Electron Beam Welding: Pengertian, Cara Kerja dan Kegunaannya

Dalam dunia fabrikasi logam modern, teknologi pengelasan terus berkembang untuk memenuhi tuntutan produksi yang semakin kompleks.

Salah satu inovasi yang mencolok adalah Electron Beam Welding (EBW), sebuah metode revolusioner yang menggunakan aliran elektron bertenaga tinggi untuk menyatukan material logam tanpa perlu sentuhan fisik.

Proses EBW tidak hanya menghadirkan tingkat akurasi yang tinggi, penetrasi yang dalam, dan kecepatan pengelasannya, tapi juga memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan jenis pengelasan lainnya.

Dalam artikel ini, kita akan menjelajahi lebih dalam tentang Electron Beam Welding, cara kerjanya serta mengulas kelebihannya, yang menjadikan pilihan utama dalam berbagai industri.

Selain itu, artikel ini juga akan mengungkap perbedaannya dengan metode pengelasan yang sejenis yakni Laser Welding.

Pengertian Las EBW

EB welding machine - photo:thomasnet.com

Electron Beam Welding adalah proses pengelasan menggunakan sinar elektron berkecepatan tinggi.

Aliran elektron berkecepatan tinggi ini kemudian difokuskan dengan sangat kuat menggunakan medan magnet dan diterapkan pada bahan yang akan disambung. Berkas elektron menciptakan panas kinetik saat menabrak benda kerja, menyebabkan benda kerja meleleh dan terikat bersama.

Electron beam welding mempunyai metode kerja yang mirip dengan Laser welding. Kedua metode tersebut merupakan jenis pengelasan yang paling modern untuk saat ini. Ada baiknya baca juga tentang Metode pengelasan Laser, jenis dan cara kerjanya.

Penemuan metode EBW sebagai salah satu terobosan terdepan dalam dunia pengelasan tidak terlepas dari kontribusi besar fisikawan Jerman, Karl-Heinz Steigerwald, yang mengembangkan konsep EBW pada tahun 1949. Pada tahun 1958, mesin EBW pertama kali dioperasikan, membuka babak baru dalam industri pengelasan. (https://en.wikipedia.org/wiki/Electron-beam_welding).

Seiring berjalannya waktu, EBW terus mengalami perkembangan, mengukir namanya sebagai solusi unggul dalam menciptakan sambungan material yang memiliki kekuatan dan ketahanan yang di luar biasa.

Cara Kerja Las EBW

Cara kerja Electron Beam Welding (EBW), dimulai dengan memandu aliran elektron berkecepatan tinggi melalui medan magnet yang sangat kuat menuju area bahan kerja yang akan disatukan. Aliran elektron yang memiliki kecepatan tinggi ini diperoleh melalui pemercepat elektron dan kemudian difokuskan dengan presisi tinggi.

Ketika aliran elektron dengan energi kinetik tinggi menabrak benda kerja, terjadi perubahan energi menjadi panas yang sangat intens. Panas ini, pada tingkat yang cukup untuk melelehkan material, dan menciptakan sambungan yang kuat dan padat antara dua bagian yang akan digabungkan.

Perlu dicatat bahwa meskipun ada kesamaan dengan Laser Welding, las EBW memiliki keunikan dengan melibatkan sinar elektron alih-alih cahaya laser. Untuk memastikan stabilitas proses ini, pengelasan dilakukan dalam vacuum chamber atau ruang vakum.

Fungsi utama dari vacuum chamber adalah mengisolasi partikel udara dari area kerja, mencegah kontaminasi dan penyebaran sinar ke area yang tidak diinginkan selama proses pengelasan. Dengan lingkungan vakum ini, EBW dapat mencapai hasil yang sangat presisi dan berkualitas tinggi dalam penyambungan material. Jangan lewatkan pula pengetahuan tentang 7 (tujuh) jenis proses pengelasan yang sangat bermanfaat untuk dipelajari.

Peralatan Las EBW

Skema cara kerja EB welding-photo:researchgate.net

EB Welding atau pengelasan sinar elektron dioperasikan menggunakan mesin canggih yang dikendalikan secara otomatis oleh komputer.

