Témata
Reklama

Elektronové svařování - perspektivní metoda pro speciální materiály

Využití elektronového svazku v průmyslové výrobě zasahuje do mnohých oblastí strojírenské výroby, např. spojování kovových i nekovových materiálů, navařování, povrchového zpracování a legování povrchu materiálů, PVD povlakování, gravírování i dělení materiálů a dnes i do moderního „3D tisku“ kovových materiálů. Nicméně svařování homogenních a heterogenních spojů je nejčastějším použitím této technologie (ve strojírenství), a proto je v současné době intenzívně zkoumáno i v Laboratoři výuky svářečských technologií na Ústavu strojírenské technologie FS ČVUT v Praze. Na tomto pracovišti je k dispozici elektronové svařovací zařízení PTR ESW 1000/12-L, dlouhodobě zapůjčené od ÚJV Řež. Tímto příspěvkem bychom rádi tuto technologii chtěli představit širší veřejnosti.

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.

Reklama
Reklama
Obr. 1. Kavita vznikající při svařování v režimu keyhole a jevy provázející interakci elektronů s kovem

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 elektronové svařování

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.

Obr. 2. Princip elektronového svařovaní

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.

Laboratorní zařízení na tenké materiály i hluboké penetrace

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.

Obr. 3. Zařízení pro svařování elektronovým svazkem – PTR ESW 1000/12-L

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.

Obr. 4. Porovnání tvaru svaru vytvořeného elektrickým obloukem a elektronovým svazkem

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.

Obr. 5 Homogenní ocelový spoj Obr. 6 Heterogenní spoj uhlíkové oceli a niklové slitiny
Obr. 6. Heterogenní spoj uhlíkové oceli a niklové slitiny

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.

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 160131
Datum: 10. 02. 2016
Rubrika: Monotematická příloha / Spojování a dělení
Autor:
Související články
Čtrnáctý ročník soutěže Ocenění českých podnikatelek úspěšně odstartován

Ve čtvrtek 3. června 2021 byl zahájen další ročník prestižní soutěže Ocenění českých podnikatelek, který odstartovala online konference Women in Business s podtitulem Nová realita roku 2021 a společný (re)start, most k jednotě a spolupráci. Tuto soutěž již tradičně vyhlašuje podnikatelská platforma Helas – Budujeme hrdé Česko. Patronkou letošního ročníku je Kateřina Kadlecová, generální ředitelka společnosti USSPA. 

Třpytivý svět krystalů

Turnovská společnost Crytur patří svým pojetím ke světovému unikátu. V přesně definovaných podmínkách pěstuje umělé krystaly z vlastního výzkumu a vývoje, které následně po opracování dodává buď jako specifické optické díly pro další celky, nebo přímo kompletní výrobky.

Implantáty z Čech až na konec světa

V 70. letech minulého století stál u zrodu prvních ortopedických implantátů v Čechách. V roce 1992 pak v rámci privatizace založil vlastní firmu téhož zaměření, jejíž výrobky dodnes pomáhají lidem znovu se hýbat. Ano, hovoříme o Stanislavu Beznoskovi a české firmě téhož jména, kterou dnes úspěšně řídí členové rodiny zakladatele.

Související články
MM Podcast: Glosa - Když se země otřásají v základech

Krize vyvolaná pandemií koronaviru v řadě oborů působí jako urychlovač trendů patrných před jejím vypuknutím. Mnoho odvětví si prochází zásadní strukturální transformací, ale část z nich – které se stát snaží podpůrnými prostředky za každou cenu stále držet nad vodou, zanikne. 

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Vývoj UHT nástrojů
v plném proudu krizi navzdory

Hlavním motivem založení VaV centra Rotana byla připravenost na nové trendy v automobilovém a leteckém průmyslu a výroba vlastních produktů s vysokou přidanou hodnotou – konkrétně ultratvrdých (UHT) nástrojů pro speciální aplikace. Centrum je vybaveno nejmodernějšími technologiemi a stále se rozrůstá. Na kontě má několik úspěšně zakončených projektů v podobě prototypových nástrojů a užitných vzorů. O tom, na jakých projektech v centru pracují nyní a jaké mají plány do budoucna, jsme si povídali se třemi hlavními osobnostmi celého projektu vývoje a výroby UHT nástrojů.

