EL HAZ DE ELECTRONES Y SUS APLICACIONES
--PRINCIPIOS FISICOS FUNDAMENTALES EN EL FUNCIONAMIENTO DE LA TECNOLOGIA DEL HAZ DE ELECTRONES.
Naturaleza del haz de electrones:
Consiste de un flujo colimado de electrones libres dotados de una velocidad elevada.
La carga eléctrica de los electrones permite la aceleración de los mismos mediante campos electrostáticos, permitiendo un elevado control y estabilidad en los parámetros esenciales. La velocidad aumenta en forma lineal con la tensión de aceleración.
Dependiendo en forma directa del número de electrones y de su velocidad, el haz así formado posee una cantidad de energía.
La tendencia a que el haz se ensanche se produce debido a que los electrones se repelen por su carga eléctrica, entonces la sección transversal del haz será mayor, cuanto más elevada sea la intensidad del haz y por lo tanto el número de electrones.
Para conseguir un haz de sección muy fina, debemos corregir la divergencia inherente del haz.
Encontramos un elemento denominado lente electromagnética que hace posible la concentración del haz, se crea un campo magnético al paso de la corriente eléctrica mediante una bobina de hilo conductor.
Este campo concentra los electrones, reduciendo la sección del haz.
Al desviar el haz mediante bobinas electromagnéticas, estamos desviando los electrones de su trayectoria rectilínea.
El haz formado, con el simple choque de partículas ( electrones ) con las moléculas del aire, de dispersan, y esto se debe a la reducida masa de los electrones.
A causa de esto la generación y propagación directa del haz de electrones sólo son posibles en una atmósfera de vacío.
Características generales:
Aquí hablaremos sobre la interacción entre un haz de electrones y la superficie de un trozo de material.
Se produce transferencia de energía cinética en el choque entre electrones y átomos del material, variando a su vez la trayectoria de dichos electrones, que son quienes aportan la energía antes nombrada.
Como la energía que pierde el electrón por choque es muy pequeña, es necesario un elevado número de colisiones para que el haz de electrones pierda toda su energía a causa se los choques.
Como la transferencia de energía se realiza en pequeños volúmenes, podemos obtener elevadas concentraciones energéticas en la superficie de impacto.
Esta excitación del material puede traducirse en un simple aumento de la energía térmica del material o en un cambio de la estructura química de los átomos de ciertos compuestos.
Una pequeña parte de los electrones incidentes rebota al chocar con la superficie del material.
También se produce una cierta emisión de rayos X. La radiación X es biológicamente activa y si sobrepasa una determinada intensidad supone un riesgo para la salud.
La protección frente a los rayos X debe ser una medida de seguridad primordial al determinar el diseño de los equipos y las dimensiones de la planta.
Interacción de un haz de electrones con la superficie de un material.
--DESCRIPCION DE LAS APLICACIONES:
La soldadura por haz de electrones:
Descripción del proceso:
Formación del cordón en la soldadura por haz de electrones.
En la soldadura citada se utiliza el calor generado en la superficie de impacto, para fundir el material y conseguir la unión del mismo al solidificar.
La transformación de energía cinética en calor se efectúa en un volumen muy pequeño, debido al pequeño diámetro del haz y a la escasa penetración de los electrones en el interior del material.
La principal característica de esta aplicación es la alta densidad de energía de la fuente de calor ( no superada por ningún otro proceso ).
Los cordones de soldadura ejecutados por haz de electrones presentan un aspecto característico de los llamados " procedimientos de alta concentración energéticas ", y tienen las siguientes ventajas:
# Cordones de soldadura muy estrechos, incluso en uniones de gran penetración.
# Posibilidad de unir piezas de gran espesor de una sola pasada.
Corte transversal de dos cordones de soldadura realizados por haz de electrones.
Parámetros del proceso:
Relación entre la energía aportada por unidad de long.de soldadura (EM), potencia del haz (Po), veloc. de soldadura, material y espesor de la pieza (e)
Velocidad de soldadura:
Al incrementar la velocidad de soldadura se producirá un efecto opuesto, por ser menor el aporte energético por unidad de longitud.
