Setelah membaca artikel ini Anda akan belajar tentang:- 1. Pengantar Pengelasan Berkas Elektron (EBW) 2. Peralatan yang Diperlukan untuk Pengelasan Berkas Elektron (EBW) 3. Karakteristik Proses 4. Desain dan Persiapan Sambungan Las 5. Karakteristik dan Kualitas Las 6. Varian 7. Aplikasi.
Pengantar Electron Beam Welding (EBW):
Akhir Perang Dunia Kedua memulai perlombaan antar negara untuk supremasi dalam penelitian ruang angkasa dan nuklir. Ini membutuhkan penggunaan logam reaktif (seperti titanium dan zirkonium) dan refraktori (seperti tungsten, molibdenum, dan tantalum). Penggabungan logam-logam ini dengan proses pengelasan fusi yang kemudian ditetapkan mengakibatkan penyerapan oksigen, nitrogen, dan hidrogen dengan cepat oleh logam reaktif selama siklus pengelasan dan pasca-pengelasan yang mengakibatkan keuletannya berkurang.
Fusi dan rekristalisasi logam refraktori, di sisi lain, menaikkan kisaran suhu transisi ulet ke getas di atas suhu kamar. Karena kelemahan ini diperlukan untuk mengelas logam ini pada tekanan 10 -4 torr atau kurang untuk mencapai kualitas lasan yang diinginkan dan yang mengarah pada pengembangan pengelasan berkas elektron.
Pengelasan berkas elektron (EBW) adalah proses di mana seberkas elektron dibuat untuk menimpa permukaan kerja untuk memanaskannya di tempat yang diinginkan. Sebagai elektron adalah partikel yang sangat kecil dengan radius 2,82 × 10 -12 mm dan massa 9,109 × 10 -28 gm; sehingga tidak dapat menempuh jarak yang signifikan di udara atau gas lainnya. Oleh karena itu, penciptaan vakum merupakan persyaratan penting bagi berkas elektron untuk terwujud ke arah yang diinginkan.
Namun, ketika tingkat vakum yang diperlukan dibuat, berkas elektron dapat menempuh jarak yang cukup jauh dan melelehkan logam atau keramik yang dikenal. Dengan demikian, ini adalah proses yang pada dasarnya telah ditetapkan untuk membuat logam reaktif dan tahan api yang mahal dan sulit dilas.
Peralatan yang Dibutuhkan untuk Electron Beam Welding (EBW):
Peralatan yang digunakan untuk EBW cukup kompak dan pada dasarnya terdiri dari dua bagian utama yaitu, senjata EBW dan ruang kerja. Bergantung pada sambungan listrik, pistol EBW mungkin dari tipe akselerasi kerja atau tipe akselerasi sendiri; dan berdasarkan pada sistem yang digunakan untuk mengendalikan arus pancaran, pistol yang dipercepat sendiri dapat berupa jenis katup dioda atau jenis katup triode.
Bergantung pada tingkat vakum di ruang kerja, semua jenis senjata las ini juga diklasifikasikan sebagai jenis vakum tinggi, vakum sedang, dan non-vakum. Demikian pula, berdasarkan tegangan yang digunakan untuk mempercepat kecepatan elektron, senjata disebut sebagai jenis tegangan rendah dan tegangan tinggi. Dengan demikian, klasifikasi keseluruhan senjata EBW dapat direpresentasikan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 14.1.
Komponen utama dari senjata EBW termasuk katoda atau filamen untuk memancarkan elektron, sistem percepatan elektron, perangkat pancaran dan pemfokusan, sistem penglihatan atau optik, dan ruang vakum atau ruang kerja yang menggabungkan sistem lintasan kerja dan kadang-kadang perangkat pelacak jahitan. juga disertakan untuk memastikan lasan bebas cacat berkualitas tinggi. Gambar 14.2 memberikan representasi skematis dari sebagian besar komponen senjata EBW tipikal.
Karakteristik Proses Pengelasan Berkas Elektron (EBW):
Lasan yang dihasilkan oleh EBW memiliki bentuk yang khas karena membentuk penetrasi kepala kuku goreng yang membedakannya dari penetrasi jari pada proses las busur logam gas (GMAW) arus tinggi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14.4.
Jenis penetrasi nailhead ini dicapai melalui fenomena yang disebut lubang kunci. Dalam teknik ini aliran elektron menembus permukaan benda kerja hingga jarak sekitar 25 mikron. Saat aliran elektron bergerak lebih dalam ke materi, elektron tersebar, diperlambat dan dihentikan oleh tumbukan dengan atom dari struktur material, menghasilkan pemanasan volume berbentuk buah pir.
