ריתוך בקרן אלקטרונים

ריתוך בקרן אלקטרונים (EBW) הוא תהליך ריתוך או היתוך בו מופעלת קרן אלקטרונים במהירות גבוהה על שני חומרים שיחוברו.

כאשר האנרגיה הקינטית של האלקטרונים הופכת לחום בעת התהליך, מותכים שני סוגי החומר המעובד ומתערבבים. EBW מבוצע בדרך כלל בתנאי ואקום כדי למנוע פיזור של קרן האלקטרונים.

היסטוריה 

ריתוך בקרן אלקטרונים פותח על ידי הפיזיקאי הגרמני קרל-היינץ שטייגרוולד  בשנת 1949, בעת שעבד על יישומי קרן אלקטרונים שונים. שטייגרוואלד הגה ופיתח את מכונת הריתוך האלקטרונית הראשונה, שהופעלה לראשונה בשנת 1958. הממציא האמריקאי ג'יימס ראסל  תכנן וייצר את מכונת הריתוך התעשייתית הראשונה בקרן אלקטרונים.

פיזיקה של חימום בעזרת קרן אלקטרונים 
אלקטרונים הם חלקיקים אלמנטריים בעלי מסה m = 9.1 · 10 −31 ק"ג ומטען חשמלי שלילי e = 1.6 · 10 −19 ג. הם קיימים או קשורים לגרעין אטומי, כאלקטרוני הולכה בסריג האטומי של מתכות, או כאלקטרונים חופשיים בריק.

ניתן להאיץ אלקטרונים חופשיים בריק, כאשר נתיביהם נשלטים על ידי שדות חשמליים ומגנטיים. באופן זה, יכולות להיווצר קרניים צרות של אלקטרונים הנושאות אנרגיה קינטית גבוהה, אשר בעת התנגשות באטומים במוצקים הופכת לאנרגיית חום. ריתוך קרני אלקטרונים מספק תנאי ריתוך מצוינים מכיוון שהוא כולל:
 שדות חשמליים חזקים, שיכולים להאיץ אלקטרונים למהירות גבוהה מאוד. לפיכך, קרן האלקטרון יכולה לשאת הספק גבוה, השווה לתוצר של זרם הקרן והמתח המואץ. על ידי הגדלת זרם הקרן והמתח המואץ, ניתן להגדיל את כוח הקרן לכל ערך רצוי.
 באמצעות עדשות מגנטיות, שבאמצעותן ניתן לעצב את הקרן לחרוט צר ולהתמקד בקוטר קטן מאוד, מתאפשר ריתוך בצפיפות כוח גבוהה מאוד על פני השטח. ערכי צפיפות ההספק בנקודת המיקוד של הקרן יכולים להיות גבוהים בערכים של 4 10 -6 10 W / mm 2 .
 עומקי חדירה רדודים בסדר גודל של מאיות מילימטר. זה מאפשר צפיפות הספק נפחית גבוהה מאוד, שיכולה להגיע לערכים בסדר גודל 5 10 -7 10 W / mm 3. כתוצאה מכך, הטמפרטורה בנפח זה עולה במהירות רבה, 8 10 עד 10 10 K / s.

היעילות של קרן האלקטרונים תלויה בגורמים רבים. החשובים ביותר הם התכונות הפיזיקליות של החומרים לריתוך, במיוחד הקלוּת בה הם ניתנים להתכה או להתאדות בתנאי לחץ נמוך. ריתוך בקרן אלקטרונים יכול להיות כה מרוכז, עד שיש לקחת בחשבון אובדן חומר עקב אידוי או רתיחה במהלך התהליך. בערכים נמוכים יותר של צפיפות כוח פני השטח בטווח של כ -3 10 רוחב / מ"מ 2 אובדן החומר על ידי אידוי זניח עבור מרבית המתכות, דבר הנוח לריתוך. בצפיפות הספק גבוהה יותר, החומר המושפע מהקרן יכול להתנדף לחלוטין תוך זמן קצר מאוד; זה כבר לא ריתוך בקרן אלקטרונים, זה למעשה תהליך הסרת חומר ועיבוד באמצעות קרן אלקטרונים תהליך הידוע בשם עיבוד בקרן אלקטרונים .

היווצרות הקרן

הקתודה - מקור האלקטרונים החופשיים 

אלקטרונים מוליכים (אלה שאינם קשורים לגרעין האטומים) נעים בסריג המתכתי במהירויות הידועות על פי חוק גאוס ובהתאם לטמפרטורה. הם אינם יכולים לעזוב את המתכת אלא אם כן האנרגיה הקינטית שלהם גבוהה ממחסום הפוטנציאל במשטח המתכת. לפי חוק ריצ'רדסון, עם עליית הטמפרטורה של המתכת גדל מספר האלקטרונים שממלאים תנאי זה באופן אקספוננציאלי.

