Verfahren zum Verbinden von Werkstücken reit Hilfe eines Ladungsträgerstrahles In der modernen Fertigungstechnik gibt es zahl reiche verbindungstechnische Aufgaben, die sich mit den herkömmlichen Verfahren, nämlich dem Schweis- sen, Hart- und Weichlöten nicht befriedigend lösen lassen. Dies gilt in besonderem Masse für die Herstellung fester duktiler Verbindungen von mehr oder weniger ungleichartigen Materialien sowie für die feste Verbindung von Materialien, die wegen ihres besonderen Gefüges oder wegen ihres Wärmebehand lungszustandes nicht hoch erhitzt werden sollen.
Den herkömmlichen Schmelz-Schweissverfahren sind bei der Verschweissung ungleichartiger Materia lien durch deren unterschiedliche thermische Eigen schaften enge Grenzen gesetzt. Auch versagen diese Verfahren bei allen Metall-Kombinationen, bei denen brüchige intermetallische Verbindungen auftreten können, da diese Verbindungen eine duktile Ver- schweissung unmöglich machen. In der Schweisszone treten nämlich stets alle verschiedenen Mischungs verhältnisse der miteinander zu verschweissenden Metalle auf, so dass sich mindestens in einem Teilbereich brüchige intermetallische Verbindungen bilden können.
Die bisher üblichen Lötverfahren erfordern eine Erhitzung der ganzen zu verbindenden Teile oder grosser Bereiche davon, in allen Fällen müssen die verwendeten Lote einen niedrigeren Schmelzpunkt haben als die miteinander zu verbindenden Materia lien. Es kommt deshalb insbesondere auch beim Hartlöten vor, dass sich für eine Materialkombination kein Lot finden lässt, das nicht mit einer der beiden Komponenten eine - brüchige Verbindung eingeht.
Zum anderen besteht -der Nachteil, dass Lote, die sich bei verhältnismässig niedrigen Temperaturen verwenden lassen, in der Regel eine geringe Festig keit haben. - Für die Verschweissung ungleicher Materialien sind die Widerstands-Schweissverfahren (Punkt-, Roll- naht, Widerstands-Stumpfschweissen) sowie das Ab- brenn-Stumpfschweissen besser geeignet als Flamm- und Lichtbogenschweissen, denn sie ermöglichen eine direkte Erhitzung der Verbindungszone allein. A11 diese Verfahren sind jedoch auch abhängig von den thermischen und zusätzlich von den elektrischen Ma terialeigenschaften.
Ferner sind sie in Form und/oder Grösse der zu verschweissenden Flächen beschränkt. Auch die Entstehung spröder Verbindungszonen durch intermetallische Verbindungen bleibt bestehen..
Für die Durchführung von Lotungen bei Er hitzung nur- einer schmalen Zone wurde das Lö ten mit Hochfrequenz-Induktionsheizung entwickelt. Seine Anwendung ist jedoch an besondere Geometrie und Materialeigenschaften der Werkstücke gebunden und dadurch in seiner Anwendungsmöglichkeit sehr stark eingeschränkt. Auch besteht hier ebenso wie bei den herkömmlichen Lötverfahren die Bedingung, dass das Lot einen niedrigeren Schmelzpunkt haben muss als die miteinander zu verbindenden Materialien: Es ist bekannt, zwei Werkstücke mit Hilfe eines Ladungsträgerstrahles miteinander zu verschweissen.
Bei Ausnützung des sogenannten Tiefschweissef- fektes dringt dabei der Ladungsträgerstrahl an der Auftreffstelle unter Bilden einer schmalen, hocher hitzten Zone tief in das Material ein und gibt dabei seine Energie entlang der gesamten Eindringtiefe direkt an das Material ab. Das Material wird dabei aufgeschmolzen und beim Weiterbewegen oder Ab schalten des Ladungsträgerstrahles bildet- sieh eine einwandfreie Verschweissung. Es ist auch bekannt, dieses Verfahren zum Verschweissen von thermisch unterschiedlichen Materialien zu verwenden.
Die ungleichen thermischen Eigenschaften der Materialien werden dabei durch ungleiche Verteilung der einge- strahlten Leistung auf die beiden Materialien ausge glichen. Diese ungleiche Verteilung der eingestrahlten Leistung wird dadurch erreicht, dass der Ladungs trägerstrahl seitlich zur Stossfuge versetzt wird. Dabei werden jedoch stets beide Stossflächen auge schmolzen, so dass also eine echte Verschweissung entsteht.
Das Tiefschweissen mittels eines Ladungsträger strahles lässt sich jedoch ohne besondere Vorkehrun gen nicht zur Lösung der eingangs geschilderten Aufgaben verwenden. Insbesondere tritt bei der Verschweissung ungleicher Materialien, besonders Metalle, trotz der geringen Breite einer Tiefschweis- sung ebenfalls vielfach die Bildung von interme tallischen Verbindungen auf, deren Sprödigkeit die Brauchbarkeit der Schweissung herabsetzt.
