EBW: Equipement, conception commune et applications
Après avoir lu cet article, vous apprendrez: - 1. Introduction au soudage par faisceau électronique (EBW) 2. Équipement requis pour le soudage par faisceau électronique (EBW) 3. Caractéristiques du processus 4. Conception et préparation du joint de soudure 5. Caractéristiques et qualité de la soudure 6. Variantes 7. Applications.
Introduction à la soudure par faisceau d'électrons (EBW) :
La fin de la Seconde Guerre mondiale a marqué le début d’une course aux nations pour la suprématie dans l’espace et la recherche nucléaire. Cela nécessitait l'utilisation de métaux réactifs (comme le titane et le zirconium) et réfractaires (comme le tungstène, le molybdène et le tantale). La jonction de ces métaux par les procédés de soudage par fusion alors établis a entraîné l'absorption rapide de l'oxygène, de l'azote et de l'hydrogène par les métaux réactifs au cours des cycles de soudage et de post-soudage, ce qui a entraîné une ductilité réduite.
La fusion et la recristallisation des métaux réfractaires, en revanche, ont élevé la plage de température de transition ductile à fragile au-dessus de la température ambiante. En raison de ces inconvénients, il était nécessaire de souder ces métaux à des pressions de 10 -4 torr ou moins pour obtenir les soudures de qualité souhaitée, ce qui a conduit au développement du soudage par faisceau d'électrons.
Le soudage par faisceau d'électrons (EBW) est un processus dans lequel un faisceau d'électrons est amené à frapper la surface de travail pour le chauffer à l'endroit souhaité. En tant qu'électron, on entend une particule très petite d'un rayon de 2, 82 × 10-12 mm et d'une masse de 9, 109 × 10-28 g; il ne peut donc pas parcourir une distance importante dans l'air ou dans d'autres gaz. La création de vide est donc une condition essentielle pour qu'un faisceau d'électrons se matérialise dans la direction souhaitée.
Cependant, lorsque le niveau requis de vide est créé, le faisceau d'électrons peut parcourir des distances assez longues et faire fondre tout métal ou céramique connu. Il s’agit donc d’un procédé qui a été mis en place pour fabriquer des métaux réactifs et réfractaires coûteux et difficiles à souder.
Equipement requis pour le soudage par faisceau d'électrons (EBW):
Le matériel utilisé pour EBW est relativement compact et comprend essentiellement deux pièces principales: le pistolet EBW et la chambre de travail. Selon les connexions électriques, le pistolet EBW peut être du type à accélération de travail ou du type à accélération automatique; et sur la base du système utilisé pour contrôler le courant du faisceau, le pistolet à accélération automatique peut être du type à soupape à diode ou du type à soupape à triode.
Selon l'ampleur du vide dans la chambre de travail, tous ces types de pistolets de soudage sont également classés dans les types à vide poussé, à vide moyen et sans vide. De même, sur la base de la tension utilisée pour accélérer la vitesse des électrons, les canons sont appelés types basse tension et haute tension. Ainsi, la classification générale des pistolets EBW peut être représentée comme indiqué à la Fig. 14.1.
Les composants principaux du canon EBW incluent la cathode ou le filament pour émettre des électrons, le système accélérateur d’électrons, les dispositifs de focalisation et de faisceau, le système de vision ou optique, et la chambre à vide ou de travail incorporant un système de traversée du travail et parfois des dispositifs de suivi de joint également inclus pour assurer des soudures de haute qualité sans défaut. La figure 14.2 donne une représentation schématique de la plupart des composants d'un pistolet EBW typique.
Caractéristiques du procédé de soudage par faisceau d'électrons (EBW):
Les soudures produites par EBW ont une forme typique puisqu'elles sont formées d'une pénétration de la tête de clou qui la différencie de la pénétration au doigt du procédé de soudage à l'arc sous haute pression (GMAW) à courant élevé, comme illustré à la Fig. 14.4.
Ce type de pénétration à la tête de clou est obtenu grâce à un phénomène appelé «key-holing». Dans cette technique, le flux d'électrons pénètre dans la surface du travail à une distance d'environ 25 microns. Lorsque le flux d'électrons se déplace plus profondément dans le matériau, les électrons sont dispersés, ralentis et arrêtés par des collisions avec des atomes de la structure du matériau, ce qui entraîne le chauffage d'un volume en forme de poire.
