Artikel ini menyoroti tujuh peralatan utama yang diperlukan untuk Electron Beam Welding (EBW). Peralatan tersebut adalah: 1. Katoda 2. Sistem Percepatan Elektron 3. Sistem Pemfokusan Sinar 4. Sistem Peninjauan Las 5. Ruang Vakum 6. Sistem Lintasan Kerja 7. Metode Pelacakan Jahitan.
Peralatan #1. Katoda:
Energi kinetik elektron yang bergerak dengan kecepatan tinggi dalam ruang hampa menjadi sumber energi dalam EBW, sehingga proses ini membutuhkan elektron bebas yang dikonsentrasikan dan dipercepat dengan tepat untuk menyediakan energi yang cukup untuk menghasilkan panas pengelasan karena tiba-tiba berhenti saat mengenai permukaan kerja. Ini dilakukan dengan bantuan filamen yang juga disebut sebagai katoda atau emitor.
Katoda untuk senjata EBW sebagian besar terbuat dari logam yang dapat digunakan secara wajar dan memiliki fungsi termionik atau kerja yang cukup rendah. Logam juga harus mampu beroperasi secara konsisten dalam ruang hampa dan tahan lama. Sayangnya katoda doping (thoriated atau zirconated) yang sangat efisien umumnya tidak dapat digunakan untuk senjata EBW karena kondisi vakum yang tidak sempurna yang melekat pada pengelasan.
Karena lazimnya suhu tinggi, logam dengan fungsi termionik tinggi harus digunakan untuk menghindari emisi elektron yang berlebihan. Filamen tungsten biasanya digunakan karena titik lelehnya yang tinggi dan fungsi kerja yang tinggi serta tungsten kurang sensitif terhadap kontaminasi. Fungsi kerja dari beberapa logam yang relevan diberikan pada Tabel 14.1.
Katoda dapat berupa filamen jenis pita atau batang yang dipanaskan langsung atau filamen jenis batang atau cakram yang dipanaskan secara tidak langsung oleh pemboman elektron atau pemanasan induksi. Desain katoda mempengaruhi karakteristik titik balok akhir yang dihasilkan pada permukaan kerja.
Katoda kawat atau pita yang dipanaskan secara langsung biasanya dibentuk dalam bentuk seperti jepit rambut yang dipanaskan oleh aliran arus listrik yang melewatinya. Arus pemanasan mungkin ac atau dc meskipun dc lebih disukai karena medan magnet yang diciptakan oleh arus pemanasan dapat mempengaruhi arah sinar. Peringkat arus dan tegangan catu daya filamen bergantung pada jenis dan ukuran filamen yang dipanaskan secara langsung. Untuk filamen kawat tungsten berdiameter 0,5 mm suplai akan dinilai untuk 30 A pada 20 V. Dibandingkan dengan filamen kawat, filamen jenis pita memberikan area pancaran yang jauh lebih besar dan peringkat catu daya mungkin 30 hingga 70 A pada 5 hingga 10 volt.
Filamen tungsten yang digulung dipanaskan hingga sekitar 2300°C melalui aliran arus pemanas. Pada suhu ini filamen memancarkan sekitar 6 × 10 18 elektron per detik untuk setiap sentimeter persegi area filamen.
Catu daya untuk sumber tambahan untuk emitor yang dipanaskan secara tidak langsung dengan pengeboman adalah 100 hingga 200 mA pada beberapa kilovolt. Lantanum hexaboride (LaB 6 digunakan di beberapa katoda yang dipanaskan secara tidak langsung karena dianggap lebih unggul dari semua katoda suhu tinggi yang diketahui dalam sifat emisi.
Katoda ini memiliki masa pakai yang cukup lama yaitu 250 hingga 300 jam dalam kondisi pengoperasian normal. Katoda Lantanum hexaboride dinaikkan ke suhu kerja 1400 hingga 1650°C oleh pemanas tungsten. Mode katoda yang dapat diganti dari LaB 6 tersedia dalam berbagai ukuran yaitu diameter permukaan pancar 3.0, 4.2 dan 4-75 mm. Ukuran katoda ini mencakup berbagai kekuatan sinar yang bervariasi dari beberapa watt hingga maksimum sekitar 12 KW.
Peralatan # 2. Sistem Percepatan Elektron:
Elektron meninggalkan permukaan katoda ke segala arah dengan kisaran kecepatan awal. Oleh karena itu, idealnya, katoda harus dibuat sekecil mungkin sesuai dengan kemampuannya untuk melewatkan arus yang diperlukan untuk pemanasan. Kontrol geometri katoda yang tepat penting karena perubahan bentuknya selama penggunaan dapat mengubah jalur elektron yang meninggalkan permukaannya.