Alle die geschilderten Schwierigkeiten bei der Herstellung fester duktiler Verbindungen von mehr oder weniger ungleichartigen Materialien sowie bei der Herstellung fester Verbindungen von Materialien, die wegen ihres besonderen Gefüges oder Wärme behandlungszustandes nicht hoch erhitzt werden dürfen, werden durch das Verfahren nach der vor liegenden Erfindung überwunden. Dieses Verfahren findet z. B. Anwendung zum Verbinden von Werk stücken über Verbindungsflächen, welche zumindest aus einer in der Verbindungsfläche gelegenen Rich tung zugänglich sind, d. h. also beispielsweise zur Herstellung von Stumpfschweissungen.
Auch bei dem neuen Verfahren wird zur Her stellung der Verbindung ein Ladungsträgerstrahl verwendet, doch werden bestimmte .Vorkehrungen getroffen, um eine einwandfreie, von allen Nachteilen freie Verbindung zu erzielen.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein Ver fahren zum Verbinden von Werkstücken mit Hilfe eines in einer in der Verbindungsfläche der Werk stücke liegenden Richtung auftreffenden Ladungs trägerstrahles. Gemäss der Erfindung wird zwischen die miteinander zu verbindenden Stossflächen der Werkstücke ein zusätzliches Material eingebracht, das von den zu verbindenden Werkstücken material- mässig verschieden ist, und es wird dieses zusätzliche Material mittels des Ladungsträgerstrahles aufge schmolzen.
Die Auftreffstelle und/oder die Form des Ladungsträgerstrahles wird dabei zweckmässig so gewählt, dass nur das zusätzliche Material durch den Strahl direkt aufgeschmolzen wird. Dies wird z. B. dadurch erreicht, dass der Ladungsträgerstrahl auf das zusätzliche Material fokussiert wird. Sind dabei die beiden Werkstücke in üblicher Weise in einem unter Vakuum stehenden Raum gelagert, so ist der Wärmeübergang zwischen dem zusätzlichen Material und den beiden Werkstücken sehr gering, und es wird deshalb das zusätzliche Material aufgeschmol zen, ohne dass unzulässig dicke Werkstoffschichten der beiden Werkstücke thermisch sehr hoch bean sprucht werden.
Das geschmolzene Material fliesst dann auf die Stossflächen der Werkstücke auf und bildet eine einwandfreie Verbindung. Sehr vorteilhaft ist es, bei dem neuen Verfahren die Intensität des Ladungsträgerstrahles .in an sich bekannter Weise so hoch zu wählen, dass der Strahl an der Auftreffstelle unter Bilden einer schmalen, hocherhitzten Zone tief in das Material eindringt und dabei seine Energie entlang der Eindringtiefe direkt an das Material abgibt. Die Auftreffstelle und oder die Form des Ladungsträgerstrahles kann auch hier so gewählt werden, dass nur das zusätzliche Material durch den Strahl direkt aufgeschmolzen wird.
In diesem Fall fliesst also das verflüssigte zusätzliche Material auf beiden Stossflächen auf, d.h. es wird keine direkte Schweissung vorgenommen.
Ebenso ist es möglich, die Auftreffstelle und/ oder die Form des Ladungsträgerstrahles so zu wählen, dass nur das zusätzliche Material und eine an eine der Stossflächen angrenzende dünne Werk stoffschicht durch den Strahl direkt aufgeschmolzen werden. In diesem Fall wird also auf der einen Seite der Schweisszone eine direkte Verschweissung des Werkstückmaterials mit dem zusätzlichen Mate rial erreicht, während auf der anderen Seite das verflüssigte zusätzliche Material auf die nicht direkt vom Strahl erhitzte Stossfläche des anderen Werk stückes auffliesst.
In vielen Fällen kann es auch vorteilhaft sein, die Auftreffstelle und/oder die Form des Ladungsträ- gerstrahles so zu wählen, dass das zusätzliche Material und eine daran angrenzende dünne Schicht jedes der benachbarten Werkstücke direkt aufgeschmolzen wer den. In diesem Fall wird also auf jeder Seite der Schweisszone eine direkte Verschweissung des Werk stückmaterials mit dem zusätzlichen Material erreicht, wobei die Dicken der aufgeschmolzenen und ther misch hoch beanspruchten Werkstoffschichten sehr klein gehalten werden können.
Das neue Verfahren ermöglicht den Vorteil, dass das Material der Werkstücke nur in einer sehr schma len Zone aufgeschmolzen wird. Diese Beschränkung der Erhitzung auf einen sehr kleinen, entlang der Stossfuge fortschreitenden Bereich. setzt das Ausmass der auftretenden unerwünschten Wärmewirkungen, z. B. Spannungen, Verzug längs der Naht und der angrenzenden Bereiche weit herab im Vergleich mit konventionellen Hartlötungen und auch Widerstands- stumpfschweissungen, bei denen die ganze Länge der Stossfuge gleichzeitig erhitzt werden muss.
