Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Elektronenstrahlschweissen von metallischen Teilen, bei dem ein waagerecht liegendes Elektronenstrahlbündel und aneinander stossende und zu verschweissende Teile relativ verschoben werden, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Bekanntlich ist beim Schweissen mittels Elektronenstrahlbündel die zum Durchschmelzen erforderliche Energie dieses Bündels proportional der Schweissteildicke. Dieses hat zur Folge, dass die Beschleunigungsspannung beim Vergrössern der Schweissteildicke erhöht werden muss. So muss, wenn zum Schweissen von 50 mm dicken Stahlblechen eine Beschleunigungsspannung von 50. . . 60 kV erforderlich ist, die Beschleunigungsspannung zum Schweissen von 100 mm dicken Blechen ungefähr auf 150 kV erhöht werden.
Die Verwendung von Elektronenstrahlbündeln mit hohen (über 100 kV liegenden) Beschleunigungsspannungen ist mit einer Reihe von Nachteilen verbunden. Einer dieser Nachteile besteht in den erhöhten Anforderungen in bezug auf die Montagegenauigkeit der vor dem Schweissen zusammenzusetzenden Teile und in bezug auf die Bearbeitungsgüte ihrer Kanten, da der Elektronenstrahlbündeldurchmesser sehr klein ist und die Stossfugen daher nicht grösser als 0,1 mm sein sollen. Ein anderer Nachteil besteht in den erhöhten Anforderungen in bezug auf die Genauigkeit, mit der das Bündel und der Stoss zusammengelegt werden, und in bezug auf die Folgesysteme. Ausserdem erweist sich die Güte der Schweissverbindungen infolge von ungeschmolzenen Stellen und Poren als äusserst niedrig.
Ungeschmolzene Stellen können entstehen, wenn das Bündel von dem Stoss abweicht, und Poren bilden sich, da das Aufsteigen der Gasblasen an die Badoberfläche längs dem schmalen und langen Durchschmelzkanal schwierig ist. Letztlich ist die Betriebssicherheit der Hochspannungs Elektronenkanone wegen der häufigen Hochspannungsdurchschläge geringer als der Niederspannungskanone.
Infolge dieser Nachteile beträgt die maximale Stahlblechdicke, welche üblicherweise geschweisst werden kann, höchstens 100 mm. Das Elektronenstrahlschweissen wird in der Regel zum Verbinden von Teilen in waagerechter Schweisslage verwendet, wobei das Elektronenstrahlbündel während der gegenseitigen relativen Verschiebung von Bündel und Schweissstück senkrecht steht.
Es sind Versuche bekannt, beim Elektronenstrahlschweissen von Senkrecht- oder Ringnähten ein waagerecht liegendes Elektronenstrahlbündel zu verwenden.
Dies gelang gegenwärtig jedoch nur beim Schweissen von Schweissstücken mit geringer Dicke oder von Teilen aus leichtschmelzbaren Metallen. Diese Begrenzungen werden dadurch hervorgerufen, dass aus dem Schweissbad, welches in der Senkrechtebene liegt, das geschmolzene Metall leicht herausfliesst.
Ausserdem ist bei allen verwendeten Elektronenstrahlschweissverfahren die Durchschmelzfähigkeit des Elektronenstrahls dadurch begrenzt, dass während des Schweissens das Elektronenstrahlbündel im Durchschmelzkanal durch flüssiges Metall sowie die entwickelten Dämpfe und Gase abgeschirmt wird. Daher muss die Beschleunigungsspannung erhöht werden, um einen stabilen und seine Lage nicht ändernden Durchschmelzkanal in der gesamten Schweissteildicke zu erzeugen, wodurch wiederum der Bündeldurchmesser vermindert und die Energiedichte im Bündel erhöht wird. Ausserdem wird bei allen verwendeten Elektronenstrahlschweissverfahren eine willkürliche unkontrollierbare Nahtform erhalten.