Elektron yang dipancarkan secara acak dari filamen diberi arah dan kecepatan oleh elektroda berbentuk cangkir yang mengelilingi filamen emitor dan secara akurat menempatkan anoda pada jarak yang dirancang. Elektroda berbentuk cangkir yang mengelilingi emitor ini, secara elektrostatik membentuk elektron yang dikeluarkan menjadi sinar. Dalam pistol jenis dioda, elektroda pembentuk berkas ini sering dibiaskan ke potensi yang sedikit lebih negatif untuk mengontrol aliran arus berkas.
Dalam kasus terakhir emitor sendiri disebut sebagai katoda, dan elektroda pembentuk berkas disebut elektroda bias atau cangkir grid. Elektroda berbentuk cangkir yang dalam sangat efektif dalam memberikan aliran elektron komponen kecepatan ke dalam sehingga berkas datang ke fokus.
Bias negatif pada elektroda kontrol dapat mencapai 3000 V meskipun kisaran biasanya adalah 0 -1000 volt dan karena ini adalah variabel tak terhingga, penyesuaian tegangan bias adalah metode sederhana dan nyaman untuk mengendalikan arus pancaran.
Pemilihan yang dipancarkan dari katoda tidak memiliki energi yang cukup untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan untuk pengelasan logam. Massa elektron yang diperbaiki energi kinetiknya (½ mv 2 ) dapat ditingkatkan hanya dengan meningkatkan kecepatannya dan ini dilakukan dengan menerapkan beda potensial yang sangat tinggi antara katoda dan anoda.
Kecepatan elektron yang dipercepat dalam berkas elektron berkisar antara 50.000 dan 2.00.000 km/detik, tergantung pada voltase yang diberikan. Elektron yang dipercepat ini dalam bentuk berkas melewati lubang kecil di tengah anoda dan berjalan menuju benda kerja.
Dua rentang tegangan, rendah dan tinggi digunakan. Dalam sistem tegangan rendah perbedaan antara anoda dan katoda biasanya 15 sampai 30 KV, sedangkan kisaran 70 sampai 150 KV umum untuk unit tegangan tinggi. Pemilihan kisaran rendah atau tinggi tergantung pada kekuatan balok yang dibutuhkan untuk mencapai tingkat leleh yang diinginkan untuk pengelasan.
Karena energi kinetik setiap elektron tergantung pada kecepatannya dan kecepatan yang dapat dicapai elektron dalam bergerak melalui medan percepatan semata-mata tergantung pada perbedaan potensial yang diterapkan. Pada voltase yang digunakan dalam senjata ini, elektron bergerak cepat dari katoda ke anoda, di mana sebagian dikumpulkan sementara yang lain melewati lubang di tengah anoda dan terus bergerak hingga menyentuh permukaan benda kerja tempat mereka menyerah. energi kinetiknya dalam bentuk panas.
Peralatan # 3. Sistem Pemfokusan Sinar:
Setelah melewati anoda percepatan, elektron bergerak dengan kecepatan konstan. Karena semua elektron bermuatan negatif, mereka saling tolak menyebabkan pancaran menyebar dan dengan demikian kerapatan energi pancaran berkurang. Untuk menghasilkan seberkas sinar dengan kerapatan energi tinggi, sinar itu harus difokuskan ke titik konsentrasi halus. Pemfokusan EB dapat dicapai dengan lensa magnetik melalui pergeseran sinar elektromagnetik.
Lensa elektromagnetik mencakup koil yang terbungkus dalam selubung besi dengan jendela yang dipotong dengan tepat. Sistem defleksi elektromagnetik yang digunakan dalam senjata EBW mampu membelokkan sinar melalui jarak yang dipilih dengan tepat dan dapat memposisikannya tepat di tempat yang diinginkan pada garis las.
Sistem defleksi elektromagnetik tipikal terdiri dari empat kumparan yang disusun dalam dua pasang di mana kumparan dihubungkan secara seri dan membentuk sudut 180° satu sama lain. Dengan memvariasikan arus yang mengalir melalui koil, dimungkinkan untuk memposisikan balok di titik mana pun.
Sebagai metode untuk memperoleh sinar densitas energi tinggi dan meningkatkan distribusi energi pada penampang balok, beberapa sistem menyertakan diafragma bukaan antara anoda percepatan atau medan dan lensa pemfokusan magnet elektro untuk memotong bagian tepi sinar yang memiliki kepadatan energi minimal.
