Problémy při svařování, svařitelnost různých materiálů

Závady ve svarech

Dutiny ve svarech

Všimněme si nyní účinků elektronového svazku z hlediska jeho využití pro svařování.

Obr. 1: Účinek svazkuObr. 1: Účinek svazku

Obr. 1 znázorňuje výsledek působení elektronového svazku s vysokou plošnou hustotu výkonu. Levá část obrázku znázorňuje počátek procesu, kdy svazek již pronikl do konečné hloubky a jeho energie se spotřebovala na roztavení a přeměnu zasaženého materiálu v plynnou fázi, ale nestačila se zatím rozvést do okolí. Obrázek vpravo ukazuje konečný stav, kdy se energie shromážděná v plynné fázi spotřebovala na zahřátí okolí primárního kanálku, tj. na přetavení určité oblasti a zahřátí dalšího okolí na teplotu, při které eventuálně dojde ke změně vlastností materiálu (tepelně ovlivněná oblast TO). Šířka přetavené oblasti PO je dána převážně výparným teplem materiálu, které je asi 30× vyšší než třeba skupenské teplo tání.

Aby se tento proces využil pro svařování, musí se svazek pohybovat podél místa styku spojovaných součástí určitou rychlostí. Popsat detailně tento proces nedovedeme, ale můžeme si být jisti, že kanálek kolem svazku vyplněný parou a obklopený roztaveným materiálem se pohybuje se svazkem, materiál před ním se rychle taví a za ním, opět velmi rychle, tuhne.

Obr. 2: Vznik dutin u kořene sváru.Obr. 2: Vznik dutin u kořene sváru.

Jedním z problémů, se kterým se můžeme setkat při svařování elektronovým svazkem souvisí s tím, ze se svařuje ve vakuu. Při zahřátí na vysokou teplotu v místě přímého působení svazku, která může být v případě oceli až asi 3600 °C, se uvolňují např. pohlcené plyny. Přestože doba, po kterou svazek na určitém místě působí je velmi krátká, většinou stačí tyto plyny uniknout před začátkem tuhnutí taveniny. Někdy se však přesto vytvoří u kořene sváru dutina tím, že tavenina nestačila dutý kanálek zcela zaplnit, jak je znázorněno na obr. 2.

V některých materiálech se mohou kromě pohlcených a rozpuštěných plynů vyskytovat i nekovové složky, které mají při teplotě roztaveného materiálu vyšší tlak a pak při chladnutí kondenzují. Mohou mít původ v materiálu jako nečistoty, např. kysličníky, které se při vysoké teplotě rozpadají, nebo vměstky. Zatímco povrchové příčiny vzniku pórů je možné poměrně snadno odstranit v rámci příprav svařence, jak jsme uvedli v odstavci, v případě vnitřních příčin je to obtížné nebo i nemožné. Zmenšit jejich vliv na vznik dutin ve svaru je přesto někdy možné takovým řízením svařovacího procesu, které umožní únik plynných složek před ztuhnutím taveniny. Toho se dá dosáhnout např.

  • malou rychlostí svařování,
  • opakovaným přetavováním svaru,
  • kmitajícím nebo kroužícím svazkem.

První dva způsoby vedou ovšem ke vzniku mělkého a širokého svaru s následnými většímu deformacemi a tepelným ovlivněním okolí svaru, takže ne vždy jsou vhodné.

Svařování kroužícím dobře zaostřeným svazkem se osvědčilo např. při svařování tzv. „neuklidněných“ ocelí. Průměr kroužení svazku může být poměrně malý, např. 1 až 2 mm, Takže poměr šířky ke hloubce svaru se tím příliš nezmění. Nejvhodnější frekvence kroužení svazku je kolem 500 za vteřinu. Malé dutiny se objevují častěji u kořene slepého svaru, proto je někdy volit svar průchozí.