Es ist schwer, die dolchartige Naht mit einem Verhältnis von der Höhe zu Breite gleich 40:1 und mehr, die beim Elektronenstrahlschweissen mit hoher Beschleunigungsspannung erhalten wird, infolge der geringen Nahtabmessungen, insbesondere an der Nahtwurzel, mit dem Stoss zusammenzulegen, wodurch die Nahtgüte gesenkt werden kann.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, ein Verfahren zum Schweissen von dicken Teilen durch eine hochwertige Senkrecht- oder Ringnaht bei waagerecht liegendem Elektronenstrahlbündel und niedrigerer Beschleunigungsspannung zu entwickeln. Die Erfindung sieht auch eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens vor.
Es stellt sich somit die Aufgabe, ein Verfahren zum Elektronenstrahlschweissen, bei dem ein waagerecht liegendes Elektronenstrahlbündel und aneinander stossende und zu verschweissende Teile relativ verschoben werden, zu schaffen, bei dem das Abschirmen des Elektronenstrahlbündels durch flüssiges Metall oder Dämpfe im Schmelzkanal ausgeschlossen ist.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs erwähnten Verfahren erfindungsgemäss mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Die Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens bestehen darin, dass infolge des Abstands zwischen dem Niveau des geschmolzenen Metalls und dem Elektronenstrahlbündel das geschmolzene Metall unter dem Einfluss der Schwerkraft in den unteren Kanalteil herabfliessen kann und dass die Zone, in der das Elektronenstrahlbündel mit dem festen Körper in Wechselwirkung steht, frei von flüssigem Metall ist. Hierdurch kann das Abschirmen des Elektronenstrahlbündels durch flüssiges Metall beseitigt sowie 150 . . . 300 mm tiefes und tieferes Durchschmelzen ermöglicht werden. Aus dem in senkrechter Richtung ausgedehnten Kanal können Dämpfe und Gase besser entweichen. Das in Form von Tropfen in die Kristallisationszone gelangende, geschmolzene Metall kann sich vollkommen von Gasen befreien, so dass das erfindungsgemässe Verfahren wenig empfindlich in Bezug auf den Gasgehalt im Metall ist.
Zwangsweises Formen ermöglicht, eine erforderliche Nahtform und -überwölbung.
Es ist zweckmässig, wenn an der Stelle, an der mit dem Schweissvorgang begonnen wird, eine zur herzustellenden Schweissnaht senkrecht stehende Ausnehmung vorgesehen wird, deren Breite gleich dem 2 bis 2,5-fachen des Elektronenstrahlbündeldurchmessers ist, und wenn die Länge der Ausnehmung gleich dem 0,7 bis 0,8-fachen der Schweissteildicke ist.
Es ist von Vorteil, wenn bei einer Energiedichte im Bündel von ca. 105 W/cm2 und bei einer Beschleunigungsspannung von 30 bis 60 kV der Elektronenstrahlbündeldurchmesser das 0,02 bis 0,04-fache der Schweissteildicke beträgt. Bei diesen Schweissbedingungen erzeugt das Elektronenstrahlbündel einen Durchschmelzkanal mit einem Verhältnis von der Tiefe zur Breite gleich 10:1. Dementsprechend ist auch der Nahtformkoeffizient gleich 10:1. Dies bedeutet, dass die Nahtbreite an der Nahtwurzel ausreichend gross ist. Solche Nähte können leicht mit dem Stoss zusammengelegt werden und sind wenig empfindlich gegen bis 0,8 mm breite Spalte. Beispielsweise ist die Nahtbreite an der Nahtwurzel bei einem 120 mm dicken Stahlblech gleich 4 . . . 5 mm.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemässgemäss den Merkmalen des Patentanspruches II gekennzeichnet.
Es ist zweckmässig, wenn die Rinne des Formgebers, der auf der Seite der Elektronenkanone angeordnet ist, eine Tiefe, die gleich dem 0,05-fachen der Schweissteildicke, und eine Breite, die grösser als der Bündeldurchmesser ist, hat.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht der Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemässen Verfahrens, wobei die Formgeber und Schweissteile im Schnitt gezeigt sind,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die zum Schweissen zusammengesetzten Teile in der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung,
Fig. 3 eine Ansicht der formgebenden Einrichtung,
Fig. 4a und b eine Draufsicht und eine Seitenansicht von zum Schweissen mittels geradlinigen Nähten zusammengesetztem Teilen und
Fig. 5a und b eine Vorderansicht und eine Seitenansicht von zum Schweissen mittels Rundnähten zusammengesetzten Teilen.