Permukaan tipis bagian atas yang tidak terpengaruh kemudian pecah sehingga membuka saluran yang melepaskan tekanan internal yang tinggi serta aliran cepat bahan yang menguap. Bahan yang keluar membuat saluran tetap terbuka. Proses ini diulangi pada lapisan benda kerja berikutnya hingga penetrasi yang dalam. lubang uap dengan dinding cair, ditunjukkan pada Gambar. 14.5, dicapai dengan mengeluarkan energi pancaran.
Logam cair dari bagian depan lubang uap mengalir di sekitar pinggirannya dan mengeras di bagian belakang untuk membentuk logam las saat balok bergerak maju sepanjang garis las. Oleh karena itu penetrasi jauh lebih dalam dari lebar las, dan zona yang terkena panas sangat sempit; misalnya lebar las dalam las butt penetrasi penuh dalam pelat baja setebal 13 mm mungkin sekecil 1-5 mm. Rasio lebar terhadap penetrasi hingga 50, dalam las baja, dilaporkan telah tercapai.
Ketergantungan mekanisme lubang kunci pada pembentukan uap dan tegangan permukaan berarti bahwa logam berbeda dalam kemudahan mereka dapat ditembus oleh berkas elektron. Dilaporkan bahwa penetrasi meningkat seiring dengan penurunan panas pembentukan uap. Ini menjelaskan mengapa tungsten lebih sulit ditembus daripada aluminium. Penetrasi di EBW juga berbanding terbalik dengan titik leleh dan konduktivitas termal dan sebanding dengan akar kuadrat dari difusivitas termal dari material yang dilas.
Desain dan Persiapan Sambungan Las untuk EBW:
Sambungan yang biasa dibuat dengan proses EBW, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14.11, termasuk tipe butt, comer, lap, edge dan Tee atau modifikasinya untuk menyesuaikan aplikasi tertentu, menggunakan preparasi tepi persegi. Lasan sudut yang normal sulit untuk dilas dan, karenanya, biasanya dihindari.
Persiapan tepi butt persegi menuntut penggunaan perlengkapan untuk menjaga komponen kerja dalam keselarasan yang diperlukan; namun ketika perlengkapan harus dihindari, sambungan dapat dimodifikasi menjadi tipe rabbet seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 14.11 (b). Itu juga memastikan penyelarasan diri.
Jika area logam las akan diperbesar, seperti dalam kasus penyambungan pipa tipis, ujung-ujungnya bisa di-scarf. Namun, persiapan tepi syal dan pemasangan lebih sulit dilakukan. Fillet tepi, jahitan dan pangkuan terutama digunakan untuk menyambung lembaran logam saja.
Kontaminasi logam las cenderung menyebabkan porositas atau retakan serta penurunan sifat mekanik. Oleh karena itu, sangat penting untuk membersihkan sambungan secara menyeluruh sebelum pemasangan dan penyelarasan. Aseton adalah pelarut pilihan untuk membersihkan komponen EBW; namun aseton yang sangat mudah terbakar perlu ditangani dengan sangat hati-hati.
Untuk menghindari fusi yang kurang atau tidak lengkap, sambungan harus disiapkan dengan hati-hati untuk mencapai kesesuaian dan keselarasan yang baik. Celah antara permukaan faying harus sekecil mungkin dengan maksimum 0,125 mm; namun paduan aluminium dapat mentolerir celah yang agak lebih besar daripada baja.
Biasanya dalam EBW ditujukan untuk tidak menggunakan logam pengisi, oleh karena itu, sambungan las dipilih yang sesuai. Namun, terkadang logam pengisi ditambahkan untuk mengisi sambungan selama lintasan kedua atau kosmetik untuk memberikan ketebalan penuh. Peralatan pengumpan kawat pengisi biasanya mirip dengan yang digunakan untuk pengelasan busur tungsten gas meskipun kebutuhan khusus mungkin memerlukan penggunaan unit yang dirancang khusus untuk digunakan di ruang vakum. Diameter kawat pengisi umumnya kecil dengan maksimum sekitar 0-5 mm dan kawat dimasukkan ke tepi depan kolam las kecil.
Kadang-kadang logam pengisi dapat ditambahkan untuk mencapai karakteristik fisik atau metalurgi yang diinginkan dari logam las; karakteristik yang dikontrol dapat mencakup keuletan, kekuatan tarik, kekerasan dan ketahanan terhadap retak. Penambahan sejumlah kecil kawat aluminium atau shim, misalnya, dapat mengakibatkan produksi baja mati dan mengurangi porositas.
Karakteristik Las dan Kualitas EBW:
Karena rasio penetrasi-terhadap-lebar yang tinggi dari las EB, dua keuntungan yang berbeda bertambah, yaitu, pelat yang relatif tebal dapat dilas dalam sekali jalan dan kecepatan pengelasan jauh lebih tinggi daripada yang dapat dicapai dalam las busur dapat digunakan.