Pistol, oleh karena itu, berisi kumparan magnet yang membelokkan elektron ke arah sumbu longitudinal pusat balok. Dengan mengontrol arus yang mengalir di kumparan pemfokus, kekuatan medan magnet dapat dikontrol dan dengan demikian pancaran dapat difokuskan pada diameter sekitar 0-5 mm.
Dengan balok berdiameter sekecil itu, sangat penting bahwa balok harus disejajarkan secara akurat dengan sambungan yang akan dilas. Ini dapat dilakukan dengan menyediakan sistem penglihatan yang dipasang di dinding kolom meriam EBW atau ruang yang memuatnya.
Peralatan # 4. Sistem Tampilan Las:
Sebagian besar ruang dilengkapi dengan perangkat untuk melihat las secara optik pada perbesaran yang sesuai. Penting bahwa garis pandang harus sedekat mungkin koaksial dengan berkas elektron. Ini akan memungkinkan operator untuk mengatur titik sinar kecil secara akurat pada garis las untuk pengelasan dan memberikan kemungkinan melihat ke posisi yang tidak dapat diakses.
Operasi pengelasan di dalam ruang juga dapat diamati dengan melihat langsung melalui jendela kaca timbal. Efektivitas teknik ini tergantung pada jarak antara operator dan titik pengelasan serta bentuk benda kerja.
Bila pengamatan langsung tidak memungkinkan maka sistem pengamatan optik dapat digabungkan untuk memberi operator pandangan yang diperbesar dari sambungan las. Sistem terakhir ini dapat digunakan untuk operasi penyetelan, pemfokusan berkas secara tajam pada titik yang diinginkan, penjajaran berkas elektron sehubungan dengan garis las dan untuk inspeksi visual dari las akhir.
Sistem tontonan terbaru didasarkan pada penggunaan televisi sirkuit tertutup . Sumber cahaya dan kamera televisi dapat dipasang di luar ruang kerja untuk melindungi peralatan penglihatan dari efek buruk percikan las dan deposisi uap logam. Sistem ini memungkinkan pemantauan lasan secara terus-menerus dengan paparan minimum terhadap cahaya yang intens dari zona pengelasan.
Peralatan # 5. Ruang Vakum:
Berkas elektron diperlukan untuk mencapai benda kerja yang ditempatkan di ruang las untuk mempengaruhi pengelasan yang diperlukan. Jika elektron diproyeksikan ke atmosfer normal, mereka kehilangan semua energi kinetiknya dalam tumbukan dengan atom dan molekul oksigen dan nitrogen.
Oleh karena itu sangat penting untuk beroperasi dalam ruang hampa pada tekanan 10 -4 hingga 10 -2 torr (0 013 hingga 1-3 N/m 2 ) jika berkas akan menempuh jarak berapa pun; tekanan atmosfer normal adalah 760 torr, yaitu 9-88 x 10 4 N/m 2 . Persyaratan vakum seringkali serendah 10-7 dari tekanan atmosfer standar; sistem yang diperlukan untuk mencapai kekosongan itu jelas mahal dan rumit. Untuk mencapai vakum ekstrim ini, dua pompa digunakan; pompa pengasaran mekanis dan pompa difusi. Pompa roughing mengurangi tekanan ruang sekitar 0-1 torr (13 N/m2 ) .
Gas yang masih tersisa setelah mencapai vakum kasar 0-1 torr dipompa keluar dengan bantuan pompa difusi melalui proses penguapan minyak. Pada proses ini minyak dipanaskan dalam pompa difusi hingga menguap. Kemudian dikeluarkan dengan kecepatan tinggi melalui sistem venturi yang menjebak gas.
Gas tersebut kemudian dibuang oleh pompa mekanis ke atmosfer eksternal. Akhirnya minyak yang menguap terkondensasi dan disalurkan kembali ke pompa difusi. Sangat penting untuk mencegah kebocoran sekecil apa pun. Gasket karet atau plastik tidak memadai sehingga semua sambungan dilas butt.
Bahan dari mana ruang vakum dibuat harus memberikan permukaan interior yang halus dan tidak berkarat yang mengeluarkan gas dengan cepat dan mengandung sinar-X yang dihasilkan selama proses tersebut. Baja tahan karat yang dipoles memberikan permukaan yang ideal tetapi karena biayanya yang tinggi hanya digunakan untuk ruang kecil sedangkan yang lebih besar dibuat dari pelat baja ringan yang dilapisi dengan sesuai. Baja tahan karat, baja berlapis, baja kaleng, atau bahkan baja ringan yang dilapisi epoksi sering digunakan. Untuk tegangan tinggi, di atas 60 KV, senjata EB memberikan perlindungan tambahan dari sinar-X biasanya berupa lapisan timbal di bagian luar. Jendela penglihatan juga menyediakan lapisan kaca timbal ekstra untuk perlindungan sinar-X.