La surface mince supérieure non affectée se rompt alors, entraînant l’ouverture d’un canal qui libère la pression interne élevée ainsi que la formation d’un flux rapide de matériaux évaporés. Le matériau qui s'échappe maintient le canal ouvert. Ce processus est répété dans les couches suivantes de la pièce jusqu'à pénétration profonde. Un trou de vapeur avec des parois en fusion, représenté à la Fig. 14.5, est obtenu en dépensant l'énergie du faisceau.
Le métal en fusion de la partie avant du trou de vapeur s'écoule autour de sa périphérie et se solidifie à l'arrière pour former un métal de soudure lorsque la poutre avance le long de la ligne de soudure. Par conséquent, la pénétration est beaucoup plus profonde que la largeur de la soudure et la zone affectée par la chaleur est très étroite; par exemple, la largeur d'une soudure bout à bout à pénétration complète dans une plaque d'acier de 13 mm d'épaisseur peut être aussi petite que 1 à 5 mm. Le rapport largeur / pénétration jusqu'à 50, dans les soudures en acier, aurait été atteint.
La dépendance du mécanisme de perforation vis-à-vis de la formation de vapeur et de la tension superficielle signifie que les métaux diffèrent par la facilité avec laquelle ils peuvent être pénétrés par le faisceau d'électrons. Il est rapporté que la pénétration augmente lorsque la chaleur de formation de vapeurs diminue. Cela explique pourquoi le tungstène est plus difficile à pénétrer que l'aluminium. La pénétration dans EBW est également inversement proportionnelle au point de fusion et à la conductivité thermique et proportionnelle à la racine carrée de la diffusivité thermique du matériau à souder.
Conception et préparation des joints de soudure pour EBW:
Les joints généralement réalisés par le procédé EBW, comme illustré à la Fig. 14.11, comprennent les types bout à bout, coin, recouvrement, bord et Té ou leurs modifications pour s'adapter à des applications particulières, en utilisant une préparation de bord carré. Les soudures d'angle normales sont difficiles à souder et sont donc généralement évitées.
La préparation des arêtes carrées nécessite l’utilisation d’appareils pour maintenir les éléments de travail dans l’alignement requis; Toutefois, lorsque les montages doivent être évités, l'articulation peut être modifiée en type de feuillure, comme illustré à la Fig. 14.11 (b). Cela garantit également l'auto-alignement.
Si vous souhaitez augmenter la surface du métal soudé, comme dans le cas de l'assemblage de tubes minces, les bords peuvent être marqués. Cependant, il est plus difficile de préparer et d’ajuster les bords du foulard. Les filets de rive, de couture et de recouvrement sont principalement utilisés pour joindre des tôles uniquement.
La contamination du métal fondu est susceptible de provoquer une porosité ou une fissuration ainsi qu'une détérioration des propriétés mécaniques. Il est donc impératif de nettoyer le joint à fond avant l’aménagement et l’alignement. L'acétone est un solvant préféré pour nettoyer les composants pour EBW; Cependant, l'acétone étant très inflammable, il faut le manipuler avec beaucoup de soin.
Pour éviter une fusion incomplète ou incomplète, les joints doivent être soigneusement préparés pour permettre un bon ajustement et un bon alignement. L’écart entre les surfaces en contact doit être aussi réduit que possible, avec un maximum de 0, 125 mm; Cependant, les alliages d'aluminium peuvent tolérer des interstices un peu plus grands que les aciers.
Normalement, EBW n'utilise aucun métal d'apport, le joint de soudure est donc choisi en conséquence. Cependant, parfois, du métal d'apport est ajouté pour remplir le joint lors d'un second passage ou passage cosmétique afin d'obtenir une épaisseur totale. L'équipement d'alimentation en fil d'apport est généralement similaire à celui utilisé pour le soudage à l'arc au tungstène sous gaz, bien que des besoins spécifiques puissent nécessiter l'utilisation d'unités spécialement conçues pour être utilisées dans des chambres à vide. Les diamètres des fils d'apport sont généralement faibles, avec un maximum d'environ 0 à 5 mm. Le fil est introduit dans le bord d'attaque du petit bain de soudure.
Parfois, un métal d'apport peut être ajouté pour obtenir les caractéristiques physiques ou métallurgiques souhaitées du métal fondu; les caractéristiques ainsi contrôlées peuvent inclure la ductilité, la résistance à la traction, la dureté et la résistance à la fissuration. L'ajout d'une petite quantité de fil d'aluminium ou de cale d'épaisseur, par exemple, peut entraîner la production d'acier tué et réduire la porosité.
