ఎలక్ట్రాన్ బీమ్ వెల్డింగు

Question: ఎలక్ట్రాన్ బీమ్ వెల్డింగ్ లో ఎలెక్ట్రాన్ ఏంటి?


ఎలక్ట్రాన్ బీమ్ వెల్డింగు  (ఆంగ్లం:Electron beam Welding) అనగా విద్యుత్కణం (electron) యొక్క ప్రకాశకిరణశక్తి (Radiant energy)  ద్వారా లోహాలను అతుకునటువంటి విధానం.
ఎలక్ట్రాన్ (ఆంగ్లం electron) అనేది పరమాణువు (atom) లోని కేంద్రకం (nucleus) చుట్టూ పరిభ్రమించే పరమాణు కణం (sub-atomic particle). ఇది ఋణాత్మక విద్యుత్తు ధర్మం కలిగి వుంటుంది. దీని గరిమ (mass) ప్రోటాను గరిమలో 1836-వ వంతు ఉంటుంది. ఒక అణువులో ఎన్ని ప్రోటానులు ఉంటాయో అన్ని ఎలక్ట్రానులు ఉంటాయి.
ఈ వెల్డింగు విధానం మిగిలిన వెల్డింగు పద్ధతులైన ఆర్కు వెల్డింగు, గ్యాసు వెల్డింగు వంటి ద్రవీకరణ వెల్డింగు విధానమైనప్పటికి వాటికన్న విభిన్నమైనది. ఈ వెల్డింగులో సామాన్యకంటికి కనిపించని ౠణావేశిత విద్యుత్కణ సముదాయంతో లోహభాగాలను అతికెదరు. ఎలక్ట్రాన్‌ బీమ్‌ వెల్డింగు అనునది Fusion వెల్డింగు ప్రక్రియ. అనగా అతుకవలసిన లోహా అంచులను ద్రవీకరించి అతుకు విధానం. ఆర్కు వెల్డింగులో విద్యుత్తు ధ్రువాలమధ్య ఆర్కు సృష్టించి, వెడువడిన ఉష్ణోగ్రతతో లోహాలను అతుకగా, గ్యాసు వెల్డింగులో వాయువులను దహించగా వెలువడు అధిక ఉష్ణోగ్రతతో లోహ అంచులను కరగించి/ద్రవీకరించి అతికెదరు. ఎలక్ట్రాన్ వెల్డింగులో విద్యుత్కణ సముదాయం లోహ అంచులను ద్రవీకరించి అతికెదరు.
నిర్వచనం: ఋణవిద్యుత్కణాలను సృష్టించి, వాటిని కేంద్రికరింపచేసి, కాంతి వేగంలో 2/3 వంతు వేగంతో ప్రయాణించేలా చేసి, (105W/mm2 సాంద్రతతో) అతుకవలసిన భాగాలను ఢీ కొట్టినప్పుడు వెలువడిన ఉష్ణశక్తిని ఉపయోగించి లోహాల అంచులు/చివరలు కరిగించి వెల్డింగు చెయ్యుట[1]. ఇక్కడ ఋణవిద్యుత్కణ సముదాయం అత్యంత వేగంగా ప్రయాణిస్తూ, లోహఫలకాలను డీకొట్టినప్పుడు, విద్యుత్కణాల చలనశక్తి (Kinetic energy) ఇక్కడ ఉష్ణశక్తిగా మారి, లోహాలను కరగిస్తుంది.
(సూర్య) /తెల్లటి కాంతి పుంజాలను కుంభాకార కటకంగుండా ప్రవహింపచేసి, వాటిని సన్నని బిందురూపంలో కేంద్రికరింపచేసిన కిరణాల అంతిమస్థానంలో ఉష్ణంజనించడం అందరకు తెలిసిన విషయమే. విద్యుత్కణ కిరణ వెల్డింగులో కూడా జనింపచేసిన విద్యుత్కణాలను ఒక విద్యుత్ అయస్కాంత వలయం గుండా ప్రవహింపచేసి, వాటిని సంకోచింపచేసి. పతన అంతిమ బిందువు వద్ద కేంద్రికరించడం జరుగుతుంది.
