Svařitelnost materiálů

Svar Al

Svařování elektronovým svazkem ve vakuu se ukázalo pro některé jako nejvhodnější nebo dokonce jako jediné použitelné. Definice pojmu svařitelnost není jednoduchá a jednoznačná, protože je závislá na podmínkách svařování a požadavcích na vlastnosti svařeného spoje. Jednoznačně budeme považovat za svařitelný takový materiál, když svár bude i bez použití zvláštních opatření prost dutin, trhlin a bude mít mechanické a jiné vlastnosti blízké původnímu materiálu. Některé výsledky svařování mohou být považovány za vyhovující, přestože vykazují jisté nedostatky nebo k jejich realizaci jsou nutná zvláštní opatření.

Materiály můžeme klasifikovat podle podmínek a požadavků jako:

  1. dobře svařitelné (dobré výsledky bez zvláštních opatření)
  2. podmíněně svařitelné (přijatelné výsledky při určitých opatřeních)
  3. podmíněně použitelné (za omezených nároků na vlastnosti)

Taková klasifikace je ovšem jen věcí dohody, třeba jen v rámci této příručky.

Podrobněji se svařitelností, tj.vlastnostmi svarů a podmínkami jejich dosažení zabývá velký počet publikací v časopisech nebo i knižních publikacích. Prakticky zajímavý a užitečný přehled této problematiky je uveden v knize H. Schultze 1.

Legované materiály a oceli

Na Ústavu přístrojové techniky se využívá svařování elektronovým svazkem pro svařování součástí kryogenních a vakuových přístrojů vyrobených převážně z nerezavějící oceli. Velmi dobré zkušenosti byly přitom učiněny se svary součástí z oceli ČSN 17 246, –48. Podle našich zkušeností ji můžeme hodnotit jako velmi dobře svařitelnou.

Horší jsou zkušenosti se svařováním součástí z materiálu ČSN 17 242. Ten zřejmě v důsledku většího obsahu uhlíku (0,25 %) má vlastnosti kalitelného materiálu, který při rychlém chladnutí křehne a vlivem vnitřního pnutí praská. Takový svar není těsný a pro vakuové přístroje je nepoužitelný.

Problematika svařování různých druhů oceli zcela přesahuje rámec této příručky. V případě potřeby je nutné hledat poučení v literatuře nebo zjistit vše potřebné vlastními pokusy.

Neželezné materiály

V moderní technice potřeba spojovat součásti z neželezných kovů se vyskytuje stále častěji. Obecně lze říci, že svařování elektronovým svazkem ve vakuu je k tomuto účelu technologie většinou nejlepší, někdy dokonce jediná.

I tato problematika je svým rozsahem přesahuje rámec této příručky, proto uvedeme jen stručně některé zajímavé příklady z vlastní praxe.

Kovy s vysokou teplotou tavení (W, Mo, Ta, Zr)

Fyzikální podstatou ohřevu elektronovým svazkem je dána jeho schopnost zahřát jakýkoliv materiál na teplotu omezenou jen jeho fyzikálními vlastnostmi. Každý materiál můžeme proto zahřát na teplotu potřebnou ke svařování. Z tohoto hlediska svařování wolframu s nejvyšší teplotou tavení 3683 K, není o nic obtížnější než u každého jiného materiálu. O jejich „svařitelnosti“ rozhodují jejich metalurgické vlastnosti a změna vlastností důležitých pro daný účel v důsledku svařovacího procesu. Tak např. změny struktury mohou být takového rázu, že je nelze ovlivnit ani podmínkami při svařování ani dodatečnými procedurami.

Tyto nepříznivé důsledky přetavení nebo i jen zahřátí nad určitou teplotu a jsou běžnějšímu způsoby nevratné, jsou dobře známy u wolframu a molybdenu. Lze je sice elektronovým svazkem poměrně snadno svařovat, ale pro některé aplikace jsou nepoužitelné pro křehkost spoje. Bez podstatných problému jsme svařovali jiné kovy, jako např. tantal nebo zirkon.

Barevné kovy

Hliník a jeho slitiny

Vrstva oxidu, které ztěžuje svařování hliníku v atmosféře nečiní při svařování elektronovým svazkem ve vakuu žádné problémy. Přes značnou tepelnou vodivost hliníku je možné i v tomto materiálu dosáhnout relativně úzké svary, ovšem za předpokladu vhodné volby svařovacích parametrů, tj. vysoké hustoty výkonu a vyšší rychlosti svařování.

Při svařování tenkostěnných součástí je nutné počítat s tím, že v důsledku jejich malé tepelné kapacity a vysoké tepelné vodivosti se bude během svařování zvyšovat jejich teplota, která se přitom neprozradí vizuálně a může dosáhnout nepozorovaně ve velkém rozsahu i teploty tavení.

Existuje velký počet slitin hliníku s jinými kovy jako je Mg, Cu, Si a Zn. S jejich svařováním nemáme vlastní zkušenosti, proto odkazujeme zájemce na literaturu.

Měď a její slitiny

V důsledku velké tepelné vodivosti mědi tuhne roztavený materiál za postupujícím svazkem velmi rychle, takže případně se vyskytující plynné složky nestačí uniknout a jsou příčinou pórovitosti svaru. Dobře svařitelná je měď s obsahem nečistot jako je P, O, C menším než 5 ppm.

Skupina slitin mědi, které označujeme názvem bronz jsou vesměs dobře svařitelné. Totéž platí i slitině s niklem, nazývané monel.

Slitiny se zinkem (mosazi) se ve vakuu nedají svařovat vinou vysokého tlaku par zinku, který prudkým odpařováním způsobuje rozstřikování roztavené mědi.

Titan a jeho slitiny

V moderní technice stále používanější titan při teplotě vyšší než asi 250 °C silně reaguje s plyny jako O, N, H, proto jeho svařování v atmosféře je prakticky nemožné. Ve vysokém vakuu (tlaku < 10^^-3^^mbar) v elektronové svářečce nečiní jeho svařování žádné potíže. Totéž platí i o většině jeho slitin s jinými kovy.

Nikl a jeho slitiny

Čistý nikl se z výrobě součástí zřejmě mnoho nepoužívá, protože s potřebou jej svařovat jsme se setkali jen zcela výjimečně. Při jeho svařování jsme se nesetkali s žádnými problémy.

Slitina niklu s mědí, nazývaná monel, se svým chováním při svařování podle našich zkušeností podobá více mědi než niklu. Ani v tomto případě jsme nenarazili při svařování elektronovým svazkem na žádné potíže.