Příklady typů spojení, příprava a realizace svařování, praktické rady

Z hlediska geometrie můžeme za základní typy považovat sváry přímé a kruhové. Pokud jde o svařovací parametry není mezi nimi zásadní rozdíl, mohou však vyžadovat různou přípravu a postup při jejich realizaci.

Poměrně jednoduchou záležitostí jsou kruhové svary trubek s relativně tlustou stěnou podle následujícího obrázku 1a, b)). K jejich provedení potřebujeme rotační manipulátor s možností nastavit otáčky tak, aby při daném vnějším průměru trubek se dala nastavit obvodová rychlost na hodnotu zvolené rychlosti svařování.

Z hlediska geometrie můžeme za základní typy považovat sváry přímé a kruhové. Pokud jde o svařovací parametry není mezi nimi zásadní rozdíl, mohou však vyžadovat různou přípravu a postup při jejich realizaci.

Poměrně jednoduchou záležitostí jsou kruhové svary trubek s relativně tlustou stěnou podle následujícího obrázku 1a, b)). K jejich provedení potřebujeme rotační manipulátor s možností nastavit otáčky tak, aby při daném vnějším průměru trubek se dala nastavit obvodová rychlost na hodnotu zvolené rychlosti svařování. Je výhodné aby tento manipulátor také umožňoval posun svařence ve směru osy otáčení.

Při realizaci svaru postupujeme v případě ručního řízení přípravou:

  1. zapneme pohon pro otáčení a nastavíme potřebné otáčky,
  2. zapneme zdroj V.N. a nastavíme zvolené urychlovací napětí při nulovém proudu svazku,
  3. za stálého pozorování předpokládaného místa dopadu elektronů na povrchu svařence, pomalu zvyšujeme proud svazku dokud nezpozorujeme světélkování (nejčastěji namodralé) způsobené vybuzením drobných částic na povrch dopadajícími elektrony. Změnami proudu ve fokuzační čočce zkoušíme zmenšovat velikost světélkující oblasti, na minimum (zaostřit), při čemž současně řídíme proud svazku tak, aby stopa byla viditelná, ale povrch se dosud nenatavoval. To by se projevilo jinou barvou a intenzitou emitovaného světla (oranžovou až bílou).
  4. posouváním svařence ve směru osy (za současného otáčení) umístíme rovinu styčné plochy spojovaných dílů do osy svazku. Přesnou polohu poznáme podle změn svítivosti stopy, kterou co nejlépe zaostříme. Tím máme svařenec a elektronovou trysku v poloze nutné k provedení svaru.

Realizace svaru:

  1. známe-li předem potřebný výkon svazku, je pak již vlastní svařování poměrně jednoduchou záležitostí: – zvýšíme proud svazku na potřebnou hodnotu a na dobu nejméně jedné otáčky svařence. Obvykle však nelze svár ukončit okamžitým vypnutím svazku, protože to má za následek vznik „kráteru“ v místě ukončení svaru. Uspokojivého výsledku se dosáhne pozvolným snížením proudu svazku, během např. 1/10 otáčky. Bývá výhodné i na začátku měnit proud svazku nikoliv skokem, ale pozvolna. Pro zvýšení reprodukovatelnosti výsledků je výhodné vybavit svářečku elektronikou umožňující automatický průběh svařovacího cyklu s nastavitelnou „dobou náběhu“, dobou svařování plným výkonem a „dobou výběhu“.

Dále uvedené obrázky ukazují různé možné konstrukce rotačně souměrných součástí určených ke spojení radiálně vedeným svarem. Zatímco pro zajištění přesné vzájemné polohy součástí podle obr. 17a) je nutná nějaká pomůcka, je tento problém u součástí podle obr. 17b), 18a) a 18b) vyřešen jejich tvarem patrným v pravé polovině obrázku, zatímco levá strana ukazuje výsledek svařování.