Odměřovací pravítka, lanovka a Ferrari

Odměřovací pravítko je jednou z klíčových komponent obráběcího stroje. Zpravidla je ukryto hluboko uvnitř stroje a většina uživatelů obráběcích strojů jej nikdy na vlastní oči neviděla. Přesto jsou na ně kladeny velmi vysoké nároky. Musejí pracovat spolehlivě po dobu mnoha let, zaručovat očekávanou přesnost a rozlišení, a musejí být odolná proti znečištění, pronikání kapalin, prachu i třískám a proti spoustě dalších faktorů. A kdyby se náhodou něco pokazilo, musejí být snadno vyměnitelná.

Názorové fórum odborníků

V tomto vydání MM Průmyslového spektra se věnujeme mimo jiné tématu obráběcích strojů. Proto jsme s anketní otázkou oslovili zástupce výrobců a dovozců v této komoditě.
Čas jsou peníze. Každá minuta prostoje výrobního zařízení je nežádoucí, proto se dnes vedle vysoké produktivity u strojů očekává také jejich vysoká spolehlivost.

Stroje v pohybu – Sledování zásilek na dálku

Takzvaný internet věcí (IoT) nabízí mnoho možností. Základem této technologie je bezdrátová komunikace velkého počtu autonomních zařízení prostřednictvím datových sítí, jež jsou navrženy tak, aby datový přenos spotřeboval co nejméně energie. Toho využívají i moderní sledovací jednotky (lokátory), které mohou díky energetické úspornosti pracovat i několik let bez dobíjení baterií.

Fórum výrobních průmyslníků

Jakým způsobem se po 15 měsících od vypuknutí pandemie koronaviru tento stav projevuje ve vaší společnosti – jak z pohledu objemu zakázek, jejich realizace a ekonomiky jako takové (např. vlivem navýšení cen vstupních materiálů, nedostatku některých komponent)? Dokážete predikovat, jak se bude situace ve vaší komoditě vyvíjet ve druhé polovině roku, na čem bude záviset?

Fórum děkanů strojních fakult

Jak současná doba ovlivňuje realizaci smluvního výzkumu na již hotových projektech, resp. při akvizici nových? Zaznamenáváte aktuálně pokles zájmu firem o spolupráci?

Semináře nově s high-tech technologiemi

Školicí a tréninkové centrum společnosti Ceratizit ve Velkém Meziříčí prošlo v loňském roce rozsáhlou modernizací. Nové Technické centrum i technologie v něm bohužel kvůli pandemii covid-19 nemělo možnost navštívit mnoho zákazníků. Všichni pevně věříme, že se to brzy změní. Než se tomu tak stane, požádali jsme Jana Gryče, technického ředitele společnosti Ceratizit, aby nám představil, co je v centru nového a na co se mohou zákazníci těšit. Při té příležitosti jsme oslovili také Pavla Němečka, obchodně-technického zástupce společnosti Hermle, aby pohovořil o pětiosém stroji C 32 U, které je v centru nové.

Švédové jsou féroví a přímí obchodníci

Celosvětová pandemie covid-19 mění světa vytváří nové příležitosti a výzvy pro exportně orientované firmy. Zahraniční kanceláře CzechTrade registrují příležitosti v daných destinacích a vytvářejí partnerství českým výrobním společnostem a jsou jim nápomocni při vstupu na trh a upevnění jejich pozice.

Digitalizace: klíč k úspěchu

Již od roku 1919 zkoumá, vyvíjí a vyrábí zabezpečovací techniku společnost EVVA - rodinná firma se sídlem ve Vídni. To, že se nyní, přibližně o 100 let později, stala průkopníkem propojené výroby, je zásluhou její jasné strategie s důrazem na digitalizaci. Důležitým milníkem nové výrobní filozofie společnosti EVVA je soustružnické a frézovací centrum Hyperturn 65 Powermill v kombinaci se síťovým řídicím rozhraním Emconnect. S flexibilním výrobním systémem od společnosti Emco lze nyní kompletně automatizovat obrábění mosazných dílů v kusové výrobě i výrobě středních sérií.

MSV ve znamení obrábění

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro meku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, kromě lidí z dalších oborů, setkají i výrobci vynikajících obráběcích strojů. Proto jsme se na postřehy a názory tentokrát zeptali Petra Odehnala z obchodního oddělení společnosti Pilart stroje.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit