ריתוך בקרן אלקטרונים

ריתוך בקרן אלקטרונים ( EBW ) הוא תהליך ריתוך/היתוך בו מופעלת קרן אלקטרונים במהירות גבוהה על שני חומרים שיחוברו.

כאשר האנרגיה הקינטית של האלקטרונים הופכת לחום בעת התהליך, שני סוגי החומר המעובד מותכים ומתערבבים . EBW מבוצע בדרך כלל בתנאי ואקום כדי למנוע פיזור של קרן האלקטרונים.

היסטוריהעריכה

ריתוך בקרן אלקטרונים פותח על ידי הפיזיקאי הגרמני קרל-היינץ שטייגרוולד בשנת 1949, [1] שעבד באותה עת על יישומי קרן אלקטרונים שונים. שטייגרוואלד הגה ופיתח את מכונת הריתוך האלקטרונית הראשונה, שהחלה לפעול בשנת 1958.[2] הממציא האמריקאי ג'יימס ט 'ראסל זכה בתואר של חלוץ תכנון וייצור מכונת הריתוך התעשייתית הראשונה בקרן אלקטרונים. [3] [4] [5]

 
רתכת אלומת אלקטרונים
 
ריתוך צר עמוק

פיזיקה של חימום בעזרת קרן אלקטרוניםעריכה

אלקטרונים הם חלקיקים אלמנטריים בעלי מסה m = 9.1 · 10 −31 ק"ג ומטען חשמלי שלילי e = 1.6 · 10 −19 ג. הם קיימים או קשורים לגרעין אטומי, כאלקטרוני הולכה בסריג האטומי של מתכות, או כאלקטרונים חופשיים בוואקום .

ניתן להאיץ אלקטרונים חופשיים בוואקום, כאשר נתיביהם נשלטים על ידי שדות חשמליים ומגנטיים. באופן זה יכולות להיווצר קרניים צרות של אלקטרונים הנושאות אנרגיה קינטית גבוהה, אשר בעת התנגשות האטומים במוצקים הופכת האנרגיה הקינטית שלהם לחום. ריתוך קרני אלקטרונים מספק תנאי ריתוך מצוינים מכיוון שהוא כולל:

  • שדות חשמליים חזקים, שיכולים להאיץ אלקטרונים למהירות גבוהה מאוד. לפיכך, קרן האלקטרון יכולה לשאת הספק גבוה, השווה לתוצר של זרם הקרן והמתח המואץ. על ידי הגדלת זרם הקרן והמתח המואץ, ניתן להגדיל את כוח הקרן לכל ערך רצוי.
  • באמצעות עדשות מגנטיות, שעל פיהן ניתן לעצב את הקרן לחרוט צר ולהתמקד בקוטר קטן מאוד. זה מאפשר לרתך בצפיפות כוח גבוהה מאוד על פני השטח. ערכי צפיפות ההספק בנקודת הפוקוס של הקרן יכולים להיות גבוהים בערכים של 4 10 -6 10 W / mm 2 .
  • עומקי חדירה רדודים בסדר גודל של מאיות מילימטר. זה מאפשר צפיפות הספק נפחית גבוהה מאוד, שיכולה להגיע לערכים בסדר גודל 5 10 -7 10 W / mm 3 . כתוצאה מכך, הטמפרטורה בנפח זה עולה במהירות רבה, 8 10 עד 10 10 K / s.

האפקטיביות של קרן האלקטרונים תלויה בגורמים רבים. החשובים ביותר הם התכונות הפיזיקליות של החומרים לריתוך, במיוחד הקלות בהן הם ניתנים להתכה או להתאדות בתנאי לחץ נמוך. ריתוך בקרן אלקטרונים יכול להיות כה אינטנסיבי, עד שיש לקחת בחשבון אובדן חומר עקב אידוי או רתיחה במהלך התהליך. בערכים נמוכים יותר של צפיפות כוח פני השטח בטווח של כ -3 10 רוחב / מ"מ 2 אובדן החומר על ידי אידוי זניח עבור מרבית המתכות, דבר הנוח לריתוך. בצפיפות הספק גבוהה יותר, החומר המושפע מהקרן יכול להתנדף לחלוטין תוך זמן קצר מאוד; זה כבר לא ריתוך בקרן אלקטרונים, זה למעשה תהליך הסרת חומר ועיבוד באמצעות קרן אלקטרונים תהליך הידוע בשם electron-beam machining. או עיבוד בקרן אלקטרונים .

