Soldadura por haz de electrones

Fusión: un haz de electrones en el vacío suelda metal muy grueso

La soldadura por haz de electrones funde la unión con una corriente enfocada de electrones disparada a gran velocidad dentro de una cámara de vacío. Hace las soldaduras por fusión más profundas, estrechas y limpias de todas, a través de acero de más de 10 cm de espesor en una sola pasada. Los motores de avión, las piezas de cohetes y los aceleradores de partículas dependen de ella.

Foto: Zobac, CC0, vía Wikimedia Commons

Soldadura por haz de electrones · cañón, haz y ojo de cerradura dentro de una cámara de vacíoLos números en círculo corresponden a los pasos de abajo; sigue el haz desde lo alto del cañón hasta la pieza.

Cómo funciona

Libera los electrones. Un cátodo de tungsteno (el electrodo negativo) se calienta hasta que emite electrones, de forma muy parecida al filamento de una bombilla antigua.
Acelera los electrones. Una alta tensión, normalmente de unos 30–150 kV, arrastra los electrones a través de un agujero en el ánodo (la placa positiva). Salen a una gran fracción de la velocidad de la luz.
Enfoca y dirige. Unas bobinas magnéticas actúan como lentes: comprimen el haz hasta un punto muy inferior a un milímetro y pueden hacerlo oscilar para dar forma a la soldadura.
Golpea la unión. Cuando los electrones chocan con el metal, su energía de movimiento se convierte en calor casi al instante. El vacío (una presión del aire de aproximadamente una millonésima de la normal o menos) impide que las moléculas de aire dispersen el haz.
Perfora un ojo de cerradura. Como en la soldadura láser, el metal se funde y hierve en parte, abriendo un canal estrecho de vapor que atraviesa todo el espesor.
Avanza y solidifica. La mesa mueve la pieza bajo el haz fijo. Tras el ojo de cerradura el baño se cierra y se solidifica en una costura que puede ser unas 20 veces más profunda que ancha.

Por qué importa el vacío. Es a la vez la fortaleza y la debilidad. Sin aire no hay oxidación ni gas de protección, lo que conviene a metales reactivos como el titanio. Pero cada lote debe esperar mientras se vacía la cámara, a menudo varios minutos.

Datos clave

Materiales: Aceros, acero inoxidable, titanio, superaleaciones de níquel, cobre, metales refractarios como el niobio y el tántalo; muchas parejas de metales distintos
Piezas típicas: Rotores y engranajes de motores a reacción, piezas de cohetes y satélites, engranajes de transmisión, cavidades de aceleradores, componentes nucleares
Tamaño de pieza: Desde sensores diminutos hasta piezas de varios metros de largo; la cámara fija el límite
Precisión: Deformación muy baja; las piezas a menudo se pueden soldar cerca de su tamaño final, dentro de unos ±0,1 mm
Acabado superficial: Costura estrecha y lisa en ambas caras cuando penetra por completo; poca o ninguna salpicadura
Tamaño de lote adecuado: Lotes pequeños a medianos de piezas de alto valor; algunas plantas de engranajes de coche la usan en volumen
Coste de utillaje y máquina: Aproximadamente de varios cientos de miles a unos pocos millones de dólares, más los utillajes de sujeción
Velocidad: Soldadura rápida, a menudo en torno a 1 m por minuto, pero minutos de vaciado para cada carga de la cámara

Ventajas y límites

Ventajas

Las soldaduras de una sola pasada más profundas de todos los procesos
Soldadura muy estrecha, así que poca deformación
El vacío mantiene perfectamente limpios los metales reactivos
Une metales difíciles de soldar y metales distintos

Límites

Necesita una cámara de vacío, lo que limita el tamaño de la pieza y añade tiempo de vaciado
Máquinas muy caras y operarios cualificados
Produce rayos X, así que la cámara debe estar blindada
Las piezas deben ajustar con precisión y estar desmagnetizadas, o el haz se desvía

Dónde se usa

AeroespacialRotores de compresores de motores a reacción, estructuras de titanio, toberas de cohetes
EspacioDepósitos de combustible de satélites y piezas de propulsores
AutomociónEngranajes de transmisión y grupos de engranajes
Ciencia y energíaCavidades de aceleradores de partículas, piezas de reactores nucleares
Medicina y electrónicaSensores y carcasas de dispositivos selladas

Cómo reconocerlo

Una costura extremadamente estrecha y recta, a menudo de menos de 1–2 mm de ancho incluso en piezas gruesas.
La misma costura fina visible en la cara trasera (penetración total).
Metal brillante y sin óxido junto a la costura, sin tonos de calor, incluso en el titanio.

Compáralo con

Soldadura láser7.4la misma idea del ojo de cerradura con luz en vez de electrones; funciona al aire libre pero llega menos profundo.Soldadura por arco7.1las placas gruesas necesitan un chaflán y muchas pasadas, lo que añade calor y deformación que la soldadura por haz de electrones evita.Soldadura por fricción-agitación7.6otra forma de hacer soldaduras de alta calidad, pero sin fundir y solo en metales más blandos como el aluminio.

Míralo

Cambridge Vacuum Engineering · El cañón, el haz y el ojo de cerradura, animados

Aluminium Guide Videos · Una visión general del proceso en lenguaje sencillo

TWI Ltd · Máquinas y cámaras reales en un laboratorio de investigación

TWI Ltd · Cómo caben las piezas muy grandes en cámaras de vacío gigantes

Ver fotos reales

Wikipedia: Soldadura por haz de electrones — principio, diagramas del cañón y de la cámara, con enlaces a fotos
Búsqueda de fotos en Wikimedia Commons

Recuerda

Los electrones disparados a alta tensión llevan tanta energía que abren un ojo de cerradura a través de metal muy grueso.
El vacío mantiene enfocado el haz y la soldadura perfectamente limpia.
Da las soldaduras más profundas y estrechas, a costa de una cámara, tiempo de vaciado y un precio elevado.