Tensión de aceleración:
Al incrementarla se reduce el tamaño de la huella del haz y produce una zona fundida más pequeña y una soldadura más estrecha y profunda.
Intensidad del haz:
Al incrementar la corriente del haz, incrementamos la energía del haz y posibilita una mayor penetración y una mayor velocidad de soldadura.
Diámetro del haz:
Para la soldadura de grandes espesores es más adecuado el uso de un haz muy fino, también podemos acceder a zonas muy estrechas y ejecutar uniones de gran precisión.
Distancia entre pieza y cañón:
Una distancia de trabajo pequeña permite una mayor concentración del haz sobre la superficie de la pieza.
Efecto de la presión en el haz:
Sólo en valores de presión por debajo de 10 elevado a la –1 Pa podemos alcanzar la máxima efectividad de la producción de soldaduras relativamente profundas y estrechas.
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Distintos tipos de juntas utilizados en la soldadura por haz de electrones
Tratamientos térmicos por haz de electrones:
El haz de electrones se aplica más al campo de los tratamientos térmicos superficiales que a los tratamientos convencionales. En este tipo de tratamiento lo que pretendemos es conseguir una mejora de determinadas propiedades del material en la superficie de éste.
Mediante la modificación de los siguientes parámetros, alteramos las propiedades del material:
La principal diferencia frente a los otros métodos convencionales de calentamiento es el uso del haz de electrones como fuente de calor. Como la energía se transforma en un volumen muy pequeño próximo a la superficie, la temperatura aumenta rápidamente, quedando el interior de la pieza a la temperatura inicial.
Esta elevada diferencia de temperatura conlleva a una elevada velocidad de enfriamiento.
Tipos de tratamientos:
El temple:
Transformación de fase en estado sólido, sin alcanzarse la fase líquida en ningún momento.
Este tratamiento consiste en calentar una pequeña capa superficial del material por encima de los 720 °C. Se produce un enfriamiento brusco en la zona calentada, por encontrarse el interior de la pieza a temperatura ambiente, dando lugar al temple de la misma.
No es necesario ningún otro método de enfriamiento adicional ( autotemple ).
De esta forma se produce un endurecimiento de la superficie, mientras el resto de la pieza permanece con las propiedades iniciales, obteniendo así una dureza extremadamente alta.
Tratamiento superficial por refusión:
Ciclo con transformación sólido - líquido.
En este proceso, como lo indica su nombre, la superficie es refundida total o parcialmente, a diferencia del temple, en el cual sólo se calienta el material.
El haz permite la fusión de capaz más profundas debido a la cavidad de vapor formada por capilaridad ( efecto Keyhole ).
El tiempo del ciclo es mayor que en el tratamiento de temple debido a las mayores temperaturas alcanzadas. También se produce un autoenfriamiento del material sin influencia exterior.
En función de los materiales elegidos, este procedimiento permite obtener una mejora en el comportamiento a la fatiga, al desgaste, a las altas temperaturas, etc.
Tipos de tratamientos térmicos por haz de electrones.
Preparación de las piezas:
Las superficies deben estar limpias y desengrasadas para evitar la introducción de elementos extraños en la aleación que alteren las propiedades de éstas.
Este riesgo es más evidente en el caso de los tratamientos por refusión.
Las piezas no deben poseer ninguna traza de magnetismo residual para evitar desviaciones del haz. En caso contrario deben ser desmagnetizadas adecuadamente.
La masa de las piezas debe ser suficiente para que se produzca el autotemple de las mismas.
El mecanizado por haz de electrones:
En el procesado térmico el haz se utiliza para eliminar material en el punto deseado mediante la fusión y vaporización o para producir un cambio en las propiedades del material en función de la temperatura alcanzada.
En el proceso no térmico, el haz sirve para causar efectos químicos o radioquímicos.
Procesado térmico de sólidos:
La energía cinética del haz convertida en calor cuando choca contra la superficie de la materia sólida se utiliza tanto para eliminación del material como para inducir térmicamente cambios químicos o estructurales.
La perforación por haz de electrones se basa fundamentalmente en el efecto térmico que provoca un haz de electrones de alta energía al incidir sobre el material.
Las ventajas de la perforación por haz de electrones son su gran rapidez y una reproducción con gran precisión, así como no estar limitado por la dureza del material como ocurre con la perforación mecánica.
