Soldagem por feixe de elétrons

Fusão: um feixe de elétrons no vácuo solda metal muito espesso

A soldagem por feixe de elétrons funde a junta com um fluxo focalizado de elétrons disparados em alta velocidade dentro de uma câmara de vácuo. Faz as soldas por fusão mais profundas, estreitas e limpas de todas, atravessando aço com mais de 10 cm de espessura em um único passe. Motores de aviões, peças de foguetes e aceleradores de partículas dependem dela.

Foto: Zobac, CC0, via Wikimedia Commons

Soldagem por feixe de elétrons · canhão, feixe e keyhole dentro de uma câmara de vácuoOs números circulados correspondem às etapas abaixo; siga o feixe do alto do canhão até a peça.

Como funciona

Liberte os elétrons. Um cátodo de tungstênio (o eletrodo negativo) é aquecido até emitir elétrons, como o filamento de uma lâmpada antiga.
Acelere-os. Uma alta tensão, normalmente cerca de 30–150 kV, puxa os elétrons por um furo no ânodo (a placa positiva). Eles saem a uma grande fração da velocidade da luz.
Focalize e direcione. Bobinas magnéticas funcionam como lentes: elas comprimem o feixe em um ponto bem menor que um milímetro e podem balançá-lo para dar forma à solda.
Atinja a junta. Quando os elétrons atingem o metal, a energia de movimento deles vira calor quase instantaneamente. O vácuo (pressão do ar de cerca de um milionésimo da normal ou menos) impede que moléculas de ar espalhem o feixe.
Abra um keyhole. Como na soldagem a laser, o metal funde e ferve em parte, abrindo um canal estreito de vapor que atravessa toda a espessura.
Mova e solidifique. A mesa move a peça sob o feixe fixo. Atrás do keyhole, o fundido se fecha e solidifica em uma costura que pode ser cerca de 20 vezes mais profunda do que larga.

Por que o vácuo importa. Ele é ao mesmo tempo a força e a fraqueza. Sem ar, não há oxidação nem gás de proteção, o que serve a metais reativos como o titânio. Mas cada lote precisa esperar enquanto a câmara é evacuada, muitas vezes vários minutos.

Dados-chave

Materiais: Aços, aço inoxidável, titânio, superligas de níquel, cobre, metais refratários como nióbio e tântalo; muitos pares de metais diferentes
Peças típicas: Rotores e engrenagens de motores a jato, peças de foguetes e satélites, engrenagens de transmissão, cavidades de aceleradores, componentes nucleares
Tamanho da peça: De minúsculos sensores a peças de vários metros de comprimento; a câmara define o limite
Precisão: Distorção muito baixa; as peças muitas vezes podem ser soldadas perto do tamanho final, dentro de cerca de ±0,1 mm
Acabamento superficial: Costura estreita e lisa nas duas faces quando há penetração total; pouco ou nenhum respingo
Tamanho de lote adequado: Lotes pequenos a médios de peças de alto valor; algumas fábricas de engrenagens de carros a usam em volume
Custo de ferramental e máquinas: Aproximadamente de várias centenas de milhares a alguns milhões de dólares, mais dispositivos de fixação
Velocidade: Soldagem rápida, muitas vezes cerca de 1 m por minuto, mas minutos de evacuação a cada carga da câmara

Pontos fortes e limites

Pontos fortes

As soldas mais profundas em um único passe entre todos os processos
Solda muito estreita, então pouca distorção
O vácuo mantém metais reativos perfeitamente limpos
Une metais difíceis de soldar e metais diferentes

Limites

Precisa de uma câmara de vácuo, que limita o tamanho da peça e acrescenta tempo de evacuação
Máquinas muito caras e operadores especializados
Produz raios X, então a câmara precisa de blindagem
As peças precisam se encaixar justas e ser desmagnetizadas, ou o feixe se desvia

Onde é usado

AeroespacialRotores de compressores de motores a jato, estruturas de titânio, bocais de foguetes
EspaçoTanques de combustível e peças de propulsores de satélites
AutomotivoEngrenagens de transmissão e conjuntos de engrenagens
Ciência e energiaCavidades de aceleradores de partículas, peças de reatores nucleares
Medicina e eletrônicaSensores e carcaças seladas de dispositivos

Como reconhecê-lo

Uma costura extremamente estreita e reta, muitas vezes com menos de 1–2 mm de largura mesmo em peças espessas.
A mesma costura fina visível na face de trás (penetração total).
Metal brilhante e sem óxido ao lado da costura, sem cor de revenido, mesmo no titânio.

Compare com

Soldagem a laser7.4a mesma ideia de keyhole com luz em vez de elétrons; funciona ao ar livre, mas chega menos fundo.Soldagem a arco7.1chapas grossas precisam de chanfro e muitos passes, acrescentando calor e distorção que a soldagem por feixe de elétrons evita.Soldagem por fricção e mistura (FSW)7.6outra forma de fazer soldas de alta qualidade, mas sem fundir e só em metais mais moles, como o alumínio.

Assista

Cambridge Vacuum Engineering · O canhão, o feixe e o keyhole, animados

Aluminium Guide Videos · Uma visão geral do processo em linguagem simples

TWI Ltd · Máquinas e câmaras reais em um laboratório de pesquisa

TWI Ltd · Como peças muito grandes cabem em câmaras de vácuo gigantes

Veja fotos reais

Wikipedia: Soldagem por feixe de elétrons — princípio, diagramas de canhão e câmara, com links para fotos
Busca de fotos no Wikimedia Commons

Lembre-se

Elétrons disparados em alta tensão carregam tanta energia que abrem um keyhole em metal muito espesso.
O vácuo mantém o feixe focalizado e a solda perfeitamente limpa.
Dá as soldas mais profundas e estreitas, ao custo de uma câmara, de tempo de evacuação e de um preço alto.