Gegenüber dem ebenfalls bekannten Hochfrequenzhartlöten be steht der Vorteil, dass die Schmelzzone noch wesent lich schmaler gehalten werden kann als bei diesem bekannten Verfahren und dass die Erhitzung in Nahtrichtung fortlaufend erfolgt. Die Naht kann also bei dem neuen Verfahren beliebig lang sein.
Das zusätzliche Material wird vorteilhaft in Form eines Streifens oder einer Folie zwischen die Stoss flachen der miteinander zu verbindenden Werkstücke eingebracht. Man ist dabei in der Auswahl der Mate rialien in keiner Weise beschränkt, da zwischen die Werkstücke auch Zusatzmaterial eingebracht werden kann, dessen Schmelzpunkt über dem einer oder beider zu verbindenden Komponenten liegt. Auch Zusatzmaterialien, die einen der Werkstoffe schlecht benetzen, können vielfach verwendet werden, da die Durchwirbelung der Schmelzzone ein Zusammen- fliessen begünstigt.
Das zusätzliche Material kann auch als Pulver in die Stossfuge eingebracht werden. Dabei kann beim Bearbeitungsvorgang laufend Pulver in die Stossfuge eingeschüttet oder eingepresst werden. Es ist auch möglich, das Pulver zu Streifen zu pressen oder zu sintern und diese Streifen beim Bearbeitungs vorgang zwischen die miteinander zu verbindenden Werkstücke einzulegen. Es ist auch möglich, das zusätzliche Material als Draht mit gesteuerter Ge schwindigkeit zuzuführen. Ebenso kann das Material durch Erhitzung aus einer Aufschlämmung oder aus einer anderen chemischen Verbindung freigesetzt werden.
Zur Verhinderung einer Einsattelung der Ver bindungszone ist es vorteilhaft, das zusätzliche Ma terial an der Verbindungsstelle über die Aussenflä chen der Werkstücke, besonders über die dem Strahl zugewandte Fläche überstehen zu lassen. Auf diese Weise lässt sich eine beiderseits erhabene Verbin dungszone erzielen.
Wird das zusätzliche Material in Form eines Streifens eingebracht, welcher die Form eines T-Pro- files hat, so wird das Einlegen des Streifens erleich tert, und es wird sein Herausfallen verhindert. Bei zylindrischen Teilen, z. b. bei Rohren, die längs ihres Umfanges stumpf verschweisst werden sollen, wird zweckmässig durch einen Ring mit T-Profil eine Zentrierung der Rohre zueinander erreicht. Wird das zusätzliche Material als Streifen mit einem I-Profil verwendet, so wird mit Vorteil eine genaue Aus richtung der Stosskanten auch auf grössere Längen erreicht und aufrecht erhalten.
Eine solche Mass- nahme ist offensichtlich in der konventionellen Löt- technik nicht möglich, da dort die Lötfuge stets über eine grosse, meist ihre ganze Länge gleichzeitig er hitzt wird.
Das zusätzliche Material wird mit Vorteil stets so gewählt, dass die Zusammensetzung des Materials in der Schweisszone hinsichtlich seines Korrosions verhaltens, seines Gefüges, seiner Festigkeitseigen schaften, seiner Duktilität oder seiner Härte in vor gegebener Weise beeinflusst wird. Dabei ist man in der Auswahl des Materials in keiner Weise be schränkt, da Material verwendet werden kann, des sen Schmelzpunkt bei oder über dem mindestens eines der zu verbindenden Materialien liegt.
Das neue Verfahren findet vorteilhaft Anwen dung zum Verbinden von zwei Werkstücken aus verschiedenen Materialien, die sich infolge der Bil dung von spröden intermetallischen Verbindungen in der Schweisszone nicht duktil miteinander ver- schweissen lassen. In diesem Fall wird ein zusätz liches Material gewählt, das mit beiden miteinander zu verbindenden Materialien duktil verschweissbar ist, und es wird dieses zusätzliche Material in einem Arbeitsgang mit beiden Werkstücken verbunden.
Dabei entsteht eine einwandfreie Verbindung mit beiden angrenzenden Stossflächen ohne dass eine Vermischung der- beiden unverträglichen Werkstoffe in störendem Masse auftritt. So konnte z. B. eine duktile Verbindung Molybdän-Stahl mit Hilfe einer Nickel-Zwischenlage und eine Verbindung hoher Biegefestigkeit zwischen Kupfer und Aluminium durch eine Zinkzwischenlage erzielt werden.
Andererseits lassen sich als Zwischenlage Mate rialien verwenden, die sich nur wenig vom Grund material bzw. den Grundmaterialien unterscheiden, aber sich jedenfalls davon unterscheiden. Dies hat den Zweck, die Zusammensetzung des Materials in der Schweisszone in gewünschtem Sinne zu beein flussen. So lässt sich z. B. eine Verarmung der Schweisszone an einem leichtflüchtigen Legierungs bestandteil durch Überschuss dieses Bestandteiles in der Zwischenlage vermeiden.
