Elektronové svářečky v ÚPT: minulost a současnost

Elektronová svářečka ES-2 nainstalovaná v ÚPT

Ústav přístrojové techniky (ÚPT) byl ustanoven jako součást Československé Akademie Věd (ČSAV) v roce 1957 jako následovník Vědeckých dílen se sídlem na Leninově (dnes Kaunicově) ulici v Brně. V roce 1960 zakladatelé UPT spolu s třemi Laboratořemi ČSAV se přemístili do nové budovy na Královopolské ulici 147). Nový ředitel prof. Julius Strnad se svým zástupcem Ing. Arminem Delongem (který nahradil předchozího zástupce ředitele Ing. Zdeňka Buřivala) stanovili tři základní směry vědeckého bádání: Infračervenou spektroskopii. Jadernou magnetickou spektroskopii a aplikovanou Elektronovou optiku (Elektronovou mikroskopii). Je logické, že myšlenka využít tepelné účinky elektronového svazku pro technologické účely se zrodila v oddělení Elektronové mikroskopie. První pokus, roztavení kovového plíšku elektronovým svazkem, provedl Ing. Karel Hladil přímo v elektronovém mikroskopu.

První zkušenosti se svařováním elektronovým svazkem

Obr. 1: Víceúčelová vakuová pec s elektronovou tryskou (ES1)Obr. 1: Víceúčelová vakuová pec s elektronovou tryskou (ES1)

Elektronovou trysku prakticky využitelnou pro technologické aplikace (podobnou trysce elektronového mikroskopu) začlenil Ing. Ladislav Zobač (v r. 1963–4) do konstrukce multifunkční vakuové pece (Obr. 1). Výkon svazku této trysky byl omezen maximálním výkonem zdroje urychlovacího napětí na 250 W (50 kV/5 mA). Toto zařízení jsme v letech 1964 až 66 využívali již i k praktickému svařování součástí vakuových přístrojů, ale hlavně k různým pokusům. Nejzajímavější výsledky jsme zveřejnili v roce 1967 v časopise Slaboproudý obzor1.

Zrod svářečky ES2

Informace o nové technologii zveřejněné ve Slaboproudém obzoru velice zaujaly vedoucího dílen v Ústavu jaderného výzkumu v Řeži, Ing. J. Buštu. Ten zorganizoval společnou svépomocnou akci zájemců z pěti pracovišť, kteří chtěli získat vlastní elektronovou svářečku pro své pracoviště jiným způsobem než nákupem v zahraničí za tehdy vzácné devize. Konkrétně to byli:

  • Ing. Zobač z ÚPT.
  • Ing. Bušta z Ústavu jaderného výzkumy v Řeži,
  • Ing. Sika ze Závodu jaderných elektráren v Bolevci,
  • p. Mrázek z Tesly-Opočno,
  • Ing. Ustohal z VTA AZ v Brně,

Tito pracovníci se koncem roku 1968 dohodli, že přispějí, každý podle svých možností, ke společné svépomocné akci, kterou každý získá pro své pracoviště jednu elektronovou svářečku.

Obr. 2: Elektronová svářečka ES2 v ÚPT v původní podoběObr. 2: Elektronová svářečka ES2 v ÚPT v původní podobě

  • Ing. Zobač navrhl koncepci a připravil podklady pro výrobu vakuové pracovní komory, pohybových mechanizmů, vakuového systému (difuzní vývěvy, vakuových ventilů) a elektronové trysky.
  • Ing. Bušta zajistil návrh a výrobu ovládací elektroniky v ÚJV,
  • Ing. Sika zajistil výrobu vakuových pracovních komor v závodu Škoda-Plzeň,
  • p. Mrázek zajistil výrobu čerpacího systému v Tesle-Opočno,
  • Ing. Ustohal zajistil finanční prostředky na výrobu elektronových trysek v ÚPT.

Tato akce byla úspěšně realizována v roce 1969. V násle­dujících letech, počínaje rokem 1970 si každý z partnerů na svém pracoviště, za pomoci pracovníků z ÚPT sestavil a uvedl do provozu vlastní elektronovou svářečku, která byla pojmenována ES2.

Elektronová svářečka ES2 v ÚPT v letech 1970 až 1990

Od své instalace v ÚPT v roce 1970 svářečka ES2 byla intenzivně využívána, především ovšem pro potřeby ÚPT. Velmi často ale také pomáhala řešit nejrůznější technologické a konstrukční problémy jiných pracovišť. Rovněž byla využívána k zajímavým technologickým experimentům. Tak se postupně rozšiřovaly znalosti a zkušenosti angažovaných pracovníků v ÚPT.

Aby bylo možné uspokojit stále rostoucí nároky bylo nutné zařízení ES2 stále vylepšovat a doplňovat. V prvé řadě Ing. J. Husták nahradil nevyhovující ovládací elektroniku z ÚJV. Velkým přínosem jeho nového řešení bylo ovládání elektronového svazku zahrnující také možnost vychylovat svazek stejně jako v rastrovacím mikroskopu (scanning mode). To umožňovalo např. pozorovat právě provedený svár při zvětšení až 30násoném před zavzdušněním pracovní komory. Případné nedostatky bylo tak možné hned napravit. Zobrazovací systém také usnadňoval seřizování trysky nutné po výměně katody.