చరిత్ర
దాదాపు 300 సంవత్సరాల క్రితమే విద్యుత్కణ కిరణాలను (electron beam) సృష్టించడం తెలిసినప్పటికి, ఈ కిరణశక్తిని ఉపయోగించి లోహాలను అతకటం మాత్రం ఆరు దశాబ్దుల క్రితం మొదలైనది. రెండవ ప్రపంచ యుద్ధాం తరువాత విద్యుత్కణ కిరణ వెల్డింగు పద్ధతిని అభివృద్ధి చేసి వాడుకలోకి తేవలసిన అవసరం ఏర్పడినది. యుద్ధాంతరం అగ్రరాజ్యాలు అణు, అంతరిక్ష, క్షిపణి రంగాల అభివృద్ధి పై దృష్టి సారించాయి. అణుశక్తి, అంతరిక్ష మరియు క్షిపణి (రాకెట్ల) రంగాలలోవాడు పరికారాల తయారిలో వాటిని అతుకుటకు, అప్పటివరకున్న వెల్డింగు పద్ధతులకన్న అత్యంత శుద్ధమైన నాణ్యమైన వెల్డింగు అవసరం ఏర్పడినది. ఈ రంగాలలో వాడు రియాక్టివ్, మరియు రిఫ్రాక్టరి లోహాలను వాటి మూల గుణాలు పాడవ్వ కుండ అతుకుట అత్యంత అవసరమైనది. ఈ అన్వేషణ ఫలితంగా ఎలక్ట్రాన్ బీమ్‌ వెల్డింగు అభివృద్ధిచెయ్యబడింది. జర్మనీ భౌతిక శాస్త్రవేత్త కార్ల్‌ స్టిగెర్వాడ్ మొదటగా ఈ విధానాన్ని కనుగొన్నట్లుగా తెలుస్తున్నది. ఈయన ఎలక్ట్రాన్ సూక్ష్మదర్శినిలో ఉపయోగించు కిరణాలను అభివృద్ధి పరచు క్రమంలో విధుత్కణ కిరణాలను సృష్టించినట్లు తెలుస్తున్నది. దీనిని ఉపయోగించి రంధ్రాలు చెయ్యవచ్చునని లోహాలను అతుకవచ్చని కనుగొన్నాడు[2]
జర్మనీ భౌతిక శాస్త్రవేత్త కార్ల్‌ స్టిగెర్వాడ్ (Karl-Heinz Steigerwald) 1558 లో నూతన విద్యుత్కణ కిరణ వెల్డింగు పరికరాన్ని కనుగొన్నాడు[3]
విద్యుత్కణ కిరణ వెల్డింగు పరికరం (Electron Beam welding equipment)
విద్యుత్కణ కిరణ వెల్డింగు విధానంలో వెల్డింగు చెయ్యుటకు ఉపయోగించు వెల్డింగు పరికరం లేదా ఉపకరణం అత్యంత ప్రాముఖ్యత కల్గినది.వెల్డింగు ఉపకరణం ముఖ్యంగా రెండు భాగాలుగా నిర్మితమై వుంటుంది[4].
1. విద్యుత్కణ కిరణ ఉత్పాదక పరికరం (Electron beam Gun): విద్యుత్కణ కిరణాలు ఇక్కడే సృష్టింప బడును. 5 Kv నుండి 150 kV వరకు విద్యుత్తు ప్రసారం అగునట్లు ఏర్పాట్లు వుండును.
2. పీడన రహిత స్థితి కల్గించు భాగం (vacuum Pumping System): విద్యుత్కణ కిరాణాలు ఉత్పత్తి అగు గదిలో మరియు కిరణాలు లోహాలను అతుకు గదిలో శూన్యస్థితి (పీడన రహిత స్థితి) కలిగించు వ్యవస్థ.
