DE102004023684A1

DE102004023684A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Non-Vakuum-Elektronenstrahlschweißen von metallischen Werkstoffen

Info

Publication number: DE102004023684A1
Application number: DE102004023684A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. Hildebrandt; Achim Wankum
Original assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Current assignee: HILDEBRANDT, BERND, DR., 47918 TOENISVORST, DE
Priority date: 2003-08-04
Filing date: 2004-05-13
Publication date: 2005-03-17
Also published as: DE102004023685B4; DE102004023685A1

Abstract

Das erfindungsgemäße Non-Vakuum-Elektronenstrahlschweißen von metallischen Werkstoffen mit einer Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone unter Einsatz von Prozessgas, bei dem mindestens ein Schutzgas (11) zusätzlich zum Prozessgas, das mittels einer an der Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone (1) angeordneten Schutzgaszuführung in Form einer Düsenkonfiguration (2) in unterschiedlicher Art und Weise und Zusammensetzung eingesetzt wird, ermöglicht eine optimale Prozessführung und damit eine kostengünstige und qualitätsgerechte Werkstoffbearbeitung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Non-Vakuum-Elektronenstrahlschweißen von metallischen Werkstoffen mit einer Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone und unter Einsatz von Prozessgas.

Beim bekannten Non-Vakuum-Elektronenstrahlschweißen von metallischen Werkstoffen wird konventionell Helium als Prozessgas eingesetzt, wobei die Gaszuführung strahlkonzentrisch erfolgt.

Das hauptsächlich zur Reduzierung der Strahlaufweitung beim Eintritt in die Atmosphäre eingesetzte Prozessgas hat aber nur eine ungenügende Schutzwirkung gegenüber auf den Schmelzbereich einwirkenden atmosphärischen Störeinflüssen, da das Prozessgas fast vollständig zur Aufrechterhaltung des Vakuums in der Elektronenstrahl-Kanone genutzt wird. Eine Beeinflussung des Schmelzbades ist mit diesem bekannten Schweißverfahren nicht möglich.

Zudem treten durch den Einsatz von nur begrenzt zur Verfügung stehendem und somit relativ teurem Helium beim bekannten Non-Vakuum-Elektronenstrahlschweißen fertigungstechnische Nachteile in Form von starker Kerbbildung am Schweißnahtrand und wellenförmigen Unregelmäßigkeiten entlang der Schweißnaht auf.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Non-Vakuum-Elektronenstrahlschweißen von metallischen Werkstoffen zur Verfügung zu stellen, mit welchem eine kostengünstige und zudem qualitätsgerechte Werkstoffbearbeitung möglicht ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 11 gelöst.

Durch das beim erfindungsgemäßen Non-Vakuum-Elektronenstrahlschweißen zusätzlich zum Prozessgas eingesetzte, dem Schweißbereich während des Schweißens in unterschiedlicher Art und Weise und in verschiedenen Zusammensetzung zugeführte Schutzgas, werden atmosphärische Störeinflüsse im Schweißbereich des Schweißguts während des Schweißens, insbesondere der Luftzutritt in den Schweißbereich des zu schweißenden Werkstoffs verhindert bzw. derart verringert, dass eine die Schweißqualität herabsetzende Oxidation der Schweißnahtoberfläche ausgeschlossen wird.

Durch die erfindungsgemäße Schutzgaszuführung beim Non-Vakuum-Elektronenstrahlschweißen von metallischen Werkstoffen wird das äußere Schweißnahtbild, die Nahtgeometrie sowie die qualitativen Eigenschaften, wie z.B. der Porenanteil der Schweißnaht und damit die Schweißqualität, positiv beeinflusst.

Das als Sekundärgas eingesetzte Schutzgas wird vorteilhaft zeitgleich mit dem Prozessgas eingesetzt, kann aber auch in von der Prozessgaszuführung unabhängiger Zeitfolge während des Schweißprozesses eingesetzt werden, z.B. auch als ein dem Prozessgas zeitlich vor- und nachströmendes Schutzgas.

Vorteilhaft kann die Einsatzmenge und die jeweilige Zusammensetzung des Schutzgases entsprechend den jeweiligen Verfahrensbedingungen gewählt werden.

Als Schutzgas beim erfindungsgemäßen Non-Vakuum-Elektronenstrahlschweißens kann jedes kostengünstige und problemlos einsetzbare Gas, wie z.B. Argon oder Helium oder deren Gemische mit/ohne Beimischungen von Stickstoff und/oder Sauerstoff, Verwendung finden.

Vorteilhaft wird das Schutzgas mittels einer im Bereich des aus der Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone in Richtung des zu schweißenden Materials austretenden Elektronenstrahls als Schutzgaszuführung angeordneten Düsenkonfiguration dem Schweißbereich des Schweißguts während des Schweißprozesses mit unterschiedlicher Zeitfolge; Menge, Zusammensetzung und Kontinuität unter variablen Temperatur- und Druckverhältnissen zugeführt.

Die vorteilhaft auch eine kontinuierliche oder gepulste Schutzgaszuführung ermöglichende Düsenkonfiguration ist im Bereich der Austrittsöffnung des Elektronenstrahls an die Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone und somit in deren Arbeitsrichtung beweglich angeordnet.

