Soldadura por haz de electrones: ¿cómo funciona y qué aplicaciones tiene?

Los métodos de soldadura han evolucionado enormemente desde que se tiene conocimiento de las primeras muestras en la Edad del Bronce y del Hierro, pero especialmente durante el siglo XX y XXI, de manera que la mayor parte de los métodos de fabricación con metales no pueden concebirse sin ella. La soldadura por haz de electrones es una de las más avanzadas, ya que puede usarse tanto en componentes diminutos como en piezas de gran tamaño. Junto con otros métodos como la soldadura en frío, de la que hablamos en este post, como la soldadura por láser, saca un enorme partido de la tecnología de vacío. En este post hablamos sobre él.

¿Cómo funciona la soldadura por haz de electrones?

Para conocer como funciona una soldadura por haz de electrones es útil primero saber, precisamente, qué es un haz de electrones. Podemos definir un haz de electrones como una corriente a gran velocidad de pequeñas partículas con carga negativa que se encuentran en el interior de los átomos que circulan a través de campos magnéticos ajustables hasta una superficie transmitiendo energía que depende directamente de la cantidad de electrones y su velocidad. Esta superficie de material se excita gracias a los choques de los electrones en él, en los que pierden su energía, traduciéndose a un aumento de la energía térmica del material o a un cambio de la estructura química de sus átomos. En una soldadura por haz de electrones, el choque de estos electrones se transforma en energía cinética que calienta, funde y vaporiza el material, con las mínimas pérdidas.

Un haz de electrones puede usarse, además de en soldadura, en tratamientos como la radioterapia, el mecanizado, etc.

Equipo necesario para soldar por haz de electrones

El equipo necesario para llevar a cabo este tipo de soldadura es:

• Cañón o pistola de electrones para generar el haz
• Cámara de vacío de bajo a alto vacío, dependiendo del caso
• Robot manipulador de piezas de trabajo (para posicionarlas dentro de la cámara)
• Fuente de alimentación y sistema de control y monitorización

La necesidad del vacío en un haz de electrones

Si un haz de electrones se generara y se propagara a presión atmosférica, los electrones se dispersarían al chocar con las moléculas del aire. De ahí que sea necesario hacerlo en un vacío: la ausencia de moléculas de aire permite que los electrones se concentren en el haz y choquen en un mismo punto preciso.

En la soldadura por haz de electrones la generación del haz se produce en una pistola que se encuentra a presiones de alto vacío (10^-3 a 10^-6 hectopascales).

El proceso de soldadura por haz de electrones

Seguramente muchos podemos traer a nuestra mente un proceso de soldadura tradicional, en el que un operario con una máscara protectora que usa una fuente de energía eléctrica (corriente alterna o contínua) que derrite los metales para crear la unión.

El proceso de soldadura por haz de electrones es parecido, ya que también se funde el material mediante energía térmica para unirlo al solidificar. Sin embargo, la transformación de energía cinética (los electrones chocando contra el material) se lleva a cabo en un volumen muy pequeño, ya que el haz tiene un diámetro de menor tamaño que los electrodos de acero que se usan en la soldadura por arco, y de esa manera la penetración en el material es menor y los cambios en su estructura también son menores.

Ventajas de la soldadura por haz de electrones

Existen diversas ventajas de la soldadura por haz de electrones respecto a los métodos tradicionales:

• Los cordones de soldadura son más estrechos, incluso en uniones en las que se ha tenido que llevar a cabo una gran penetración del haz en el material.
• Se pueden unir piezas de gran espesor con sólo una pasada.
• Se trata de un proceso rápido y fácil de automatizar (control de los campos magnéticos, control de la cámara de vacío, etc.), y por lo tanto es idóneo para la producción en masa.

Por contra, la principal desventaja es la inversión inicial que supone en equipos y formación de los operarios, y que al depender de una cámara de vacío, las dimensiones de las piezas a trabajar no pueden ser ilimitadas.

Aplicaciones de la soldadura por haz de electrones

El hecho de que esta soldadura permita los resultados más exigentes y el hecho de que permita trabajar con aceros, cobre, magnesio, titanio y sus aleaciones, además de zirconio, berilio y metales refractarios como wolframio, molibdeno y niobio, hace que sea especialmente apreciada en:

• Industria aeroespacial, para soldar piezas de aviones, satélites, etc.
• Industria automotriz, para soldar engranajes y turbocompresores.
• Industria militar, para soldar carros de combate y otros vehículos.
• Industria energética, para soldar grandes calderas nucleares, recipientes para desechos nucleares, turbinas, etc.
• Industria de la construcción y otras obras de ingeniería, para soldar sierras, válvulas, etc.

Diferencias entre soldadura por haz de electrones y soldadura por láser

A veces se confunde la soldadura por haz de electrones con la soldadura por láser, ya que está última es más conocida. Esto es porque culturalmente la palabra “láser” nos resulta familiar y fácil de visualizar (la industria del cine ha contribuido a ello, por ejemplo), mientras que un haz de electrones normalmente no nos evoca imagen alguna. Ambas se pueden englobar en un tipo de soldadura que podemos denominar de rayo de energía concentrada, pero usan un medio distinto para generar y propagar los electrones que convierten su energía cinética en energía térmica que debe fundir el material a unir.