Bei hartbaren Stählen oder aushärtbaren Legierungen lässt sich durch Ver wendung eines zusätzlichen Materials von niedrige rem Kohlenstoffgehalt bzw. niedrigerem Gehalt des sich ausscheidenden Bestandteiles eine Aufhärtung der Verbindungszone herabsetzen oder ganz vermei den. Beim Verbinden von Werkstücken aus reinem sprödem Sintermaterial lässt sich beispielsweise ein Zwischenmaterial wählen, das vorzugsweise als Bin der im Sintermaterial enthalten ist. In diesem Fall entsteht an der Verbindungsstelle eine Anreicherung des Sintermaterials an Binder; die eine durchaus erwünschte höhere Duktilität der Verbindungsstelle zur Folge hat.
Das zusätzliche Material, welches in die Stoss- fuge zwischen die miteinander zu verbindenden Werkstücke eingebracht wird, kann vorteilhaft so gewählt werden, dass zwischen den zu verbindenden Werkstücken eine thermisch oder elektrisch isolie rende Verbindung entsteht. Ebenso kann es vorteil haft sein, zum Verbinden von Werkstücken aus thermisch oder elektrisch isolierendem Material ein zusätzliches Material guter Leitfähigkeit zu wählen.
Von besonderem Interesse ist die Anwendung des neuen Verfahrens zur Herstellung von Verbindungen zwischen Metall und Keramik oder Glas; Metall und Ferrit-Material oder auch Metall und Halbleiter material oder kristallinem Nichtmetall.
Durch Ver wendung eines entsprechend ausgewählten zusätz lichen Materials lässt sich eine gute Benetzung- des Nichtmetalles, eine gute Anpassung des Ausdeh nungskoeffizienten an der fast immer gegen mecha nische Spannungen empfindlichen Verbindungsstelle mit dem Nichtmetall, ein Auffangen solcher Span nungen durch ein weiches Zwischenmaterial eine möglichst geringe nachteilige Beeinflussung durch das eindiffundierende geschmolzene Material oder beson ders im Fall von Halbleitermaterial ein polarisations freier elektrischer Übergang erzielen.
Besonders im Fall von Verbindungen zwischen Metall und Kera mik oder Metall und Glas ist die Verwendung eines eventuell niedriger schmelzenden Glases oder glas- artigen Materials als zusätzliches Material möglich und vorteilhaft. Die Zugabe eines nichtmetallischen Materials erfolgt zweckmässig in Pulverform.
Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Ver bindungen ausgedehnter Metall- und Nichtmetallteile beispielsweise bei chemischen Apparaturen oder auch bei Düsentriebwerken herstellen. Insbesondere lassen sich Keramikteile an thermisch oder chemisch hochbeanspruchte Stellen ansetzen. Weiterhin lassen sich metallische oder elektrische Zuführungen oder Wärmeableitungen durch isolierende nichtmetallische Gefässwandungen schaffen. Weiterhin gelingt es, Kontakte und Kühlbleche auf Halbleiterteile aufzu bringen oder elektrische Zuführungen oder Leiter für den Magnetisierungsstrom an Ferrit-Teilen zu befestigen.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 1 bis 7 näher erläutert. Dabei zeigen Fig. 1 eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung; Fig. 2 eine vergrösserte Darstellung eines Teiles der Einrichtung nach Fig. 1 Fig. 3 die miteinander zu verbindenden Materia lien und ein in Streifen eingebrachtes zusätzliches Material ; Fig. 4 zwei miteinander zu verbindende Materia lien und das als Pulverform eingebrachte zusätzliche Material Fig. 5 zwei miteinander zu verbindende Materia lien, bei welchen das zusätzliche Material als Streifen mit I-Profil eingelegt ist;
Fig. 6 zwei miteinander zu verbindende Rohre, teilweise im Schnitt gezeichnet, bei welchen als zu sätzliches Material ein Ring mit T-Profil eingelegt ist Fig. 7 eine mit Hilfe des neuen Verfahrens her gestellte Verbindung zwischen einem elektrisch leiten den Draht und einer diesen umgebenden Metallplatte.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Gerät ist mit I die Kathode, mit 2 der Steuerzylinder und mit 3 die geerdete Anode des Strahlerzeugungssystemes be zeichnet. Im Gerät 4 wird eine Hochspannung von beispielsweise 100 kV erzeugt und mittels eines Hochspannungskabels dem Gerät 5 zugeführt. Dieses Gerät dient zur Erzeugung der regelbaren Heizspan nung und der regelbaren Steuerzylindervorspannung. Diese Spannungen werden über ein Hochspannungs kabel dem Strahlerzeugungssystem 1, 2, 3 zugeführt. Das Gerät 5 kann so ausgelegt sein, dass es eine sich periodisch ändernde Steuerzylindervorspannung lie fert. In diesem Fall wird vom Strahlerzeugungssystem eine Folge von Elektronenstrahlimpulsen erzeugt.
In Strahlrichtung gesehen unterhalb der Anode 3 ist ein Ablenksystem 6 angeordnet, welches zur Ju stierung des Elektronenstrahles 11 dient. Der Ge nerator 7 dient zur Stromversorgung des Ablenk- systemes 6.