Bentuk apa pun yang diinginkan dapat diberikan ke bilik tetapi jenis yang paling umum adalah persegi panjang; namun ruang yang lebih besar seringkali berbentuk silinder untuk mengurangi ruang mati. Ketika pistol EBW dipasang hanya untuk pekerjaan pengelasan tertentu, maka ruangan dirancang agar sesuai dengan bentuk komponen dan dengan demikian memberikan waktu pemompaan tercepat. Komponen kecil dapat dimuat secara batch sementara yang lebih besar dimuat satu per satu.
Peralatan # 6. Sistem Lintasan Kerja:
Untuk sambungan panjang pendek dimungkinkan untuk menyelesaikan las dengan menggerakkan balok melalui kumparan pemfokus, daripada pekerjaan; ini menghilangkan sistem lintasan mekanis. Arus yang mengalir dalam kumparan fokus diprogram untuk mengarahkan pancaran sepanjang jalur yang telah ditentukan.
Defleksi balok maksimum relatif kecil, sehingga untuk sebagian besar pekerjaan senjata dan komponen harus dipindahkan relatif satu sama lain. Secara umum, akan lebih mudah untuk memindahkan pekerjaan menggunakan motor yang dipasang di luar ruangan. Untuk melumasi roda gigi lintasan, yang terletak di dalam ruang vakum , sangat penting untuk menggunakan pelumas kering karena gemuk dan oli biasa menguap dan mencemari ruang tersebut.
Laju produksi kontinyu yang tinggi dapat dicapai dengan bagian-bagian kecil dengan dial feeding device yang memiliki sejumlah ruang kecil yang digeser secara bergantian di bawah kolom senapan elektron seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14.2A. Untuk las yang lebih panjang yang tidak dapat diakomodasi dalam ruang, ruang kerja kecil dapat dipindahkan di atas permukaan benda kerja dengan menggunakan segel geser atau loncatan. Produktivitas juga dapat ditingkatkan dengan menggunakan dua senjata EBW yang memiliki ruang kerja terpisah yang dioperasikan secara bergantian dari sumber daya yang sama.
Tren baru-baru ini adalah menggunakan unit EBW yang dilengkapi dengan dispenser kerja sehingga beberapa benda kerja dapat dilas secara berurutan selama satu siklus pemompaan. Dispenser pada dasarnya adalah meja putar yang memiliki perlengkapan untuk memasang beberapa benda kerja. Sebagai aturan, jenis dispenser ini digunakan dalam unit yang mengelas tutup, port, dan komponen serupa ke benda kerja berbentuk silinder. Unit pengelasan tersebut memiliki tingkat produksi yang tinggi.
Peralatan # 7. Metode Pelacakan Jahitan:
Selain sebagai proses otomatis, EBW memiliki beberapa karakteristik khusus yang memerlukan penggunaan perangkat pelacak jahitan untuk mendapatkan hasil las yang akurat. Karakteristik khusus termasuk titik sinar yang sangat kecil menghasilkan manik yang sempit, kecepatan pengelasan yang tinggi, kerapatan panas yang tinggi dan tidak dapat diaksesnya benda kerja karena penempatannya di ruang vakum.
Penglihatan optik langsung dari pengelasan dan koreksi manual untuk penyimpangan pada jalur sambungan, paling banter, merupakan tugas yang sulit meskipun kadang-kadang dilakukan jika memungkinkan.
Ada dua metode mempertahankan posisi balok untuk sambungan las non-linear. Metode pertama melibatkan pemrograman dengan cara analog atau kontrol numerik jalur kontinu dan digunakan jika bagian dikerjakan dengan tepat dan ditempatkan secara akurat pada posisinya sebelum pengelasan.
Metode kedua menggunakan kontrol elektro-mekanis adaptif menggunakan alat pelacak yang mengikuti garis las dan memberikan umpan balik ke kontrol untuk menyesuaikan pekerjaan atau posisi senjata untuk menjaga sinar pada jalur yang diinginkan. Kedua perangkat pelacak jahitan ini dapat digunakan bersama dengan perangkat perekam dan pemutaran yang memungkinkan konfigurasi gabungan untuk dilacak dan lokasinya direkam. Sambungan las dapat dibuat dengan menggunakan kontrol terprogram ulang dari balok atau posisi kerja.
