DE1615198A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schweissen mittels Elektronenbeschuss - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Schweissen mittels ElektronenbeschussInfo
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Description
Dipl.-Ing. Lamprecht
410-12.33OP 14.4.1967
Commissariat ä l'Energie Atomique, 29, rue de la Federation,
Paris 15° (Frankreich)
Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen mittels Elektronenbeschuß
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Schweißen mittels Elektronenbeschuß, und insbesondere auf den Fall, in dem die miteinander zu verschweißenden
Bauteile zu massiv sind, um sich gänzlich in einen evakuierten Behälter einschließen zu lassen.
Auf dem Gebiete der Verschweißung solcher Bauteile ist es bekannt, verschiedene Verfahren, wie etwa das Schweißen
mit elektrischen Lichtbogen, elektrisches Widerstandsschweißen oder Flammschweißen zu verwenden. Jedoch gibt es ungeachtet
dessen, daß diese Verfahren ia allgemeinen befriedigend arbeiten, bestimmte Fälle, in denen die an die Verschweißung
gestellten Forderungen so hart sind, daß sie sich nur durch
Verwendung you Elektronenbeschuß erfüllen lassen·
41O-B2274.3-DfWo (6)
Schweißvorgänge durch Elektronenbeschuß vollziehen sich unter Vakuum und gestatten daher ein Schweißen unter Ausschluß
jeglicher Verunreinigung, mit besonderer Reinheit und gegebenenfalls
entsprechend der Regelung der leistung des Elektronenstrahls (des Verhältnisses der Leistung des auf die Oberfläche
gerichteten Elektronenstrahls zu dem Querschnitt des Elektronenbündels) mit besonders starker Eindringtiefe» So
ist es z. B. bekannt, daß sich mit Leistungen von einigen Kilowatt ohne weiteres eine Verschweißung von Stahl in einer
Stärke von nahezu 20 mm erzielen läßt, wobei die Breite der Schweißraupe 2 mm nicht überschreitet.
Dank der mit diesem Schweißverfahren erzielbaren Konzentration
der Energie läßt sich die von einer Längeneinheit der Schweißraupe abgegebene Wärmemenge auf ein Minimum begrenzen,
so daß Formänderungen und das Schwinden des Materials infolge des Sehweißvorganges unvergleichlich geringer werden als bei
den klassischen Verfahren der Bogenschweißung. Außerdem befreit die Form der tief eindringenden Schweißraupe von der
Notwendigkeit einer speziellen Anarbeitung von Kajfcen an die
miteinander zu verschweißenden Bauteile, und gleichfalls gestattet sie möglicherweise eine Verminderung der Anzahl der
Schweißnähte und demzufolge der anschließenden Kontrollen und Nacharbeitungsvorgänge, die bei den anderen Schweißverfahren
erforderlich sind.
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In der Praxis wird die Einsetzbarkeit dieses Schweißverfahrens
jedoch durch den Umstand begrenzt, daß die miteinander zu verschweißenden Bauteile und die Elektronenkanone in einen
evakuierten Behälter eingesetzt werden müssen, durch den hindurch Organe für die Steuerung mechanischer Verschiebungen, für
.optische Beobachtungen usw. einführbar sein müssen, was die Notwendigkeit eines hohen Investitionsaufwandes mit sich
bringt, der umso größer wird, je massiver die miteinander zu verschweißenden Bauteile werden. Bei hoher Eindring.tiefe
der Verschweißung und dann, wenn man nicht rund um die Elektronenkanone ein zusätzliches Vakuum aufrechterhalten
kann, verändern Metalldämpfe und aus der Schweißschmelze entweichendes
Gas den Wert für das yakuum zwischen den verschiedenen
Potentialen unterliegenden Teilen der Elektronenkanone. Dies führt entweder zu Verdampfungen oder zu Entladungen,
in jedem Falle zu Änderungen des Hochspannungsstromes und damit zu Änderungen der leistung der Elektronenkanone, die
bis zu einer dauernden Entladung zwischen den kathodischen und den anodischen Teilen führen und damit den weiteren Betrieb
unmöglich machen können. Diese Störungen sind umso stärker,
je schwächer das Vakuum vor dem Beginn der Verschweißung ist oder je weniger dicht die Trennfuge zwischen den beiden miteinander
zu verschweißenden und einen Behälter bildenden Teilen ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteilen
abzuhelfen, indem sie es gestattet, ohne Mühe und sehr rasch einen Bruchteil der miteinander zu verbindenden Bauteile,
nämlich den Bauteil, an dem jeweils der SchweißVorgang
stattfindet, unter Vakuum zu setzen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man jedes der miteinander zu verschweißenden Bauteile mit
mindestens zwei Kontaktflächen vesieht, daß man an die einen
dieser Kontaktflächen eine vakuumdichte Dichtung andrückt, daß man über der Stoßstelle zwischen den beiden Bauteilen einen
dichten Behälter errichtet und daß man die beiden Bauteile entlang der Trennfuge zwischen den zweiten Kontaktflächen
durch Elektronenbeschuß verschweißt, wobei eine Elektronenkanone entlang dieser Trennfuge in dem Behälter verschoben
wird und die Dichtung nach der gchweißung eingeschlossen bleibt.