Obr. 17: Spojení obvodovým sváremObr. 17: Spojení obvodovým svárem Obr. 18: Obvodové sváryObr. 18: Obvodové sváry

Obrázek 19a), b) ukazuje, jak je možné využít schopnost svazku pronikat do velké hloubky ke svaření součástí, z nichž jedna není pro přímý ohřev přístupná. Na obr. 20 je příklad spojení trubky s přírubou. Výhodnější pro svařování je konstrukce podle obr. 20a), protože se dá svazek přivést do roviny styčné plochy, která může být bez problému provařena v celé šířce. Výhodou spojení podle Obr. 20b je zase to, že nevyžaduje pomůcku pro zajištění vzájemné polohy před svařováním. Další možné konstrukce ukazuje Obr. 21.

Obr. 19: Různé typy obvodových svárůObr. 19: Různé typy obvodových svárů Obr. 20: Spojení příruby s trubkouObr. 20: Spojení příruby s trubkou
Obr. 21: Spoj příruby s trubkouObr. 21: Spoj příruby s trubkou Obr. 22: Další konstrukce spoje příruby s trubkou.Obr. 22: Další konstrukce spoje příruby s trubkou.

Spojení trubky s přírubou může být také konstruováno podle obr. 22. V tomto případě svařujeme svazkem přiváděným rovnoběžně s osou rotace svařence. Tento případ je od předchozích odlišný důsledky smršťování svaru při chladnutí, které může vést někdy i ke vzniku trhlin. Poněkud obtížnější je svařování tenkostěnné trubky s masivnější součástkou. Podle vzájemné polohy se může vyskytnout několik případů vyžadujících odlišný přístup.

Obr. 23: Spoj tenké trubky s masívnějšíObr. 23: Spoj tenké trubky s masívnější Obr. 24: Svaření tenké truky s masivnější součástkouObr. 24: Svaření tenké truky s masivnější součástkou

Válcový styk obou součástí podle obr. 23a) není vhodný, protože nezaručuje dostatečně těsný styk obou dílů a i malá vůle m způsobí, že se spojení nezdaří. Lepší je skosit masivnější součástku pod malým úhlem (alfa) a tenkostěnnou součást na upravený konec natlačit. Úspěšně se svár dá realizovat jen svazkem dobře zaostřeným, který dostatečně rychle proniká přes tenkou stěnu do druhé součásti dostatečně hluboko. Při malé svařovací rychlosti a nižší proudové hustotě (nedostatečném zaostření) se vlivem zahřátí tenká stěna „vyboulí“ a ztratí kontakt s druhým dílem, nutný k svaření. Tato podmínka musí být splněna od samého začátku svařování až do jeho ukončení po celém obvodu (pomalé nastavování parametrů na začátku je nepřípustné).

Obr. 25: Tenkostěnná trubka lícovaná zevnitř.Obr. 25: Tenkostěnná trubka lícovaná zevnitř. Obr. 26: Vnitřní svár.Obr. 26: Vnitřní svár.

Jinou možnou konstrukci svařovaného spojení tenkostěnné trubky ukazuje obr. 24. V tomto případě se svazkem netaví přímo tenkostěnná trubka, nýbrž část masivnější součásti v těsné blízkosti konce tenké trubky. Požadavky na zaostření a rychlost svařování nejsou tak přísné jako v předchozím případě. V případě, kdy tenkostěnné součástka lícuje s druhým dílem zevnitř, je svařování snadnější. Konstrukce spoje může být řešena podle pravé poloviny obrázku 25a), kdy pak svazkem přiváděným axiálně tavíme přímo jen okraj masivnějšího dílu. V případě úpravy spoje podle levé poloviny obrázku a vedení svazku šikmo působí případné „vyboulení“ stěny radiálně směrem od osy, takže napomáhá k lepšímu styku obou dílů. Při konstrukci podle obr. 25b) zmenšuje riziko neúspěchu prstenec vtlačený zevnitř do tenkostěnné součástky.

