A Soldagem Com Feixe de Elétrons (EBW)

Soldagem com Feixe de Elétrons (EBW) A soldagem por feixe de elétrons, conhecida também pela sigla EBW - Electron Beam Welding - é um processo chamado de alta intensidade porque uma grande quantidade de energia é emitida em curto espaço de tempo, de modo que o impacto dos elétrons sobre o material a ser trabalhado produz calor. Embora já se tenha conhecimento da teoria do bombardeamento eletrônico há anos, a utilização do processo precisou aguardar um maior desenvolvimento da área de vácuo, pois este é necessário para evitar a dispersão do feixe, e com isto, dar maior penetração à soldagem. O processo de soldagem por feixe de elétrons se desenvolveu, juntamente com a técnica de vácuo, no início da época de construções nucleares (anos 50), quando foi necessário soldar materiais reativos como titânio e zircônio, e se encontraram problemas de oxidação. Como os elétrons podem ser projetados no vácuo, passou- se a fazer as soldagens em câmaras de vácuo. O vácuo permitiu soldagens livres de oxidação, soldagens de zonas fundidas muito estreitas e de zonas afetadas pelo calor (ZAC) reduzidas, em consequência da grande convergência do feixe. Esta grande convergência resulta em uma interação feixe/matéria diferente das interações observáveis nos processos convencionais. Aplicação. O processo de soldagem por feixe de elétrons pode ser aplicado em quase todos os materiais, em juntas de metais dissimilares e em várias faixas de espessura, permitindo alta precisão e alta velocidade de soldagem. Figura 1 / Tipos de Junta Soldada pelo Processo. 2 Vantagens. Uma das grandes vantagens do feixe de elétrons é o baixo aporte de calor com que este processo efetua as soldagens. As outras vantagens da utilização do processo de soldagem por feixe de elétrons são: possibilidade de soldar materiais com espessuras elevadas; obtenção de cordão com pequena largura em relação à profundidade atingida; menores tensões residuais; qualidade metalúrgica da solda superior à de outros processos devido à ausência de ar e possibilidade de soldagem em locais de difícil acesso ou inacessíveis. Desvantagens. As desvantagens do processo de soldagem por feixe de elétrons são, dentre outras: emissão de raios X; exigência de vácuo; limitação do tamanho da peça, o qual está vinculado ao tamanho da câmara de vácuo. 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. Figura 2 / Sistema do Processo EBW. "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 3 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 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 diferença de potencial em relação ao ânodo. 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. Figura 3 / Ilustração “Key-Hole”. 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 4 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. Figura 4 / EBW na Atmosfera (esquerda) e no vácuo (à direita). 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. 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. As características de soldagem nas diferentes condições de vácuo podem ser visualizadas no quadro extraído da norma AWS. 5 Figura 4 / Tabela AWS para Soldagem em Vácuo. Soldagem com Laser (LBW). Definição. O processo de soldagem a laser (LBW) é caracterizado pela fusão localizada da junta através de seu bombardeamento por feixe de luz concentrada de alta intensidade, o fóton. Os feixes são de alta intensidade e suficiente para fundir parte do material da junta no ponto localizado do feixe no material, causando um furo, keyhole, que penetra profundamente no metal de base. Um laser é um dispositivo que produz uma intensa, e direcional feixe de luz, caracterizado como fóton. O termo LASER é uma sigla "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" (amplificação da luz por emissão estimulada de radiação). Os lasers podem ser projetados para operar com uma quantidade de energia alta para uma área concentrada muito pequena, onde apresentam densidades de potência elevadas, sendo o mesmo de fácil manipulação e tendo várias utilizações industriais como o solda, corte e gravação. 