Unterhalb des Ablenksystemes 6 ist eine Blende 8 angeordnet, welche mittels der Knöpfe 9 und 10 in der Papierebene und senkrecht zur Papierebene bewegt werden kann. Nach erfolgter Justierung des Elektronenstrahles 11 tritt dieser durch ein geerdetes Rohr 12 und wird mittels der elektromagnetischen Linse 13, deren Stromversorgungsgerät mit 17 be zeichnet ist, auf die im Bearbeitungsraum 28 ange ordneten Werkstücke 15, 16 fokussiert.
Ein unterhalb der Fokussierungslinse 13 ange ordnetes elektromagnetisches Ablenksystem 14, zu dessen Stromversorgung der Generator 19 vorgese hen ist, dient zur Ablenkung des Elektronenstrah les 11 relativ zu den Werkstücken 15, 16.
Zur Beobachtung der Werkstücke 15, 16 dient ein Mikroskop 18, dessen Objektivlinse 20 vom eigentlichen Mikroskopträger getrennt und in der Achse des Elektronenstrahles 11 angeordnet ist. Die Wirkungsweise dieses Beobachtungssystemes, welches zugleich mit einem optischen System zur Auflicht beleuchtung der Werkstücke 15, 16 vereinigt ist, soll hier nicht näher erläutert werden.
Im Bearbeitungsraum 28 sind die Werkstücke 15, 16 mittels einer Haltevorrichtung 21 auf einem sche matisch dargestellten Kreuztisch 22 angeordnet, wel cher mittels des Handrades 27 in einer Richtung und mittels eines hier nicht dargestellten weiteren Hand rades in der dazu senkrechten Richtung bewegt wer den kann.
Wie insbesondere aus Fig. 2 zu erkennen ist, ist zwischen die Werkstücke 15 und 16 ein Streifen 23 aus zusätzlichem Material eingebracht. Die Auftreff- stelle des Elektronenstrahles 11 ist so gewählt, dass von dem Strahl das zusätzliche Material 23 und ein dünner Materialbereich des Werkstückes 16 direkt aufgeschmolzen wird. Es entsteht hier also eine direkte Verschweissung an der Stossfläche 16, 23. Beim Weiterbewegen des Elektronenstrahles 11 in Nahtrichtung fliesst das verflüssigte Material auf die Stossfläche des Werkstückes 15 auf und bildet eine feste Verbindung 15, 23.
Wird der Elektronenstrahl 11 nach links ver schoben, so trifft er nur noch auf den Streifen 23 auf. In diesem Fall wird nur der Streifen direkt erhitzt und geschmolzen und das verflüssigte Material fliesst beim Weiterbewegen des Strahles auf die Stossflächen der Werkstücke 15 und 16 auf und bildet mit diesen eine feste Verbindung. Das zusätzliche Material wird vorteilhaft in Form eines Streifens 24 zwischen die Werkstücke 15 und 16 eingebracht, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Der Streifen steht dabei zu beiden Seiten über die Werkstückoberfläche vor. Auf diese Weise wird eine beiderseits erhabene Verbindungs zone hergestellt.
Fig. 4 zeigt die beiden Werkstücke 15 und 16, zwischen die das zusätzliche Material in Form von Pulver 25 eingebracht ist. Dieses Pulver ist Vorzugs weise vor der Bearbeitung zu einem Streifen gepresst und gesintert worden.
Fig. 5 zeigt die beiden miteinander zu verbinden den Werkstücke 15 und 16, zwischen die in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zusätzliches Mate rial in Form eines Streifens 33 mit I-Profil einge- bracht ist. Durch diesen Streifen wird eine genaue Ausrichtung der Stosskanten der Werkstücke 15 und 16 auch auf eine grössere Länge erreicht und aufrechterhalten. Weiterhin wird gewährleistet; dass eine beiderseits erhabene Verbindungszone entsteht.
Fig. 6 zeigt zwei Rohre 34 und 35, die längs ihres Umfanges miteinander verbunden werden sol len. Zwischen die Rohre ist ein Ring 36 mit T -Profil eingelegt. Dieser Ring besteht aus dem zusätzlichen Material, und er ermöglicht eine Zentrierung der Rohre 35 und 36.
Fig. 7 zeigt die mit Hilfe des neuen Verfahrens hergestellte Verbindung eines Drahtes 38 mit einem umgebenden Metall 37. In die in diesem Fall ring förmige Stossfuge ist ein nichtmettallisches pulver förmiges Material 39 eingebracht, welches mit Hilfe des Elektronenstrahles 11 aufgeschmolzen wird. Zu diesem Zwecke wird entweder das Werkstück 37 um die Achse des Drahtes 38 gedreht oder der Elektro nenstrahl 11 wird mit Hilfe des Ablenksystemes 14 kreisförmig um den Draht 38 bewegt. Dabei wird das zusätzliche Material 39 aufgeschmolzen und fliesst an den Draht 38 und das Metall 37 an. Es ist also eine elektrisch isolierende Verbindung entstanden.