Weiterhin hat die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens zum Gegenstand,
die sich kennzeichnet durch eine Elektronenkanone, die an einem
eingekapselten Arm sitzt, der ein Aggregat aus Versorgungsleitungen mit Strom und Kühlmittel enthält, durch ein Traggehäuse
für die Elektronenkanone, durch Mittel zum dichten Festlegen des Traggehäuses an mindestens einem der mit-
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einander zu verschweißenden Bauteile, durch eine von den
Bauteilen zwischen zwei von den die Schweißnaht bildenden Kontaktflächen verschiedanen Konaktfläohen eingeschlossene
Vakuumdichtung, durch eine Verbindungsöffnung in dem so aus dem [Traggehäuse und den Bauteilen gebildeten dichten Behälter
zu einem Evakuierungskreis und durch Organe zur dichten Durchführung des Armes, durch das Traggehäuse und zur führung
der Elektronenkanone während ihrer Verschiebung entlang der Schweißnahtο
Die Mittel, um die Elektronenkanone in eine Drehbewegung
oder eine Translationsbewegung zu versetzen, sind Motore, die
außerhalb des Arbeitsbehälters liegen.
Statt dessen können für den gleichen Zweck auch Handgriffe
oder Handräder für eine manuelle Steuerung vorhanden sein«
Zur visuellen Kontrolle können Mittel, wie ein Endoskop oder eine von dem Arm getragene Kamera, vorhanden sein.
Weitere Merkmale der Erfindunglassen sich der nach-'folgenden
Beschreibung und den Zeichnungen entnehmen, in denen die
Mg, 1 ein Längsschnitt durch eine Vorrichtung zum
Verschweißen zweier rohrförmiger Bauteile und die
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Fig. 2 ein Längsschnitt durch eine Elektronenkanone ist,
während die
Fig« 3 Ms 10 Ausführungsbeispiele für das erfindungs—
gemäße Schweißverfahren veranschaulichen.
Wie die Fig. 3 bis 10 erkennen lassen» werden zwei durch
Versehweißung miteinander zu verbindende Bauteile 1 und 10
zuerst in der Weise bearbeitet, daß sie mehrere Kontaktflächen aufweisen, die nnter einem Winkel zueinander verlaufen. Die
Bauteile 1 und 10 sind in den Eig. 3, 4, 3 und 10 beispielsweise mit drei Kontaktflächen 31f 32 und 33 versehen, von
denen die Kontaktflächen 31 und 33 parallel zueinander sind und die dritte Kontaktfläche 32 senkrecht auf den beiden anderen
steht.
Die Bauteile 1 und 10 in den Fig. 59 6, 7 raid 9 weisen
dagegen nur zwei Kontaktflächen 35 und 3© auf, die einen
relativ großen Winkel miteinander einseiiließen, im Falle der
Fig. 5, 6 und 7 einen rechten Winkel mmä iai Falle der Fig. 9
einenstupfen Winkel.
Die Oberfläche 33 des einen Bauteils, 1 in I?ig. 3 oder
10 in Fig. 8, weist eine Ausnehmung 34 amf, in die eine
vakuumdichte Dichtung 2 eingelegt wiräs «äie zwischen dieser
Ausnehmung und dem zweiten der miteinander zu verschweißenden
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Bauteile 10 "bzw. 1 eingepreßt wird.