Berikut adalah electron beam welding machine, komponen dan peralatan yang digunakan dalam proses pengelasan sinar elektron:

1. Electron gun
2. Anode
3. Lensa magnetik
4. Lensa elektromagnetik dan koil defleksi
5. Holding device
6. Vacuum chamber
7. Power supply

1. Electron Gun

Electron gun adalah pistol elektron katoda (kutub negatif) yang menghasilkan elektron, mengontrol dan memancarkan sinar elektron. Pistol ini sering dibuat dengan paduan tungsten atau tantalum. Filamen katoda dipanaskan hingga 2500 ° C untuk pelepasan elektron secara terus menerus.

2. Anode

Anoda adalah kutub positif tepat di depan pistol elektron. Fungsi utamanya adalah untuk menarik muatan negatif (dalam hal ini elektron), dan memberi akses jalan agar tidak keluar dari jalur.

3. Magnetic Lens

Ada serangkaian lensa magnetik yang memungkinkan hanya elektron konvergen yang lewat. Mereka semua menyerap elektron divergen dengan energi rendah dan memberikan berkas elektron intens tinggi.

4. Electromagnetic Lens and Deflection Coil

Lensa elektromagnetik berfungsi untuk memfokuskan berkas elektron, dan kumparan defleksi digunakan untuk mengarahkan sinar elektron ke target. Ini adalah unit terakhir dari proses EB Welding.

5. Holding Device

Holding device merupakan tempat dudukan benda kerja, sebuah meja CNC yang bisa berputar ke tiga arah untuk menempatkan benda kerja. 

6. Vacuum Chamber

Seperti yang Anda ketahui, seluruh proses ini berlangsung di dalam ruang vakum (vacuum chamber). Vakum dihasilkan oleh pompa bertenaga mekanik atau listrik. Pressure range di ruang vakum adalah sekitar 0,1 sampai 10 Pa.

7. Power Supply

Electron beam welding menggunakan sumber listrik untuk mensuplai sinar elektron secara terus menerus selama proses pengelasan. Voltase rendah sekitar 5 – 30 Kv digunakan untuk pengelasan pelat tipis. Dan untuk pengelasan pelat tebal menggunakan voltase tegangan tinggi sekitar 70 – 150 kV.

Artikel terkait: Jenis peralatan las argon, dan panduan lengkap teknik dasar untuk pemula.

Fungsi dan Kegunaan EB Welding

Las EBW - yang dikenal juga dengan istilah EB welding, bisa digunakan untuk menyambung berbagai jenis logam, termasuk logam yang tidak bisa dilas menggunakan jenis mesin las umum. Berbagai jenis logam tahan api seperti: tungsten, molybdenum, dan niobium bisa dilas menggunakan EB welding.

Bukan hanya itu, pengelasan sinar elektron juga diaplikasikan pada jenis logam yang aktif secara kimia, seperti: titanium, zirconium, dan beryllium.

Berbagai industri banyak yang mengaplikasikan EB welding untuk komponen dan equipment tertentu, seperti pada beberapa industri berikut: 

• Infrastruktur Industri kedirgantaraan dan maritim.
• Industri otomotif, pada umumnya digunakan untuk pengelasan roda gigi , sistem transmisi , turbocharger, dll.
• Industri elektronik untuk mengelas komponen konektor elektronik.
• Proses pengelasan EBW ini juga digunakan pada reaktor nuklir dan industri medis.

Keuntungan dari EB Welding

Di bawah ini adalah berbagai kelebihan dan keuntungan menggunakan pengelasan sinar elektron.

