Diseño Mecánico

La pistola de electrones: Pruebas de soldeo en el espacio exterior

13 diciembre, 2013

Hace unos días avanzábamos la compleja situación de soldar en el espacio exterior. Una vez puestos en situación y con el traje puesto, repasamos las diferentes pruebas que se han realizado.

Por lo visto, la NASA no realizó pruebas similares hasta 1974, a bordo de la estación espacial Skylab. Entre otros experimentos, consistentes la mayoría en fundir piezas de distintos metales, se probó un cañón de haz de electrones para soldeo, con una potencia de 20 kW en una cámara de vacío esférica de 40 cm de diámetro. También se probó la soldadura fuerte sobre dos pedazos de acero inoxidable de 1 mm de espesor con aporte de aleación de plata y cobre.

Posteriormente, ya en 1984 (periódico El País del 31 de agosto), y de nuevo en una misión soviética, la Soyuz T-12, la cosmonauta Svetlana Savitskaya realizó el primer paseo espacial femenino y aprovechó para probar una “pistola de electrones” para soldeo y corte de metales, que habían desarrollado los científicos rusos durante varios años de trabajo.

Como parece deducirse de lo anterior, el proceso que los científicos consideran más adecuado para su aplicación en el espacio exterior es el soldeo por haz de electrones; pero, ¿sabemos en qué consiste?

El soldeo por haz de electrones (Electron Beam Welding, EBW) consiste en hacer chocar un haz de electrones contra la pieza a soldar, utilizando el calor generado en el choque para fundir el material base.

El emisor de electrones, lo que se llama la pistola del haz, consta de un filamento de volframio que al calentarse (por encima de 2500ºC) emite una corriente de electrones, actuando por lo tanto como cátodo, Dicho haz es atraído por el ánodo, que tiene forma anular, permitiendo el paso a su través y acelerando los electrones hasta más de la mitad de la velocidad de la luz. Según el voltaje suministrado a la pistola, los equipos se clasifican en baja tensión (hasta 60 kV) o alta tensión (hasta 200 kV).

El haz emitido se dirige y focaliza mediante el campo magnético creado por una bobina. Dicho campo puede regularse, lo que permite también ajustar la forma y el tamaño del haz hasta unos 6 mm de diámetro como máximo. Como hemos dicho, el voltaje utilizado es muy alto, pero la intensidad de corriente es mínima (escasamente unos pocos miliamperios), con lo cuál la energía del haz es relativamente baja.

No obstante, al focalizarse en un área muy pequeña, la densidad energética es muy elevada, siendo capaz incluso de vaporizar el metal base y soldarlo mediante la técnica del ojo de cerradura (“keyhole”), logrando una penetración de hasta 65 mm por pasada.

No obstante, para que el haz pueda generarse y mantenerse estable, es necesario que el proceso tenga lugar en el interior de una cámara de vacío. El grado de vacío necesario, que se logra extrayendo el aire mediante bombeo, depende de la técnica a utilizar:

  • Alto vacío (High Vacuum, HV): El vacío utilizado en la zona de soldeo coincide con el de generación del haz.
  • Medio vacío (Medium Vacuum, MV): El soldeo se realiza en una cámara intermedia con un vacío parcial, menor al necesario para la generación del haz.
  • Sin vacío (Non Vacuum, NV): El soldeo tiene lugar prácticamente a la presión atmosférica; pero el haz se sigue generando en alto vacío.

No obstante, debemos aclarar que cuanto menor es el grado de vacío en el que se ejecuta el soldeo, la calidad que se conseguirá en el cordón soldado será también menor; al fin y al cabo, el vacío es una excelente atmósfera protectora.

Normalmente la pistola se encuentra fija en la parte superior de la cámara; mientras que en la parte inferior, la pieza se desplaza o gira sobre un soporte motorizado.

Visto lo anterior, es evidente que el vacío existente en el espacio exterior es el ambiente ideal en el que ejecutar este tipo de proceso de soldeo. No obstante, existe un importante inconveniente: se trata de que, al chocar el haz de electrones sobre el metal base, se emite radiación electromagnética en forma de rayos X que puede afectar al soldador si no se protege adecuadamente. Los efectos de dicha radiación dependen de la dosis a la que se está expuesto, pudiendo causar desde quemaduras leves hasta la muerte.

Las últimas investigaciones realizadas al respecto por la NASA, con la colaboración de técnicos ucranianos, han dado lugar a una pistola manual de soldeo llamada UHT (“Universal Hand Tool”), que utiliza la técnica del haz de electrones, pero que no emite rayos X al trabajar con un voltaje más reducido. Aunque no se tiene constancia de que se llevara a cabo, parece ser que estaba previsto probarla en alguna misión del transbordador espacial.

Últimamente también se han realizado experimentos con la técnica de soldeo fuerte y blando, pero no en una atmósfera de alto vacío, sino simplemente en un ambiente de muy baja gravedad, observando cómo se comporta el material fundido. Dicho proyecto ha recibido el nombre de ISSI (investigación sobre la soldadura en el espacio).

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