כמקור אלקטרונים לריתוך בקרן אלקטרונים, על החומר לעמוד בדרישות מסוימות:
 כדי להשיג צפיפות הספק גבוהה בקרן, צפיפות זרם הפליטה [A / mm 2 ], ומכאן טמפרטורת העבודה, צריכה להיות גבוהה ככל האפשר.
 כדי לשמור על אידוי נמוך בריק, על החומר להיות בעל לחץ אדים מספיק נמוך בטמפרטורת העבודה.
 הפולט חייב להיות יציב מכנית, ולא רגיש כימית לגזים הנמצאים באטמוספירה (כמו חמצן ואדי מים).

תנאים אלה ואחרים מגבילים את בחירת החומר לפולט למתכות עם נקודות התכה גבוהות, כמעט לשניים בלבד: טנטלום וטונגסטן. עם קתודות טונגסטן, צפיפות זרם הפליטה שניתן להשיג היא כ-100  mA / mm 2, אך רק חלק קטן מהאלקטרונים הנפלטים לוקח חלק ביצירת קרן, בתלות בשדה החשמלי המופק על ידי האנודה ועל ידי בקרת מתח האלקטרודה. סוג הקתודה הנפוץ ביותר ברתכות קרן אלקטרונים עשוי מפס טונגסטן, בעובי 0.05 מ"מ, כפי שמתואר באיור. הרוחב המתאים של הפס תלוי בערך הנדרש הגבוה ביותר של זרם הפליטה. לטווח התחתון של כוח הקרן, עד כ-2 קילוואט, רוחב w = 0.5 מ"מ מתאים.

האצת אלקטרונים ובקרת זרם 

אלקטרונים שנפלטים מהקתודה הם בעלי אנרגיה נמוכה מאוד. כדי להעניק להם את המהירות הגבוהה הנדרשת, הם מואצים על ידי שדה חשמלי חזק המופעל בין הפולט לבין האנודה. השדה המאיץ חייב גם לכוון את האלקטרונים כדי ליצור שטף צר שמתכנס סביב הציר. ניתן להשיג זאת על ידי שדה חשמלי בסמוך לקתודה, הבנויה בצורה קעורה המכוונת האלקטרונים לכיוון הציר. בצורה זו, מתכנסת קרן האלקטרונים לקוטר המינימלי בקרבת האנודה.

ליישומים מעשיים, הכוח של קרן האלקטרונים חייב להיות נשלט. ניתן להשיג זאת על ידי שדה חשמלי אחר המיוצר על ידי קתודה אחרת טעונה שלילית ביחס לראשונה.

החלק הזה של אקדח האלקטרונים צריך להיות בריק "גבוה", כדי למנוע שריפת הקתודה והופעת פריצה חשמלית.

מיקוד 

לאחר מעבר האנודה, אין לקרן האלקטרונים צפיפות כוח מספקת לריתוך מתכות והיא צריכה לעבור תהליך מיקוד. ניתן להשיג זאת באמצעות שדה מגנטי המיוצר על ידי אלקטרומגנט.

מערכת הטיית הקרן 

כאמור לעיל, נקודת המפגש של הקרניים צריכה להיות ממוקדת בצורה מדויקת מאוד ביחס לנקודת חיבור החלקים שיש לרתך. זה נעשה בדרך כלל באופן מכני על ידי הזזת החומר המרותך ביחס לאקדח האלקטרונים, אך לפעמים עדיף להסיט את הקרן. לרוב משמשת למטרה זו מערכת של ארבעה אלקטרומגנטים המוצבים באופן סימטרי סביב ציר האקדח שמאחורי עדשת המיקוד, שמייצרת שדה מגנטי בניצב לציר האקדח.

חדירת קרן אלקטרונים במהלך הריתוך 
כדי להסביר את יכולתה של קרן האלקטרונים לייצר ריתוכים עמוקים וצרים, יש להסביר את תהליך ה"חדירה", דרך התהליך שעובר אלקטרון "יחיד".