Die Vorrichtung kann zum Schweissen von Metall-, insbesondere Stahlteilen, sowie von Teilen aus andern Werkstoffen verwendet werden.
In der nachstehenden Beschreibung wird unter einer niedrigen Beschleunigungsspannung eine Spannung von weniger als 60 kV und unter einer hohen Beschleunigungsspannung eine Spannung von mehr als 100 kV verstanden, während unter sehr dicken Teilen ungefähr 100 mm dicke und dickere Teile verstanden werden.
In der Vakuumkammer 1 (Fig. 1) befindet sich eine Haltevorrichtung 2 zum Befestigen der Schweissteile, eine Einrichtung 3 zum Verschieben der Teile in senkrechter Richtung, wie dies durch Pfeil A angegeben ist, und ein erster bzw. zweiter Formgeber 4 und 5 zum zwangsweisen Nahtformen, die weiterhin kurz als Formgeber bezeichnet werden. An der Aussenseite der Kammer ist die waagerecht liegende Elektronenkanone 6 befestigt. Die das Vakuum erzeugenden Anlagen für die Kammer und die Kanone sind getrennt ausgeführt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die Schweissstücke 7 und 8 so befestigt, dass sich die Formgeber 4 und 5 auf beiden Seiten des Stosses befinden.
Der Formgeber 4 zum zwangsweisen Formen des Nahtteils, der sich auf der Elektronenkanonenseite befindet, ist getrennt in Fig. 3 abgebildet und besteht aus einer Metallplatte mit grosser Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus einer Kupferplatte, die einen Kanal 9 für die Kühlflüssigkeitszirkulation enthält. In diesem Formgeber ist eine offene Durchgangs öffnung 10 ausgeführt, durch die der Strahl geleitet wird.
Ausserdem besitzt der Formgeber eine Rinne 11, die seine ganze Höhe einnimmt und zum Formen der Nahtoberseite dient. Die Rinnenbreite wird etwas grösser als der Bündeldurchmesser und die Rinnentiefe b = 0,05 Teildicke gewählt.
Hierbei soll sich der ganze Metallüberschuss, der immer beim Elektronenstrahlschweissen in Form der Nahtüberwölbung entsteht, genau in diese Rinne einlegen. Es wird, um bessere Resultate beim Schweissen von 120 mm dicken Stahlblechen zu erzielen, beispielsweise die Rinnenbreite gleich dem Bündeldurchmesser plus 4 mm sowie die Rinnentiefe gleich 5 . . . 6 mm genommen. Der auf der andern Seite des Stosses angeordnete Formgeber 5 ist analog dem obenbeschriebenen ausgeführt. Er unterscheidet sich nur dadurch, dass er keine Durchgangsöffnung hat sowie dass die Rinnenbreite bei den erwähnten Dicken gleich 5 . . . 6 mm und die Rinnentiefe gleich 2 . . . 3 mm ist.
Das Elektronenstrahlschweissen nach dem erfindungsgemässen Verfahren erfolgt beispielsweise folgendermassen.
Die Schweissteile 7 und 8 (Fig. 4a) werden zunächst spaltlos zusammengesetzt und starr miteinander verbunden. An der unteren Stirnfläche der Schweissteile wird starr eine Lasche 12 befestigt, auf der mit dem Schweissen begonnen wird. In dieser Lasche 12 befindet sich an der Stelle, an der mit dem Schweissen begonnen wird, eine zur Stossfläche senkrecht stehende Öffnung, beispielsweise eine Bohrung, deren Tiefe gleich der 0,7 . . . 0,8-fachen Teildicke ist. Der Durchmesser der Öffnung soll gleich 2 . . . 2,5 Bündeldurchmesser sein. Beim Schweissen von Rundnähten wird die entsprechende Eintrittsöffnung 13 mit den angegebenen Abmessungen direkt in den Schweissteilen ausgeführt, wie dies aus Fig. 5a und b ersichtlich ist.