Der durch die Ineinanderschachtelung der Kontaktflächen und das Einpressen der Dichtung 2 erhaltene Aufbau ist auf
diese Weise absolut vakuumdicht.
Dann wird ein Sehweißbehälter i*n vakuumdichter V/eise rund
um die Stoßstelle zwischen den Bauteilen unter Abstützung auf
diesen Bauteilen aufmontiert; das in diesem Behälter erzeugte
Vakuum "bleibt während des gesamten Schweißvorganges vollkommen
aufrechterhalten und ändert sich nicht durch Entladungen oder störende Einflüsse, die auf Mängel in der Abdichtung zwischen
den beiden miteinander zu verschweißenden Teilen zurückzuführen sind. Die Elektronenkanone kann daher in wirkungsvoller Weise
zur Vereinigung der beiden Bauteile entlang ihrer den Oberflächen 51 entsprechenden Trennfuge eingesetzt werden, wobei diese
Elektronenkanone in dem dichten Behälter oder zusammen mit ihm eine Rotations- oder eine Translatiönsbewegüng erfährt.
Kaeh vollendeter Schweißung bleibt die Dichtung 2 zwischen
den Bauteilen 1 und 10 eingeschlossen, was nicht von Nachteil
ist, da sie weiter zur Dichtigkeit der Verbindung beitragen kann.
Die Form der Kontaktflächen und der Ausnehmung zur Aufnahme
der Dichtung 2 kann je nach den miteinander zu verschweißenden
Bauteilen variieren.
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So kann die Dichtung 2 ζ. Β. zwischen eine einfache
Abschrägung des Bauteils 10 und das Bauteil (Fig. 4) oder umgekehrt(]?ig.
10) zwischen eine Absehrägurig des Bauteils 1 und das Bauteil 10 eingeklemmt werden.
In den Fällen, in denen die Bauteile 1 und 10 nur zwei Kontaktflächen 35 und 36 aufweisen, ist eine der Oberflächen
(36) mit einer Ausnehmung 37 zum Einklemmen der Dichtung 2
versehen, während die andere 35 die Schweißlinie bildet
(fig. 5, 6 und 9)ο
Die beiden Kontaktflächen können einfach aus den Enden der
Bauteile 1 oder 10 und einer ihrer Seitenwände (Hg. 7) bestehen, was jegliche zusätzliche Bearbeitung unnötig macht. Die Ausnehmung
38 zur Aufnahme der Dichtung 2 kommt dann in ein Bauteil 40 zu liegen, das sich auf die seitlichen Kontaktflächen
36 abstützt, die in Verlängerung zueinander liegen. Praktisch weist dieses Bauteil 40 zwei Ausnehmungen 38 auf, von denen
jede eine Dichtung 2a bzw. 2b aufnimmt, die gegen die miteinander
zu verschweißenden Bauteile angepreßt werden.
Die Yerschweißung erfolgt von der dem Bauteil 40 gegenüberliegenden Oberfläche der Bauteile 1 und 10 aus, und die fertige
Verbindungsstelle der beiden Bauteile 1 und 10 weist dieselbe absolute Dichtigkeit auf wie die zuvor beschriebenen Aus-
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führungsformen. Die Schweißnaht setzt sich "bis zu dem Bauteil
40 fort, das auf den "beiden Bauteilen 1 und 10 festgelegt wird und beispielsweise als Schutz für die Schweißnaht dienen kann.
Die Dichtungen 2a und 2"b bleiben zwischen dem lauteil 40 und
den Bauteilen 1 bzw. 10 eingeschlossen·
Unabhängig von der Anordnung und der Anzahl der Kontakt-.flächen
wird die Verschweißung mit einer in einem dichten Behälter entlang der Stoßstelle der beiden Bauteile bewegliehen
Elektronenkanone vorgenommen, und die anstoßenden Wände der beiden Bauteile bilden dabei mindestens eine der Seiten des
dichten Behälters. In gewissen Fällen, insbesondere wenn die miteinander zu verschweißende Bauteile rohrförmig sind,
können sie selbst den größten Teil des dichten Behälters bilden.
