Základní informace o svařování elektronovým svazkem

Svary

Svařování elektronovým svazkem je jedním z tavných způsobů svařování, který využívá pro ohřev spojovaných materiálů fokusovaný svazek elektronů s vysokou energií. Při dopadu se kinetická energie elektronů přemění v teplo, které je využito k ohřevu svařovaných součástí. Svařování probíhá zpravidla bez přídavného materiálu. Díky tzv. hloubkovému efektu lze, v závislosti na parametrech svářečky, svařovat značné tloušťky materiálu na jeden průchod – přes 10 cm v nerez oceli.

Zdrojem elektronů je tzv. elektronová tryska (viz populární prezentace). Zde jsou elektrony získávány z termoemisní katody, urychleny elektrickým napětím 30 kV až 200 kV a do místa svaru zaostřeny pomocí elektronové optiky. Celý proces svařování probíhá ve vakuu (10−2 až 10−3 Pa), protože elektronový svazek je rozptylován molekulami vzduchu. Velikost svařence je tak omezena velikostí vakuové pracovní komory, vznikají ztrátové časy nutné pro její vyčerpání a nelze svařovat kovy s vysokou tenzí par, jako např. Zn, Cd, Mg. Na druhé straně funguje vakuum jako „ochranná atmosféra“ a umožňuje svařovat i reaktivní kovy, jako např. Ti. V praxi se prosazují i uspořádání, kdy svařování probíhá v nízkém vakuu nebo na vzduchu. Podrobnější informace o technologii lze čerpat např. z monografií1.

Přes svoji vysokou finanční náročnost si elektronové svařování díky svým charakteristickým a unikátním vlastnostem vydobylo pevné postavení v mnoha významných průmyslových odvětvích, jako např. v automobilovém, jaderném, kosmickém a leteckém průmyslu. K jeho hlavním výhodám patří:

Obr.1:Profily typických svarů elektronovým svazkemObr.1:Profily typických svarů elektronovým svazkem

Obr.2:Zkušební průvary zhotovené ve svářečce MEBW 60/2Obr.2:Zkušební průvary zhotovené ve svářečce MEBW 60/2

  • vysoký poměr hloubka/šířka svaru (podle parametrů až 25/1) s charakteristickým nožovým průřezem viz Obr.1 a Obr.2);
  • hluboké průvary na jeden průchod (díky hloubkovému efektu);
  • svařování kovových materiálů bez ohledu na jejich tavicí teplotu;
  • minimální tepelně ovlivněná oblast;
  • minimální deformace;
  • velká produktivita svařování;
  • čistota svaru, vakuové přetavení kovu.

Zásady pro konstrukci svarového spoje

  • Svařování probíhá bez přídavného materiálu. Aby došlo ke slití tavených kovů v místě svaru, musí svařované součásti k sobě těsně přiléhat čistými (bez kontaminace řeznou kapalinou, brusivem apod.) a hladkými plochami
  • Aby došlo k rovnoměrnému zahřívání materiálu obou svařovaných dílů, je lépe, když mají v místě svaru stejnou tloušťku

Obr.3:Modifikovaná elektronová svářečka ES2DObr.3:Modifikovaná elektronová svářečka ES2D

Naše přístrojové vybavení

V současnosti je naše pracoviště vybaveno třemi elektronovými svářečkami vlastní výroby. Všechny mají válcovou komoru a manipulátor umožňující rotaci a z-posuv svařované součásti. U všech může být elektronové dělo umístěno na komoře tak, že jeho osa je kolmá nebo rovnoběžná s osou rotačního manipulátoru (radiální a axiální svary). Svařování pod jiným úhlem umožňuje vychylovací systém. Další parametry svářeček jsou:

Obr4:Svářečka SES-1Obr4:Svářečka SES-1

  • Modernizovaná elektronová svářečka ES2 s komorou o průměru 600 mm a hloubce 490 mm a elektronovou tryskou 50 kV/1,5 kW (Obr.3)
  • Stolní elektronová svářečka SES-1 (Obr.4) s komorou o průměru 235 mm a hloubkou 165 mm s možností zvětšení pomocí nástavce (i několik metrů). Elektronové dělo s urychlovacím napětím 50 kV a výkonem 500 W nebo 1,5 kW (podle použitého vn zdroje). Svařenec je možné pozorovat v režimu rastrovacího elektronového mikroskopu (REM režim).
  • Experimentální stolní elektronová svářečka MEBW-60/2-E (Obr.5) má komoru se stejnými rozměry jako SES-1 (průměr 235, hloubka 165 mm). Je vybavena elektronovým dělem s urychlovacím napětím až 60 kV a výkonem až 2 kW. Elektronika svářečky je plně digitalizovaná. Z ovládacího pultu je možné svařovat v několika základních režimech, ovládání z osobního počítače umožňuje i pokročilé režimy – svařování po křivce a gravírování. Tvar křivky pro svařování je zadán nakreslením v obraze sejmutém v REM režimu. V Obr.6 je ukázka svárů rubiček tepelného výměníku s přírubou, provedené vychylováním elektronového svazku po kružnici o průměru trubičky.

Více o svářečce MEBW-60/2

Obr.5:MEBW-60/2-EObr.5:MEBW-60/2-E

Obr.6:Ukázka apllikace Funkce Draw'a'weldObr.6:Ukázka apllikace Funkce Draw'a'weld

Další služby

  • Máme vlastní dílenské zázemí a jsme schopni zajistit svařovací přípravky, chladítka a další pomůcky.
  • Vlastními silami jsme schopni zajistit výbrusy (rozřezání, vybroušení, vyleštění, leptání), pořídit snímky světelným (stereomikroskop Nikon SMZ1000) i elektronovými mikroskopy pro posouzení hloubky, tvaru a porozity svaru za účelem optimalizace procesních parametrů a dokumentace.

Výzkum a vývoj svařování elektronovým svazkem v ÚPT

Počátky svařování elektronovým svazkem v ÚPT jsou datovány do poloviny šedesátých let 20.století, kdy jedním možným způsobem ohřevu ve víceúčelová vakuová peci, která byla pod vedením Ing. Ladislava Zobače vyvinuta2, byl právě ohřev materiálu elektronovým svazkem. Tato pec se stala základem pro první českou elektronovou svářečku ES-2. Stručnou historii vakuových svářeček v ÚPT můžete naleznout v tomto článku. Podrobnější informace lze nalézt v článku: Elektronové svářečky v UPT: minulost&součas­nost

Souběžně s vývojem a stavbou přístrojového vybavení byla vyvíjena i samotná technologie elektronového svařování se zaměřením na přístrojovou, vakuovou a kryogenní techniku.

Fotogalerie svařených součástí

Vzorové příklady svarů prováděných na zařízení v ÚPT může vidět v galerii.