Beim Schweissen einer geradlinigen Naht (Fig. 1) werden die Formgeber 4 und 5 fest an die Teile 7 und 8 angepresst, wobei der Formgeber 4 so angeordnet wird, dass die Öffnung 10 mit der Achse des Elektronenstrahlbündels 14 zusammenfällt. Die zum Schweissen zusammengesetzten Teile 7 und 8 werden durch die Verschiebevorrichtung 3 in eine Stellung gebracht, bei der die Eintrittsöffnung in der Lasche 12 genau mit der Öffnung 10 im vorderen Formgeber 4 zusammenfällt. Die Rinne im Formgeber 4 wird unterhalb der Öffnung 10 durch einen Pfropfen aus Asbest oder einem anderen, hitzebeständigen Werkstoff abgedichtet.
Die Elektronenkanone mit dem optischen System Pirs besitzt beispielsweise eine Leistung von 50 kW bei einer Beschleunigungsspannung von bis 60 kV und erzeugt (für Dicken von 100 . . . 120 mm) ein Elektronenbündel mit 4 mm Durchmesser. Hierbei kann eine Energiedichte im Bündel von ungefähr 5.105 W/cm2 gewährleistet werden. Der Durchmesser der Wolframkathode kann bei jeder Kanone 6... 8 mm betragen. Bei kleiner Stromstärke wird das Bündel optimal auf die Schweissteile fokussiert. Danach wird mit Hilfe eines
Ablenksystems das Elektronenbündel genau mit der Öffnung in den Schweissteilen zusammengelegt.
Das Schweissen beginnt mit dem Herabschieben der Schweissteile und dem Erhöhen des Bündelstroms bis auf den Normalwert. Die ungefähren
Schweissbedingungen für niedriggekohlten, 120 mm dicken
Stahl sind folgende: U = 40 kV, I = 1 A bei 10 m/h Schweiss geschwindigkeit.
Beim Schmelzen der Schweissteilkanten durch ein starkes
Bündel während des Verschiebens dieser Teile fliesst flüssiges
Metall in Form von Tropfen an den Wänden des Kanals 15 in den unteren Kanalteil ab, wo es erstarrt. Das flüssige Metall wird am Herausfliessen durch die Formgeber 4 und 5 gehindert.
Bei richtig gewählten Abmessungen der Rinne im Formgeber 4 wird während der ganzen Schweissdauer unter dem Bündel ein ovaler Kanal bestehen, der sich in senkrechter Richtung ausdehnt, wobei der Abstand zwischen der Bündelachse und dem Niveau des flüssigen Metalls unveränderlich und gleich
2 . . . 2,5 Elektronenbündeldurchmesser sein wird.
Dämpfe und Gase aus dem geschmolzenen Metall können während des Schweissens ungehinderter (als bei den bekannten Verfahren) austreten und sich über den in senkrechter Richtung ausgedehnten Kanal 15 entfernen, wodurch bedeutend die Nahtgüte erhöht wird.
Beim Schweissen mit Zusatzdraht, der beispielsweise zum Legieren des Nahtmetalls in den Kanal 15 eingeführt wird, entsteht ein Metallüberschuss, der sich unbedingt in die Rinne
11 (Fig. 3) einlegen soll. In diesem Falle wird die Rinnentiefe grösser als die 0,05-fache Teildicke gewählt.
Die Naht wird nach dem Badverfahren mit zwangsweisen Formen der Nahtoberflächen durch die gekühlten Formgeber 4 und 5 gebildet. Die im Formgeber 4 vorhandene, offene Öffnung ermöglicht es, das Niveau des Bads und das Verhalten des Metalls in ihm zu überwachen. Beim Schweissen von geradlinigen Nähten wird das Schweissen auf der (nicht abgebildeten) Lasche zum Kraterherausführen durch Ausschalten des Stroms beendet. Beim Schweissen von Ringnähten wird die Stelle des Schweissbeginns überdeckt und dann der Schweissstrom allmählich bis auf Null vermindert, um den Krater zu verschweissen.
Die Verwendung des beschriebenen Verfahrens ermöglicht es, 150 mm dicke und dickere Metallbleche durchzuschmelzen, wobei von einer Niederspannungs- Elektronenstrahlapparatur Gebrauch gemacht wird, um bessere Schweissnähte zu erhalten und die Naht mit einer beliebigen geometrischen Überwölbung zu versehen, welche durch die Form der Rinnen der Formgeber bestimmt wird.