Anstelle des in den Ausführungsbeispielen er wähnten Elektronenstrahles 11 kann auch ein anderer Ladungsträgerstrahl, beispielsweise ein Ionenstrahl Verwendung finden. Es ist möglich, diesen Strahl nicht nur kontinuierlich sondern auch gegebenen falls intermittierend auf die Werkstücke auftreffen zu lassen.
Method for joining workpieces with the help of a charge carrier beam In modern production technology there are numerous joining-related tasks that cannot be satisfactorily solved with conventional methods, namely welding, hard and soft soldering. This is particularly true for the production of solid ductile connections of more or less dissimilar materials and for the solid connection of materials that should not be highly heated because of their special structure or because of their heat treatment condition.
The conventional fusion welding processes are very limited when welding dissimilar materials due to their different thermal properties. These processes also fail with all metal combinations in which brittle intermetallic connections can occur, since these connections make ductile welding impossible. This is because all the different mixing ratios of the metals to be welded to one another always occur in the welding zone, so that brittle intermetallic compounds can form in at least a partial area.
The soldering processes customary up to now require heating of the entire parts to be connected or of large areas thereof, in all cases the solders used must have a lower melting point than the materials to be connected to one another. It is therefore particularly with hard soldering that no solder can be found for a material combination that does not form a brittle connection with one of the two components.
On the other hand, there is the disadvantage that solders which can be used at relatively low temperatures generally have a low strength. - Resistance welding processes (spot, roll seam, resistance butt welding) and flash butt welding are more suitable than flame and arc welding for welding dissimilar materials, because they allow the connection zone to be heated directly. A11 these processes are, however, also dependent on the thermal and additionally on the electrical material properties.
Furthermore, they are limited in terms of the shape and / or size of the surfaces to be welded. The formation of brittle connection zones due to intermetallic compounds also remains.
Soldering with high-frequency induction heating was developed for carrying out plumbing when only a narrow zone is heated. However, its use is tied to the particular geometry and material properties of the workpieces and, as a result, its possible uses are very limited. As with conventional soldering processes, there is also the condition that the solder must have a lower melting point than the materials to be connected: It is known to weld two workpieces together with the aid of a charge carrier beam.
When the so-called deep welding effect is used, the charge carrier beam penetrates deeply into the material at the point of impact, forming a narrow, highly heated zone and transfers its energy directly to the material along the entire penetration depth. The material is melted and when the charge carrier beam is moved on or off, it forms a perfect weld. It is also known to use this method for welding thermally different materials.
The unequal thermal properties of the materials are balanced out by the unequal distribution of the radiated power between the two materials. This uneven distribution of the radiated power is achieved by displacing the charge carrier beam to the side of the butt joint. However, both abutting surfaces are always melted, so that a real weld is created.
Deep welding by means of a charge carrier beam cannot be used to solve the tasks outlined above without special precautions. In particular, when dissimilar materials, especially metals, are welded, the formation of intermetallic connections often occurs despite the narrow width of a deep weld, the brittleness of which reduces the usefulness of the weld.
All of the difficulties outlined in the production of solid ductile connections of more or less dissimilar materials and in the production of solid connections of materials that must not be highly heated because of their special structure or heat treatment state, are overcome by the method according to the present invention. This method takes place e.g. B. Application for connecting work pieces via connecting surfaces which are accessible from at least one located in the connecting surface Rich device, d. H. for example for the production of butt welds.
In the new method, too, a charge carrier beam is used to establish the connection, but certain precautions are taken in order to achieve a perfect connection free of all disadvantages.
The present invention thus relates to a method for connecting workpieces with the aid of a charge carrier beam impinging in a direction lying in the connecting surface of the workpieces. According to the invention, an additional material is introduced between the joint surfaces of the workpieces to be connected, which material differs from the workpieces to be connected, and this additional material is melted by means of the charge carrier beam.
The point of impact and / or the shape of the charge carrier beam is expediently selected so that only the additional material is melted directly by the beam. This is z. B. achieved in that the charge carrier beam is focused on the additional material. If the two workpieces are stored in the usual way in a room under vacuum, the heat transfer between the additional material and the two workpieces is very low, and the additional material is therefore melted without causing inadmissibly thick material layers of the two workpieces thermally very high demands.
The melted material then flows onto the joint surfaces of the workpieces and forms a perfect connection. With the new method, it is very advantageous to select the intensity of the charge carrier beam, in a manner known per se, so high that the beam penetrates deep into the material at the point of impact, forming a narrow, highly heated zone, and its energy directly along the penetration depth to the material. The point of impact and / or the shape of the charge carrier beam can also be selected here so that only the additional material is melted directly by the beam.
In this case the liquefied additional material flows on both surfaces, i.e. no direct welding is made.
It is also possible to choose the point of impact and / or the shape of the charge carrier beam in such a way that only the additional material and a thin material layer adjoining one of the abutting surfaces are melted directly by the beam. In this case, a direct welding of the workpiece material with the additional material is achieved on one side of the welding zone, while on the other hand the liquefied additional material flows onto the joint surface of the other work piece that is not directly heated by the beam.
