Elektronové svařování - perspektivní metoda pro speciální materiály

Elektronové svařování (metoda č. 51 podle ČSN EN ISO 4063) je proces, který využívá přeměnu kinetické energie elektronů na energii tepelnou v důsledku neelastické interakce elektronového paprsku s kovem (obr. 1). Při této interakci se téměř celá energie paprsku mění na teplo, které oba materiály nataví a po ztuhnutí vzniká tavný svarový spoj bez působení tlaku.

Elektrony jako jedny ze základních částic hmoty nesou záporný náboj a mají extrémně malou hmotnost. Pro potřeby svařování se vysokým napětím urychlí na přibližně 30 % až 70 % rychlosti světla, čímž se vytvoří energie dostatečná na roztavení svařovaných materiálů. Plošná hustota energie svazku je vysoká a ohřev materiálu natolik intenzivní, že paprsek téměř okamžitě taví a odpařuje kov v místě dopadu a vytváří v tavenině kavitu vyplněnou parami kovů (tzv. keyhole), obr. 1.

Kromě tepla dochází při interakci elektronů s kovem i k emisi sekundárních elektronů, které lze využít k zobrazení procesu, dále ke vzniku charakteristického rentgenového záření, které dále lze využít k zjišťování chemického složení místa svaru a také zpětně rozptýlených elektronů, jež by bylo možné využít ke zjištění topografie svaru (obr. 1).

Zařízení pro svařování se skládá z elektronové trysky, elektronové optiky, řídicího systému a samotné pracovní komory (obr. 2). Elektronová tryska je zdrojem elektronového svazku. Vnitřní prostor trysky je odsát na vakuum vyšší než 10-5 Pa. Elektrony se emitují tepelnou emisí z povrchu žhavicí katody (emitor) a urychlovacím napětím několika desítek až stovek kilovoltů jsou urychlovány na potřebnou energetickou úroveň. Elektrony se elektromagnetickými poli fokusují do úzkého elektronového svazku, který je možné dalšími soustavami elektromagnetických čoček vychylovat či rozdělovat do potřebných směrů. Emitorem elektronů je nejčastěji wolframové nebo tantalové vlákno ohnuté do tvaru písmene V, vyhřáté na emisní teplotu (cca 2 700 °C), a to buď přímo průchodem el. proudu, nebo nepřímo pomocí vinutých vláken. Vlákno je umístěno v kovové válcové elektrodě, tzv. Wehneltově elektrodě s otvorem (clonou). Vnější obal elektrody je na potenciálu nižším než katoda. Hodnotou potenciálu je nastavováno množství emitovaných elektronů a tím výkon elektronového svazku.

Elektronová optika a řídicí systém obsahuje sadu elektromagnetických cívek sloužících k fokusaci (zaostření) svazku na povrch svařence a případné defokusaci. Navíc tam může být další čočka sloužící pro skenování povrchu svaru, případně pro oscilaci paprsku a získání širšího svarového švu. Do této části jsou vsunuta i zařízení na pozorování pracovního procesu, optické prizma a okulár, případně kamera.

Třetí částí zařízení je vakuová pracovní komora, jejíž rozměry mohou být opravdu úctyhodné, podle druhu a velikosti svařenců, které se realizují. V pracovní komoře je obvykle umístěn posuvný stůl s několika stupni volnosti (X, Y, C), ke kterému je obrobek uchycen. Celý systém je intenzivně odčerpáván vakuovými vývěvami v několika stupních. Základem je rotační vývěva s vysokou kapacitou, která umožňuje získat vakuum řádu 10-2 Pa. V dalším stupni se spouští rotační molekulární vývěva, případně difuzní vývěva, jejichž účelem je získání vysokého vakua. Difuzní vývěva pracuje se silikonovým olejem a molekulární vývěva pracuje na principu otáček rotoru při velmi vysokých otáčkách.

Zařízení pro elektronové svařování PTR ESW 1000/12-L (obr. 3), které se nachází na Ústavu strojírenské technologie ČVUT v Praze, dosahuje maximálního výkonu 12 kW, což umožňuje svařování ocelových materiálů až do tloušťky 20 mm na jeden průchod svazku. Rozměry vakuové komory jsou 1 400 x 840 x 900 mm. Zároveň existuje možnost rozšířit vakuovou komoru o nadstavbu pro až 3 m dlouhé svařence. Svařenec je možné polohovat pomocí 2osého polohovacího stolu s rotačním nástavcem.