חדירת אלקטרונים 

כאשר אלקטרונים מהקרן פוגעים במשטח מוצק, חלקם מוחזרים לאחור, וחלקם חודרים אל פני השטח, שם הם מתנגשים עם חלקיקי המוצק. בהתנגשויות לא אלסטיות הם מאבדים את האנרגיה הקינטית שלהם. הוכח, הן תאורטית והן ניסויית, כי הם יכולים "לנוע" רק מרחק קטן מאוד מתחת לפני השטח לפני שכל האנרגיה הקינטית שלהם הופכת לחום. מרחק זה פרופורציונלי לאנרגיה הראשונית שלהם וביחס הפוך לצפיפות המוצק. בתנאים המקובלים בריתוך "מרחק התנועה" הוא בסדר גודל של מאיות מילימטר. עובדה זו מאפשרת, בתנאים מסוימים, חדירה מהירה של הקרן.

חדירת קרן האלקטרונים 

תרומת החום של אלקטרונים בודדים קטנה מאוד, אך ניתן להאיץ את האלקטרונים במתח גבוה מאוד, ועל ידי הגדלת מספרם (זרם הקרן) ניתן להגדיל את כוח הקרן לכל ערך רצוי. על ידי מיקוד הקרן לשטח בקוטר קטן על פני השטח של העובד, ערכי צפיפות ההספק במישור גבוהים והם: 104 עד 107 W/mm2. מכיוון שאלקטרונים מעבירים את האנרגיה שלהם לחום בשכבה דקה מאוד של המוצק, כפי שהוסבר לעיל, צפיפות הכוח בנפח זה יכולה להיות גבוהה ביותר. צפיפות הנפח של הכוח בנפח הקטן שבו הופכת האנרגיה הקינטית של האלקטרונים לחום יכולה להגיע לערכים בסדר גודל105 – 107 W/mm3. כתוצאה מכך, הטמפרטורה בנפח זה עולה במהירות רבה, בקצב של 108 – 109 K/s.

השפעת קרני האלקטרונים בנסיבות כאלה תלויה בכמה תנאים: קודם כל בתכונות הפיזיקליות של החומר - כל חומר יכול להיות מותך, או אפילו להתאדות, תוך זמן קצר מאוד. בהתאם לתנאים, עוצמת האידוי עשויה להשתנות. בערכים נמוכים יותר של צפיפות בפני השטח (בטווח של 103 W/mm2 אובדן החומר על ידי אידוי זניח עבור מרבית המתכות, דבר הנוח לריתוך. בצפיפות הספק גבוהה יותר, החומר המושפע מהקרן יכול להתנדף לחלוטין תוך זמן קצר מאוד; זה כבר לא ריתוך בקרן אלקטרונים; זה בפועל תהליך עיבוד בקרן אלקטרונים.

ניסויים ויישומים מעשיים רבים של ריתוך בקרן אלקטרונים מעידים כי גודל וצורת האזור המושפע מהקרן תלויה ב:
 הספק הקרן - שהוא תוצר המתח המואץ [kV] וזרם הקרן [mA], פרמטרים ניתנים למדידה ולשליטה מדויקת.
 צפיפות ההספק במקום פגיעת הקרן בעובד תלויה בגורמים כמו גודל מקור האלקטרון בקתודה, והאיכות האופטית של העדשה החשמלית המואצת ומיקוד העדשה המגנטית
 מהירות הריתוך - בניית ציוד הריתוך אמורה לאפשר התאמה של מהירות התנועה היחסית של החומר ביחס לקרן בגבולות רחבים מספיק, למשל, בין 2 ל-50 מ"מ / שנייה.
 מאפייני חומר,
 גאומטריה (צורה ומידות) של החלקים לריתוך.

תוצר 
ההשפעה הסופית של קרן האלקטרונים תלויה בשילוב המסוים של פרמטרים אלה.
 פעולת הקרן בצפיפות הספק נמוכה או לאורך זמן קצר מאוד מביאה להיתוך שכבת משטח דקה בלבד.
 אלומה ממוקדת אינה חודרת, והחומר במהירות ריתוך נמוכה מחומם רק על ידי הולכת החום מפני השטח, ויוצר אזור מומס.
 בצפיפות הספק גבוהה ובמהירות נמוכה, מיוצר אזור נמס עמוק ומעט חרוטי.
 במקרה של צפיפות הספק גבוהה מאוד, הקרן (ממוקדת היטב) חודרת עמוק יותר, ביחס ישר להספק הכולל שלה.

תהליך הריתוך

תכונת רתיכות החומר 
בכל תהליכי הריתוך יש חשיבות מרכזית ליכולת החלק לעבור תהליך ריתוך. משמעות תכונה זו היא האפשרות להיתוך בחום, להתקררות והתמצקות, וחזרה למצב מכני ללא נזקים וסדקים.

לא כל החומרים ניתנים לריתוך באמצעות קרן אלקטרונים בוואקום. לא ניתן להחיל טכנולוגיה זו על חומרים עם לחץ אדים גבוה בטמפרטורת ההיתוך, כמו אבץ, קדמיום, מגנזיום ועל חומרים שאינם מתכתיים.