In many cases it can also be advantageous to choose the point of impact and / or the shape of the charge carrier beam in such a way that the additional material and an adjacent thin layer of each of the adjacent workpieces are melted directly. In this case, a direct welding of the work piece material with the additional material is achieved on each side of the welding zone, the thicknesses of the melted and thermally highly stressed material layers can be kept very small.
The new process has the advantage that the material of the workpieces is only melted in a very narrow zone. This limitation of the heating to a very small area that progresses along the butt joint. sets the extent of the undesirable thermal effects that occur, e.g. For example, tension, warpage along the seam and the adjoining areas are far lower than with conventional hard soldering and resistance butt welding, in which the entire length of the butt joint has to be heated at the same time.
Compared to high-frequency brazing, which is also known, there is the advantage that the melting zone can be kept much narrower than with this known method and that the heating takes place continuously in the direction of the seam. The seam can therefore be of any length with the new method.
The additional material is advantageously introduced in the form of a strip or a film between the joints between the workpieces to be connected. The choice of materials is not restricted in any way, since additional material can be introduced between the workpieces, the melting point of which is above that of one or both of the components to be connected. Additional materials that poorly wet one of the materials can also be used in many cases, since the turbulence in the melt zone promotes confluence.
The additional material can also be introduced into the butt joint as a powder. Powder can be continuously poured or pressed into the butt joint during the machining process. It is also possible to press or sinter the powder into strips and to insert these strips between the workpieces to be joined during the machining process. It is also possible to feed the additional material as a wire at a controlled speed. Likewise, the material can be released from a slurry or other chemical compound by heating.
To prevent the connection zone from sinking in, it is advantageous to let the additional material at the connection point protrude over the outer surfaces of the workpieces, especially over the surface facing the beam. In this way, a connection zone raised on both sides can be achieved.
If the additional material is introduced in the form of a strip, which has the shape of a T-profile, the insertion of the strip is made easier and it is prevented from falling out. In the case of cylindrical parts, e.g. b. in the case of pipes that are to be butt-welded along their circumference, it is advisable to center the pipes to one another by means of a ring with a T-profile. If the additional material is used as a strip with an I-profile, it is advantageous to achieve and maintain an exact alignment of the abutting edges even over longer lengths.
Such a measure is obviously not possible in conventional soldering technology, since there the solder joint is always heated over a large, usually its entire length at the same time.
The additional material is always chosen with advantage that the composition of the material in the welding zone with regard to its corrosion behavior, its structure, its strength properties, its ductility or its hardness is influenced in a given manner. The choice of material is in no way restricted, since material can be used whose melting point is at or above at least one of the materials to be joined.
The new process is advantageously used for joining two workpieces made of different materials which, due to the formation of brittle intermetallic connections in the welding zone, cannot be ductile welded to one another. In this case, an additional material is selected that is ductile weldable to both materials to be joined, and this additional material is joined to both workpieces in one operation.
This creates a perfect connection with both adjoining abutting surfaces without the two incompatible materials being mixed in a disruptive manner. So could z. B. a ductile connection of molybdenum steel with the help of a nickel intermediate layer and a connection of high flexural strength between copper and aluminum can be achieved by a zinc intermediate layer.
On the other hand, materials can be used as the intermediate layer that differ only slightly from the basic material or the basic materials, but differ from them in any case. The purpose of this is to influence the composition of the material in the welding zone in the desired manner. So z. B. avoid a depletion of the welding zone in a volatile alloy component by excess of this component in the intermediate layer.
With hardenable steels or hardenable alloys, hardening of the connection zone can be reduced or completely avoided by using an additional material with a lower carbon content or a lower content of the precipitating component. When joining workpieces made of pure, brittle sintered material, an intermediate material can be selected, for example, which is preferably contained in the sintered material as a binder. In this case an enrichment of the sintered material in binder occurs at the connection point; which results in a very desirable higher ductility of the connection point.
The additional material which is introduced into the butt joint between the workpieces to be connected to one another can advantageously be selected so that a thermally or electrically insulating connection is created between the workpieces to be connected. It can also be advantageous to choose an additional material with good conductivity for connecting workpieces made of thermally or electrically insulating material.
Of particular interest is the use of the new process for the production of connections between metal and ceramic or glass; Metal and ferrite material or metal and semiconductor material or crystalline non-metal.
By using an appropriately selected additional material, good wetting of the non-metal, good adaptation of the expansion coefficient at the connection point with the non-metal, which is almost always sensitive to mechanical stresses, and absorption of such stresses with a soft intermediate material as low as possible disadvantageous influence by the diffusing molten material or especially in the case of semiconductor material achieve a polarization-free electrical transition.
Particularly in the case of connections between metal and ceramic or metal and glass, the use of a possibly lower-melting glass or glass-like material as an additional material is possible and advantageous. A non-metallic material is expediently added in powder form.