Obrá. 27: Tenká trubka zevnitřObrá. 27: Tenká trubka zevnitř Obr. 28: Snimač tlakuObr. 28: Snimač tlaku

Další možnosti konstrukčního řešení spojení tenkostěnné trubky ukazují obr. 26 a 27, které nepotřebují komentář. Ve všech případech je však nutné spojované součásti lícovat co nejtěsněji, bez radiálních vůlí.

Zajímavou aplikaci svařování svazkem ukazuje obrázek 28. Jde o tenzometrický snímač tlaku umístěný na horní ploše součásti 2, s elektrickými průchodkami v součástce 3 . V prostoru vytvořeném díly 2, 3 a 4, který se ve vakuové pracovní komoře svářečky automaticky vyčerpá, svařením v místě S1 a S2 se vakuotěsně uzavře, takže vakuum v něm se natrvalo uchová.

Obr. 29: Membrána regulačního ventiluObr. 29: Membrána regulačního ventilu Obr. 30: Svár membrány s kroužkemObr. 30: Svár membrány s kroužkem

Možný způsob spojení tenkostěnné membrány s válcovou součástkou P a dalšími dvěma díly D1 a D2 ukazuje obr. 29). Svaření vnitřního obvodu membrány se součástkou P svazkem ES2 usnadní pomocný kroužek . Spojení dílů, mezi kterými je membrána sevřena se uskuteční svazkem ES1. Ke svaření tenké membrány M s masivnějším kroužkem K potřebujeme pomůcku ve tvaru dvou kroužků 1 a 2, kterými membránu ke kroužku K přitlačíme v těsné blízkosti místa svaření elektronovým svazkem S. Podmínkou úspěchu je dobře zaostřený svazek a větší rychlost svařování, s rychlým nástupem.

Obrázek 31 ukazuje jak je možno spojovat trubky se stěnou tlustou jen několik desetin mm do větších délek. Spojení „natupo“ podle obr. 31a) je možné jen s pomocí složitějšího přípravku, jehož podstatnou součástí je na jednom místě proříznutý kroužek 2. Ten se po nastavení potřebné vzájemné polohy všech dílů rozepne šroubováním svorníku 4 kuželem 3. Obě části spojované trubky musí být k sobě dobře obrobenými konci dostatečně přitlačeny.

Obr. 31: Spojování tenkostěnných trubek.Obr. 31: Spojování tenkostěnných trubek. Obr. 32: Spojování tenkostěnných trubek: průměr 125, stěna 0,25 mmObr. 32: Spojování tenkostěnných trubek: průměr 125, stěna 0,25 mm

Bez popsané pomůcky se dá spojení uskutečnit úpravou podle obr. 31b), kdy jsou trubky svými konci do sebe těsně zasunuty („přeplátovaný“ spoj). Podmínkou úspěchu je ovšem pečlivá příprava, nulová vůle mezi oběma díly a rychlý svar dobře zaostřeným svazkem. Tam kde nevadí větší radiální rozměry spoje a poněkud pracnější příprava (úprava konců trubek), je možné řešení spoje podle obr. 31c). Výsledek pokusů sa těmito způsoby svařování tenkostěnných trubek ukazuje fotografie na Obr. 32. Svar Šipka ← 1 označuje svár natupo, šipka ← 2 svár přeplátovaný a šipka ← 3 a sváry olemovaných konců trubek. První tři sváry byly „vyžehleny“ převálcováním, čtvrtý svár je v původní podobě. Svislými šipkami jsou vyznačený podélné sváry, kterými byly krátké trubky k pokusům získány.

