Hàn chùm tia điện tử

Hàn nóng chảy: chùm điện tử trong chân không hàn kim loại rất dày

Hàn chùm tia điện tử làm chảy mối nối bằng một dòng điện tử hội tụ bắn với tốc độ cao trong buồng chân không. Nó tạo ra mối hàn nóng chảy sâu nhất, hẹp nhất và sạch nhất, xuyên qua thép dày hơn 10 cm trong một lượt. Động cơ máy bay, chi tiết tên lửa và máy gia tốc hạt phụ thuộc vào nó.

Ảnh: Zobac, CC0, qua Wikimedia Commons

Hàn chùm tia điện tử · súng, chùm tia và lỗ khóa bên trong buồng chân khôngCác số trong vòng tròn khớp với các bước bên dưới; hãy theo chùm tia từ đỉnh súng xuống chi tiết.

Cách hoạt động

Giải phóng điện tử. Cực âm vonfram (điện cực âm) được nung nóng cho đến khi nó phát ra điện tử, khá giống dây tóc của bóng đèn cũ.
Tăng tốc chúng. Điện áp cao, thường khoảng 30–150 kV, kéo các điện tử qua một lỗ trên cực dương (tấm dương). Chúng rời đi với một phần lớn tốc độ ánh sáng.
Hội tụ và lái. Các cuộn từ đóng vai trò thấu kính: chúng ép chùm tia thành điểm nhỏ hơn nhiều so với một milimet và có thể làm nó dao động để tạo hình mối hàn.
Đập vào mối nối. Khi điện tử đập vào kim loại, động năng của chúng biến thành nhiệt gần như tức thì. Chân không (áp suất không khí cỡ một phần triệu bình thường hoặc thấp hơn) ngăn phân tử không khí làm tán xạ chùm tia.
Khoan lỗ khóa. Như trong hàn laser, kim loại chảy và sôi một phần, mở ra một kênh hơi hẹp xuyên suốt độ dày.
Di chuyển và đông đặc. Bàn máy di chuyển chi tiết dưới chùm tia cố định. Phía sau lỗ khóa, vũng chảy khép lại và đông thành đường hàn có thể sâu gấp khoảng 20 lần bề rộng.

Vì sao chân không quan trọng. Nó vừa là sức mạnh vừa là điểm yếu. Không có không khí nghĩa là không oxy hóa và không cần khí bảo vệ, phù hợp với kim loại hoạt tính như titan. Nhưng mỗi mẻ phải chờ trong khi buồng được hút chân không, thường vài phút.

Thông số chính

Vật liệu: Thép, thép không gỉ, titan, siêu hợp kim niken, đồng, kim loại chịu lửa như niobi và tantan; nhiều cặp khác loại
Chi tiết thường gặp: Rôto và bánh răng động cơ phản lực, chi tiết tên lửa và vệ tinh, bánh răng hộp số, hốc cộng hưởng máy gia tốc, bộ phận hạt nhân
Kích thước chi tiết: Từ cảm biến nhỏ đến chi tiết dài vài mét; buồng quyết định giới hạn
Độ chính xác: Biến dạng rất thấp; chi tiết thường hàn được gần kích thước thành phẩm, trong khoảng ±0,1 mm
Bề mặt hoàn thiện: Đường hàn hẹp, nhẵn trên cả hai mặt khi ngấu hoàn toàn; ít hoặc không bắn tóe
Số lượng phù hợp: Lô nhỏ đến vừa chi tiết giá trị cao; một số nhà máy bánh răng ô tô chạy với khối lượng lớn
Chi phí khuôn dụng cụ và máy: Khoảng vài trăm nghìn đến vài triệu đô la, cộng đồ gá
Tốc độ: Hàn nhanh, thường khoảng 1 m mỗi phút, nhưng mất vài phút hút chân không cho mỗi mẻ nạp buồng

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm

Mối hàn một lượt sâu nhất trong mọi quy trình
Mối hàn rất hẹp, nên ít biến dạng
Chân không giữ kim loại hoạt tính hoàn toàn sạch
Nối kim loại khó hàn và khác loại

Hạn chế

Cần buồng chân không, giới hạn kích thước chi tiết và thêm thời gian hút chân không
Máy rất đắt và cần người vận hành lành nghề
Sinh ra tia X, nên buồng phải được che chắn
Chi tiết phải lắp khít và được khử từ, nếu không chùm tia bị lệch

Ứng dụng

Hàng không vũ trụRôto máy nén động cơ phản lực, kết cấu titan, vòi phun tên lửa
Không gianBình nhiên liệu vệ tinh và chi tiết động cơ đẩy
Ô tôBánh răng hộp số và cụm bánh răng
Khoa học và năng lượngHốc cộng hưởng máy gia tốc hạt, chi tiết lò phản ứng hạt nhân
Y tế và điện tửCảm biến và vỏ thiết bị kín

Cách nhận biết

Đường hàn cực hẹp, thẳng, thường rộng dưới 1–2 mm ngay cả trên chi tiết dày.
Cùng đường hàn mảnh đó nhìn thấy ở mặt sau (ngấu hoàn toàn).
Kim loại sáng, không oxit cạnh đường hàn, không có màu nhiệt, ngay cả trên titan.

So sánh với

Hàn laser7.4cùng ý tưởng lỗ khóa với ánh sáng thay vì điện tử; nó hoạt động ngoài không khí nhưng xuyên không sâu bằng.Hàn hồ quang7.1tấm dày cần vát rãnh và nhiều lượt hàn, thêm nhiệt và biến dạng mà hàn chùm tia điện tử tránh được.Hàn ma sát khuấy7.6một cách khác để tạo mối hàn chất lượng cao, nhưng không nóng chảy và chỉ với kim loại mềm hơn như nhôm.

Xem video

Cambridge Vacuum Engineering · Súng, chùm tia và lỗ khóa, hoạt hình

Aluminium Guide Videos · Tổng quan bằng ngôn ngữ đơn giản về quy trình

TWI Ltd · Máy và buồng thực tế trong một phòng thí nghiệm nghiên cứu

TWI Ltd · Chi tiết rất lớn nằm vừa trong các buồng chân không khổng lồ thế nào

Xem ảnh thật

Wikipedia: Hàn chùm tia điện tử — nguyên lý, sơ đồ súng và buồng, kèm liên kết đến ảnh
Tìm ảnh trên Wikimedia Commons

Ghi nhớ

Điện tử bắn ở điện áp cao mang nhiều năng lượng đến mức mở được lỗ khóa xuyên kim loại rất dày.
Chân không giữ chùm tia hội tụ và mối hàn hoàn toàn sạch.
Nó cho mối hàn sâu nhất, hẹp nhất, với cái giá là một buồng, thời gian hút chân không và giá cao.