الأنواع من مسدسات اللحام أيضا على أنها فراغ عالي ، فراغ متوسط ، وأنواع غير فراغية. وبالمثل ، استنادا إلى الجهد المستخدم لتسريع سرعة الإلكترونات تتم الإشارة إلى البنادق ذات الجهد المنخفض وأنواع الجهد العالي. وبالتالي ، يمكن تمثيل التصنيف العام لبنادق الـ EBW كما هو موضح في الشكل 14.1.
تتضمن المكونات الرئيسية لمسدس EBW الكاثود أو الشعيرات التي تنبعث منها الإلكترونات ، ونظام تسريع الإلكترون ، وأجهزة البثق والتركيز ، ونظام الرؤية أو البصريات ، وغرفة الفراغ أو العمل التي تتضمن نظام نقل العمل ، وأحيانًا أجهزة تتبع التماس وشملت أيضا لضمان عالية الجودة اللحامات خالية من العيوب. يعطي الشكل 14.2 تمثيلًا تخطيطيًا لمعظم مكونات مدفع EBW النموذجي.
خصائص عملية لحام شعاع الالكترون (EBW):
اللحامات التي تنتجها EBW هي نموذجية في الشكل حيث يتم تشكيلها نفاذية الأظافر التي تفرّقها من اختراق الأصابع لعملية لحام القوس المعدني بالغاز (GMAW) الحالي ، كما هو موضح في الشكل 14.4.
ويتحقق هذا النوع من الظفر من خلال ظاهرة تسمى القفزة الرئيسية. في هذه التقنية يخترق تيار الإلكترونات سطح العمل لمسافة حوالي 25 ميكرون. وبينما يتدفق تيار الإلكترون في عمق المادة ، تتشتت الإلكترونات ، وتبطئ وتوقف عن طريق التصادم مع ذرات بنية المادة ، مما يؤدي إلى تسخين حجم الكمثرى.
السطح العلوي الرقيق غير المتأثر ثم تمزق مما يؤدي إلى فتح قناة التي تطلق الضغط الداخلي العالي وضعت فضلا عن تيار سريع من المواد التبخر. تحافظ مواد الهروب على فتح القناة. تتكرر هذه العملية في الطبقات اللاحقة من قطعة العمل حتى الاختراق العميق. يتم تحقيق ثقب بخار مع الجدران المنصهرة ، كما هو موضح في الشكل 14.5 ، عن طريق توسيع طاقة الحزمة.
يتدفق المعدن المنصهر من الجزء الأمامي لفتحة البخار حول محيطه ويتصلب في المؤخرة لتشكيل معدن اللحام بينما تتحرك الحزمة للأمام على طول خط اللحام. ومن ثم فإن الاختراق أعمق بكثير من عرض اللحام ، والمنطقة المتأثرة بالحرارة ضيقة للغاية ؛ على سبيل المثال ، قد يكون عرض اللحام في اللحام بعقب الاختراق الكامل في صفيحة فولاذية بسمك 13 مم صغيرًا بقدر 1-5 ملم. وبحسب ما ورد تم تحقيق نسبة العرض إلى نسبة الاختراق حتى 50 ، في اللحامات الفولاذية.
ويعتمد اعتماد آلية القفل على تكوين البخار والتوتر السطحي على اختلاف المعادن في السهولة التي يمكن بواسطتها اختراق الحزمة الإلكترونية. وتفيد التقارير أن الاختراق يزداد مع انخفاض حرارة تكوين الأبخرة. وهذا ما يفسر صعوبة اختراق التنغستن أكثر من الألمنيوم. الاختراق في EBW يتناسب عكسيا مع نقطة الانصهار والتوصيل الحراري ويتناسب مع الجذر التربيعي للانتشار الحراري للمواد التي يتم لحامها.
تصميم مشترك اللحام والتحضير ل EBW:
تشتمل المفاصل التي يتم إجراؤها عادة بواسطة عملية EBW ، كما هو موضح في الشكل 14.11 ، على أنواع butt و comer و lap و edge و Tee أو تعديلاتها لتلائم تطبيقات معينة ، وذلك باستخدام إعداد حافة المربع. من الصعب لحام اللحامات العادية ، وبالتالي ، يتم تجنبها عادة.
يتطلب إعداد حافة المربع المربع استخدام تركيبات للحفاظ على مكونات العمل في المحاذاة المطلوبة ؛ ولكن عندما يتم تجنب التركيبات يمكن تعديل الوصلة إلى نوع الحاخام كما هو موضح في الشكل 14.11 (ب). يضمن ذلك أيضًا المواءمة الذاتية.
إذا كان من المقرر زيادة مساحة لحام المعادن ، كما في حالة ربط الأنابيب الرفيعة ، قد يتم إضفاء الحواف على الحواف. ومع ذلك ، فإن إعداد حافة وشاح وتهيئة هو أكثر صعوبة لجعل. يتم استخدام شرائح التماس واللف واللفة في المقام الأول للانضمام إلى الصفائح المعدنية فقط.
من المحتمل أن يتسبب تلوث لحام المعادن في حدوث مسامية أو تكسير وكذلك تدهور في الخواص الميكانيكية. لذلك ، من الضروري تنظيف المفصل تمامًا قبل التركيب والمواءمة. الأسيتون هو مذيب مفضل لتنظيف مكونات EBW. ومع ذلك الأسيتون كونها قابلة للاشتعال للغاية يحتاج إلى التعامل معها بعناية فائقة.
لتفادي الاندماج أو عدم اكتمال الاندماج ، يجب إعداد المفاصل بعناية لتحقيق التوافق والمواءمة بشكل جيد. يجب أن تكون الفجوة بين أسطح الفوال صغيرة بقدر الإمكان بحد أقصى 0.125 مم ؛ لكن سبائك الألومنيوم يمكن أن تتسامح مع فجوة أكبر من الفولاذ.
عادة في EBW تهدف إلى استخدام أي معدن حشو ، وبالتالي يتم اختيار مفصل اللحام وفقا لذلك. ومع ذلك ، في بعض الأحيان يتم إضافة معدن حشو لملء المفصل خلال تمرير الثاني أو مستحضرات التجميل لتوفير سمك كامل. عادة ما تكون معدات تغذية الأسلاك الحشو مماثلة لتلك المستخدمة في لحام القوس التنغستن القوسي على الرغم من أن الاحتياجات المحددة قد تستلزم استخدام وحدات مصممة خصيصا للاستخدام في غرف التفريغ. تكون أقطار الأسلاك الحشو صغيرة بوجه عام بحد أقصى 0-5 ملم ويتم تغذية السلك في الحافة الأمامية لمجمع اللحام الصغير.
في بعض الأحيان ، يمكن إضافة معدن حشو لتحقيق الخصائص الفيزيائية أو المعدنية المطلوبة لمعدن اللحام ؛ قد تشمل الخصائص التي يتم التحكم بها إلى حد كبير ليونة ، وقوة شد ، وصلابة ومقاومة للتكسير. إضافة كمية صغيرة من أسلاك الألمنيوم أو الرقائق ، على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي إلى إنتاج الفولاذ الذي تم قتله والذي يقلل من المسامية.
خصائص اللحام وجودة EBW:
ونظرًا لارتفاع نسبة الاختراق إلى العرض في اللحامات الإلكترونية ، فإن هناك ميزتين متميزتين ، أي أنه يمكن لحام الألواح السميكة نسبيًا في مسار واحد ، كما يمكن استخدام سرعات لحام أعلى بكثير من تلك التي يمكن بلوغها في اللحام القوسي.
يمكن لحام عدد من المعادن لإعطاء نسبة عمق إلى عرض تصل إلى 50. باستخدام إعداد حافة مربعة ، يمكن لحام صفائح الألومنيوم حتى سمك 450 مم في مسار واحد على الرغم من أن الصلب عادة ما يقتصر على سمك 300 ملم .
تعتبر عملية التفريغ العالي للبخار (EBW) أداة ممتازة لحام المعادن غير المتشابهة ذات السماكات المختلفة وكذلك لحام اللحام للمكونات المستحيل إنقاذه من خلال عمليات أخرى. عموما لا حاجة إلى التسخين المسبق حتى في اللحام ، والمواد عالية التوصيل ، مع EBW.
على الرغم من أن EBW هي عملية ذات كثافة عالية للقدرة ، إلا أن مدخلات الطاقة في طول الوحدة منخفضة كما هو واضح من الجدول 14.3. هذه الخاصية من العملية تؤدي إلى اثنين من المزايا ، فإنه يقلل من حجم المنطقة المصابة بالحرارة ويقلل من التشويه. يتميز لحام اللحام في اللحامات الكهربائية EB بخصائص ميكانيكية مشابهة عادة لتلك الخاصة بالمعادن الأساسية.
يمكن التحكم في المتغيرات العملية لتحقيق درجة عالية من الموثوقية والاستنساخ في عمليات اللحام. ومع ذلك ، بالمقارنة مع عمليات اللحام القوسي ، هناك حاجة لمزيد من تحمل الآلات لجعل اللحامات EB. أيضا ، هناك احتمال لتبخر معادن ضغط بخار عالية أثناء اللحام.