Obr. 34: Pomůcka pro svařování natupo.Obr. 34: Pomůcka pro svařování natupo. Obr. 33: Svár natupo bez pomůcekObr. 33: Svár natupo bez pomůcek

Svařovací pomůcka je někdy nutná i v případě poměrně jednoduchých svarů. Tak např. v případě podle obr. 32a) by nevyhnutelně došlo k vychýlení horní volné součástky smršťováním začátku svaru kdybychom začali svařovat volně na sebe položené součástky ihned plným výkonem. Tomu je možné zabránit různým způsobem, např. přiložením závaží na horní díl, podle obr. 32b). To však nemusí vždy stačit. V takovém případě je možné odchýlení předejít tak, že se obě součásti nejprve je lehce „sbodují“ krátkými slabými svary na několika místech obvodu a teprve potom se svaří plným výkonem. Mnohem vhodnější je použít pomůcku podle obr. 34, který nepotřebuje bližší vysvětlení.

Obr. 35: Svár trubky s trubkovnicíObr. 35: Svár trubky s trubkovnicí Obr. 36: Svařování v těžko přístupných místechObr. 36: Svařování v těžko přístupných místech

V případě znázorněném na obr. 35a) máme svařit trubku T s deskou D v celé jejich styčné ploše, při čemž tloušťka desky t je značně větší než síla stěny trubky s. Schopnost elektronového svazku pronikat do materiálu velkou rychlostí umožní takové spojení úzkým svarem bez nebezpečí protavení stěny trubky. Svaření obou desek D1 a D2 s trubkou T podle obrázku 35b) se dá uskutečnit najednou, má-li svazek výkon postačující na obě části svaru, přestože desky jsou v místě svařování odděleny dutinou. Mimořádné schopnosti elektronového vytvářet hluboké, a při tom velmi úzké sváry dokazuje dříve uvedený obrázek 15. Průměr vnitřní trubky je 16 mm, síla její stěny 2,2 mm. Hloubka svaru je asi 25 mm a přitom jeho šířka nikde nepřekračuje 0,8 mm.

Obr. 38: Různé kruhové axiální sváryObr. 38: Různé kruhové axiální sváry Obr. 37: Axiální kruhový svárObr. 37: Axiální kruhový svár

Elektronový svazek má tvar kužele s velmi malým vrcholovým úhlem, což umožňuje svařovat i v místech pro jiný způsob ohřevu zcela nepřístupných, např. v hluboké a úzké mezeře mezi dvěma kotouči nebo válci podle obr. 36a) a 36b) Při svařování axiálně vedeným svarem může působit problémy smršťování svaru při chladnutí. Např. v případě svařování kruhové desky podle obr. 37, která je lícována do druhého dílu (trubky) s jistou vůlí, smrštění svaru na začátku svařování zvětší mezeru na protilehlé straně natolik, že se tam pak spojení úzkým svarem nedaří.

Několik příkladů konstrukce s aplikací axiálního svaru ukazuje obr. 37. V případě a) a b) je vhodné spoj před konečným svařování na několika místech obvodu nejprve „zbodovat“ lehkými krátkými svary, aby se vyloučila případná změna polohy, která není určena geometrií spoje jako je tomu v případech c), d) a e). Všechny dosud uvedené příklady se týkaly svarů kruhových, které se v praxi uplatňují nejčastěji. Stejně dobře se ovšem může uplatnit svařování elektronovým svazkem u svarů přímých, pokud je elektronová svářečka vybavena vhodným zařízením pro jejich upnutí pohybování ve vakuové pracovní komoře.

Obr. 39: Přímý svár s pomocnými destičkamiObr. 39: Přímý svár s pomocnými destičkami Obr. 40: Svařování tenkých plechůObr. 40: Svařování tenkých plechů

Přímé svary vyžadují poněkud jiný postup pokud jde o započetí a ukončení svaru. Je-li nutné, aby svar byl zcela stejný v celé délce svařence je nutné svařování začít i ukončit na pomocných příložkách (obr. 21) zhotovených ze stejného materiálu jako jsou svařované díly v tloušťce rovné alespoň požadované hloubce svaru, které se pak odstraní.