Principios de la perforación por haz de electrones.
Procesado térmico de partículas finas:
Como objetivo de este proceso tenemos la acción del haz de electrones para eliminar una película delgada de un sustrato dado en una determinada posición y producir un modelo. El sustrato es principalmente un dieléctrico como pueden ser los cristales o los materiales cerámicos de forma fundamentalmente plana.
Este mecanizado no sólo depende de la película delgada a mecanizar, sino también de las propiedades del sustrato.
Principios del procesado térmico de películas finas
conforme aumenta la energía aportada.
Procesado no térmico:
Cuando un haz de electrones choca con una materia orgánica e inorgánica origina unas acciones radioquímicas o físicas que pueden producir cambios estructurales o superficiales en el material.
Se pueden distinguir tres tipos de efectos, calificados como no térmicos, que en ésta oportunidad sólo los nombraremos:
- efectos radioquímicos.
La fusión por haz de electrones:
El proceso consiste en utilizar un haz de electrones como fuente de calor para fundir un material y transformarlo. El material fundido se solidifica posteriormente en un crisol, obteniéndose un producto final con distintas características.
Las características más notables de este proceso son su alta densidad energética y el ambiente de vacío donde se desarrollan todas las operaciones.
La fusión por haz de electrones se limita a aquellos casos en que se requieran unos altos niveles de pureza y en el caso de la fusión de materiales reactivos y de alto punto de fusión.
Sus principales puntos de aplicación son:
El refinamiento del material se produce mediante el mantenimiento del mismo en estado fundido durante un tiempo suficiente. Las impurezas de baja densidad quedan en la superficie para ser retiradas y las más pesadas se depositan en el fondo. Las impurezas volátiles se evaporan al exterior.
Métodos de fusión:
Fusión por goteo:
El haz se aplica sobre el lingote de carga y el material fundido cae en forma de gotas sobre un crisol que enfría el metal depositado, formándose el lingote final. Mediante el mismo haz, la superficie de dicho lingote se mantiene en estado fundido.
La deflección del haz permite distribuir la energía sobre el lingote de carga y el baño de metal de forma adecuada.
Principios de la fusión por goteo mediante haz de electrones
Fusión continua:
También conocido como fusión de flujo continuo. Esta forma de proceder permite alimentar el horno con materiales difícilmente compactables o incluso en forma de chatarra.
La diferencia fundamental con el proceso por goteo es la existencia de un crisol intermedio que se mantiene continuamente lleno de metal fundido mientras se vierte éste sobre el crisol de solidificación. El propio haz crea una barrera térmica que mantiene las impurezas en suspensión dentro del crisol intermedio. De esta forma se obtiene un producto final con un porcentaje mínimo de impurezas.
El material de carga puede ser suministrado de diversas formas ( barras, gránulos, chatarra ), gracias a la existencia del crisol intermedio.
Principio de la fusión continua por haz de electrones.
Tipos de productos finales:
Piezas moldeadas:
Puede ser vertido el material el material fundido en un molde con la forma de la pieza que queremos obtener. El material tiene que ser vertido en forma continua para evitar solidificaciones prematuras.
El molde puede ser cerámico o de cobre refrigerado por agua .
Chapas y láminas:
El vertido de flujo fundido sobre unos rodillos de laminación permite la fabricación de chapas de distinto espesor.
Gránulos y polvo:
El flujo líquido se vierte sobre un rodillo dotado de una cierta velocidad de rotación, solidificándose el material sobre su superficie.
Si aumentamos la velocidad del rodillo obtendremos material en forma de polvo.
Recubrimiento de superficies por haz de electrones:
Descripción del proceso:
Se deposita una capa de un material determinado sobre la superficie de un sustracto. En el recubrimiento por evaporación se dirige una corriente de vapor del material a depositar hacia el sustracto. Al impactar las partículas vaporizadas sobre la superficie de éste se forma el recubrimiento.
El recubrimiento por haz de electrones se diferencia de otros métodos de recubrimiento en la utilización del haz de electrones para evaporar el material a depositar.
Principios de la evaporación por haz de electrones.
Distribución de la energía en un crisol de gran superficie.