V případech, kdy nejde ani tak o pevnost svaru ale více o jeho těsnost, jak tomu je většinou u vakuových zařízení, je příznivé to, že póry bývají převážně malé a uzavřené, takže nevytvářejí spojení z jedné strany svaru na druhou a nejsou proto příčinou netěsností . Někdy může působit problém tlak par samotného materiálu nebo u slitin některé jejich složky jako je zinek a hořčík. Svým až eruptivním odpařováním (sublimací) způsobují rozstřikování taveniny a prakticky zcela znemožní svařování.

Pnutí a trhliny ve svarech

Obr. 3: Praskliny ve svárechObr. 3: Praskliny ve svárech

Další problém při svařování je důsledkem prudkého chladnutí svaru odvodem tepla do okolního materiálu. Rychlost ochlazování může dosáhnout hodnot kolem 104 K/s, při kterých se u ocelí s velkým obsahem uhlíku vzniká jemnozrnná křehká struktura náchylná ke vzniku trhlin. Ty mohou být podle okolností důsledkem podélného napětí (ve směru svařování), jak ukazuje obr. 3a), nebo příčného napětí ve směru kolmém podle obr. 49b).

Pnutí ve svarech je důsledkem smršťování chladnoucího materiálu, kterému nelze zabránit. Jeho důsledky však mohou být různé, závislé na podmínkách, a proto někdy ovlivnitelné. Důležitou roli při tom hraje geometrie a rozměry svaru a jeho okolí: – objem svarů tenkostěnných součástek je malý a v tenké stěně nemůže vzniknout velké pnutí. Čím je objem svaru větší a jeho okolí nepoddajnější, tím větší pnutí při chladnutí vznikne a tím větší je nebezpečí vzniku trhlin. Někdy se proto dá toto riziko zmenšit volbou co nejužšího svaru nebo zeslabením součástí v místě spoje.

Svařitelnost materiálů

Svařitelnost materiálů je především otázkou jejich metalurgických vlastností, která však obecně je velmi obšírná. Zde se proto omezíme jen na některé dílčí problémy a nejzajímavější materiály. Jsou to, kromě běžnějších, i materiály v „klasických“ oborech „exotické“, protože teprve nové oblasti techniky, (především jaderná energetika) si v padesátých letech 20. století vynutily rychlý rozvoj technologie jejich spojování. Svařování elektronovým svazkem ve vakuu se ukázalo pro některé jako nejvhodnější nebo dokonce jako jediné použitelné.

Definice pojmu _svařitelnost_ není jednoduchá a jednoznačná, protože je závislá na podmínkách svařování a požadavcích na vlastnosti svařeného spoje. Jednoznačně budeme považovat za svařitelný takový materiál, když svár bude i bez použití zvláštních opatření prost dutin, trhlin a bude mít mechanické a jiné vlastnosti blízké původnímu materiálu. Některé výsledky svařování mohou být považovány za vyhovující, přestože vykazují jisté nedostatky nebo k jejich realizaci jsou nutná zvláštní opatření.

Materiály můžeme klasifikovat podle podmínek a požadavků jako:

  1. dobře svařitelné (dobré výsledky bez zvláštních opatření)
  2. podmíněně svařitelné (přijatelné výsledky při určitých opatřeních)
  3. podmíněně použitelné (za omezených nároků na vlastnosti)

Taková klasifikace je ovšem jen věcí dohody, třeba jen v rámci této příručky. Podrobněji se svařitelností, tj. vlastnostmi svarů a podmínkami jejich dosažení zabývá velký počet publikací v časopisech nebo i knihách. Prakticky zajímavý a užitečný přehled této problematiky je uveden v knize 1. Z vlastní praxe mohu uvést jen několik příkladů a zkušeností:

Legované materiály a oceli

Na pracovišti autora (Ústavu přístrojové techniky v Brně) se využívá svařování elektronovým svazkem pro svařování součástí kryogenních a vakuových přístrojů vyrobených převážně z nerezavějící oceli. Velmi dobré zkušenosti byly přitom učiněny se svary součástí z oceli ČSN 17 246, –48. Podle našich zkušeností ji můžeme hodnotit jako velmi dobře svařitelnou.

