Tarea de Manufactura Nº2

Isabel Sánchez

8-872-2437

Soldadura por haz de electrones

La soldadura por haz de electrones es un método que utiliza una corriente concentrada de electrones generados por un filamento y dirigida a la unión que debe soldarse. El calentamiento está muy localizado y la mayor parte del conjunto permanece fría y estable. Esto da como resultado una soldadura muy estrecha con una zona afectada térmicamente muy reducida. No es necesario utilizar metal de aporte debido a que se funde el metal de base del conjunto. Debido a que este método requiere una visibilidad directa, no es posible soldar alrededor de esquinas o ángulos reentrantes. Se pueden obtener profundidades de soldadura de hasta 30 mm y el control informatizado garantiza una mínima dependencia del operador, proporcionando así una buena reproducibilidad a lo largo de un lote de componentes, a pesar de que se trata de un proceso de piezas elementales. Dado que el aporte de calor es muy localizado, es posible soldar componentes sometidos anteriormente a t ratamiento térmico; es un método muy económico para la producción de árboles de transmisión compuestos con, por ejemplo, un engranaje cementado en caja en un árbol templado y revenido.

Aplicaciones y materiales

Aeroespacial

Componentes de reactores Piezas de estructuras

En funcionamiento normal, las aspas del ventilador de motores a reacción están sujetos a daños por objetos extraños (DOE) y la erosión. Una alternativa efectiva de costo para nuevas piezas de recambio es reparar las cuchillas dañadas o desgastadas. En una reparación típica aspa del ventilador, la sección de borde delantero dañado se retira y un "parche" es un haz de electrones soldada en su lugar. El proceso de soldadura por haz de electrones, que se realiza en el vacío, es ideal para la prevención de la oxidación y el mantenimiento de las propiedades del material de la pala del ventilador de titanio. En el paso final, el parche se mecaniza y contorneada a la forma original.

Piezas de transmisión

Engranajes cónicos espirales son componentes críticos de vuelo utilizados en sistemas de accionamiento de helicópteros y motores de aviación. Estas piezas, que giran a altas velocidades y operan a altas cargas, requieren soldaduras prácticamente libre de defectos. NADCAP aprobó soldadura por haz de electrones es el proceso de elección de los engranajes aeroespaciales

Sensores

Generación de energía

Automotriz

Piezas de transmisión

La unión de los portadores de embrague a conjunto de ejes y para que suene engranajes son aplicaciones de soldadura típicas en las transmisiones automáticas modernas 6 y 8 velocidades. Con el proceso de soldadura por haz de electrones cada soldadura puede se le da "forma" con un generador de patrones. Esto se realiza según sea necesario para lograr el equilibrio adecuado entre cubrir tolerancias típicas en la producción en masa (donde soldaduras más amplias son más deseables) y manteniendo la distorsión térmica de los componentes en un mínimo (más estrecho de soldadura es posible).

Engranajes Piezas de turbocompresores

Nuclear

Carcasas de combustible Piezas estructurales Válvulas Instrumentos

Beneficios

Baja entrada de calor en las partes soldadas; Distorsión mínima; Zona de fusión (MZ) y zona afectada por el calor (HAZ) limitadas; Penetración profunda de la soldadura de entre 0,05 mm y 200 mm (0,002" a 8")

en un solo paso; Alta velocidad de soldadura; Soldadura de todos los metales, incluso metales con alta conductividad térmica; Soldadura de metales con puntos de fusión diferentes; El proceso de vacío se produce en un entorno limpio y reproducible; Proceso de soldadura natural para los materiales que requieren mucho oxígeno

como el titanio, el circonio y el niobio;

Proceso de mecanizado garantizado para la fiabilidad y reproducibilidad de las condiciones de funcionamiento;

Proceso de soldadura rentable para grandes producciones en modo automático, y En su mayoría, las piezas se pueden utilizar en la condición de soldadura: no se

requiere mecanizado secundario.