לצורך ריתוך חלקים בעלי קירות דקים, בדרך כלל יש צורך במתקני ריתוך מתאימים. אשר יבטיחו מגע מושלם של החלקים ולמנוע את תנועתם במהלך הריתוך. בדרך כלל יש לתכנן אותם באופן אינדיבידואלי לכל חומר עובד נתון.

ריתוך של שני חומרים שונים 
לעיתים לא ניתן לחבר שני רכיבי מתכת שונים על ידי ריתוך, כלומר להתיך חלק משניהם לאורך התפר, אם לשני החומרים יש תכונות שונות מאוד עלולות להיווצר תרכובות שבירות ובין-מתכתיות. לא ניתן לשנות מצב זה, אפילו לא באמצעות ביצוע הריתוך בתא וואקום, עקרון העבודה הוא לא להמיס את שני החלקים, אלא רק את החומר עם טמפרטורת ההיתוך הנמוכה יותר, ואילו החומר השני נשאר מוצק. היתרון של ריתוך בקרן אלקטרונים הוא ביכולת למקם את החימום לנקודה מדויקת ולשלוט בדיוק על האנרגיה הדרושה לתהליך. תא עם ערכי וואקום גבוהים משפר את ביצוע הריתוך.

בעיות ומגבלות אפשריות 

החומר שמותך על ידי הקרן מתכווץ במהלך הקירור. לאחר הקרור וההתמצקות עלולות להיגרם תוצאות לא רצויות כמו סדקים, עיוותים ושינויי צורה.

מערכת הריתוך

מאז הפעלת המערכת הראשונה לריתוך בקרן אלקטרונים על ידי שטייגרוולד בשנת 1958, התפשט הריתוך בקרן אלקטרונים במהירות בכל ענפי ההנדסה בהם ניתן ליישמו. כדי לעמוד בדרישות השונות, תוכננו סוגים שונים של רתכות - במבנה, בנפח שטח העבודה, בתפעול ובעוצמת הקרן. גנרטורים של קרני אלקטרונים (אקדחי אלקטרונים) המיועדים ליישומי ריתוך יכולים לספק לקרן הספק שנע בין וואטים בודדים ועד כמאה קילוואט. ניתן לממש "מיקרו-ריתוכים" של רכיבים זעירים, כמו גם ריתוכים עמוקים עד עומק 300 מ"מ (או אפילו יותר במידת הצורך). נפח תאי העבודה בריק בדרך כלל הוא של ליטרים ספורים בלבד, אך לשימושי תעשייה מיוחדים נבנו גם תאי ריק בנפחים של כמה מאות קוב.

הציוד לתהליך:
 אקדח אלקטרונים, מייצר קרן אלקטרונים,
 תא עבודה, שמאופיין על ידי ריק "נמוך" או "גבוה",
 מערכת הנעה לחלק העובד.
 אספקת חשמל ובקרה וניטור אלקטרוניקה.

אקדח אלקטרונים

באקדח האלקטרונים נוצרים אלקטרונים חופשיים באמצעות פליטה תרמיונית מרצועת מתכת חמה (או חוט). לאחר מכן הם מואצים ומנותבים לקרן מתכנסת צרה על ידי שדה חשמלי המיוצר על ידי שלוש אלקטרודות: הרצועה הפולטת את האלקטרון, הקתודה המחוברת לקוטב השלילי של ספק הכוח הגבוה (המאיץ) (30 - 200 kV) והאנודה. אלקטרודה שלישית, הטעונה שלילית ביחס לקתודה, המכונה אלקטרודה Wehnelt או בקרת. הפוטנציאל השלילי שלה שולט באלקטרונים הנפלטים שנכנסים לשדה המאיץ, כלומר בזרם קרן האלקטרונים.

לתפקוד תקין של אקדח האלקטרונים, יש צורך להתאים את הקרן בצורה מושלמת ביחס לצירים של העדשה החשמלית המאיצה ועדשת המיקוד המגנטית.

תא עבודה

מאז הופעתן של מכונות ריתוך בקרן אלקטרונים הראשונות בסוף שנות ה-50, היישום של ריתוך בקרן אלקטרונים התפשט במהירות לתעשייה ולמחקר בכל המדינות המפותחות ביותר. עד כה יוצרו ונמצאים בשימוש מכונות רבות ומגוונות לריתוך. רוב מכונות הריתוך מופעלות בתוך תאי ואקום.

