Svařování tenkostěnných součástek elektronovým svazkem

Membránový vlnovec

Na některých pracovištích je potřeba svařování tenkostěnných součástek dosti častá. Svařování elektronovým svazkem má v některých případech, ve srovnání s jinými způsoby (mikroplazma, laser) cenné výhody nebo je dokonce nenahraditelné, takže je přes svou větší nákladnost využíváno. Dobrých výsledků je možné dosáhnout jedině dodržením jistých podmínek a zásad, které stručně osvětlíme v následujícím článku.

Výroba membránových vlnovců

Častým případem je svařování tenkých kruhových nebo mezikruhových membrán. První podmínkou jejich dobré funkce je jejich profil. Jeho tvar není z hlediska svařování důležitý. Většinou má podobu mělkých vlnek nebo soustředných polokruhových žlábků. Rovný profil je nepoužitelný, protože vede k tzv.„žabkovému efektu“.

Obr. 1: Membránový vlnovec ze 400 membránObr. 1: Membránový vlnovec ze 400 membrán

Požadavkem může být přivařování membrán k masivnějším součástkám nebo jejich spojování mezi sebou. Střídaným svařováním dvojic na vnitřním a vnějším obvodu se dá zhotovit tzv. membránový vlnovec. Ten je v porovnání s lisovaným vlnovcem sice značně dražší, ale má proti němu výhodu v nesrovnatelně vyšším poměru délek nataženého a stlačeného vlnovce, který může být v poměru třeba až 10 : 1 nebo i více, podle rozměrů (především šířky mezikruží).

Obr. 2: Metalografie sváru dvou membrán tlustých 0,05 mm.Obr. 2: Metalografie sváru dvou membrán tlustých 0,05 mm.

Při výrobě se postupuje tak, že se nejprve svaří dvojice membrán na vnitřním obvodu a po přezkoušení těsnosti svaru se svařují tyto dvojice na vnějším obvodu. I u těchto svárů se zkouší jejich těsnost před jejich dalším svařováním. Případně zjištěná netěsnost se dá odstranit opakováním sváru. Takto se dá zhotovit i velmi dlouhý vlnovec s velkou pravděpodobností, že bude vakuově těsný. V naší praxi se vyskytla potřeba vlnovce o průměru 30/16 mm sestaveného ze 400 membrán. Jeho „tvárnost“ demonstruje fotografie na obr. 1.

Dokonalost svárů membrán elektronovým svazkem dokazuje fotografie metalografického výbrusu na obr. 2. Svár je možné považovat za optimální, protože nevystupuje nad povrch membrán a jeho hloubka je rovna jejich tloušťce. Úspěšnost svařování, kromě na volbě optimálních svařovacích parametrů, velmi závisí na dokonalosti svařovacích pomůcek, bez kterých se svařování neobejde. Musí zajistit dokonalý kontakt membrán v místě sváru a odvod tepla při svařování.

Obr.3: Přípravek pro svařování membrán na vnitřním obvoduObr.3: Přípravek pro svařování membrán na vnitřním obvodu Obr.4: Detail spoje membrány a příruby vlnovceObr.4: Detail spoje membrány a příruby vlnovce

Pomůcku pro svařování membrán na vnitřním obvodu ukazuje zjednodušený výkres na obr. 3. Umožňuje svaření více dvojic membrán při jednom vyčerpání pracovní komory. Pomůcky pro svařování membrán na vnějším obvodu jsou značně složitější, proto zde jejich podrobnější popis vynecháváme. Jejich podstatu naznačuje výkres spoje membrány s přírubou F na obr. 4. Ukázka svařovaných vlnovců menších rozměrů je na obr. 5. Konstrukci přípravku pro svařování membrán na vnitřním obvodu ukazuje zjednodušený výkres na Obr. 3. Ještě složitější a výrobně náročnější jsou pomůcky pro svařování membrán na vnějším obvodu. Popis jejich konstrukce v tomto sdělení nemá místo. Výkres na obr. 4 jen naznačuje jejích konstrukci.