విద్యుత్కణ కిరణ ఉత్పాదక పరికరం
ఈ పరికరభాగంలో ముఖ్యంగా 4 ఉప భాగాలుంటాయి.అవి
1. టంగ్‌స్టన్ ఫిలమెంటు
2. నియంత్రణ కాథోడు (ఋణధ్రువ) ఎలక్ట్రోడు
3. ఆనోడు (ధనధ్రువం)
4. సమాహార కటకం (విద్యుత్తు అయస్క్తాంతం కల్గింగు తీగె చుట్ట)
మొదట పరికరంలోని టంగ్‌స్టన్ ఫిలమెంటును విద్యుత్తు సహాయంన పీడనరహిత స్థితిలో (శూన్య స్థితి) 200 వేడిచేసి ఎలక్ట్రానులు వెలువడునట్లు చేయుదురు. ఫిలమెంటు నుండి ఎలక్ట్రానులు వెలువడు చోటనే అధిక విద్యుత్తు వోల్టెజి వున్న విద్యుత్తు వలయముందును. ఈ అధిక విద్యుత్తు వలయ కేథోడు పలక (ఋణధ్రువం) ఫిలమెంటు వద్ద, ఏనోడు పలక (ధనధ్రువం) కొద్దిదూరంలో వుండును. ఫిలమెంటు నుండి ఏర్పడిన విద్యుత్కణాలు అధిక విద్యుత్తు వలయంలో వున్న కేథోడు వలన విద్యుత్కణాల కిరణాల గాఢత పెంచి, గాఢత చెందిన కిరణాలను దారి మళ్ళించి ఆనోడు వైపు ప్రవహించునట్టు చెయ్యబడును. ఆనోడు బిళ్ళ/పలకకు మధ్యలో వున్న రంధ్రం ద్వారా వేగంగా క్రింది వైపుకు విద్యుత్కణ కిరణాలు ప్రయణించును. కావున నియంత్రణ కాథోడు ఎలక్ట్రోడు వలన టంగ్‌స్టన్‌ ఫిలమెంటునుండి ఉద్గారణ చెందిన విద్యుత్కణ కిరణాల గాఢత (సాంద్రత) పెంచబడుతుంది, మరియు చెల్లాచెదురుగా వున్న కిరణాలను క్రమబద్ధికరించి ఆనోడు వైపు వెళ్ళెలా చెయ్యును. నియంత్రణ కేథోడు ఎలక్ట్రానుకు దిగువన విద్యుత్తు అయస్కాంత తీగచుట్ట వుండును.తీగెచుట్టలో విద్యుత్తును ప్రవహింపచేయుట ద్వారా విద్యుతాయస్కాంత క్షేత్రం ఏర్పడుతుంది. ఈ విద్యుత్తు అయస్కాంత వలయం ఒక సమాహార కటకం లా పనిచేస్తుంది. ఈ విద్యుతాయస్కాంత క్షేత్రం ద్వారా విద్యుత్కాణ కిరణాలను పంపించడం ద్వారా కిరణపుంజాలను మరింతదగ్గరగా నొక్కి సరళంగా కిరణాలు ప్రవహించునట్లు చెయ్యును.ఒకవిధంగా ఈ విద్యుత్తు అయస్కాతం వలయం ఒక కటకంలా పనిచేసి కిరణాలు కేంద్రికృతం అయ్యేలా చేయును.అందుచే దీనిని సమాహార కటకం (focusing lens) అంటారు.ఈ సమాహార కటకం నుండి వెలువడిన కేంద్రికృత కిరణాలను అతుకవలసిన లోహాల మీద ప్రసరింపచేయుదురు[5].
విద్యుత్కణ కిరణ ఉత్పాదక పరికరాలు రెందు రకాలు. ఒకటి ఎక్కువ వోల్టేజి గన్ (high voltage Gun) రెండవది తక్కువ వోల్టెజి గన్ (low voltage Gun).
ఎక్కువ వోల్టెజి గన్నులో 100-150KV లవిద్యుత్తు ఉపయోగిస్తారు. అతుకవలసిన వస్తువులకు ఒక మీటరు దూరం నుండి వెల్డింగు చెయ్యవచ్చును. ఖఠినమైన ఎక్సు కిరణాలు వెలువడుతాయి.