المتغيرات من عملية EBW:
وتتناول الميزات التي نوقشت 80 الآن بشكل رئيسي إلى المدافع عالية الجودة نوع EBW. ومع ذلك ، فإن EBW عالي الكفاءة هو إنتاج منخفض وعملية عالية التكلفة. وبالتالي ، يتم استخدامه في لحام المكونات الحرجة للغاية أساسا من المعادن التفاعلية. هناك نوعان مختلفان أو نمطان من العملية الرئيسية أي ، وفاكس متوسط بضغط منخفض وغير EBW.
1. متوسط فراغ EBW:
في حين يتم تنفيذ EBW الفراغ العالي في نطاق ضغط يتراوح من 10-3 إلى 10 -6 تور ، يستخدم المكنسة الكهربائية المتوسطة الحجم ذات الضغط المتوسط نطاق ضغط يتراوح من 10 إلى 25 طن. ضمن هذه الحدود ، يُشار إلى نطاق الضغط بين 10-3 و 1 torr ب "الفراغ الناعم أو الجزئي" ومن 1 إلى 25 torr يطلق عليه "الفراغ السريع". تحتفظ عملية الفراغ المتوسط بمعظم مزايا اللحام بالفراغ العالي وبقدرة إنتاجية محسنة.
في مسدس متوسط الكثافة EBW يتم توليد الحزمة في فراغ عالي ثم يتم عرضها في غرفة اللحام مع فراغ ناعم أو سريع ، كما هو موضح في الشكل 14.14. ويتم تحقيق ذلك من خلال فتحة كبيرة بما يكفي لتمرير الحزمة ولكن لا تسمح بنشر الغازات من غرفة إلى عمود البندقية.
من المزايا الرئيسية للضغط المتوسط للضغط المنخفض (EBW) أن متطلبات ضخ الفراغ يتم تخفيضها بشكل كبير مما يؤدي إلى مكاسب عالية من الناحية التجارية والاقتصادية. هذا البديل مناسب بشكل مثالي لمهام الإنتاج الضخم ، على سبيل المثال ، يمكن أن يتم لحام المسنن بنجاح إلى أعمدة في حالة تشكيله النهائي دون الحاجة إلى أي عملية تشطيب لاحقة مع الحفاظ على التفاوتات القريبة.
نظرًا لوجود هواء معزّز في وضع الفراغ المتوسط (100 جزء في المليون) ، فإن العملية أقل إرضاءً من اللحام بالفراغ العالي للمعادن التفاعلية. ومع ذلك ، فقد وجدت هذه العملية مناسبة لحام المعادن الحرارية حيث يمكن تحمل امتصاص كميات صغيرة من الأكسجين والنيتروجين.
2. غير الفراغ EBW :
يتم لحام غير فراغ في الضغط الجوي على الرغم من أن يجب أن تعقد بندقية EB في الضغط من 10 - 4 تور أو أقل لحام مستقرة وفعالة.
يتم إخراج الـ EB في اللحام غير الفراغي من نظام الفراغ من خلال سلسلة من الغرف التي تم إخلاؤها مع فتحات صغيرة ، كما هو موضح في الشكل 14.15 ، بطريقة تقلل من تدفق الغازات الجوية إلى عمود البندقية. يمكن ملء غرفة العمل بالهيليوم حيث أنها توفر عوائق أقل للتيار الكهربي (EB) وتعطي شكلاً أفضل للاختراق مما يتم الحصول عليه باستخدام الأرجون أو الهواء في الجو. أيضا ، من أجل اختراق معين ووقوع مدفع الهليوم من البنادق إلى العمل يسمح لحام في سرعة لحام أعلى بكثير.
كلما زاد الجهد الكهربائي المتسارع كلما ازدادت حركة الحزمة في الغاز عند الضغط الجوي والجهود من 150 إلى 175 كيلوفولت. وبصرف النظر عن الجهد المتسارع ، قوة الشعاع ، وسرعة السفر ، والبندقية إلى مسافة العمل ، وغاز التدريع من المتغيرات العملية الهامة. يوضح الشكل 14.16 تغلغل اللحام كدالة لسرعة السير لثلاثة مستويات مختلفة من القدرة للـ EBW غير الفراغي مما يشير إلى الزيادة الكبيرة في سرعة السير عن طريق زيادة القدرة على اختراق معين.