Ukázky membránových vlnovců svařených v ÚPT jsou na obr. 5a a 5b. Na obr. 6 je fotografie miniaturní membrány tlusté 0,02 mm, vevařené mezi dva kroužky. Na obr. 7 je výkres ukazující jak lze přivařit plnou membránu (bez vnitřního otvoru) k masivní přírubě. Technologie svařování membránových vlnovců byla v ÚPT vyvinuta pro konkrétní potřebu elektronového litografu v osmdesátých letech, kdy jejich nákup v zahraničí byl obtížný. Jejich výrobu pro litografy převzala tehdejší firma Tesla Brno. Využívala k tomu svařovací pomůcky vyrobené v ÚPT.

Obr. 5b: Membránové vlnovce svařované v ÚPTObr. 5b: Membránové vlnovce svařované v ÚPT Obr. 5a: Svařované vlnovce: průměr 10, 13 a 16 mmObr. 5a: Svařované vlnovce: průměr 10, 13 a 16 mm Obr. 6: Miniaturní membránaObr. 6: Miniaturní membrána Obr. 7: Přivaření membrány k přírubě.Obr. 7: Přivaření membrány k přírubě.


Výroba tenkostěnných trubek

Tenkostěnné trubky z nerez oceli, která má malou tepelnou vodivost, se často používají v kryotechnice jako tepelný izolant při teplotě kapalného dusíku (-196 °C). V případech kdy se potřebují ve velkém množství je výhodnější je nakoupit v zahraničí. Jsou-li však potřebné jen v malých délkách a malém množství, nebo v rozměrech, ve kterých se nedodávají, lze je vyrobit skružením plechu a podélným svárem jeho konců. I zde je podmínkou úspěchu pečlivá příprava, tj. dokonalý přípravek pro svár na tupo a přesné sestřižení svařovaných konců plechu. V ÚPT jsme tímto způsobem bez problémů svařovali trubky z plechu 0,20 mm tlustého o libovolném průměru od 30 mm výše, v délkách do 200 mm. Podstatu konstrukce pomůcky pro výrobu trubek ukazuje výkres na obr. 8. Ukázkou trubky vyrobené popsaným způsobem z nerezového plechu tl. 0,2 mm je fotografie na obr. 9.

Obr. 8: Pomůcka pro svařování tenkostěnných trubekObr. 8: Pomůcka pro svařování tenkostěnných trubek Obrá. 9: Tenkostěnná trubka vyrobená skružením a podélným sváremObrá. 9: Tenkostěnná trubka vyrobená skružením a podélným svárem Obr. 10: Způsoby spojování tenkostěnných trubek.Obr. 10: Způsoby spojování tenkostěnných trubek. Obr. 11: Experiment se spojováním tenkostěnných trubek: průměr 125, stěna 0,25 mmObr. 11: Experiment se spojováním tenkostěnných trubek: průměr 125, stěna 0,25 mm


V naší praxi jsme se setkali s požadavkem vyrobit z plechu 0,25 mm tlustého trubku o průměru 125 mm a asi 1200 mm dlouhou. Proto jsme vyzkoušeli možnost spojovat svárem na tupo trubky v délce 200 mm do větších délek. Výsledek těchto pokusů ukazuje obr. 11. Kromě spojení na tupo, ke kterému je nezbytná pomůcka zakreslená na obr. 10a), jsme vyzkoušeli dva další způsoby podle obrázků 10 b) a c), které se obejdou bez svařovacích pomůcek. Ve fotografii na obr. 11, která ukazuje výsledek našich pokusů je:

  1. svár na tupo, po svaření převálcovaný;
  2. svár přeplátovaných konců podle b), převálcovaný;
  3. svár olemovaných konců podle c), převálcovaný;
  4. svár olemovaných konců, nepřeválcovaný.

Krátké kousky trubek k pokusům jsme si vyrobili dříve zmíněným způsobem. Protože jsou ve fotografii jejich sváry sotva viditelné upozorňujeme na ně svislými šipkami.