תא העבודה בוואקום עשוי לכלול נפח רצוי, מכמה ליטרים ועד מאות מטרים מעוקבים. אקדחי קרן האלקטרונים מספקים הספק של עד 100 קילוואט, או אפילו יותר במידת הצורך. במכשירי קרן מיקרו-אלקטרונים ניתן לרתך במדויק רכיבים עם ממדים בגודל של עשיריות המילימטר. בתאי ריתוך עם הספקי קרן גבוהים ניתן לרתך עד לעומק 300 מ"מ.

ישנן גם מכונות ריתוך בהן אלומת קרן האלקטרונים מועברת מתא הואקום אל מחוץ לתא כדי לרתך מערכות גדולות מחוץ לתא.

אמצעי הנעת החלק

לעולם לא ניתן "לתפעל ידנית" את הריתוך בקרן אלקטרונים, גם אם אינו ממומש בוואקום, מכיוון שתמיד קיימת קרינת רנטגן חזקה. התנועה היחסית של הקרן וחומר העובד מושגת לרוב על ידי סיבוב או הנעה ליניארית של החומר. בחלק מהמקרים הריתוך מתבצע על ידי הזזת הקרן בעזרת מערכת הטיה מבוקרת על ידי מחשב. מניפולטורים ואמצעי רובוטיקה לעבודה מעוצבים לרוב באופן אינדיבידואלי כדי לענות על הדרישות הספציפיות של ציוד הריתוך והחלק הספציפי.

דרישות מערכת החשמל

יש צורך בספק כוח מתאים למחולל הקרן. ניתן לבחור את המתח המואץ בין 30 ל-200 קילו-וולט. אקדח האלקטרונים זקוק גם לאספקת מתח נמוך עבור מערכת התיקון, עדשת המיקוד ומערכת ההטיות.

ייתכן שיהיה צורך גם באלקטרוניקה מורכבת כדי לשלוט במניפולטור להנעת החלק העובד.

דוגמאות ליישומים

טכנולוגיית ריתוך זו יכולה לרתך מצד אחד פלדה בעובי 0.1 מ"מ, ומאידך פלדות בעובי 300 מ"מ במעבר יחיד,

להלן מספר דוגמאות למוצרים המולחמים בקרן אלקטרונים:

להבי מסור דו מתכת

להבי בי מטל מיוצרים בכמויות גדולות על ידי ריתוך בקרן אלקטרונים. בלהב זה יש צורך בגוף להב גמיש מפלדה נמוכת פחמן, והשיניים החותכות עשויות מפלדה מהירה קשה. הריתוך בקרן אלקטרונים מבוצע במערכת אוטומטית והמוצר המתקבל אחיד ואיכותי. הלהב הדו-מתכתי גמיש ובכך פחות נוטה לשבירה. התוצאה היא מוצר משופר, הן מבחינת העלות והן מבחינת הביצועים.

.

מכלולים מורכבים

ניתן לייצר מכלולים מסובכים עם חסכון רב בעיבוד שבבי, דפנות המערכת מיוצרות בעיבוד שבבי, עוברות טיפולים טרמיים, ופעולות משלימות נוספות ובסוף התהליך עוברות ריתוך בקרן אלקטרונים לקבלת המוצר הסופי. דוגמה זו ממחישה את היכולת של ריתוך בקרן אלקטרונים תוך הגבלת העיוותים לרמה מינימלית ובכך לאפשר ייצור קל של רכיבים קשים או אפילו בלתי אפשריים.

רכיבי חלל
ייצור רכיבי חלל מסגסוגות טיטניום מבוצע על ידי ריתוך בקרן אלקטרונים. הריתוך בעיוות מינימלי מאפשר לקבל חלקים בדיוקים גבוהים. בשל סביבת הריתוך הנקייה בוואקום, אין סיכון לחימצון ולנזקים מטלורגיים באזור תפר הריתוך.

ריתוך חומרים שונים

תהליך ריתוך בקרן אלקטרונים מאפשר חיבור של מתכות שונות, כלומר כאלה עם נקודות התכה שונות ומוליכות תרמית שונה. אשר אינם ניתנים לריתוך על ידי תהליכים אחרים.

ראו גם
 Electron-beam technology
מאמר המקור

Content in this edit is translated from the existing Wikipedia article at en:electron-beam welding; see its history for attribution.

הערות שוליים

קישורים חיצוניים 

 Schulze, Klaus-Rainer. "Electron Beam Technologies". DVS Media, Düsseldorf, 2012.
 
 What is Electron Beam Welding?
 Electron beam welding of thin-walled parts
 Weldability of various materials
 Leptons-Technologies Weldability of metals 
ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה
קרן
כימיה פיזיקלית