Co to jest i jak działa spawanie strumieniem elektronów?

Przyjrzyjmy się tematowi na przykładzie sterowanego cyfrowo urządzenia spawalniczego Pro-Beam, które jest zoptymalizowane i przystosowane do pracy w środowisku przemysłu 4.0.

Czym jest spawanie elektronowe?

Spawanie wiązką elektronową jest innowacyjną technologią łączenia, która daje konstruktorom nigdy dotychczas nie posiadaną elastyczność przy projektowaniu części konstrukcyjnych, przede wszystkim wtedy, gdy zostanie uwzględnione przed rozpoczęciem procesu konstrukcyjnego. Poza tym konstruktorzy uzyskują dużą swobodę materiałową, ponieważ tą metodą można obrabiać prawie wszystkie materiały metalowe.

Konstruktorzy i pracownicy jednostek badawczo-rozwojowych stoją codziennie przed wyzwaniem konieczności bardziej precyzyjnego, efektywnego i ekonomicznego konstruowania innowacyjnych produktów. Aby sprostać nadrzędnym celom przedsiębiorstwa i jedocześnie uwzględnić potrzeby klienta, są potrzebne narzędzia, które spełniają te wymogi.

Technologią, która pomaga konstruktorom na tej drodze, jest spawanie strumieniem elektronów. W ramach digitalizacji rozwinęło się ono w innowacyjną metodę łączenia. Takie stwierdzenia jak to, że „spawanie strumieniem elektronów jest skomplikowane albo kłopotliwe” należą dziś do przeszłości. Dzięki szeroko zakrojonej racjonalizacji w dziedzinie oprogramowania CNC można teraz pracować precyzyjne, wydajnie i ekonomicznie. Konstruktorzy uzyskują natomiast nigdy dotychczas nie posiadaną elastyczność przy projektowaniu części konstrukcyjnych, przede wszystkim wtedy, gdy spawanie strumieniem elektronów zostanie od początku uwzględnione w procesie konstrukcyjnym.

Jak działa spawanie strumieniem elektronów?

Przy spawaniu strumieniem elektronów ogrzewana katoda wytwarza najpierw chmurę wolnych elektronów. Elektrony są wprawdzie mocno związane z atomami, przy dopływie energii dają się jednak uwolnić z wiązania. Elektrony są następnie przyspieszane przez pole elektryczne w kierunku anody – soczewki elektromagnetyczne formują z wolnych elektronów zogniskowany strumień. Uzyskują one przy tym prędkość między jedną i dwoma trzecimi prędkości światła.

Gdy elektrony natrafiają na materię, dokładnie w tym punkcie oddają ciepło; otaczający materiał pozostaje przy tym w dużym stopniu zimny. Przy gęstościach energii ponad 107 W/cm2 stopiona substancja w centrum wyparowuje. Powstaje kapilara, która jest utrzymywana przez parujący materiał w stanie otwartym, jest otoczona przez płynny materiał i może się rozciągać przez całą grubość materiału. W wyniku prowadzenia strumienia przez obrabiany przedmiot roztopiony materiał w końcu łączy się za kapilarą, zastyga i w ten sposób prowadzi do połączenia.

Cały proces spawania elektronowego odbywa się w próżni, albo w systemie śluzowym albo w dużych komorach. Inteligentne koncepcje śluz zapobiegają wytwarzaniu próżni kosztem czasu produkcji. Dzięki próżni nie są potrzebne żadne materiały pomocnicze i eksploatacyjne, na przykład gazy technologiczne.

E-Beam: zalety na pierwszy rzut oka

Strumień elektronów można poprzez pola magnetyczne inteligentnie kształtować względnie na niego wpływać, tak że jest możliwa nawet precyzyjna obróbka trudno dostępnych spoin. Dzięki temu można realizować zupełnie nowe pomysły odnośnie geometrii i stopnia skomplikowania części konstrukcyjnej. Obróbka końcowa skrawaniem najczęściej odpada. Poza tym konstruktorzy uzyskują dużą swobodę materiałową, ponieważ można obrabiać prawie wszystkie materiały metalowe, również takie, które są uważane za trudno spawalne – od stali do nawęglania, miedzi, aluminium i jego stopów aż do tytanu. Poza tym jest możliwe kombinowanie materiałów tanich i drogich.

