DE102004023685B4

DE102004023685B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Non-Vakuum-Elektronenstrahlschweißen von metallischen Werkstoffen

Info

Publication number: DE102004023685B4
Application number: DE102004023685.2A
Authority: DE
Inventors: Dr. Hildebrandt Bernd; Achim Wankum
Original assignee: Individual
Current assignee: HILDEBRANDT, BERND, DR., 47918 TOENISVORST, DE
Priority date: 2003-08-04
Filing date: 2004-05-13
Publication date: 2023-11-16
Anticipated expiration: 2024-05-14
Also published as: DE102004023684A1; DE102004023685A1

Abstract

Verfahren zum Non-Vakuum-Elektronenstrahlschweißen von metallischen Werkstoffen mit einer Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone (1) und unter Einsatz von strahlkonzentrisch zugeführtem Prozessgas, wobei mindestens ein Schutzgas (8) zusätzlich zum Prozessgas eingesetzt wird, das mittels einer im Bereich des aus der Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone (1) in Richtung des zu schweißenden Materials austretenden Elektronenstrahls (7) angeordneten Schutzgaszuführung dem Schweißbereich in schleppendem oder stechenden Winkel zugeführt wird, und wobei als Prozessgas Helium eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Schutzgas entweder Argon oder ein Gemisch aus Argon und Helium oder Argon mit Beimischungen von Stickstoff und/oder Sauerstoff oder ein Gemisch aus Argon und Helium mit Beimischungen von Stickstoff und/oder Sauerstoff zum Einsatz kommt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Non-Vakuum-Elektronenstrahlschweißen von metallischen Werkstoffen mit einer Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone und unter Einsatz eines Prozessgases und unter Einsatz von strahlkonzentrisch zugeführtem Prozessgas, wobei mindestens ein Schutzgas zusätzlich zum Prozessgas eingesetzt wird, das mittels einer im Bereich des aus der Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone in Richtung des zu schweißenden Materials austretenden Elektronenstrahls angeordneten Schutzgaszuführung dem Schweißbereich in schleppendem oder stechenden Winkel zugeführt wird, und wobei als Prozessgas Helium eingesetzt wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Beim bekannten Non-Vakuum-Elektronenstrahlschweißen von metallischen Werkstoffen wird konventionell Helium als Prozessgas eingesetzt, wobei dessen Zuführung strahlkonzentrisch erfolgt.
Der Einsatz eines Prozessgases zum Laserschweißen ist beispielsweise aus der JP 2003 - 154 476 A bekannt.
Aus der JP S57- 9 591 A ist bekannt, neben einem zum Schutz der Werkstückoberfläche eingesetzten Schutzgases ein weiteres Gas zum Einsatz, das äußere Störeinflüsse auf das Schutzgas unterbinden soll.
Die JP S57- 65 661 A beschreibt eine Vorrichtung zum Non-Vakuum-Elektronenstrahl-schweißen, bei dem ein Schutzgas unter hohem Druck auf die Werkstückoberfläche ausgetragen wird, um dieses vor atmosphärischen Einflüssen zu schützen. Gleichzeitig wird dieses Gas im Bereich der Ausmündung der Elektronenstrahlkanone eingetragen, wo es dazu dient, die Aufweitung des Elektronenstrahls zu unterdrücken Trotz der beiden unterschiedlichen Funktionen handelt es sich jedoch jeweils um das gleiche Gas.
Die US 3 585 348 A beschreibt eine Vorrichtung zum Non-Vakuum-Elektronenstrahl-schweißen, bei dem ein Schutzgas über eine ringförmige Zuleitung in Richtung auf die Werkstückoberfläche ausgetragen wird. Gleichzeitig wird ein zweites Gas über eine Zuleitung einer Kammer zugeführt, in dem es die Funktion einer Gasschleuse übernimmt, um eine Beeinflussung der Strahlgeometrie des Elektronenstrahls oder der Werkstückoberfläche ist mit diesem Gas nicht vorgesehen.
Beim Gegenstand der JP 52 033 624 U wird das gleiche Gas sowohl als Prozessgas zur Beeinflussung des Elektronenstrahls als auch als Schutzgas zum Schutz der Werkstückoberfläche vor atmosphärischen Einflüssen eingesetzt.
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 Elektronenstrahlröhre genutzt wird. Eine Beeinflussung des Schmelzbades ist so 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 eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 4 gelöst.
Durch das erfindungsgemäß beim 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 Schweißens eingesetzt werden, z.B. auch 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 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.
Das Schutzgas wird mittels einer im Bereich des aus der Vakuum-Elektronenstrahlröhre in Richtung des zu schweißenden Materials austretenden Elektronenstrahls angeordneten, vorteilhaft in Arbeitsrichtung beweglichen Schutzgaszuführung dem Schweißbereich des zu schweißenden Materials während des Schweißprozesses in unterschiedlicher Zeitfolge und Menge zugeführt.
Die erfindungsgemäß zur Schutzgaszuführung eingesetzte Vorrichtung besteht vorteilhaft aus einem Gasschlauch und einem mit diesem verbundenen Gasrohr, die im Bereich des aus der Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone in Richtung des zu schweißenden Materials austretenden Elektronenstrahls und in Arbeitsrichtung der Elektronenstrahl-Kanone beweglich angeordnet ist.
Durch die mit einem schleppenden oder stechenden Anstellwinkel ausgeführte Ausströmöffnung (Ausströmdüse) der Schutzgaszuführung kann das Schutzgas in - den jeweiligen Prozessbedingungen optimal entsprechenden - Strömungswinkeln dem Schweißbereich während des Schweißprozesses zugeführt werden.
Dabei wird das Schutzgas bei einer Schutzgaszuführung mit schleppendem Anstellwinkel dem Schweißbereich entgegengesetzt der Schweißrichtung (Arbeitsrichtung der Elektronenstrahl-Kanone) und bei einer Schutzgaszuführung mit stechendem Anstellwinkel dem Schweißbereich in Schweißrichtung (Arbeitsrichtung der Elektronenstrahl-Kanone) zugeführt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung einer Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone 1 mit einer separat zur Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone 1 angeordneten Schutzgaszuführung 2 zur Abdichtung gegenüber der Atmosphäre.
Aus der zwei Unterdruckstufen 3, 4 aufweisenden und in Arbeitsrichtung 5 beweglich angeordneten Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone 1 trifft ein durch eine Öffnung 6 geleiteter Elektronenstrahl 7 auf ein - nicht dargestelltes - zu schweißendes Werkstück.
Durch die separat von der Elektronenstrahl-Kanone 1 und in deren Arbeitsrichtung 5 beweglich angeordnete Schutzgaszuführung 2 strömt ein in deren Gasschlauch 9 eingeleitetes Schutzgas 8 durch ein mit dem Gasschlauch 9 verbundenes Gasrohr 10 über dessen Ausströmdüse 11 in Richtung des Schweißbereichs.
Durch die in einem schleppenden oder stechenden Anstellwinkel zum Schweißbereich im Gasrohr 10 angeordnete Ausströmöffnung 11, z.B. in Form einer herkömmlichen Ausströmdüse, wird das Schutzgas 8 so in den Schweißbereich des zu schweißenden Werkstücks geleitet, dass ein Luftzutritt in den Schweißbereich während des Schweißens und somit die Oxidation der Schweißnahtoberfläche des zu schweißenden Werkstücks verhindert wird, wodurch die geforderte Schweißqualität gewährleistet wird. Der Gasschlauch 9 und das Gasrohr 10 mit Ausströmöffnung 11 der Schutzgaszuführung 2 bestehen aus einem kostengünstigen und gasresistenten Material.