Sejumlah logam dapat dilas untuk memberikan rasio kedalaman-ke-lebar hingga 50. Dengan menggunakan preparasi tepi persegi, pelat aluminium setebal 450 mm dapat dilas dalam sekali lintasan meskipun pada baja ketebalan yang sesuai biasanya dibatasi hingga 300 mm .
Proses EBW vakum tinggi adalah alat yang sangat baik untuk mengelas logam serupa dengan ketebalan berbeda serta untuk memperbaiki pengelasan komponen yang tidak mungkin diselamatkan oleh proses lain. Umumnya tidak diperlukan pemanasan awal bahkan untuk pengelasan, material dengan konduktivitas tinggi, dengan EBW.
Meskipun EBW adalah proses densitas daya yang tinggi namun masukan energi per satuan panjang rendah seperti yang terlihat dari tabel 14.3. Karakteristik proses ini memberikan dua keuntungan yaitu, mengurangi ukuran zona yang terkena panas dan meminimalkan distorsi. Logam las pada las EB memiliki sifat mekanik yang biasanya mirip dengan logam dasar.
Variabel proses dapat dikontrol untuk mencapai tingkat keandalan dan reproduktifitas yang tinggi dalam las. Namun, dibandingkan dengan proses las busur, toleransi pemesinan yang lebih dekat diperlukan untuk membuat las EB. Juga, ada kemungkinan penguapan logam tekanan uap tinggi selama pengelasan.
Varian Proses EBW:
Fitur-fitur yang 80 jauh dibahas berkaitan terutama dengan senjata EBW tipe vakum tinggi. Namun, EBW vakum tinggi adalah produksi rendah dan proses berbiaya tinggi. Dengan demikian, digunakan untuk pengelasan komponen yang sangat penting terutama dari logam reaktif. Ada dua varian atau mode proses utama yaitu, EBW vakum sedang dan EBW non-vakum.
- EBW Vakum Sedang:
Sementara EBW vakum tinggi dilakukan pada rentang tekanan 10 -3 hingga 10 -6 torr, EBW vakum sedang menggunakan rentang tekanan 10 -3 hingga 25 torr. Dalam batasan ini rentang tekanan antara 10 -3 dan 1 torr disebut sebagai ‘vakum lunak atau parsial’ dan dari 1 hingga 25 torr disebut ‘vakum cepat’. Proses vakum menengah mempertahankan sebagian besar keuntungan dari pengelasan vakum tinggi dan dengan peningkatan kemampuan produksi.
Dalam pistol EBW vakum sedang sinar dihasilkan dalam vakum tinggi dan kemudian diproyeksikan ke ruang las dengan vakum lembut atau cepat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 14.14. Hal ini dilakukan melalui lubang yang cukup besar untuk dilalui sinar tetapi tidak memungkinkan difusi balik gas yang signifikan dari ruang ke kolom senjata.
Keuntungan utama dari EBW vakum menengah adalah bahwa persyaratan untuk pemompaan vakum sangat berkurang sehingga menghasilkan keuntungan yang tinggi dalam hal komersial dan ekonomi. Varian ini sangat cocok untuk tugas produksi massal, misalnya, roda gigi dapat berhasil dilas ke poros dalam kondisi permesinan terakhirnya tanpa melibatkan operasi penyelesaian selanjutnya dengan tetap mempertahankan toleransi yang ketat.
Karena peningkatan kehadiran udara dalam mode vakum me dium (100 ppm), prosesnya kurang memuaskan dibandingkan pengelasan vakum tinggi untuk logam reaktif. Namun, proses ini ditemukan cukup untuk pengelasan logam refraktori dimana penyerapan sejumlah kecil oksigen dan nitrogen dapat ditoleransi.
- EBW Non-Vakum :
Pengelasan non-vakum dilakukan pada tekanan atmosfir meskipun pistol EB harus dipegang pada tekanan 10 – 4 torr atau kurang untuk pengelasan yang stabil dan efisien.
EB dalam pengelasan non-vakum dibawa keluar dari sistem vakum melalui serangkaian ruang kosong dengan lubang kecil, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14.15, sedemikian rupa untuk meminimalkan aliran gas atmosfer ke dalam kolom senapan. Ruang kerja dapat diisi dengan helium karena menawarkan lebih sedikit penghalang ke EB dan memberikan bentuk penetrasi yang lebih baik daripada yang diperoleh dengan argon atau udara sebagai atmosfer. Selain itu, untuk penetrasi tertentu dan jarak senjata ke tempat kerja, pelindung helium memungkinkan pengelasan pada kecepatan pengelasan yang jauh lebih tinggi.