• Proses EB welding adalah teknologi yang sangat akurat dan reproduktifitas tinggi dengan otomatisasi yang diperlukan.
• Teknologi pengelasan ini juga menghasilkan sambungan yang kuat dan murni yang dapat digunakan di sejumlah aplikasi kelas atas untuk berbagai industri . 
• Proses EB welding memiliki penetrasi las yang terkontrol dan presisi dari kedalaman sekecil 0,02 mm.
• EB welding mampu membentuk HAZ (heat affected zone) sangat kecil, sehingga meminimalisir distorsi dan penyusutan material. Sekaligus memungkinkan pengelasan dilakukan di dekat komponen yang peka terhadap panas.
• EB welding juga menunjukkan sifat kekuatan tinggi (high strenght), mempertahankan hingga 95% kekuatan bahan dasar.
• Karena teknik ini dilakukan dalam lingkungan vakum, tidak ada pengotor yang tertinggal oleh proses. Oksida dan nitrida dihilangkan sementara kotoran dalam bahan itu sendiri diuapkan.
• Pengelasan EB dilakukan secara otomatis sehingga pengelasan dapat dikontrol dengan sempurna.
• EB welding juga sangat baik digunakan untuk menyambung bahan logam tahan api (refractory), sekaligus untuk jenis logam yang berbeda, yang tidak mungkin dapat dilas dengan proses konvensional.

Kelemahan dari EB Welding

Untuk perbandingan yang seimbang, mari kita lihat beberapa kekurangan dan kelemahan dari pengelasan sinar elektron ini.

• Biaya set up mahal. Pengeluaran awal untuk peralatan sangat mahal. Dengan pertimbangan biaya ini, EB welding kiranya hanya untuk perusahaan kelas atas yang memiliki produk besar dan terus menerus.
• Peralatan teknis yang kompleks dan serba canggih, dibutuhkan operator ahli dan yang berpengalaman.
• Kapasitas bahan terbatas. Ukuran komponen yang akan dilas dibatasi oleh ukuran vacuum chamber (ruang vakum) yang tersedia. Komponen yang berukuran besar kemungkinan tidak bisa dilas menggunakan EBW, karena terbatas ruang.
• Potensi radiasi sinar-X. Membutuhkan standar keselamatan tinggi, karena sinar-x dan radiasi ada selama proses pengelasan.

Perbedaan EB Welding dan Laser welding

Perbedaan antara Electron Beam Welding (EBW) dan Laser Welding muncul dari sifat khas masing-masing metode.

Dalam konteks ketepatan, pengelasan laser menonjol karena mampu memberikan hasil yang lebih akurat dan sempit dibandingkan EBW. Laser berkekuatan tinggi difokuskan secara presisi pada area las, menghasilkan sumber panas yang kuat untuk melelehkan logam tanpa perlu penetrasi yang mendalam.

Sebaliknya, EBW, meskipun tidak setepat pengelasan laser, memiliki keunggulan khusus dalam mengatasi logam yang lebih tebal. Aliran elektron tinggi difokuskan pada area las, menciptakan panas melalui bombardir logam, yang memungkinkan pengelasan potongan logam yang lebih tebal menjadi satu.

Selain itu, aspek kebersihan juga menjadi poin perbedaan. Pengelasan laser cenderung menghasilkan lasan yang lebih bersih dan sempit, sedangkan EBW mungkin memunculkan area las yang lebih besar dan kasar.

Kecepatan juga menjadi pertimbangan penting, dengan laser welding menonjol sebagai metode yang lebih cepat dan efisien dibandingkan EBW.

Pentingnya posisi dalam pengelasan juga menjadi perbedaan signifikan. EBW dapat digunakan pada semua posisi, sementara laser welding terbatas pada posisi datar.

Selain itu, kepadatan energi yang lebih tinggi pada sinar laser menjadikannya lebih efisien, meskipun dengan daya yang lebih kecil dibandingkan aliran elektron.

Fokus tinggi laser memungkinkan pengelasan benda yang sangat kecil tanpa mempengaruhi area sekitarnya, sedangkan EBW cenderung lebih berisiko menyebabkan kerusakan pada area sekitar karena kurangnya fokus.

Keunggulan dan kelemahan unik dari masing-masing proses memungkinkan para ahli dan engineer untuk menyesuaikan pendekatan mereka dalam mengatasi tantangan spesifik dalam dunia fabrikasi logam. Dengan memahami secara mendalam karakteristik pengelasan berkas elektron dan laser, pengguna dapat membuat keputusan yang cermat untuk mencapai hasil optimal dalam pengolahan material dan konstruksi.

Referensi: twi-global.com