Claims

Verfahren zum Non-Vakuum-Elektronenstrahlschweißen von metallischen Werkstoffen mit einer Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone (1) und unter Einsatz von strahlkonzentrisch zugeführtem Prozessgas, wobei mindestens ein Schutzgas (8) zusätzlich zum Prozessgas eingesetzt wird, das mittels einer im Bereich des aus der Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone (1) in Richtung des zu schweißenden Materials austretenden Elektronenstrahls (7) angeordneten Schutzgaszuführung dem Schweißbereich in schleppendem oder stechenden Winkel zugeführt wird, und wobei als Prozessgas Helium eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Schutzgas entweder Argon oder ein Gemisch aus Argon und Helium oder Argon mit Beimischungen von Stickstoff und/oder Sauerstoff oder ein Gemisch aus Argon und Helium mit Beimischungen von Stickstoff und/oder Sauerstoff zum Einsatz kommt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas (8) zeitgleich mit dem Prozessgas Verwendung findet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas (8) in unterschiedlichen Mengen eingesetzt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Arbeitsrichtung (5) der Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone (1) bewegliche Schutzgaszuführung (2) aus einem Gasschlauch (9) und einem mit diesem verbundenen Gasrohr (10) mit Gasausströmöffnung (11) besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgaszuführung (2) im Bereich eines aus einer Öffnung (6) der Vakuum-Elektronenstrahl-Kanone (1) austretenden und in Richtung des zu schweißenden Werkstücks gerichteten Elektronenstrahls (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausströmöffnung (11) des Gasrohrs (10) der Schutzgaszuführung (2) einen schleppenden oder stechenden Anstellwinkel aufweist.