Horší jsou zkušenosti se svařováním součástí z materiálu ČSN 17 242. Ten zřejmě v důsledku většího obsahu uhlíku (0,25 %) má vlastnosti „kalitelného“ materiálu, který při rychlém chladnutí křehne a vlivem vnitřního pnutí praská. Takový svar není těsný a pro vakuové přístroje je nepoužitelný. Problematika svařování různých druhů oceli zcela přesahuje rámec této příručky. V případě potřeby je nutné hledat poučení v literatuře nebo zjistit vše potřebné vlastními pokusy.

Neželezné kovy

V moderní technice potřeba spojovat součásti z neželezných kovů se vyskytuje stále častěji. Obecně lze říci, že svařování elektronovým svazkem ve vakuu je k tomuto účelu technologie většinou nejlepší, někdy dokonce jediná. I tato problematika je svým rozsahem přesahuje rámec této příručky, proto uvedeme jen stručně některé zajímavé příklady z vlastní praxe.

Kovy s vysokou teplotou tavení (W, Mo, Ta, Zr)

Fyzikální podstatou ohřevu elektronovým svazkem je dána jeho schopnost zahřát jakýkoliv materiál na teplotu omezenou jen jeho fyzikálními vlastnostmi. Každý materiál můžeme proto zahřát na teplotu potřebnou ke svařování. Z tohoto hlediska svařování wolframu s nejvyšší teplotou tavení 3683 K, není o nic obtížnější než u každého jiného materiálu. O jejich svařitelnosti rozhodují jejich metalurgické vlastnosti a změna vlastností důležitých pro daný účel v důsledku svařovacího procesu. Tak např. změny struktury mohou být takového rázu, že je nelze ovlivnit ani podmínkami při svařování ani dodatečnými procedurami.

Tyto nepříznivé důsledky přetavení nebo i jen zahřátí nad určitou teplotu a jsou běžnějšímu způsoby nevratné, jsou dobře známy u wolframu a molybdenu. Lze je sice elektronovým svazkem poměrně snadno svařovat, ale pro některé aplikace jsou nepoužitelné pro křehkost spoje. Bez podstatných problému jsme svařovali jiné kovy, jako např. tantal nebo zirkon.

Hliník a jeho slitiny

Vrstva oxidu, které ztěžuje svařování hliníku v atmosféře nečiní při svařování elektronovým svazkem ve vakuu žádné problémy. Přes značnou tepelnou vodivost hliníku je možné i v tomto materiálu dosáhnout relativně úzké svary, ovšem za předpokladu vhodné volby svařovacích parametrů, tj. vysoké hustoty výkonu a vyšší rychlosti svařování. Při svařování tenkostěnných součástí je nutné počítat s tím, že v důsledku jejich malé tepelné kapacity a vysoké tepelné vodivosti se bude během svařování zvyšovat jejich teplota, která se přitom neprozradí vizuálně a může dosáhnout nepozorovaně ve velkém rozsahu i teploty tavení. Existuje velký počet slitin hliníku s jinými kovy jako je Mg, Cu, Si a Zn. S jejich svařováním nemáme vlastní zkušenosti, proto odkazujeme zájemce na literaturu.

Měď a její slitiny

V důsledku velké tepelné vodivosti mědi tuhne roztavený materiál za postupujícím svazkem velmi rychle, takže případně se vyskytující plynné složky nestačí uniknout a jsou příčinou pórovitosti svaru. Dobře svařitelná je měď s obsahem nečistot jako je P, O, C menším než 5 ppm. Skupina slitin mědi, které označujeme názvem bronz jsou vesměs dobře svařitelné. Totéž platí i slitině s niklem, nazývané monel. Slitiny se zinkem (mosazi) se ve vakuu nedají svařovat vinou vysokého tlaku par zinku, který prudkým odpařováním způsobuje rozstřikování roztavené mědi.