Hemos visto que la soldadura por haz de electrones usa una corriente de electrones finamente enfocados. En el caso de la soldadura por láser, usa luz coherente monocromática (fotones). Sin embargo, esta no es la única diferencia entre ambas. A continuación citamos otras:

Atmósfera de trabajo

La soldadura por haz de electrones suele llevarse a cabo, como hemos descrito más arriba, en una atmósfera de vacío. Sólo así se puede garantizar la calidad de la soldadura, haciendo que los electrones no se dispersen al chocar con las partículas del aire. Pero no sólo eso, también se protege al operador del riesgo que supone la soldadura. La soldadura por láser suele hacerse a presión atmosférica, ya que se usa un gas que actúa como escudo contra el oxígeno, normalmente nitrógeno o argón. Sin embargo, se puede usar también el vacío en este tipo de soldadura, logrando una profundidad en la soldadura mucho mayor.

Uso de gas protector

El hecho de que la soldadura por haz de electrones se lleve a cabo en una cámara de vacío implica que no sea necesario el uso de un gas protector contra el oxígeno ambiental, mientras que en la soldadura por láser es imprescindible usar un gas de escudo cuando se hace a presión ambiental, así como un sistema de extracción de vapores y humos que puede generar. Este gas protector es un consumible costoso que hay que incorporar a la inversión en materiales y equipos.

Espacio y tamaño de las piezas de trabajo

Al llevarse a cabo dentro de una cámara de vacío, la soldadura por haz de electrones limita el tamaño de las piezas que se pueden soldar a lo que cabe en ella. Esto es un factor importante, ya que las cámaras de vacío no pueden ser muy grandes para reducir los tiempos de evacuación de gases (una cámara grande requeriría más tiempo para eliminar las moléculas de gas que requiere el vacío). Esto es algo que no ocurre con la soldadura láser, que puede adaptarse a cualquier tamaño de pieza de trabajo.

Velocidad de soldadura

Ambos tipos de soldadura pueden lograr altas velocidades, sin embargo, la soldadura por haz de electrones puede hacer variar la velocidad en función del campo magnético, que se puede ajustar, mientras que la soldadura por láser siempre requiere altas velocidades de soldadura, dado que forma una columna de vapor de metal.

Calidad de la soldadura

Tanto la soldadura por haz de electrones como la soldadura por láser pueden producir uniones de gran calidad. Sin embargo el láser requiere un control costoso para ello, dado que la oxidación del área de soldadura puede comprometer esta calidad, mientras que el haz de electrones produce una soldadura de alta calidad sin necesidad de un monitoreo, ya que el entorno en el que se genera y disipa el haz es estable y reproducible.

Grosor de la pasada

La soldadura por haz de electrones destaca por lograr hasta 300 mm de espesor en una sola pasada, gracias a su capacidad de penetrar en el material. En el caso del láser, depende de la potencia del láser, y estos equipos son costosos y de disponibilidad limitada.

Posibilidad de automatizar el proceso

Ya hemos indicado que una ventaja de la soldadura por haz de electrones es la estabilidad y la reproducibilidad del proceso. Con una cámara de vacío que pueda evacuarse en pocos segundos se pueden lograr ciclos de 40 segundos por pieza de trabajo, algo habitual en la industria del automóvil. Sin embargo, el tiempo depende de la longitud de la pieza y la complejidad de la soldadura. En el caso del láser, no hay tiempo de evacuación de gases, por lo que también puede ser un proceso rápido, además de automatizado, ya que el rayo láser se puede dividir y compartir.

Eficiencia energética

La soldadura por haz de electrones es altamente eficiente energéticamente, ya que aproximadamente un 85% de la energía cinética se convierte en energía térmica, es decir, que las pérdidas son mínimas. En el caso del láser, este porcentaje es del 40% aproximadamente cuando se usan láseres de fibra.

Costes

Tanto la soldadura por haz de electrones como la soldadura por láser tienen unos costes más elevados que las soldaduras tradicionales, como la soldadura con gas inerte de tungsteno y la soldadura con gas inerte metálico. En el caso del haz de electrones, la inversión se concentra especialmente al inicio, con la adquisición de la cámara de vacío, aunque también tiene costes de mantenimiento. En el caso del láser el gas protector supone su coste de mantenimiento más importante, y la potencia es un factor a considerar también en los costes.

Equipos de vacío para soldadura por haz de electrones o láser

En Marpa Vacuum proveemos equipos de vacío para cámaras de soldadura por haz de electrones y cámaras para soldadura por láser, que requieren un medio o alto vacío, cilíndricas o cúbicas según el tipo de piezas a trabajar, desde unos pocos litros de capacidad hasta cientos de metros cúbicos, con aberturas para insertar y extraer las piezas de trabajo y suficiente tamaño para piezas grandes, con el mínimo tiempo de evacuación, y bombas para evacuar el aire a presión deseada, como bombas de paletas rotativas lubricadas de dos etapas.

Tenemos más de 30 años de experiencia en soluciones llave en mano, por lo que proveemos soluciones de ingeniería a medida para cada aplicación.

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