Semakin tinggi tegangan akselerasi, semakin jauh berkas bergerak dalam gas pada tekanan atmosfer dan digunakan tegangan 150 hingga 175 KV. Terlepas dari tegangan percepatan, daya pancaran, kecepatan perjalanan, jarak tembak ke jarak kerja, dan gas pelindung adalah variabel proses yang penting. Gambar 14.16 menunjukkan penetrasi las sebagai fungsi kecepatan perjalanan untuk tiga tingkat daya yang berbeda dari EBW non-vakum yang menunjukkan peningkatan signifikan dalam kecepatan perjalanan dengan meningkatkan daya untuk penetrasi tertentu.
EBW non-vakum menunjukkan lebih banyak penetrasi pada tingkat daya di atas 50 KW yang memungkinkan untuk mengelas baja dengan ketebalan lebih dari 25 mm dengan jenis penetrasi lubang kunci yang merupakan karakteristik EBW; ini juga membantu dalam pengelasan dengan kecepatan berkali-kali lebih banyak daripada yang layak dengan pengelasan busur terendam.
Keuntungan utama dari sistem non-vakum adalah bahwa pekerjaan dibiarkan tetap pada tekanan atmosfer dan mengarah ke tingkat produksi yang lebih tinggi dengan biaya yang lebih rendah. Juga, ukuran lasan mungkin tidak dibatasi oleh ruangan. Namun, keunggulan ini diperoleh dengan mengorbankan rasio kedalaman las terhadap lebar yang rendah, penetrasi las yang berkurang, dan jarak senjata ke tempat kerja yang kecil .
Bahan yang dapat dilas dengan sistem EBW non-vakum meliputi baja karbon, paduan rendah, dan baja tahan karat, paduan suhu tinggi, paduan al tahan api serta paduan tembaga dan aluminium. Beberapa dari logam ini dapat dilas di udara sementara yang lain membutuhkan atmosfir lembam yang biasanya diperoleh dengan menggunakan argon atau helium sebagai gas pelindung.
Aplikasi Electron Beam Welding (EBW):
Semua logam dan paduan yang dapat dilas fusi dengan proses lain, biasanya dapat dilas dengan EBW juga. Ini mungkin termasuk baja struktural, baja tahan karat, baja tahan karat, titanium, zirkonium, tungsten, molibdenum, berilium, renium, tantalum dan kolumbium. Kombinasi logam berbeda yang kompatibel secara metalurgi juga dapat dilas. Namun, EBW digunakan terutama untuk aplikasi yang melibatkan presisi tinggi dan laju produksi tinggi.
Aplikasi presisi tinggi membutuhkan pengelasan di lingkungan dengan kemurnian tinggi untuk menghindari kontaminasi akibat oksigen dan nitrogen atmosfer. Aplikasi tersebut merupakan kebutuhan utama industri nuklir, pesawat terbang, dirgantara, dan elektronik. Produk khas yang dihasilkan oleh proses ini termasuk elemen bahan bakar nuklir, komponen mesin jet paduan khusus, bejana tekan untuk sistem propulsi roket dan perangkat vakum yang tertutup rapat seperti penyegelan transistor, sakelar mikro, dll.
Contoh umum aplikasi laju produksi tinggi termasuk komponen seperti roda gigi, rangka, kolom kemudi, bagian transmisi dan penggerak mobil, pipa berdinding tipis, pengelasan baja kecepatan tinggi ke gergaji pita dan bilah gergaji listrik.
Bentuk khusus yang menuntut penetrasi yang dalam seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14.12 hanya mungkin dilakukan dengan EBW. Gambar 14.13 menunjukkan jenis sambungan yang unik untuk pengelasan berkas elektron; mengelas dalam ceruk, mengelas sambungan-T dengan paku dan mengelas beberapa sambungan secara bersamaan.
Sebagian besar las di EBW dibuat tanpa logam pengisi. Namun, jika bentuk manik yang kurang terisi atau tidak baik dihasilkan, hal itu dapat diperbaiki dengan pass kosmetik berikutnya asalkan benda kerja tidak dikerjakan setelah pengelasan. Hal ini dilakukan dengan melewati manik las lagi menggunakan balok daya yang lebih rendah dengan putaran balok atau menenun yang diterapkan oleh kumparan defleksi.
Beberapa aplikasi industri spesifik EBW meliputi pengelasan roda gigi kluster, rotor kompresor titanium dan poros daya mesin turbin gas, injektor mesin roket yang terbuat dari paduan aluminium 5083, perangkat pemanas termionik dan untuk penyambungan komponen logam bersuhu tinggi seperti columbium puputan.