Tenké plechy lze svařovat v různé vzájemné poloze, vždy však s pomůckou, která zajistí jejich těsný kontakt a zabrání deformacím. Čtyři příklady ukazuje obr. 40. Ve všech případech jsou svařované plechy přitlačovány k pevné podložce P jednou nebo dvěma lištami L, které ponechávají volnou jen úzkou oblast v těsné blízkosti svaru. Její šířka má být asi trojnásobkem tloušťky svařovaných plechů. V případě c) a d) může být svazek přiváděn pod různým úhlem, jak je naznačeno v obrázku c) a d) šipkami S1 a S2.

Obr. 41: Výroba tenkostěnných trubek , pomůcka pro svařováníObr. 41: Výroba tenkostěnných trubek , pomůcka pro svařování Obr. 42: Trubky vyrobené skružením a podélným svárem (tloušťka 0,25 mm)Obr. 42: Trubky vyrobené skružením a podélným svárem (tloušťka 0,25 mm)

Tenký plech lze svinout do tvaru válce a podélným svarem jejich styku vytvořit tenkostěnnou trubku. Podmínkou úspěchu je zde dokonalá příprava a svařovací přípravek, konstruovaný např. podle obr. 41. Jeho podstatné části jsou dvě přítlačné lišty L a podložený válec P. Konstrukce musí zajistit dostatečné sevření plechu mezi lišty a podložku a přesné seřízení ke svaření určených okrajů plechu, které musí být dokonale střiženy (bez deformací a „otřepů“) a k sobě přisazeny bez spáry. Poloha upínací pomůcky v pohybovém mechanizmu musí zajistit, že spára mezi svařovanými okraji v celé dráze bude při svařování přesně v ose svazku.

Obr. 43: Metalografický výbrus sváru membrán.Obr. 43: Metalografický výbrus sváru membrán. Obr. 44: Svařované vlnovce: průměr 10, 13 a 16 mmObr. 44: Svařované vlnovce: průměr 10, 13 a 16 mm
Obr. 45: Membránové vlnovce svařované v UPTObr. 45: Membránové vlnovce svařované v UPT Obr. 46: Detail komutátoruObr. 46: Detail komutátoru

Tímto způsobem se daří svařovat trubky z plechu od tloušťky 0,2 mm, v délce omezené rozměry vakuové pracovní komory a svařovacích pomůcek. Příklad ukazuje fotografie na Obr. 42. Další zajímavý příklad možností elektronového svařování uvádíme na obrázku 43. Ukazuje metalografický výbrus membrán tlustých 0,05 mm, svařených na obvodu elektronovým svazkem. Tímto způsobem je možné zhotovovat vlnovce nejrůznějších rozměrů, jak ukazují fotografie na obr. 44 a 45. Technologie svařování membránových vlnovců byla v UPT vyvinuta v osmdesátých letech pro konkrétní potřebu elektronového litografu, byla však rozšířena pro obecnější využití. Výrobu svařovaných vlnovců převzala Tesla Brno, svařovala je však s přípravky z UPT. Technologie výroby vlastnosti a použití membránových vlnovců vyvinutých v UPT byly popsány v časopise JMO.

Obr. 46 ukazuje část rotoru servomotoru s plochým „vinutím“ vytvořeným dvěma vrstvami plochých měděných vodičů tlustých 0,2 mm, které jsou od sebe v ploše izolovány vrstvou laminátu (prepreg) tlustou 0,1 mm. Obě vrstvy jsou elektricky propojeny „bodovými“ svary provedenými na koncích vodičů elektronovým svazkem. Tato technologie byla vyvinita v UPT rovněž v osmdesátých letech pro Elektrotechnický výzkumný ústav na Slovensku. Svařování tenkostěnných součástek mezi sebou a se součástkami masivními si zasluhuje zvláštní pozornost, proto je tato problematika podrobněji vysvětlena na stránkách ISI v článku Svařování tenkostěnných součástek elektronovým svazkem.