Dále byla původní elektronová tryska, odvozená od trysky elektronového mikroskopu, nahrazena novou konstrukcí, jednodušší a mnohem lépe vyhovující potřebám elektronového svařování. Svazek z této trysky dokázal při výkonu 1,5 lW proniknout do nerez oceli 10 mm hluboko.

Svářečka ES2 v UPT byla také průběžně přizpůsobována novým potřebám a rostoucím nárokům. Byla např. vybavena nástavci vakuové komory, které umožnily v komoře poměrně malých rozměrů (průměr 60 cm, délka 50 cm) svařovat i předměty jejichž jeden rozměr mohl přesahovat metr.Neustále také rostl počet různých pomůcek pro fixaci a upínání svařovaných dílů a pod.

Elektronové svářečky v UPT po roce 1991

Renovace ES2

Obr. 3: Renvovaná svářečka ES2M ES2Obr. 3: Renvovaná svářečka ES2M ES2

Po odchodu Ing. L. Zobače do důchodu koncem roku 1990 všechny aktivity v oblasti elektronového svařování převzal Ing. Jan Dupák. Ten v první řadě pokračoval ve vylepšování svářečky ES2. Se svými spolupracovníky postupně provedl tyto změny: Vyměnil stávající trysku za novou podle vlastní konstrukce 2. Dále pak vylepšil vakuový systém, ovládací elektroniku, zdroj V.N. a pohybový mechanizmus. Popravdě řečeno, z původní svářečky zůstala jen vakuová pracovní komora, a tím osvědčená základní koncepce svářečky. (rotační pohybový mechanizmus dole svisle, elektronová tryska vodorovně z boku nebo svisle nahoře.(viz Obr. 2). V této podobě pracuje svářečka ES2U (upravená) v UPT dodnes.

Stolní elektronová svářečka SES-1

Obr. 4: Svářečka SES-1 a její konstruktér Ing. Jan DupákObr. 4: Svářečka SES-1 a její konstruktér Ing. Jan Dupák

Kromě renovace svářečky ES2 Ing. Dupák zkonstruoval novou svářečku SES-1, koncipovanou jako „stolní. Jeho myšlenkou bylo zřejmě postavit "šikovnou“ všestrannou svářečku pro svařování malých součástek. Zvolil koncepci, která se velmi osvědčila u svářečky ES2: vodorovnou válcovou komoru, ovšem mnohem menších rozměrů (průměr 235 mm, délka asi 125 mm. Tvar a rozměry hlavních montážních otvorů jsou shodné, což umožňuje montáž elektronové trysky ve třech polohách. Nově zkonstruovaná elektronová tryska této svářečky dodává svazek s výkonem do 1,5 nebo 2 kW , podle použitého zdroje V.N.

Vakuovou čerpací soustavu svářečky SES-1 tvoří jedna předčerpávací (membránová) a dvě turbomolekulární vývěvy. Jedna z nich čerpá pracovní komoru, druhá elektronovou trysku. Všechny vývěvy se současně zapínají (pro čerpání) a současně vypínají (pro zavzdušnění). Vyčerpání na pracovní vakuum trvá 2 až 3 minuty, zavzdušnění asi 30 vteřin. Kromě zavzdušňovacích, nejsou v systému žádné vakuové ventily.

Její podobu, spolu s jejím autorem, Ing J. Dupákem ukazuje Obr. 4.

Svářečka MEBW 60/2

Obr. 5: Elektronová svářečka MEBW-60-2Obr. 5: Elektronová svářečka MEBW-60–2

Obr. 6: Prostředí PC řídícího PC programu svářečky MEBW-60/2Obr. 6: Prostředí PC řídícího PC programu svářečky MEBW-60/2

Když v roce 2007 ředitel německé firmy FOCUS GmbH potvrdil svůj zájem o zařazení svářečky SES-1 do výrobního programu své firmy a uzavřel smlouvu o dodání jednoho prototypu s kompletní podrobnou dokumentací, ukázalo se, že bude nutné některé části svářečky upravit a některé úplně změnit. Menší úpravy stačily u elektronové trysky a pracovní komory, zatímco celou zastaralou elektroniku bylo nutné vlastně znovu vyvinout. Výrobní dokumentaci bylo nutné převést nebo nově vytvořit v digitální podobě. Více informací viz MEBW, 3 a obr. 5.

Obr. 7: Fotografie vypálená na povrch kovové destičky elektronovým svazkem.Obr. 7: Fotografie vypálená na povrch kovové destičky elektronovým svazkem.

Za podrobnější zmínku stojí rozhodně nová elektronika s pokrokově řešeným zdrojem urychlovacího napětí o výkonu 2 kW při 60 kV, a řídicí a monitorovací elektronikou, která umožnila mj. řízení celého zařízení počítačem (viz obr. 6). Velmi užitečná je také možnost provozovat svářečku obdobně jako rastrovací mikroskop (scanning mode) se zvětšením až asi 30×. Řídící program umožňuje snímání obrazu v rastrovacím režimu, svařování po libovolné křivce (“Draw-a-weld” režim), mikro-gravírování (viz Obr. 7) a další funkce.

Tato svářečka je nyní v naší licenci vyráběna (se zákaznickými pracovními komorami a manipulátory) německou firmou FOCUS GmbH.