Caractéristiques de soudage et qualité de EBW:
En raison des rapports de pénétration sur la largeur élevés des soudures EB, deux avantages distincts en découlent: des plaques relativement épaisses peuvent être soudées en un seul passage et des vitesses de soudage bien supérieures à celles pouvant être atteintes en soudage à l'arc.
Un certain nombre de métaux peuvent être soudés pour obtenir un rapport profondeur / largeur allant jusqu'à 50. Avec la préparation de bords carrés, des plaques d'aluminium d'une épaisseur allant jusqu'à 450 mm peuvent être soudées en un seul passage, mais dans l'acier, l'épaisseur correspondante est généralement limitée à 300 mm .
Le procédé EBW à vide poussé est un excellent outil pour souder des métaux dissemblables d'épaisseurs différentes ainsi que pour le soudage de réparation de composants impossibles à récupérer par d'autres procédés. Généralement, aucun préchauffage n'est requis, même pour le soudage, avec des matériaux à haute conductivité, avec EBW.
Même si EBW est un processus à haute densité de puissance, l’apport d’énergie par unité de longueur est faible, comme le montre le tableau 14.3. Cette caractéristique du procédé conduit à deux avantages, à savoir: elle réduit la taille de la zone affectée par la chaleur et minimise la distorsion. Le métal de soudure dans les soudures EB a des propriétés mécaniques normalement similaires à celles du métal de base.
Les variables de processus peuvent être contrôlées pour atteindre un degré élevé de fiabilité et de reproductibilité dans les assemblages soudés. Toutefois, par rapport aux procédés de soudage à l'arc, des tolérances d'usinage plus strictes sont requises pour la fabrication de soudures EB. Il existe également une probabilité d'évaporation des métaux à haute pression de vapeur pendant le soudage.
Variantes de processus EBW:
Les caractéristiques les plus discutées concernent principalement les pistolets EBW du type à vide poussé. Cependant, EBW à vide poussé est un processus de production peu coûteux et coûteux. Ainsi, il est utilisé pour le soudage de composants très critiques, principalement des métaux réactifs. Il existe deux variantes ou modes du processus principal, à savoir EBW à vide moyen et EBW non vide.
1. Aspiration moyenne EBW:
Tandis que l'EBW sous vide poussé est réalisé dans une plage de pression allant de 10 -3 à 10 -6 torr, le EBW à vide moyen utilise une plage de pression allant de 10 -3 à 25 torr. Dans ces limites, la plage de pression comprise entre 10 -3 et 1 torr est appelée "vide partiel ou partiel" et entre 1 et 25 torr, elle est appelée "vide rapide". Le procédé sous vide moyen conserve la plupart des avantages du soudage sous vide poussé et offre une capacité de production améliorée.
Dans un pistolet EBW à vide moyen, le faisceau est généré sous vide poussé puis projeté dans la chambre de soudage avec un vide faible ou rapide, comme indiqué sur la figure 14.14. Cela se fait par un orifice suffisamment large pour laisser passer le faisceau mais ne permet pas une rétrodiffusion importante des gaz de la chambre à la colonne du canon.
L’atout majeur de l’EBW à vide moyen réside dans le fait que les besoins en pompage à vide sont considérablement réduits, ce qui se traduit par des gains élevés en termes commerciaux et économiques. Cette variante est parfaitement adaptée aux tâches de production de masse. Par exemple, les engrenages peuvent être soudés avec succès aux arbres dans leur état d'usinage final sans aucune opération de finition ultérieure, tout en maintenant des tolérances proches.
En raison de la présence accrue d'air dans le mode sous vide moyen (100 ppm), le processus est moins satisfaisant que le soudage sous vide poussé pour les métaux réactifs. Cependant, ce procédé s'avère approprié pour le soudage de métaux réfractaires, dans lequel l'absorption de petites quantités d'oxygène et d'azote peut être tolérée.
2. EBW non vide :
Le soudage sans vide est effectué à la pression atmosphérique, mais le pistolet EB doit être maintenu à une pression de 10 à 4 torr ou moins pour un soudage stable et efficace.
Le système EB en soudage sans vide est évacué du système à vide par une série de chambres sous vide à petites ouvertures, comme indiqué à la Fig. 14.15, de manière à minimiser l'écoulement des gaz atmosphériques dans la colonne du pistolet. La chambre de travail peut être remplie d’hélium car elle obstrue moins l’EB et donne une meilleure forme de pénétration que celle obtenue avec de l’argon ou de l’air sous forme d’atmosphère. En outre, pour une pénétration donnée et une distance entre le pistolet et le bras de travail, le blindage à l'hélium permet de souder à une vitesse de soudage nettement supérieure.