In this way, for example, connections of extensive metal and non-metal parts can be produced, for example, in chemical equipment or in jet engines. In particular, ceramic parts can be attached to locations that are subject to high thermal or chemical loads. Furthermore, metallic or electrical feeds or heat dissipations can be created through insulating, non-metallic vessel walls. Furthermore, it is possible to bring contacts and cooling plates to semiconductor parts or to attach electrical leads or conductors for the magnetizing current to ferrite parts.
The invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 7 which show the exemplary embodiments. 1 shows a device for carrying out the method according to the invention; FIG. 2 shows an enlarged illustration of part of the device according to FIG. 1; FIG. 3 the materia lien to be connected to one another and an additional material introduced in strips; 4 shows two materials to be connected to one another and the additional material introduced in powder form; FIG. 5 shows two materials to be connected to one another, in which the additional material is inserted as a strip with an I-profile;
Fig. 6 shows two pipes to be connected to each other, partially drawn in section, in which a ring with a T-profile is inserted as additional material. Fig. 7 shows a connection made with the aid of the new method between an electrically conducting the wire and a surrounding one Metal plate.
In the device shown in Fig. 1 with I the cathode, with 2 of the control cylinder and with 3 the grounded anode of the beam generating system be characterized. A high voltage of 100 kV, for example, is generated in the device 4 and fed to the device 5 by means of a high-voltage cable. This device is used to generate the controllable heating voltage and the controllable control cylinder preload. These voltages are fed to the beam generation system 1, 2, 3 via a high-voltage cable. The device 5 can be designed so that it delivers a periodically changing control cylinder preload. In this case a sequence of electron beam pulses is generated by the beam generation system.
Seen in the direction of the beam below the anode 3, a deflection system 6 is arranged, which serves to control the electron beam 11 Ju. The generator 7 is used to supply power to the deflection system 6.
Below the deflection system 6 a screen 8 is arranged which can be moved by means of the buttons 9 and 10 in the plane of the paper and perpendicular to the plane of the paper. After adjustment of the electron beam 11, it passes through a grounded tube 12 and is focused on the workpieces 15, 16 arranged in the processing room 28 by means of the electromagnetic lens 13, the power supply device of which is marked 17.
An electromagnetic deflection system 14 arranged below the focusing lens 13, for whose power supply the generator 19 is provided, is used to deflect the electron beam 11 relative to the workpieces 15, 16.
A microscope 18 is used to observe the workpieces 15, 16, the objective lens 20 of which is separated from the actual microscope carrier and is arranged in the axis of the electron beam 11. The operation of this observation system, which is also combined with an optical system for incident light illumination of the workpieces 15, 16, will not be explained in more detail here.
In the processing space 28, the workpieces 15, 16 are arranged by means of a holding device 21 on a cally shown cross table 22, wel cher by means of the handwheel 27 in one direction and by means of a further handwheel, not shown here, moved in the direction perpendicular thereto who can.
As can be seen in particular from FIG. 2, a strip 23 of additional material is introduced between the workpieces 15 and 16. The point of impact of the electron beam 11 is selected such that the additional material 23 and a thin material region of the workpiece 16 are melted directly by the beam. This creates a direct weld at the abutment surface 16, 23. When the electron beam 11 moves further in the direction of the seam, the liquefied material flows onto the abutment surface of the workpiece 15 and forms a fixed connection 15, 23.
If the electron beam 11 is shifted to the left, it only strikes the strip 23. In this case, only the strip is heated and melted directly and the liquefied material flows onto the abutting surfaces of the workpieces 15 and 16 as the jet moves further and forms a firm connection with them. The additional material is advantageously introduced in the form of a strip 24 between the workpieces 15 and 16, as shown in FIG. 3. The strip protrudes over the workpiece surface on both sides. In this way, a connection zone raised on both sides is created.
4 shows the two workpieces 15 and 16, between which the additional material in the form of powder 25 is introduced. This powder is preferably pressed into a strip and sintered before processing.
5 shows the two workpieces 15 and 16 to be connected to one another, between which additional material in the form of a strip 33 with an I-profile is introduced in the exemplary embodiment shown here. By means of this strip, an exact alignment of the abutting edges of the workpieces 15 and 16 is achieved and maintained over a greater length. Furthermore it is guaranteed; that a connecting zone that is raised on both sides is created.
Fig. 6 shows two tubes 34 and 35 which are connected to one another along their circumference should len. A ring 36 with a T profile is inserted between the tubes. This ring is made of the additional material and it enables the tubes 35 and 36 to be centered.
7 shows the connection of a wire 38 with a surrounding metal 37 produced with the aid of the new method. A non-metallic powdery material 39, which is melted with the aid of the electron beam 11, is introduced into the butt joint, which is ring-shaped in this case. For this purpose, either the workpiece 37 is rotated about the axis of the wire 38 or the electric nenstrahl 11 is moved circularly around the wire 38 with the help of the deflection system 14. The additional material 39 is melted and flows onto the wire 38 and the metal 37. An electrically insulating connection has thus been created.
Instead of the electron beam 11 mentioned in the exemplary embodiments, another charge carrier beam, for example an ion beam, can also be used. It is possible to let this beam impinge on the workpieces not only continuously but also, if necessary, intermittently.