Introdução:
O feixe de elétrons é uma tecnologia utilizada para processamento de materiais, utilizando o calor gerado pelo impacto dos elétrons com o material a trabalhar.
Devido às diferentes possibilidades de aplicar-se este calor sobre a peça (convergindo-o ou espalhando-o por mecanismos óticos) tem-se diferentes formas de utilizar o feixe eletrônico; como por exemplo:
- Soldagem
- Corte
- Tratamento superficial
- Micro-usinagem
Porém, é importante destacar que, os três últimos processos não competem técnica e economicamente com os existentes para as mesmas funções. Por enquanto, o feixe de elétrons é utilizado quase que unicamente em Soldagem.
Embora já se tenha o conhecimento da teoria do bombardeamento eletrônico há anos, a utilização do processo necessitou aguardar um maior desenvolvimento da área de vácuo, pois este é necessário para evitar a dispersão do feixe, e com isto, dar maior penetração à Soldagem, pois esta foi a primeira utilização do processo.
O processo veio a desenvolver-se, juntamente com a técnica de vácuo, no início da época das construções nucleares (anos 50), quando se precisou soldar materiais reativos (Ti,Zr), e se teve problemas de oxidação. Como os elétrons podem ser projetados no vácuo, resolveu-se assim o problema, passando-se a fazer as Soldagens em câmaras de vácuo. Com isto, obteve-se Soldagens com:
Zonas fundidas muito estreitas,
Livres de oxidações devido a serem feitas em vácuo, e
Zonas termicamente afetadas (ZTA) reduzidas em conseqüência da grande convergência do feixe. Esta grande convergência resultará em uma interação feixe/matéria diferente das interações que temos quando soldamos com os processos convencionais.
Princípio de funcionamento:
O processo é baseado na utilização otimizada do calor sobre a peça de trabalho. Para melhor entender este mecanismo, é importante ter uma idéia global da máquina de feixe de elétrons, o que é mostrado na figura
abaixo:
Esquema geral de um equipamento de feixe de elétrons
O filamento mostrado na figura Detalhe do filamento, é o responsável pelo mecanismo de geração dos elétrons, e isto é conseguido por efeito Joule (aquecendo-o). Ele é montado dentro do wehnelt, e este está inserido no cátodo. O cátodo é conectado com uma grande diferença de potencial (DDP) em relação ao ânodo.
Detalhe do filamento
O wehnelt tem uma geometria especial que permite criar equipotenciais para facilitar a retirada dos elétrons gerados no cátodo.
Assim, os elétrons produzidos, são acelerados entre o cátodo e o ânodo, chegando a atingir velocidades da ordem de 0.2 à 0.7 vezes a velocidade da luz. Para que esta aceleração ocorra, a DDP estabelecida entre o ânodo e o cátodo é da ordem de 25 à 200 KV (com correntes da ordem de 0.5 à 1500 mA).
Como o ânodo é perfurado, os elétrons que passarem por este (devido a inércia causada pela grande aceleração), e serão direcionados para a peça a trabalhar, devido a presença do colimador.
Com o impacto, os elétrons convertem instantaneamente a sua energia cinética em térmica, gerando com isto altas temperaturas na peça a trabalhar. Esta conversão é da ordem de alguns KW até aproximadamente 100 KW por mm2. Porém, não é a totalidade da energia do elétron que se converte devido a perdas diversas, nomeadamente no impacto.
As lentes eletromagnéticas, permitem que se obtenham diferentes regulagens na utilização do feixe produzido. Com isto, é possível se obter as diferentes aplicações, mostradas na Figura
abaixo:
Diferentes aplicações do processo Feixe de Elétrons
A figura exemplifica também a versatilidade do processo. Mudando- se o ponto de foco, e
conseqüentemente os parâmetros, pode-se obter mais potência por área (aplicações em corte e Soldagem), ou menos (aplicações em tratamentos de superfície).
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