تظهر النفايات غير الفراغية (EBW) المزيد من الاختراق عند مستوى القدرة فوق 50 كيلوواط مما جعل من الممكن لحام الفولاذ بأكثر من 25 مم مع نوع ثقب المفتاح الذي يتميز بخاصية الاختراق المبسط (EBW) ؛ هذا يساعد أيضا في اللحام بسرعة أكبر عدة مرات من تلك اللحام بالقوس المغمور.
وتتمثل الميزة الرئيسية للنظام غير الفراغي في السماح باستمرار العمل عند الضغط الجوي مما يؤدي إلى ارتفاع معدلات الإنتاج بتكاليف منخفضة. أيضا ، قد لا تكون محدودة حجم اللحام من قبل الغرفة. ومع ذلك ، يتم الحصول على هذه المزايا على حساب انخفاض نسب اللحام إلى عرض العرض ، وانخفاض اختراق اللحام والمسافات الصغيرة بين البنادق إلى العمل.
وتشمل المواد التي يمكن لحامها من خلال نظام EBW غير الفراغي ، الكربون ، سبيكة منخفضة ، والصلب غير القابل للصدأ ، والسبائك ذات درجة الحرارة العالية ، والسبائك المقاومة للحرارة ، وكذلك سبائك النحاس والألومنيوم. يمكن لحام بعض هذه المعادن في الهواء بينما يحتاج البعض الآخر إلى جو خامل يتم الحصول عليه عادة باستخدام الأرجون أو الهيليوم كغاز التدريع.
تطبيقات لحام شعاع الالكترون (EBW):
جميع المعادن والسبائك التي يمكن دمجها ملحومة بعمليات أخرى ، يمكن ، كقاعدة عامة ، أن تلحم بـ EBW كذلك. وقد تشمل هذه الأنواع الفولاذ الإنشائي ، والفولاذ الصلب الصلب ، والفولاذ المقاوم للصدأ ، والتيتانيوم ، والزركونيوم ، والتنغستن ، والموليبدينوم ، والبريليوم ، والرينيوم ، والتنتالوم ، والكولومبيوم. يمكن أيضًا لحام مجموعات المعادن المتباينة المتوافقة مع المعادن. ومع ذلك ، يستخدم EBW بشكل رئيسي في التطبيقات التي تنطوي على دقة عالية ومعدل إنتاج مرتفع.
تتطلب التطبيقات عالية الدقة اللحام في بيئة عالية النقاء لتجنب التلوث بسبب الأكسجين الجوي والنيتروجين. مثل هذه التطبيقات هي المطلب الرئيسي للصناعات النووية والطائرات والفضاء الجوي والصناعات الإلكترونية. وتشمل المنتجات النموذجية التي تنتجها هذه العملية عناصر الوقود النووي ، ومكونات المحركات النفاثة الخاصة ، وأوعية الضغط لأنظمة الدفع الصاروخية ، والأجهزة الفراغية محكمة الإغلاق مثل إغلاق الترانزستورات ، والمفاتيح الصغيرة ، إلخ.
تشمل الأمثلة النموذجية لتطبيقات معدل الإنتاج المرتفع مكونات مثل التروس ، الإطارات ، أعمدة التوجيه ، أجزاء نقل الحركة والوقوف من السيارات ، أنابيب رقيقة الجدران ، اللحام من الصلب عالي السرعة إلى المنشار الحار وشفرات المنشار الكهربائي.
الأشكال الخاصة التي تتطلب اختراق عميق مثل تلك الموضحة في الشكل 14.12 ممكنة فقط مع EBW. يوضح الشكل 14.13 أنواعًا من المفاصل الفريدة لحام اللحام بالإلكترون ؛ لحام في العطلة ، لحام T- المشتركة مع مفاصل متعددة سبايك واللحام في وقت واحد.
معظم اللحامات في EBW مصنوعة بدون معدن حشو. ومع ذلك ، إذا تم إنتاج أو عدم ملئ الشكل غير الملائم للخرز ، فيمكن تصحيحه عن طريق بطاقة تجميلية لاحقة بشرط ألا يتم تشكيل قطعة العمل بعد اللحام. ويتم ذلك عن طريق تجاوز حبة اللحام مرة أخرى باستخدام حزمة طاقة منخفضة مع إما تدور شعاع أو نسج تطبيقها بواسطة لفائف انحراف.
تتضمن بعض التطبيقات الصناعية المحددة للـ EBW لحام التروس العنقودية ، دوار ضاغط التيتانيوم ، وعمود الطاقة لمحرك التوربين الغازي ، وحاقن محرك الصاروخ المصنوع من سبائك الألومنيوم 5083 ، وأجهزة التسخين الحراري ، ولانضمام المكونات المعدنية ذات درجة الحرارة العالية مثل منفاخ الكولومبيوم. .