היווצרות הקרןעריכה

קתודה - מקור האלקטרונים החופשיים
 
קתודות טונגסטן: רצועה - חוט

אלקטרונים מוליכים (אלה שאינם קשורים לגרעין האטומים) נעים בסריג קריסטלי של מתכות עם מהירויות המוגדרות על פי חוק גאוס ובהתאם לטמפרטורה. הם אינם יכולים לעזוב את המתכת אלא אם כן האנרגיה הקינטית שלהם (ב- eV) גבוהה מהמחסום הפוטנציאלי במשטח המתכת. מספר האלקטרונים שממלאים תנאי זה לפי חוק ריצ'רדסון. גדל באופן אקספוננציאלי עם עליית הטמפרטורה של המתכת,

כמקור אלקטרונים לרתוך בקרן אלקטרונים, על החומר לעמוד בדרישות מסוימות:

  • כדי להשיג צפיפות הספק גבוהה בקרן, צפיפות זרם הפליטה [A / mm 2 ], ומכאן טמפרטורת העבודה, צריכה להיות גבוהה ככל האפשר,
  • כדי לשמור על אידוי נמוך בוואקום, על החומר להיות בעל לחץ אדים נמוך מספיק בטמפרטורת העבודה.
  • הפולט חייב להיות יציב מכנית, לא רגיש כימית לגזים הנמצאים באטמוספירה (כמו חמצן ואדי מים),

תנאים אלה ואחרים מגבילים את בחירת החומר לפולט למתכות עם נקודות התכה גבוהות, כמעט לשניים בלבד: טנטלום וטונגסטן . עם קתודות טונגסטן, צפיפות זרם הפליטה שניתן להשיג היא כ 100  mA / mm 2, אך רק חלק קטן מהאלקטרונים הנפלטים לוקח חלק ביצירת קרן, תלוי בשדה החשמלי המופק על ידי האנודה ועל ידי בקרת מתח האלקטרודה. סוג הקתודה הנפוץ ביותר ברתכות בקרן אלקטרונים עשוי מפס טונגסטן, בעובי 0.05 מ"מ, כפי שמתואר באיור. הרוחב המתאים של הפס תלוי בערך הנדרש הגבוה ביותר של זרם הפליטה. לטווח התחתון של כוח הקרן, עד כ -2 קילוואט, רוחב w = 0.5 מ"מ מתאים.

האצת אלקטרונים, בקרת זרם
 
גנרטור לקרן אלקטרונים

אלקטרונים שנפלטים מהקתודה הם בעלי אנרגיה נמוכה מאוד, בערכים נמוכים של eV . כדי להעניק להם את המהירות הגבוהה הנדרשת, הם מואצים על ידי שדה חשמלי חזק המופעל בין הפולט לבין אלקטרודה אחרת, טעונה במטען חיובי כלומר האנודה. השדה המאיץ חייב גם לנווט באלקטרונים כדי ליצור "צרור" מתכנס צר סביב הציר. ניתן להשיג זאת על ידי שדה חשמלי בסמיכות למשטח הקתודה הפולטת שיש בו, תוספת רדיאלית כמו גם רכיב צירי, המכריח את האלקטרונים לכיוון הציר. בשל השפעה זו, קרן האלקטרונים מתכנסת לקוטר מינימלי כלשהו במישור קרוב לאנודה.

ליישומים מעשיים, הכוח של קרן האלקטרונים חייב להיות נשלט. ניתן להשיג זאת על ידי שדה חשמלי אחר המיוצר על ידי קתודה אחרת טעונה שלילית ביחס לראשונה.

החלק הזה של אקדח האלקטרונים צריך להיות בוואקום "גבוה", כדי למנוע "שריפת" הקתודה והופעת פריקות חשמל.