Při elektronovém svařování se používají v závislosti na plošné hustotě výkonu dva hlavní režimy svařování:
1) režim vedením tepla, který se obvykle aplikuje na tenké materiály a fólie (až 50 µm),
2) režim hluboké penetrace (keyhole), který se používá v případech, kdy se vyžaduje hluboký průvar (až desítky mm).

Nejčastěji při svařování využíváme vysoké plošné hustoty elektronového svazku (kolem 108 W cm-2), tedy režim hluboké penetrace, a dosahujeme tak i při vysokých rychlostech svařování velmi úzkého a hlubokého závaru s malou tepelně ovlivněnou oblastí. Srovnání tvaru svaru vytvořeného elektronovým svařováním se svarem vytvořeným konvenční obloukovou technologií je na obr. 4.

Díky vysoké rychlosti svařování a malému vnesenému teplu lze pomocí elektronového svazku vytvářet tavné svary pro široké spektrum materiálů a jejich kombinace. Vhodné kombinace pro svařování jsou uvedeny v tabulce.

Podmínkou úspěšného svařování je vodivost materiálů, které musejí být na stejném potenciálu jako vakuová komora, aby nedošlo ke vzniku elektrostatického náboje. Při svařování se může, ale nemusí používat přídavný materiál. Obvykle se používá systém keyhole bez využití přídavného materiálu, kdy je svar vytvářen na jeden průchod elektronového svazku přes celou tloušťku materiálu. Typicky jsou tak vytvářeny tupé I svary i na relativně velkých tloušťkách (běžně až 50 mm). Úzká oblast svaru a svařování ve vysokém vakuu dává těmto spojům velmi dobré vlastnosti. Díky vakuové ochraně lze svařovat speciální materiály jako žáruvzdorné oceli, Ni a další materiály používané v energetickém průmyslu, neželezné slitiny Al, Ti používané v letectví, jakož i materiály a jejich kombinace, které jsou konvenčními způsoby tavného svařování obtížně svařitelné. Pokud jsou kovy náchylné na vznik trhlin za tepla, může se toto objevit i při elektronovém svařování, ale v menší míře.

Závěrem je možné shrnout, že elektronové svařování je velmi progresivní metoda tavného svařování s mnoha možnostmi využití.

Ústav strojírenské technologie, Fakulta strojní ČVUT v Praze, ÚJV Řež
Ing. Tomáš Kramár, Ph.D., Ing. Ladislav Kolařík, Ph.D. , Ing. Petr Vondrouš, Ph.D. , Ing. Karel Kovanda, Ph.D., Ing. Jaroslav Málek

Ing. Ladislav Kolařík, Ph.D.

ladislav.kolarik@fs.cvut.cz

u12133.fsid.cvut.cz

Použitá literatura
1. MARÔNEK, M., BÁRTA, J. Multimediálny sprievodca technológiou zvárania. Trnava: AlumniPress., 2008. ISBN 978-80-8096-066-7.
2. HRIVŇÁK, I. Zváranie a zvariteľnosť materiálov. 2009. ISBN 978-80-227-3167-6.
3. Cutting at a distance. [cit. 2013-05-01]. Dostupné na WWW: //www.laser-community.com/technology/cutting-at-a-distance_2411/
4. Electron Beam Welding. [cit. 2013-05-01]. Dostupné na WWW: //physicsnobelprize.net/ebw.html
5. PRO-BEAM [cil. 2016-01-06]. Dostupné na WWW: //www.ecosond.cz/pro-beam.html
6. Focus 2014. [cil. 2016-01-06]. Dostupné na WWW: //www.focus-e-welding.de/Mobility.html
7. SCHULTZ, H. Elektron beam welding. 1994. ISBN 1855730502.
8. TURŇA, M. Špeciálne metody zvárania. Alfa, 1989.
9. DUNOVSKÝ, J., DUBENSKÝ, R. Vybrané stati ze svařování a defektoskopie. ČVUT, 1975.