Zcela bez problémů není ani svařování tenkostěnných trubek s masivnějšími součástkami. Je-li tenká trubka na vnější straně spoje musí být velmi těsně lícována na tlustší součástku. To se usnadní úpravou konce na kužel, jak je naznačeno v pravé polovině výkresu na obr. 12. Jiné možné konstrukce spoje ukazuje obr. 13. Při svařování je vhodné zahřívat elektronovým svazkem jen masivnější součástku v těsné blízkosti okraje tenké trubky.

Je také možné spojení uskutečnit protavením skrz tenkou stěnu. Vyhovující svár se tímto způsobem podaří jen v případě, že je svazek dobře zaostřen a svařuje se větší rychlostí. Tímto způsobem byl přivařen „klasický“ (lisovaný) vlnovec k přírubě a válečku mechanického průchodu do vakua, který ukazuje fotografie na obr. 14. Snadnější je přivaření tenké trubky jestliže je tato na vnitřní straně spoje, protože její radiální dilatace při svařování těsnost styku zlepšuje.

Obr. 12: Spoj tenké trubky s masívnější součástkou.Obr. 12: Spoj tenké trubky s masívnější součástkou. Obr. 13: Svaření tenké trubky s masivnější součástkouObr. 13: Svaření tenké trubky s masivnější součástkou Obr. 14: Mechanická průchodka do vakuaObr. 14: Mechanická průchodka do vakua 

Ploché rotory servomotorů

Náročný (a proto zajímavý) případ, se kterým jsme se setkali bylo svařování vodičů plochého rotoru servomotoru. Takový rotor je tvořen celkem čtyřmi vrstvami plochých vodičů složitého tvaru, jak je možné vidět na obr. 15. Vrstvy vodičů jsou mechanicky spojeny a elektricky izolovány třemi vrstvami sklolaminátu (tzv. prepreg). Konce vodičů jednotlivých vrstev musí být dokonale spojeny, což je možné jedině jejich svařením. Vzhledem k daným podmínkám to je možné uskutečnit jedině zdrojem intenzivního lokalizovaného ohřevu, tj. laserem nebo elektronovým svazkem. My jsme ovšem využili druhou možnost. Svařování se ovšem ani v tomto případě neobešlo bez vhodných pomůcek. Nám se osvědčily měděné kotouče asi 5 mm tlusté, které byly opatřeny otvory o průměru 1 mm umístěnými tak, aby umožnily svaření vodičů elektronovým svazkem (obr. 16).

Svařovali jsme nepřerušovaným svazkem, ze kterého se využila jen asi polovina pro svár a zbytek zahříval svařovací pomůcku. Tato nevýhoda byla bohatě vyvážena zjednodušením procesu a zařízení. Bezprostředně po ukončení svařování jsme sváry prohlédli přímo v pracovní komoře využitím režimu rastrovacího mikroskopu a případně vadné (nedokonalé) sváty jsme ihned opravili. Žádný rotor jsme tak svařováním neznehodnotili. Popsaným způsobem jsme svařovali ploché rotory třech velikostí pro Výzkumný ústav elektrotechnický na Slovensku, který se zabýval vývojem a výrobou servomotorů. Střední část plochého rotoru slouží jako komutátor. Jeho detailní snímek na obr. 17 nejlépe ukazuje kvalitu svárů.

Obr. 15: Ploché vinutí rotoru servomotoru: vodič tl. 0,2 mm, izolace 0,1 mm, průměr 28/115 mmObr. 15: Ploché vinutí rotoru servomotoru: vodič tl. 0,2 mm, izolace 0,1 mm, průměr 28/115 mm Obr. 16: Pomůcka pro svařování vodičů plochého rotoru servomotru.Obr. 16: Pomůcka pro svařování vodičů plochého rotoru servomotru. Obr. 17: Detail komutátoruObr. 17: Detail komutátoru