התמקדות

לאחר עזיבת האנודה, אין לקרן האלקטרונים צפיפות כוח מספקת לריתוך מתכות והיא צריכה לעבור תהליך מיקוד ניתן להשיג זאת באמצעות שדה מגנטי המיוצר על ידי זרם חשמלי בסליל גלילי.

 
עדשה מגנטית
מערכת הטיית הקרן
 
סלילי תיקון והסטה לקרן

כאמור לעיל, נקודת המפגש של הקרניים צריכה להיות ממוקדת בצורה מדויקת מאוד ביחס לנקודת חיבור החלקים שיש לרתך. זה נעשה בדרך כלל באופן מכני על ידי הזזת החומר העובד ביחס לאקדח האלקטרונים, אך לפעמים עדיף להסיט את הקרן. לרוב משמשת למטרה זו מערכת של ארבעה סלילים המוצבים באופן סימטרי סביב ציר האקדח שמאחורי עדשת המיקוד, שמייצרת שדה מגנטי בניצב לציר האקדח.

חדירת קרן אלקטרונים במהלך הריתוךעריכה

כדי להסביר את יכולתה של קרן האלקטרונים לייצר ריתוכים עמוקים וצרים, יש להסביר את תהליך ה"חדירה ", דרך התהליך שעובר אלקטרון "יחיד".

חדירת אלקטרונים

כאשר אלקטרונים מהקרן פוגעים במשטח מוצק, חלקם עשויים להיות מוחזרים כאלקטרונים מפוזרים לאחור, בעוד שאחרים חודרים אל פני השטח, שם הם מתנגשים עם חלקיקי המוצק. בהתנגשויות לא אלסטיות הם מאבדים את האנרגיה הקינטית שלהם. הוכח, הן תאורטית והן ניסויית, כי הם יכולים "לנוע" רק מרחק קטן מאוד מתחת לפני השטח לפני שהם מעבירים את כל האנרגיה הקינטית שלהם לחום. מרחק זה הוא פרופורציונלי לאנרגיה הראשונית שלהם וביחס הפוך לצפיפות המוצק. בתנאים המקובלים בתרגול הריתוך "מרחק התנועה" הוא בסדר גודל של מאיות מילימטר. עובדה זו מאפשרת, בתנאים מסוימים, חדירה מהירה של הקרן.

חדירת קרן האלקטרונים

תרומת החום של אלקטרונים בודדים קטנה מאוד, אך ניתן להאיץ את האלקטרונים במתח גבוה מאוד, ועל ידי הגדלת מספרם (זרם הקרן) ניתן להגדיל את כוח הקרן לכל ערך רצוי. על ידי מיקוד הקרן על לשטח בקוטר קטן על פני השטח של העובד, ערכי צפיפות ההספק במישור גבוהים והם: 104 עד 107 W/mm2. מכיוון שאלקטרונים מעבירים את האנרגיה שלהם לחום בשכבה דקה מאוד של המוצק, כפי שהוסבר לעיל, צפיפות הכוח בנפח זה יכולה להיות גבוהה ביותר. צפיפות הנפח של הכוח בנפח הקטן שבו הופכת האנרגיה הקינטית של האלקטרונים לחום יכולה להגיע לערכים בסדר גודל105 – 107 W/mm3 . כתוצאה מכך, הטמפרטורה בנפח זה עולה במהירות רבה, בקצב של 108 – 109 K/s.

השפעת קרני האלקטרונים בנסיבות כאלה תלויה בכמה תנאים, קודם כל בתכונות הפיזיקליות של החומר. כל חומר יכול להיות מותך, או אפילו להתאדות, תוך זמן קצר מאוד. בהתאם לתנאים, עוצמת האידוי עשויה להשתנות. בערכים נמוכים יותר של צפיפות בפני השטח (בטווח של 103 W/mm2 אובדן החומר על ידי אידוי זניח עבור מרבית המתכות, דבר הנוח לריתוך. בצפיפות הספק גבוהה יותר, החומר המושפע מהקרן יכול להתנדף לחלוטין תוך זמן קצר מאוד; זה כבר לא ריתוך בקרן אלקטרונים; זה בפועל תהליך עיבוד בקרן אלקטרונים .

 
צורות שונות של אזור מותך

ניסויים רבים ואינספור יישומים מעשיים של ריתוך בקרן אלקטרונים מוכיחים כי גודל וצורת האזור המושפע מהקרן תלויה ב:

(1) הספק הקרן - שהוא תוצר המתח המואץ [kV] וזרם הקרן [mA], פרמטרים ניתנים למדידה ולשליטה מדויקת.

(2) צפיפות ההספק במקום פגיעת הקרן בעובד תלויה בגורמים כמו גודל מקור האלקטרון בקתודה, והאיכות האופטית של העדשה החשמלית המואצת ומיקוד העדשה המגנטית

(3) מהירות הריתוך - בניית ציוד הריתוך אמורה לאפשר התאמה של מהירות התנועה היחסית של החומר ביחס לקרן בגבולות רחבים מספיק, למשל, בין 2 ל 50 מ"מ / שנייה.

(4) מאפייני חומר,

(5) גאומטריה (צורה ומידות) של החלקים לריתוך.

ההשפעה הסופית של קרן האלקטרונים תלויה בשילוב המסוים של פרמטרים אלה.

  • פעולת הקרן בצפיפות הספק נמוכה או לאורך זמן קצר מאוד מביאה להיתוך שכבת משטח דקה בלבד.
  • אלומה ממוקדת אינה חודרת, והחומר במהירות ריתוך נמוכה מחומם רק על ידי הולכת החום מפני השטח, ויוצר אזור מומס .
  • בצפיפות הספק גבוהה ובמהירות נמוכה, מיוצר אזור נמס עמוק ומעט חרוטי.
  • במקרה של צפיפות הספק גבוהה מאוד, הקרן (ממוקדת היטב) חודרת עמוק יותר, ביחס ישר להספק הכולל שלה.

תהליך הריתוךעריכה

 
ממברנות בעובי 0.05 מ"מ מרותכות

תכונת רתיכות החומרעריכה

בכל תהליכי הריתוך יש חשיבות מרכזית ליכולת החלק לעבור תהליך ריתוך. משמעות תכונה זו היא האפשרות להיתוך בחום, להתקררות והתמצקות, וחזרה למצב מכני ללא נזקים וסדקים.

לא כל החומרים ניתנים לריתוך באמצעות קרן אלקטרונים בוואקום. לא ניתן להחיל טכנולוגיה זו על חומרים עם לחץ אדים גבוה בטמפרטורת ההיתוך, כמו אבץ, קדמיום, מגנזיום ועל חומרים שאינם מתכתיים.

לצורך ריתוך חלקים בעלי קירות דקים, בדרך כלל יש צורך במתקני ריתוך מתאימים. אשר יבטיחו מגע מושלם של החלקים ולמנוע את תנועתם במהלך הריתוך. בדרך כלל יש לתכנן אותם באופן אינדיבידואלי לכל חומר עובד נתון.

ריתוך של שני חומרים שוניםעריכה

לעיתים לא ניתן לחבר שני רכיבי מתכת שונים על ידי ריתוך, כלומר להתיך חלק משניהם לאורך התפר, אם לשני החומרים יש תכונות שונות מאוד עלולות להיווצר תרכובות שבירות ובין-מתכתיות. לא ניתן לשנות מצב זה, אפילו לא באמצעות ביצוע הריתוך בתא וואקום, עקרון העבודה הוא לא להמיס את שני החלקים, אלא רק את החומר עם טמפרטורת ההיתוך הנמוכה יותר, ואילו החומר השני נשאר מוצק. היתרון של ריתוך בקרן אלקטרונים הוא ביכולת למקם את החימום לנקודה מדויקת ולשלוט בדיוק על האנרגיה הדרושה לתהליך. תא עם ערכי וואקום גבוהים משפר את ביצוע הריתוך.

בעיות ומגבלות אפשריותעריכה

 
סדקים לרתך

החומר שמותך על ידי הקרן מתכווץ במהלך הקירור. לאחר הקרור וההתמצקות עלולות להיגרם תוצאות לא רצויות כמו סדקים, עיוותים ושינויי צורה.

 
רתכת קרן אלקטרונים

מערכת הריתוךעריכה

מאז הפעלת המערכת הראשונה לריתוך בקרן אלקטרונים על ידי שטייגרוולד בשנת 1958, ריתוך בקרן האלקטרונים התפשט במהירות בכל ענפי ההנדסה בהם ניתן ליישם ריתוך. כדי לכסות את הדרישות השונות, תוכננו אינספור סוגי רתכות, שונים בבנייה, בנפח שטח העבודה, במניפולטורים לעבודה ובעוצמת הקרן. גנרטורים של קרני אלקטרונים (אקדחי אלקטרונים) המיועדים ליישומי ריתוך יכולים לספק לקרן הספק שנע בין כמה וואט ועד כמאה קילוואט. ניתן לממש "מיקרו-ריתוכים" של רכיבים זעירים, כמו גם ריתוכים עמוקים עד עומק 300 מ"מ (או אפילו יותר במידת הצורך). נפח תאי העבודה בוואקום בדרך כלל עשויים להיות בנפח של ליטרים ספורים בלבד, אך לשימושי תעשייה מיוחדים נבנו גם תאי ואקום בנפח של כמה מאות קוב.

הציוד לתהליך

  1. אקדח אלקטרונים, מייצר קרן אלקטרונים,
  2. תא עבודה, שמאופיין על ידי וואקום "נמוך" או "גבוה",
  3. מערכת הנעה לחלק העובד.
  4. אספקת חשמל ובקרה וניטור אלקטרוניקה.

אקדח אלקטרוניםעריכה

באקדח האלקטרונים האלקטרונים החופשיים מושגים באמצעות פליטה תרמית מרצועת מתכת חמה (או חוט). לאחר מכן הם מואצים ויוצרים קרן מתכנסת צרה על ידי שדה חשמלי המיוצר על ידי שלוש אלקטרודות: הרצועה הפולטת את האלקטרון, הקתודה המחוברת לקוטב השלילי של ספק הכוח הגבוה (המאיץ) (30 - 200 kV) והאלקטרודה המתח החיובי, האנודה. יש אלקטרודה שלישית הטעונה שלילית ביחס לקתודה, המכונה אלקטרודה Wehnelt או בקרת. הפוטנציאל השלילי שלו שולט בחלק האלקטרונים הנפלטים שנכנסים לשדה המאיץ, כלומר בזרם קרן האלקטרונים.

לתפקוד תקין של אקדח האלקטרונים, יש צורך להתאים את הקרן בצורה מושלמת ביחס לצירים האופטיים של העדשה החשמלית המאיצה ועדשת המיקוד המגנטית.

תא עבודהעריכה

מאז הופעתן של מכונות ריתוך בקרן אלקטרונים הראשונות בסוף שנות ה -50, היישום של ריתוך בקרן אלקטרונים התפשט במהירות לתעשייה ולמחקר בכל המדינות המפותחות ביותר. עד כה יוצרו ונמצאים בשימוש מכונות רבות ומגוונות לריתוך. רוב מכונות הריתוך מופעלות בתוך תאי ואקום.

תא העבודה בוואקום עשוי לכלול נפח רצוי, מכמה ליטרים ועד מאות מטרים מעוקבים. אקדחי קרן האלקטרונים מספקים הספק של עד 100 קילוואט, או אפילו יותר במידת הצורך. במכשירי קרן מיקרו-אלקטרונים ניתן לרתך במדויק רכיבים עם ממדים בגודל של עשיריות המילימטר. בתאי ריתוך עם הספקי קרן גבוהים ניתן לרתך עד לעומק 300 מ"מ.

ישנן גם מכונות ריתוך בהן אלומת קרן האלקטרונים מועברת מתא הואקום אל מחוץ לתא כדי לרתך מערכות גדולות מחוץ לתא.

אמצעי הנעת החלקעריכה

לעולם לא ניתן "לתפעל ידנית" את הריתוך בקרן אלקטרונים, גם אם אינו ממומש בוואקום, מכיוון שתמיד קיימת קרינת רנטגן חזקה. התנועה היחסית של הקרן וחומר העובד מושגת לרוב על ידי סיבוב או הנעה ליניארית של החומר. בחלק מהמקרים הריתוך מתבצע על ידי הזזת הקרן בעזרת מערכת הטיה מבוקרת על ידי מחשב. מניפולטורים ואמצעי רובוטיקה לעבודה מעוצבים לרוב באופן אינדיבידואלי כדי לענות על הדרישות הספציפיות של ציוד הריתוך והחלק הספציפי.