పీడన రహిత స్థితి కల్గించు యంత్రం లేదా నివర్తి పంపు
నివర్తి పంపు</b>ను ఆంగ్లంలో  Vacuum pump అంటారు. పంపు అనగా తోడు యంత్రమని కూడా పిలుస్తారు. ఈ పంపును ఉపయోగించి ఒక నిర్ధిష్ట ప్రడేశంలోని గాలిని తొలగించెదరు. గాలివలన వాతావరణంలో పీడనం ఏర్పడి వుండును. గాలిని తొలగించడం వలన అక్కడ పీడనరహిత స్థితి ఏర్పడుతుంది. దీనినే శూన్యస్థితి అంటారు (కారణం ఆప్రాంతంలో వున్న గాలినంతటిని తొలగించడం వలన ఆనిర్ధిష్ట స్థలంలో శూన్యంగా వుంటుంది కనుక). నివర్తి పంపును ఉపయోగించి వెల్డింగు యంత్రంలో విద్యుత్కణాలు ఏర్పడు గదిలో శూన్యస్థితిని కలుగచేయుదురు, మరియు అతుకుటకై లోహవస్తువును వుంచిన గదిలో కూడా శూన్యస్థితిని కల్గించెదరు.
శూన్యగదిలో వెల్డింగు చెయ్యడం వలన అతికిన భాగాలు అక్సీకరణ చెందె అవకాశం నివారింపబడును[5].
వెల్డింగు విధానం
విద్యుత్కణ కిరణ వెల్డింగును ఎక్కువగా శూన్య స్థితిలో చేసినప్పటికి, అతుకవలసిన వస్తువులు, పరికరాలు పెద్దవిగా వున్నప్పుడు వెల్డింగును సాధారణ వాతావరణ స్థితిలో కూడా చేయుదురు. అతుకవలసిన లోహాలను గాలిని తొలగించిన శూన్యగదిలో వుంచెదరు.శూన్యగది పైన వున్నరంధ్రంమీద వెల్డింగు ఉపకరణాన్ని నిలువుగాఅమర్చెదరు.మొదట టంగ్‌స్టన్‌ ఫిలమెంటుకు విద్యుత్తును పంపి, వేడెక్కించి, ఎలక్ట్రానులు వెలువడునట్లు చెయుదురు.విద్యుత్కణాలు వెలువడటం మొలవ్వగానే అధికవిద్యుత్తు వలయంలో వున్న కేథోడు, ఆనోడు వలయంలో అధిక వోల్టేజిలో విద్యుత్తును ప్రసరింపచేసి, చెల్లచెదరుగా ఫిలమెంటు నుండి ఎలక్టానులను ఆనోడు పలకవైపు ప్రయాణించులా చేయుదురు.అధిక వోల్టేజి విద్యుత్తు వలయంలో ప్రవహించటం వలన విద్యుత్కణ కిరణాల త్వరణం (ప్రయాణ వేగం) మరియువిద్యుత్తు కణసాంద్రత పెరగును.ఆనోడు ప్లేటు కున్న రంధ్రం ద్వారా విద్యుత్కణ కిరాణాలు దిగువకు ప్రవహించును.దిగువున వున్న విద్యుత్తూయస్కాంత క్షేత్రం ఒక కుంభాకార కటకం వలె పనిచేసి అయస్కాంత క్షేత్రం ద్వారా ప్రవహించు కిరణలాకు కేంద్రికృతం చెందునట్లు చెయ్యును. కేందికృతం చెందిన విద్యుత్కణ కిరణాలు అత్యంత త్వరణంతో అతుకవలసిన లోహాన్ని ఢీ కొట్టటం వలన, కిరణాల చలనశక్తి ఉష్ణశక్తిగా మార్పిడి చెంది, లోహా అంచులను ద్రవీకరించును.లోహాఅంచు ద్రవీకరణ ప్రారంభం మొదలవ్వగానే, నెమ్మదిగా అతుకులోహాలను ముందుకు కదిలేలా చెయ్యడం వలన ద్రవీకరించిన భాగం ఘనీభవించి అతుక్కొవడం, ముందుభాగం ద్రవీకరణ చెందటం ఏకకాలంలో మొదలగును.అతుకవలసినమందాన్ని బట్తి ఎలక్ట్రోడు, ఆనోడుల మధ్య విద్యుత్తు వోల్టేజిని పెంఛటం తగ్గించడం జరుగుతుంది.విద్యుత్తు అయస్కాంతం యొక్క విద్యుత్తులో మార్పులుచేసి కిరణాలు లోహాన్ని తాకే చోట దాని వ్యాసం 0.75 నుండి 3.0మి.మీ వుండేలా చెయుదురు.విద్యుత్కణాల శక్టి సాంద్రత 106watts/inch2 వుండటం వలన ఏ లోహామైన ద్రవీకరణ చెందును.