Mechaniczna obróbka końcowa odpada

Kolejną zaletą jest zogniskowane wprowadzanie ciepła. Wywołuje ono tylko minimalne zniekształcenie obrabianego przedmiotu i zachowuje mechaniczną i technologiczną jakość materiału. Bezpośrednio po procesie łączenia spawane komponenty mogą być używane i nadają się do montażu, tak że unika się kosztownej mechanicznej obróbki końcowej.

Efekt głębokiego spawania, który wyróżnia się głębokościami wspawania ponad 150 mm a jednocześnie prowadzi do wąskich i równoległych spoin przy małej ilości roztopionego materiału, otwiera ponadto wiele możliwości zastosowania. Sięgają one od części konstrukcyjnych o wadze niewielu gramów do łączenia komponentów o wadze kilku ton. Wytworzone połączenia materiałów są z zasady w najwyższym stopniu bezpieczne i odporne. Poza tym spawanie strumieniem elektronów zapewnia wysoką prędkość. I tak np. spoina o długości jednego metra i głębokości 100 mm jest wykonywana w czasie ok. dziesięciu minut.

Jest to interesujące dla wielu branż

W urządzeniach Pro-Beam sterowanie strumieniem elektronów jest w stu procentach cyfrowe. Procesy można dlatego w prosty sposób automatyzować a wyniki są powtarzalne. Dodatkowo użytkownicy mają korzyść w postaci wolnego od luk nadzoru procesu i kontroli jakości, które w każdym czasie można prześledzić wstecz. Te cechy czynią technologię interesującą dla wielu branż, np. w dziedzinie pojazdów elektrycznych albo w klasycznym przemyśle samochodowym:

W dziedzinie pojazdów elektrycznych spawanie miedzianych pinów typu hairpin, które występują w stojanach napędów, jest dla strumienia elektronów predystynowanym zadaniem. Technologia ta umożliwia mianowicie spawanie hairpinów bez efektów optycznych, jak odbicia światła. W ten sposób można pozytywnie wpływać na efektywność silnika i zasięg pojazdu już w ramach procesu spawania. Za pomocą technologii wielostrumieniowej jest poza tym łączonych wiele par hairpinów, co zapewnia ekonomiczną pracę. Ze względu na pracę w próżni obrabiane przedmioty są po spawaniu wolne od porów i rozbryzgów.

Dalszym typowym przypadkiem zastosowania w dziedzinie pojazdów elektrycznych jest produkcja akumulatorów lub układów chłodzenia. Producenci sięgają tutaj często po korzystne materiały, jak ciśnieniowe odlewy aluminiowe. Przez ich zastosowanie można wykonywać konstrukcje nośne, które jednocześnie mają efektywne właściwości chłodzenia a przez to polepszają czas ładowania i żywotność akumulatora.

Spawanie kół przekładniowych

W klasycznym przemyśle samochodowym technologia ta jest stosowana na przykład przy spawaniu kół przekładniowych. Przy tym spawanie również następuje w wielu miejscach równocześnie, przez co zniekształcenia można utrzymać na tak niskim poziomie, że część konstrukcyjna pozostaje w ramach wymaganych tolerancji. W ten sposób unika się przemieszczenia osi obrotu części konstrukcyjnej i zmniejsza się późniejszą hałaśliwość.

O Pro-Beam

Producent sterowanych cyfrowo urządzeń spawalniczych i inteligentnych rozwiązań automatyzacyjnych, zoptymalizowanych dla środowiska przemysłowego 4.0. Dostarczają przygotowane dla klienta urządzenia i rozwiązania automatyzacyjne – od produkcji jednostkowej po wielkoseryjną do obróbki spawaniem, wierceniem i hartowaniem. Technika ich urządzeń oznacza wysoki stopień automatyzacji, wysoką powtarzalność, maksymalną produktywność. Budowa modułowa umożliwia elastyczne dopasowanie każdego urządzenia do indywidulanych potrzeb klienta – również na etapie, gdy urządzenie jest już w użyciu w produkcji.