Plus la tension d'accélération est élevée, plus le faisceau se déplace dans le gaz à la pression atmosphérique et des tensions de 150 à 175 KV sont utilisées. Outre la tension d'accélération, la puissance du faisceau, la vitesse de déplacement, la distance entre le pistolet et le travail et le gaz de protection sont des variables de processus importantes. La figure 14.16 montre la pénétration de la soudure en fonction de la vitesse de déplacement pour trois niveaux de puissance différents d'un EBW non vide, indiquant l'augmentation significative de la vitesse de déplacement par augmentation de la puissance pour une pénétration donnée.
EBW sans vide montre une pénétration plus importante à un niveau de puissance supérieur à 50 KW, ce qui a permis de souder de l’acier de plus de 25 mm d’épaisseur avec un type de pénétration en trou de serrure caractéristique de l’EBW; Cela aide également à souder à des vitesses beaucoup plus élevées que celles réalisables avec le soudage à l'arc sous flux.
Le principal avantage du système sans vide est que le travail est autorisé à rester à la pression atmosphérique, ce qui entraîne des taux de production plus élevés et des coûts réduits. De plus, la taille de la soudure ne peut pas être limitée par la chambre. Cependant, ces avantages sont acquis aux dépens de faibles ratios de profondeur de soudure par rapport à la largeur, d'une pénétration réduite de la soudure et de faibles distances entre le pistolet et le travail.
Les matériaux pouvant être soudés par le système EBW sans vide comprennent les aciers au carbone, les aciers faiblement alliés et les aciers inoxydables, les alliages à haute température, les alliages réfractaires ainsi que les alliages de cuivre et d'aluminium. Certains de ces métaux peuvent être soudés à l'air alors que d'autres nécessitent une atmosphère inerte généralement obtenue par l'utilisation d'argon ou d'hélium comme gaz de protection.
Applications du soudage par faisceau d'électrons (EBW):
Tous les métaux et alliages pouvant être soudés par fusion par d'autres procédés peuvent également l'être par EBW. Ceux-ci peuvent inclure des aciers de construction, des aciers à activité dure, des aciers inoxydables, du titane, du zirconium, du tungstène, du molybdène, du béryllium, du rhénium, du tantale et du columbium. Des combinaisons de métaux différents, compatibles du point de vue métallurgique, peuvent également être soudées. Cependant, EBW est principalement utilisé pour des applications impliquant une haute précision et une cadence de production élevée.
Les applications de haute précision nécessitent un soudage dans un environnement de grande pureté afin d'éviter toute contamination due à l'oxygène et à l'azote atmosphériques. De telles applications sont la principale exigence des industries nucléaires, aéronautiques, aérospatiales et électroniques. Les produits typiques de ce processus comprennent les éléments de combustible nucléaire, les composants de moteurs à réaction en alliage spéciaux, les réservoirs sous pression pour les systèmes de propulsion de fusées et les dispositifs de vide hermétiquement fermés tels que l’étanchéité des transistors, des micro-interrupteurs, etc.
Les exemples typiques d’applications à taux de production élevé incluent des composants tels que des engrenages, des cadres, des colonnes de direction, des pièces de transmission et de transmission d’automobiles, des tubes à paroi mince, le soudage d’acier rapide à la scie à ruban et les lames de scies mécaniques.
Les formes spéciales exigeant une pénétration profonde comme celles illustrées à la Fig. 14.12 ne sont possibles qu'avec EBW. La figure 14.13 montre les types de joints uniques au soudage par faisceau d'électrons; souder dans une cavité, souder un joint en T avec une pointe et souder plusieurs joints simultanément.
La plupart des soudures dans EBW sont réalisées sans métal d'apport. Toutefois, si un bourrelet ou une forme défavorable est créé, il peut être corrigé par une passe cosmétique ultérieure, à condition que la pièce ne soit pas usinée après le soudage. Ceci est fait en repassant le cordon de soudure en utilisant un faisceau de puissance inférieure avec soit un spin du faisceau, soit un tissage appliqué par les bobines de déviation.
Parmi les applications industrielles spécifiques d’EBW figurent le soudage d’engrenages en grappes, le rotor de compresseur en titane et l’arbre de puissance d’un moteur à turbine à gaz, un injecteur de moteur-fusée en alliage d’aluminium 5083, des dispositifs de chauffage thermoioniques et le raccordement de composants métalliques à haute température comme le soufflet en columbium .