6 O equipamento Laser é composto basicamente de três sistemas: Fonte de Alimentação, responsável pela produção do Laser, o meio ativo que faz a condução da energia elétrica em energia radiante e a Cavidade Ressonante para amplificar a radiação. Figura 1 / Desenho Esquemático do Equipamento para a produção do Laser. O laser a CO2 devido à sua alta potência, pode ser utilizado em modo contínuo e pulsado. Essas características são necessárias pelo fato de se poder soldar chapas com maiores espessuras, no caso de aço, solda-se utilizando uma fonte de alimentação de 45 kw, chapas de até 38mm, pelo processo Keyhole. Atualmente, o tipo mais comum de laser usado na indústria utiliza o dióxido de carbono (CO2) como veículo ativo. Outros gases, como o nitrogênio (N2) e o hélio (H), são misturados ao dióxido de carbono para aumentar a potência do laser. Um dispositivo chamado soprador faz circular CO2 dentro de uma cavidade ressonante. Essa cavidade tem dois eletrodos ligados a uma fonte de alta tensão. Esses eletrodos criam um campo elétrico que aumenta a energia do gás no interior da cavidade ressonante. 7 Figura 2 / Diagrama Esquemático de um Ressonador. Em soldagens materiais como o Titânio que é reativo, utiliza-se dos mesmos conceitos dos processo de soldagem TIG e MIG/MAG para proteções adicionais. No processo de soldagem a laser, o gás utilizado recebe o nome de gás de assistência. Figura 3 / Ilustração do Processo a Laser (Keyhole). Os tipos de Laser tem potências diferentes, por isso é necessário uma especificação correta do equipamento, seja por nível econômico e até a qualidade final da peça. Neste aspecto tem-se laser de CO2 e Nd:YAG. Visto que os Lasers de Nd:YAG podem produzir saídas de poder de até 500 Watts e os sistemas de lasers CO2 podem fornecer facilmente 10.000 Watts. 8 Figura 3 / Comparação de Energia de Soldagem. Soldagem por Ultra-Som (USW). A soldagem por ultra-som (USW) tem como objetivo unir peças por meio de vibrações mecânicas na faixa ultra-sônica, associadas a aplicação de pressão. Este tipo de soldagem serve tanto para soldar metais quanto termoplásticos, além de materiais não terrosos, vidro ou mesmo cerâmica; Fundamentos do processo. O processo de soldagem por ultra-som é realizado por meio de um gerador de energia elétrica de alta freqüência que alimenta transdutores piezelétricos, responsáveis por transformar a energia elétrica em oscilações mecânicas ou vibrações, as quais são transmitidas à peça por meio de um sonotrodo. As vibrações e a força de compressão aplicadas à peça provocam um campo de tensões que, por sua vez, dá origem a uma deformação. Sabe-se que toda superfície apresenta sempre pequenas rugosidades, observáveis em microscópio; durante a soldagem, ocorrem tensões de corte que vão eliminando as rugosidades, até que as superfícies se tocam completamente e então acontece a soldagem. As chapas a soldar são fixadas num suporte chamado bigorna. 9 Figura 1 / Representação Esquemática da Soldagem com Ultra som. Quando se une completamente um material por ultra-som, a energia requerida vem em forma de vibrações mecânicas. A ferramenta de soldagem (sonotrode ou horn) junta-se a uma das partes a serem soldadas e move-se na direção longitudinal. A outra parte permanece imóvel. Agora as partes a serem unidas são simultaneamente pressionadas. A ação simultânea das forças estáticas e dinâmicas causam a fusão das partes sem ter que usar um material de adição. Este procedimento é usado em escala industrial para união de plásticos e metais. 1.Bigorna 2.Partes a serem soldadas 3.Ferramenta (sonotrode ou horn) 4.Oscilação do ultra-som. Durante a soldagem por ultra-som, um complexo processo é iniciado envolvendo forças estáticas, forças de cisalhamento e um moderado aumento de temperatura na área de soldagem. O valor destes fatores depende da espessura da peça, da estrutura da superfície e de suas propriedades mecânicas. As peças são colocadas entre os 10 suportes da máquina, isto é, a bigorna e a ferramenta (sonotrode ou horn), que oscila horizontalmente a altas freqüências (usualmente 20, 35 ou 40 kHz) durante o processo de soldagem (figura 6). É muito comum utilizar a freqüência de oscilação (freqüência de trabalho) de 20 kHz. Esta freqüência está acima da audição humana e, além disso, permite o melhor uso possível da energia. Para processos de soldagem, que requerem somente uma pequena quantidade de energia, podem ser usadas as freqüências de trabalho de 35 ou 40 kHz. 1.Ferramenta (sonotrode ou horn) 2, 3.Partes a serem soldadas 4.Bigorna 5.Área de soldagem

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