Dem aus der Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone durch mindestens eine Öffnung in die Düsenkonfiguration eingeleiteten Elektronenstrahl wird wenigsten ein, durch eine mit einer Versorgung verbundene Zuleitung in die Düsenkonfiguration eingeströmtes Schutzgas zugeführt und wir – zusammen mit dem Elektronenstrahl – durch mindestens eine Öffnung der Düsenkonfiguration auf das zu schweißende Werkstück geleitet, wodurch ein von atmosphärischen Störeinflüssen freier Schweißbereich gewährleistet wird.

Durch Versuche wurde ermittelt, dass mit Düsenkonfigurationen, deren Elektronenstrahl-Austrittsöffnung/en einen Durchmesser von 1 bis 50 mm aufweisen, besonders gute Schweißergebnisse erzielt werden.

Die zur Schutzgaszuführung beim erfindungsgemäßen Non-Vakuum-Elektronenstrahlschweißen eingesetzte Düsenkonfiguration ist in ihren Abmessungen an die jeweiligen schweißtechnischen Gegebenheiten und den Abmessungen der Elektronenstrahl-Kanone problemlos anpassbar.

Mittels der eine strahlkonzentrische Schutzgaszufuhr zum Elektronenstrahl ermöglichenden Düsenkonfiguration können die Volumenströme des Schutzgases hinsichtlich Menge, Zeit und Kontinuität den unterschiedlichen Schweißbedingungen problemlos angepasst werden.

So ist beispielsweise auch eine kontinuierliche oder gepulste Schutzgaszuführung möglich.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
1 zeigt eine Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone 1 mit einer als Schutzgaszuführung angeordneten Düsenkonfiguration 2.
Die in Arbeitsrichtung 3 bewegliche Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone 1 weist zwei, zur Abdichtung gegenüber der Atmosphäre ausgebildete Unterdruckstufen 4, 5 und eine Austrittsöffnung 6 für einen Elektronenstrahl 7 auf.
Die im Bereich der Öffnung 6 der Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone 1 angeordnete Düsenkonfiguration 2 weist eine Eintritts- und Austrittsöffnung 8, 9 für den Elektronenstrahl 7 sowie eine Zuleitung 10 für ein Schutzgas 11 auf.
Dem durch die Öffnung 6 aus der Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone 1 durch die Öffnung 8 in die Düsenkonfiguration 12 eingeleiteten Elektronenstrahl 7 wird ein durch die Zuleitung 10 in die Düsenkonfiguration 2 eingeströmtes Schutzgas 11 zugeführt und der von dem Schutzgas 11 umströmte bzw. umhüllte Elektronenstrahl 7 durch die Öffnung 9 der Düsenkonfiguration 2 auf die Oberfläche eines – nicht dargestellten – zu schweißenden Werkstücks geleitet.
Durch Schweißversuche wurde ermittelt, dass Düsenkonfigurationen 2, die ein oder mehrere Auströmöffnung/en 9 mit einen Durchmesser von 1 bis 50 mm aufweisen, zur variablen Einstellung des Schutzgases 11 hinsichtlich Menge, Zeit und Kontinuität sowie besonders vorteilhaft, auch zur kontinuierlichen oder gepulsten Schutzgaszuführung, einsetzbar sind.
Die an die Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone 1 angeordnete und somit auch in deren Arbeitsrichtung 3 bewegliche Düsenkonfiguration 2 besteht aus einem kostengünstigen und gasresistentem Material und ist an unterschiedliche Schweißbedingungen problemlos anpassbar.

Claims

Verfahren zum Non-Vakuum-Elektronenstrahlschweißen von metallischen Werkstoffen mit einer Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone unter Einsatz von Prozessgas, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Schutzgas (11) zusätzlich zum Prozessgas eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das als Sekundärgas eingesetzte Schutzgas (11) zeitgleich mit dem Prozessgas Verwendung findet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das als Sekundärgas eingesetzte Schutzgas (11) nicht zeitgleich mit dem Prozessgas Verwendung findet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas (11) in unterschiedlicher Zusammensetzung eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas (11) in unterschiedlichen Mengen sowie unterschiedlichen Temperaturen eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas (11) in unterschiedlichen Strömungswinkeln dem Schweißbereich zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas (11) als den Elektronenstrahl (7) umhüllender Gasstrahl eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas (11) als den Elektronenstrahl nicht umhüllender Gasstrahl eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas (11) kontinuierlich eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas (11) gepulst eingesetzt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Non-Vakuum-Elektronenstrahlschweißens von metallischen Werkstoffen mit einer Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone unter Einsatz von Prozessgas, gekennzeichnet durch eine an die Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone (1) angeordnete Schutzgaszuführung.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgaszuführung aus einer an der Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone (1) angeordneten Düsenkonfiguration (2) besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenkonfiguration (2) im Bereich einer Austrittsöffnung (6) für den Elektronenstrahl (7) der Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenkonfiguration (2) mindestens eine Ein- und Austrittsöffnung (8, 9) für den Elektronenstrahl (7) sowie mindestens eine Zuleitung (10) für das Schutzgas (11) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (9) der Düsenkonfiguration (2) einen Durchmesser von 1 bis 50 mm aufweisen.