Aluminio y sus aleaciones:

La soldadura por haz de electrones es una técnica muy aconsejable para soldar estos metales debido a que la alta energía de los electrones, elimina fácilmente la capa de óxido de aluminio que los recubre, mejorando la soldabilidad y reduciendo la porosidad. Mediante EBW, es posible alcanzar profundidades de soldadura de hasta 200 mm y más mediante varias pasadas.

Cobre y sus aleaciones:

La mayoría de las aleaciones de cobre excepto el latón y la alpaca son relativamente fácilmente soldables por EBW. La alta densidad de energía del haz de electrones hace posible soldar cobre sin necesidad de precalentarlo inclus hasta 50 mm de profundidad de una sola pasada.

Metales refractarios y reactivos:

Metales de alto punto de fusión son soldables mediante EBW debido a la densidad de energía del haz. El hecho de que la soldadura por haz de electrones se realice en condiciones de vacío, facilita la soldadura de metales reactivos como el titanio que pueden ser soldados sin que se produzcan problemas por oxidación, formación de carburos o fragilización por hidrógeno. Por estos motivos, componentes críticos para la seguridad de aleaciones de titanio en el sector aeronáutico son soldados mediante EBW.

Zirconio y niobio, son materiales que reaccionan rápidamente con los gases del ambiente, y que son utilizados en instalaciones nucleares y en aceleradores de altas energías. Por este motivo EBW es generalmente la única técnica de soldeo que permiten estos materiales.

Por los mismos motivos, tántalo, iridio, vanadio y sus aleaciones, son soldados satisfactoriamente por haz de electrones.

Acero y aleaciones ferrosas.

La mayoría de los aceros soldables por técnicas convencionales de fusión son soldables por EBW. En particular, la estrecha zona afectada por el calor que produce la soldadura por haz de electrones, y la ausencia de hidrógeno al realizarse en vacío, hacen que puedan soldarse sin especiales precauciones. En particular, la soldadura de componentes de hierro dulce y hierro aleado con silice utilizadas en la industria de los transformadores y motores eléctricos, son fácilmente soldables por EBW.

Aceros altamente aleados, duplex y austeníticos.

El proceso de soldadura por haz de electrones al realizarse en vacío tiene unas considerables ventajas al realizarse en ausencia de oxígeno. Los aceros tipo duplex y austeníticos contienen nitrógeno, por ello es necesario un control de los parámetros de soldeo previo para minimizar el riesgo de porosidades debidas al nitrógeno particularmente en los aceros duplex.

Descripción: Diferencias entre la soldadura tradicional y la Soldadura por haz de electrones.

Soldadura por haz de láser

Descripción: Soldadura por haz de láser. Imagen descriptiva de cómo se desenvuelve dicho proceso

Descripción: Imagen descriptiva sobre la HAZ (Heat Affected Zone) o ZAT (Zona Afectada Térmicamente) en español en una soldadura convencional vs por haz de láser.

La soldadura por rayo láser es un proceso de soldadura por fusión que utiliza la energía aportada por un haz láser para fundir y recristalizar el material o los materiales a unir, obteniéndose la correspondiente unión entre los elementos involucrados. En la soldadura láser comúnmente no existe aportación de ningún material externo y la soldadura se realiza por el calentamiento de la zona a soldar, y la posterior aplicación de presión entre estos puntos.

Mediante espejos se focaliza toda la energía del láser en una zona muy reducida del material. Cuando se llega a la temperatura de fusión, se produce la ionización de la mezcla entre el material vaporizado y el gas protector. La capacidad de absorción energética del plasma es mayor incluso que la del material fundido, por lo que prácticamente toda la energía del láser se transmite directamente y sin pérdidas al material a soldar.

La alta presión y alta temperatura causadas por la absorción de energía del plasma, continúa mientras se produce el movimiento del cabezal arrastrando la gota de plasma rodeada con material fundido a lo largo de todo el cordón de soldadura.

De ésta manera, gracias a la soldadura por haz láser se consigue un cordón homogéneo dirigido a un pequeño área de la pieza, con lo que se reducen así las posibilidades de alterar propiedades químicas y/o físicas del material soldado.

Posicionamientos

Para el proceso de soldadura por haz láser y en función de la aplicación se pueden utilizar diferentes posicionamientos de las piezas a soldar.