דרישות מערכת החשמלעריכה

יש צורך בספק כוח מתאים למחולל הקרן. ניתן לבחור את המתח המואץ בין 30 ל-200 קילו-וולט. אקדח האלקטרונים זקוק גם לאספקת מתח נמוך עבור מערכת התיקון, עדשת המיקוד ומערכת ההטיות.

ייתכן שיהיה צורך גם באלקטרוניקה מורכבת כדי לשלוט במניפולטור להנעת החלק העובד[דרושה הבהרה].

דוגמאות ליישומיםעריכה

טכנולוגיית ריתוך זו יכולה לרתך מצד אחד פלדה בעובי 0.1 מ"מ, ומאידך פלדות בעובי 300 מ"מ במעבר יחיד,

להלן מספר דוגמאות למוצרים המולחמים בקרן אלקטרונים:

להבי מסור דו מתכתעריכה

להבי בי מטל מיוצרים בכמויות גדולות על ידי ריתוך בקרן אלקטרונים. בלהב זה יש צורך בגוף להב גמיש מפלדה נמוכת פחמן, והשיניים החותכות עשויות מפלדה מהירה קשה. הריתוך בקרן אלקטרונים מבוצע במערכת אוטומטית והמוצר המתקבל אחיד ואיכותי. הלהב הדו-מתכתי גמיש ובכך פחות נוטה לשבירה. התוצאה היא מוצר משופר, הן מבחינת העלות והן מבחינת הביצועים.

.

מכלולים מורכביםעריכה

ניתן לייצר מכלולים מסובכים עם חסכון רב בעיבוד שבבי, דפנות המערכת מיוצרות בעיבוד שבבי, עוברות טיפולים טרמיים, ופעולות משלימות נוספות ובסוף התהליך עוברות ריתוך בקרן אלקטרונים לקבלת המוצר הסופי. דוגמה זו ממחישה את היכולת של ריתוך בקרן אלקטרונים תוך הגבלת העיוותים לרמה מינימלית ובכך לאפשר ייצור קל של רכיבים קשים או אפילו בלתי אפשריים.

רכיבי חללעריכה

ייצור רכיבי חלל מסגסוגות טיטניום מבוצע על ידי ריתוך בקרן אלקטרונים. הריתוך בעיוות מינימלי מאפשר לקבל חלקים בדיוקים גבוהים. בשל סביבת הריתוך הנקייה בוואקום, אין סיכון לחימצון ולנזקים מטלורגיים באזור תפר הריתוך.

ריתוך חומרים שוניםעריכה

תהליך ריתוך בקרן אלקטרונים מאפשר חיבור של מתכות שונות, כלומר כאלה עם נקודות התכה שונות ומוליכות תרמית שונה. אשר אינם ניתנים לריתוך על ידי תהליכים אחרים.

ראו גםעריכה

  • Electron-beam technology

מאמר המקור

Content in this edit is translated from the existing Wikipedia article at en:electron-beam welding; see its history for attribution.

הערות שולייםעריכה

  1. ^ https://www.researchgate.net/publication/301915302_Electron_beam_welding_-_Techniques_and_trends_-_Review
  2. ^ Schultz, Helmut (1993). Electron beam welding. Cambridge, England: Woodhead Publishing/The Welding Institute. ISBN 1-85573-050-2. 
  3. ^ Brier Dudley (29 בנובמבר 2004). "Scientist's invention was let go for a song". The Seattle Times. בדיקה אחרונה ב-24 ביולי 2014. 
  4. ^ "INVENTOR AND PHYSICIST JAMES RUSSELL '53 WILL RECEIVE VOLLUM AWARD AT REED'S CONVOCATION" (הודעה לעיתונות). Reed College public affairs office. 2000. בדיקה אחרונה ב-24 ביולי 2014. 
  5. ^ "Inventor of the Week - James T. Russell - The Compact Disc". MIT. דצמבר 1999. אורכב מ-המקור ב-April 17, 2003. 

קישורים חיצונייםעריכה