ఎలక్ట్రాన్‌ బీమ్‌ వెల్డింగు వినియోగం
వైమానిక, అంతరిక్ష వాహనాల, పరికరాలనిర్మాణంలో.నౌకల నిర్మాణంలో మరియు పరికరాలు, పనిముట్లు (instruments) తయారిలో ఎలక్ట్రాన్‌ బీమ్‌ వెల్డుంగును అధికంగా, తప్పనిసరిగా వాడుచున్నారు[6]
ఎలక్ట్రాన్‌బీమ్‌ వెల్డింగు వినియోగించి అతుకు లోహాలు
విద్యుత్కణ కిరణ అతుకు విధానం (ఎలక్ట్రాన్‌ బీమ్‌ వెల్డింగు) పద్ధతిని ఉపయోగించి క్రింది వరుసలో పేర్కొన్న లోహాలను అతికెదరు[7]
అన్ని రకాల ఉక్కు లోహాలు
అల్యూమినియం దానిమిశ్రధాతువులు
మాగ్నీషియం మిశ్రధాతువులు
రాగిదాని మిశ్రధాతువులు
టైటానియం
టంగ్‌స్టన్
బంగారం
విద్యుత్తు వాహక తత్త్వమున్న సెరామిక్ (ceramic) పదార్థాలు
భిన్న లోహాలు (ఉదా:రాగి-ఉక్కు, ఇత్తడి-ఉక్కు తదితరాలు)
వెల్డింగు ప్రత్యేకతలు
వెల్డింగును పీడనరహిత స్థితి/వాక్యూం (vacuum) లో చెయ్యడం వలన దిగువన పేర్కోనిన చాలా ఉపయోగాలున్నాయి[8]
మిగతా వెల్డింగులతో పోల్చిన తక్కువ ఉష్ణశక్తి వినియోగం
అతితక్కువ ప్రాంతంలో మాత్రమే లోహాలు వెడెక్కుతాయి.
అతుకు వలన చాలా తక్కువ వక్రత కలుగుతుంది. ఆర్కు వెల్డింగు, గ్యాసు వెల్డింగు వంటి వాటిలో వక్రత శాతం అధికం
మిగతా వెల్డింగులకన్న ఎక్కువ వేగంగా అతుకుటను పూర్తి చెయ్యవచ్చును.
0.05 మి, మీ నుండి 200 మి.మీ లోతు /మందం వరకు వెల్డింగు చెయ్యగలిగే సదుపాయమున్నది.
ఇంచుమించు అన్ని రకాలైన లోహాలను అతుకవచ్చును.ఎక్కువ ఉష్ణవాహక గుణమున్న లోహాలను సైతం చాలా తేలికగా అతుక వచ్చును.
భిన్నమైన ద్రవీభవన ఉష్ణోగ్రతలున్న లోహాలను కూడా వెల్డింగు చెయ్యవచ్చును.
పీడన రహిత స్థితిలో అతకడం వలన వెల్డింగు అత్యంత నాణ్యతగా, దృఢంగా, శుభ్రంగా అతుకు ఏర్పడుతుంది.
టైటానియం, జిర్కోనియం, నియోబియం వంటి ఆక్సిజన్ను ఆశించే లోహాలను వాటి సహజ లక్షనాలను పోకుండగా అతుకవచ్చును.
ఇవికూడా చూడండి
వెల్డింగు
బయటి లింకులు
 ఎలక్ట్రాన్‌ బీమ్‌ వెల్డింగుకు సంబంధించిన బొమ్మలు
సూచికలు


వర్గం:వెల్డింగ్
వర్గం:ధాతుశాస్త్రము
వర్గం:లోహాలు