Soldadura en extremos: Se aplica el haz láser en la zona intermedia entre dos piezas de espesor entre 1 y 6 mm, la zona de unión ofrecerá más resistencia a la tracción incluso que el material primitivo.

Soldadura solapada: El láser se aplica sobre la superficie superior de una de las piezas cuyo espesor no debe superar 3 mm. La soldadura debido a la penetración, alcanza la pieza inferior uniendo así las dos.

Soldadura en T: El funcionamiento es similar al anterior método con la particularidad del posicionado de la pieza inferior

Aplicaciones

Automóviles

- Soldadura de la carrocería, componentes del motor

Ferrocarril

- Componentes del chasis

Naval

- Paneles estructurales, radiadores

Aeronáutico

- Soldadura de materiales disimilares y aleaciones ligeras

Electrónico

- Mediante procesos de microsoldadura se pueden soldar los contactos de los relés

Óptica

- La aplicación de microsoldadura permite la reparación de las gafas, incluso en monturas de titanio.

Ventajas

· El láser, al ser luz, no tiene inercia, favoreciendo arranques y paradas rápidas.

· Alta localización de la energía y bajo aporte térmico.

· La deformación de las piezas es menor.

· Alta velocidad de soldadura y buena penetración.

· Se consiguen cordones de alta calidad con altas resistencias de tracción y fatiga.

· No es necesario el uso de electrodos y el material de aporte es opcional.

· Se puede acceder a zonas difíciles de alcanzar con otras técnicas.

· Puede usarse en el soldeo de materiales difíciles, como por ejemplo el titanio

Laser Beam vs. Electron Beam Welding Which process works best for what? LBW – Simpler Tooling and Shorter Cycle Times

Laser welding energy sources utilize either a continuous wave (CW) or pulsed output of photons. With CW systems, the laser beam is always on during the welding process. Pulsed systems are modulated to output a series of pulses with an off time between those pulses. With both methods, the laser beam is optically focused on the workpiece surface to be welded. These laser beams may be delivered directly to the part via classical hard-optics, or through a highly flexible fiber optic cable capable of delivering the laser energy to distant workstations.

It is the high energy density of the laser that allows the surface of the material to be brought to its liquidus temperature rapidly, allowing for a short beam interaction time compared to traditional welding methods such as GTAW (TIG welding) and similar processes. Energy is thus given less time to dissipate into the interior of the workpiece. This results in a narrow heat-affected zone and less fatigue debit to the component.

Beam energy output can be highly controlled and modulated to produce arbitrary pulse profiles. Weld seams may be produced by overlapping individual pulses, which reduces heat input by introducing a brief cooling cycle between pulses, an advantage for producing welds in heat sensitive materials.

EBW – Deeper Weld Penetration and Contamination Free

Widely accepted across many industries, EBW permits the welding of refractory and dissimilar metals that are typically unsuited for other methods. As shown in Figure 2, the workpiece is bombarded with a focused stream of electrons travelling at extremely high speed. The kinetic energy of the electrons is converted to heat energy, which in turn is the driving force for fusion. Usually no added filler material is required or used, and post -weld distortion is minimal. Ultra-high energy density enables deep penetration and high aspect ratios, while a vacuum environment ensures an atmospheric gas contamination-free weld that is critical for metals such as Figure 2. Electron Beam Welding titanium, niobium, refractory metals, and nickel-based super-alloys.

However, the main necessity for operating under vacuum is to control the electron beam precisely. Scattering occurs when electrons interact with air molecules; by lowering the ambient pressure electrons can be more tightly controlled.

Modern vacuum chambers are equipped with state-of-the-art seals, vacuum sensors, and high-performance pumping systems enabling rapid evacuation. These features make it possible to focus the electron beam to diameters of 0.3 to 0.8 millimeters.

By incorporating the latest in microprocessor Computer Numeric Control (CNC) and systems monitoring for superior part manipulation, parts of various size and mass can be joined without excessive melting of smaller components. The precise control of both the diameter of the electron beam and the travel speed allows materials from 0.001” to several inches thick to be fused together. These characteristics make EBW an extremely valuable technology.