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Soldagem por feixe de elétrons - Fundamentos

Escrito por Infosolda. Posted in Processos

O processo de soldagem por feixe de elétrons é baseado na utilização otimizada do calor sobre a peça de trabalho. Para melhor entender este mecanismo, é importante ter uma ideia geral do funcionamento de um equipamento de feixe de elétrons.

 


"Wehnelt", palavra alemã que quer dizer válvula ou sistema de válvulas, é um cátodo revestido de óxido de metais alcalinos; contém o filamento, que é responsável pelo mecanismo de geração dos elétrons, por meio do efeito Joule. O "wehnelt" tem uma geometria especial que permite criar equipotenciais para facilitar a retirada dos elétrons gerados no cátodo; assim, os elétrons produzidos são acelerados entre o cátodo e o ânodo, chegando a atingir velocidades da ordem de 0,2 a 0,7 vezes a velocidade da luz. Para que essa aceleração ocorra, a diferença de potencial (ddp) estabelecida entre o ânodo e o cátodo é da ordem de 25 a 200Kv, com correntes da ordem de 0,5 a 1.500mA. O cátodo é conectado com uma grande ddp em relação ao ânodo.


O colimador é um conjunto de bobinas eletromagnéticas chamadas lentes que fazem convergir o feixe de elétrons para o ponto desejado. Os elétrons que passam pelo ânodo perfurado, devido à inércia causada pela grande aceleração, são direcionados para a peça a trabalhar por ação do colimador. Com o impacto, os elétrons convertem instantaneamente sua energia cinética em energia térmica, gerando com isto altas temperaturas na peça. Esta conversão é da ordem de alguns kW até aproximadamente 10OkW/mm2; porém, devido a perdas diversas, principalmente no impacto, não é a totalidade da energia do elétron que se converte em calor.

As lentes eletromagnéticas permitem que se obtenham diferentes regulagens na utilização do feixe produzido. Com isto, é possível utilizar o feixe de elétrons em diferentes aplicações, como corte, soldagem e tratamento superficial.


Mudando o ponto de foco, e consequentemente os parâmetros, pode-se obter mais potência por área, no caso de aplicações em corte e soldagem, ou menos potência, quando se trata de aplicações em tratamentos de superfície.

Técnicas de soldagem

É possível soldar por duas diferentes técnicas: por cordões penetrantes, também chamada "key-hole", e por cordões não penetrantes, conhecida como técnica por condução. A escolha é feita em função da resistência mecânica que se pretende dar à junta soldada e em função da densidade de energia. Na técnica "key-hole", onde é necessário haver maior densidade de energia, uma série de forças atuam no interior do capilar da soldagem.


Considerando um retângulo Z como elemento de volume, as forças presentes durante a soldagem, pela técnica "key-hole" apresentam: (1) - pressão hidrostática da coluna de material fundido acima do elemento Z; (2) - força de atrito do fluxo de vapor na superfície do elemento Z; (3) - pressão de vapor do material líquido; (4) - tensão superficial do material; (5) - pressão de vapor da parte gasosa (plasma de material fundido); (6) -força de impulsão do metal líquido abaixo de Z.


Na soldagem por condução utilizam-se menores densidades de energia e o calor se propaga a partir da superfície de impacto dos elétrons para o interior da peça.


soldagem em vácuo

O funcionamento do processo sob pressão atmosférica, embora possível, é pouco utilizado; usa-se somente em espessuras finas, pois não apresenta grande vantagens econômicas se comparado a processos convencionais de soldagem, como por exemplo, o TIG. Assim, a grande utilização é sempre em vácuo, que possibilita a obtenção de elevadas densidades de energia no ponto de impacto, essenciais para pequenas zonas afetadas pelo calor e zonas fundidas.

A razão de operar em vácuo é que os elétrons, quando estão se movimentando do cátodo para o ânodo, sofrem atrito com as moléculas do ar atmosférico, e este atrito diminui sua energia, fazendo com que se dispersem. Nos casos de soldagem e corte, é muito importante que isso não ocorra porque a penetração seria perdida. Para quantificar a influência do vácuo, observar que em 104 Torr, o número de moléculas poluentes é 1000 vezes menor do que as encontradas no argônio ou no hélio extrapuro (99,997% de pureza).

A relação existente entre o vácuo da câmara e a penetração depende da existência maior ou menor do vácuo; com a diminuição do vácuo, a penetração da soldagem decai.


A soldagem em vácuo admite três situações: alto, médio e baixo vácuo.

alto vácuo

A soldagem em alto vácuo, entre 10-3 e 10-6 Torr, apresenta maior penetração e, em consequência, menor largura do cordão. Além disso, há maior pureza no depósito e as contrações e distorções são mínimas. Por outro lado, esta é a forma de menor produtividade, uma vez que, no caso de peças muito grandes, é necessário um tempo grande de espera para que o vácuo atinja o nível adequado à soldagem; além disso, é preciso considerar a limitação dimensional das peças em relação ao tamanho da câmara.

médio vácuo

A soldagem em médio vácuo, entre 10-3 e 25 Torr, apresenta problemas de limitação dimensional e baixa produtividade, semelhante ao que acontece com a soldagem em alto vácuo.

baixo vácuo

A soldagem em baixo vácuo é pouco empregada porque a qualidade da soldagem não é satisfatória; no entanto, existem situações em que é utilizada, como por exemplo, na indústria automobilística, em que o tempo dispendido na produção do vácuo é deixado de lado em função da alta produtividade requerida.

As características de soldagem nas diferentes condições de vácuo podem ser visualizadas no quadro extraído da AWS.


soldagem sob pressão atmosférica

A soldagem por feixe de elétrons sob pressão atmosférica emprega-se somente em espessuras finas de qualquer material. Não apresenta grandes vantagens econômicas quando comparada aos processos convencionais de soldagem, como o TIG.

A distância canhão-peça deve ser a mínima possível, devido ao atrito do feixe com as moléculas de ar; a penetração diminui, enquanto a contaminação e a largura aumentam. Quando não há câmara de vácuo, existe maior produtividade e a não limitação dimensional das peças a soldar. A tensão maior para que o feixe eletrônico atravesse a atmosfera apresenta maior consumo energético.

 

 Link Relacionado:

 

Soldagem – Coleção tecnológica SENAI – 1ª ed. 1997