Titan a jeho slitiny

V moderní technice stále používanější titan při teplotě vyšší než asi 250 °C silně reaguje s plyny jako O, N, H, proto jeho svařování v atmosféře je prakticky nemožné. Ve vysokém vakuu (tlaku < 10^^-3^^ mbar) v elektronové svářečce nečiní jeho svařování žádné potíže. Totéž platí i o většině jeho slitin s jinými kovy.

Nikl a jeho slitiny

Čistý nikl se z výrobě součástí zřejmě mnoho nepoužívá, protože s potřebou jej svařovat jsme se setkali jen zcela výjimečně. Při jeho svařování jsme se nesetkali s žádnými problémy. Slitina niklu s mědí, nazývaná monel, se svým chováním při svařování podle našich zkušeností podobá více mědi než niklu. Ani v tomto případě jsme nenarazili při svařování elektronovým svazkem na žádné potíže.

Svařování dvou odlišných materiálů

Potřeba spojování součástek z nestejného materiálu se vyskytuje na některých pracovištích poměrně často. Pokud jde o materiály „metalurgicky příbuzné“ nebývá jejich spojení svarem většinou obtížné. Kombinace materiálů velmi odlišných svými vlastnostmi však může být problematická, a to pokud jde jak o svařovací proces tak i jeho výsledek.

Obr. 4: Spoj kovů s odlišným bodem táníObr. 4: Spoj kovů s odlišným bodem tání Obr. 5: Spoje odlišných materiálůObr. 5: Spoje odlišných materiálů

Rozdílná teplota tavení jednoho a druhého materiálu může působit problémy, které se dají řešit např. umístěním místa dopadu elektronů jen na součástku s vyšší tavicí teplotou. Najít nejvhodnější polohu svazku, výkon, zaostření a rychlost svařování nemusí však být vůbec snadné a reprodukovatelné. Ještě vážnějším problémem při některých kombinacích je závislost vlastností slitiny spojovaných materiálů na poměru jejích složek, a také ovšem reprodukovatelnost toho poměru. Hlavní překážkou úspěšného svařování dvou odlišných materiálů bývá vznik intermetalických fází, většinou s nevhodnými vlastnostmi (vysokou křehkostí). Tento problém lze v některých případech eliminovat tím, že elektronovým svazkem neroztavíme oba materiály v oblasti jejich styku, nýbrž jen jeho nejbližší okolí v součástce zhotovené z materiálu s nižší tavicí teplotou, zatím co druhá zůstává v pevné fázi. Velkou výhodou ohřevu elektronovým svazkem v tomto případě je možnost lokalizace ohřevu a přesná kontrola přiváděného výkonu. Vysokovakuové prostředí jistě nemálo přispívá k úspěšnosti této metody spojování, tj. k vytváření spojů dokonale (vakuově) těsných a s vyhovujícími mechanickými vlastnostmi.

Při konstruování spoje je nutné pamatovat na to, že v místě spojení musí být pro svazek přístupná součást s nižší tavicí teplotou. Jednu možnou konstrukci spoje splňující tento požadavek ukazuje obrázek 4. Při spojování se postupuje tak, že se nejprve více rozostřeným svazkem předehřejí obě součásti v místě spoje na teplotu nižší, ale blízkou nižší teplotě tavení. Teprve pak se svazek lépe zaostří na součást s nižším bodem tání a výkon se nastaví tak aby se okraj v místě spoje roztavil.

Příklad využití spojů odlišných materiálů je na obrázku 5. Tenkostěnná trubka T ze speciální titanové slitiny (Poldi-titan 110) s velmi malou tepelnou vodivostí je svařena s titanovým kroužkem R, ke kterému je svárem ES2 přivařena hliníková vnitřní nádoba kryostatu s velmi malým odparem, (konstrukce J.Dupák, ÚPT).