Volba parametrů a řízení svařovacího procesu

Podat universální návod pro volbu parametrů pro svařování elektronovým svazkem, jako je urychlovací napětí, proud svazku a rychlost svařování, není pro složitost souvislostí možné, ale následující poznámky mohou tuto volbu usnadnit.

Urychlovací napětí

Prakticky ve všech případech je výhodné volit urychlovací napětí co nejvyšší, blízké horní hranici u daného zařízení použitelné, protože to umožňuje dosáhnout vysokých hodnot plošné hustoty výkonu podmiňující pronikání svazku do hloubky velkou rychlostí, které přináší řadu výhod, jak později ukážeme. V žádném případě svařovací proces změnou urychlovacího napětí neřídíme.

Proud svazku

Obr. 1: Závislost hloubky průvaru na výkonu svazku.Obr. 1: Závislost hloubky průvaru na výkonu svazku.

Součin urychlovacího napětí [kV] a proudu svazku [mA] určuje jeho výkon [kW], na kterém především závisí výsledný účinek (jeho rozsah). V případě, že tento proud je větší než je potřebné k úplnému provaření stěny dané konečné tloušťky prochází přebytečná část elektronů dále, čímž udržuje kanálek, kterým svazek prochází, otevřený. Pára, která z něho uniká, strhuje sebou roztavený materiál. Ten zčásti, vlivem povrchového napětí, ulpí na okrajích kolem kanálku a zčásti odletí v podobě drobných kapiček. Důsledkem jsou pak výstupky („výrony“) u kořene sváru, a případně i propadlina na jeho horní straně vzniklá vlivem úbytku materiálu. Nastavení optimálního proudu může být v některých případech obtížné. V náročných nebo složitějších případech může být nutné řízení proudu automatizovat. Je možné k tomu využít „zbytkový“ proud elektronů, které projdou stěnou. Tyto lze zachytit pod svárem zvláštní elektrodou a jejich signál může být využit k řízení proudu svazku.

Užitečnou pomůckou při volbě parametrů svařování může být také obr. 2 shrnující výsledky testování svářečky , který ukazuje tvar a rozměry natavené oblasti v nerezi 17 246 při několika hodnotách výkonu svazku.

Zaostření svazku

Obr. 2: Zaostřování na pomocnou desku.Obr. 2: Zaostřování na pomocnou desku. Jak jsme shora vysvětlili, elektronový svazek vycházející z urychlovací části trysky je mírně divergentní. K dosažení vysoké plošné hustoty v místě jeho působení slouží magnetická čočka, která dráhy elektronů vrací k ose. Vzdálenost roviny nejmenšího průřezu (křižiště) svazku od střední roviny čočky (ohnisková dálka) se dá měnit v širokých mezích změnou proudu v budicí cívce čočky. Protože účinky elektronového svazku velmi závisí na plošné hustotě výkonu, musíme jeho „zaostření“ věnovat velkou pozornost.

Ve většině případů je nejvhodnější zaostřit svazek na povrch svařovaného předmětu. To platí především v případě nepříliš hlubokých svarů (asi do 10 mm). Při hlubších průchozích svarech bývá výhodné zaostřit svazek do jisté hloubky pod povrch (asi 1/3 hloubky svaru). Zkušenosti ukazují, že to může zmenšit pravděpodobnost vzniku dutin ve svaru. Rovněž podle vlastností materiálu, rychlosti svařování a vůle mezi svařovanými součástkami nemusí být zaostření na povrch nejvýhodnější.

Ať už je potřebná poloha fokuzační roviny jakákoliv, pracovník obsluhující svářečku je vždy postaven před nesnadný problém jak ji zjistit. Existují sice metody a zařízení pro měření průměru svazku, případně i rozložení proudové hustoty v jeho průřezu, která však pro jejich složitost a nákladnost se pro běžnou praxi svařování nehodí. Většinou je nutné vystačit se zkušenostmi nebo nejvhodnější parametry zjistit před vlastním svařováním pokusem. Nejspolehlivější metoda je zkouška svařování na modelu, který je umístěn v pracovní komoře spolu se skutečným svařencem, nejlépe tak, aby bylo možné po zjištění nejvhodnějších podmínek ihned přejít k vlastnímu svařování.

Rychlost svařování

Protože čelo svazku při vysoké plošné hustotě výkonu, jak jsme ukázali, se protavuje do hloubky rychlostí řádu centimetrů za sekundu, může i hluboké svařování postupovat značnou rychlostí. Obr. 3: Závislost hloubky průvaru na rychlosti svařování.Obr. 3: Závislost hloubky průvaru na rychlosti svařování.

Charakter závislosti hloubky průvaru na postupné rychlosti svařování ukazuje graf na dalším obrázku. Stojí za povšimnutí, že hloubka průvaru neklesá s rostoucí rychlostí lineárně, ale mnohem pomaleji. Graf ukazuje, že zvýšením rychlosti na desetinásobek (např. z 0,1 na 1 m/min.) se zmenší hloubka průvaru jen na polovinu. To lze vysvětlit především tím, že se zmenší šířka roztavené oblasti, a také ztráty energie odváděním tepla do okolí.

Rychlejší postup tavení a tuhnutí materiálu může mít různé důsledky. Jedním z nich je hrubší povrch sváru („housenky“). Pokud je to z nějakých důvodů nežádoucí, je možné dodatečně, třeba po částečném ochladnutí svařence, povrch „kosmeticky“ vyhladit jeho přetavením rozostřeným svazkem s malým výkonem a nízkou rychlosti.

Na rychlosti svařování mohou také záviset některé nežádoucí důsledky, jako např. vnitřní pnutí ve svaru a jeho okolí, které někdy způsobí jeho narušení trhlinami. Obecnější definice „optimální“ rychlosti svařování pro rozmanitost podmínek není možná, ale musí se volit podle okolností, případ od případu.

Podat obecně platný návod na optimální volbu parametrů, na kterých závisí výsledek svařovacího procesu, není možné. V nových případech, se kterými nejsou dosud zkušenosti je nutné počítat s jejich hledáním pokusnými svary na modelech.

Jedna ukázka zkušebních svárů provedených v experimentální svářečce MEBW-60/2 v ÚPT je na obr. 4. Zkušebním tělesem byl válec o průměru 30 mm z oceli 17 242. První čtyři průvary (zleva) byly uskutečněny proudem 33 mA při napětí 60 kV (2 kW) a obvodové rychlosti 10 mm/s. Měnil se jen proud ve fokuzační čočce. Nejhlubší je průvar při nejmenším budicím proudu, 800–15 mA, tedy v případě, kdy byl svazek zaostřen pod povrch válce.

Velmi zajímavý zkušební svár (dvou souosých trubek) ukazuje fotografie metalografického výbrusu na obr. 5. Přetavená oblast hluboká cca 25 mm je jen cca 0,8 mm široká. Svár byl proveden firmou Heareus v Hanau (SRN).

Elektronovým svazkem je ovšem možné svařovat i velmi jemné součástky, např. 0,05 mm tlusté membrány, jak ukazuje fotografie na obr. 6.

Obr. 4: Metalografický výbrus zkušebních průvarůObr. 4: Metalografický výbrus zkušebních průvarů Obr. 5: Zkušební hloubkový svár (zdroj Heareus)Obr. 5: Zkušební hloubkový svár (zdroj Heareus) Obr. 6: Metalografický výbrus sváru dvou membrán.Obr. 6: Metalografický výbrus sváru dvou membrán.