Ein Bespiel für die Yerschweißung zweier rohrförmiger
Bauteile ist in der Fig. 1 dargestellt, die eine Dichtung 2 zeigt, die zwischen den beiden miteinander zu verbindenden
rohrförmigen Bauteile 1 und 10, die zuvor mit Kontaktflächen 35
und 36 versehen worden sind, die senkrecht zueinander verlaufen,
eingeschlossen ist und hinreichend weit von der Schweißnaht 3
entfernt ist, um von der Schweißhitze nicht zerstört zu werden· Die eingeschlossene oder verlorene Dichtung, die beiden Bauteile
1 und 10, ein abnehmbarer Stopfen 4, eine Pumpenöffnung 5 und ein Traggehäuse 42 für eine Elektronenkanone 7 begrenzen
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- ίο -
zusammen einen dichten Behälter 6, der sich evakuieren läßt
und in dem sieh die vollständig eingekapselte Elektronenkanone 7 verschieben läßt; die über einen ebenfall vollständig
eingekapselten Arm 8 gespeist und getragen wird, der das Gehäuse 42 durchsetzt.
Das Traggehäuse 42 für die Elektronenkanone 7 und den Arm 8 weist im wesentlichen die Porm eines an einem seiner Enden
offenen Zylinders auf, der durch irgendein geeignetes Mittel an einem der beiden miteinander zu verschweißenden rohrförmigen
Bauteile,beispielsweise dem Bauteil 1 festgelegt ist,
wobei eine gasdichte Dichtung 44 die Abdichtung der Festlegung gewährleistet.
Das zylindrischen Gehäuse 42 liegt koaxial zu den miteinander zu verschweißenden Bauteilen 1 und 10, und sein Boden 43 trägt
in seinem Mittelpunkt unter Zwischenschaltung eines Kugellagers 46 und einer Dichtung 47 den Arm 8, der außerhalb des Gehäuses
42 mit einem Motor 13 zur Steuerung der Verschiebung der Elektronenkanonen 7 in Verbindung steht. Zahnräder 48 und 50,
die mit der Welle des Motors 13 bzw. mit dem Arm 8 fest verbunden sind, übertragen beispielsweise eine Drehbewegung rund um die
Achse des Armes 8 auf die Elektronenkanone 7-
Der in dem zweiten der miteinander zu verschweißenden Bauteile 10 auf der anderen Seite der Schweißnaht 3 festgelegte
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-It-
abnehmbare Stopfen 4 schließt den dichten Behälter ab, der auf
diese Weise von dem Gehäuse 42, den die Dichtung 2 zwischen sieh einschließenden Bauteilen 1 und 10 und dem Stopfen 4
begrenzt wird.
Außerdem ist das Gehäuse 42 mit einer seitlichen Öffnung 5
sum Anschluß eines in der Zeichnung^ nicht dargestellten
Evakuierungskreises versehen.
Die Yerschiebung des Speisearmes 8 kann in gleicher Weise
in bestimmten lallen vollständig von Hand erfolgen, beispielsweise
mittels eines Handgriffes, und in einer Drehung oder einer iDranslationsbewegung bestehen; eines Motors 13 bedarf es dann
nicht.
Der Arm 8 umschließt eine Hochspannungsversorgung 9 für die
Elektronenkanone, eine Miederspannungsversorgung 30 (Spulen,
Beleuchtungseinrichtungen), optische Hinrichtungen 11 (Snäoskope, Glasfasern oder Kameras) und eine Kühlwasserleitung
12- . Ϊ ..'■■'
Der Arm 8 ist fest mit einer Elektronenkanone 7 verbunden,
zu der eine Kathode 14 gehört, die durch Elektronenbeschuß von
einem Heizfaden 15 und einem Diaphragma 16 aus beheizt wird
und einenvon einem Kathodenteil 17 modulierten Elektronenstrahl
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- 12 -
abgibt. Dieses Emissionsaggregat, das über einen einstückigen isolierten Hoehspannungsanschluß 18 gespeist wird, ruht auf
einem Hauptisolator 19· Vervollständigt wird diese Einrichtung zur Bildung des Elektronenstrahls durch ein Anodenbauteil 20,
und außerdem wird der Elektronenstrahl elektromagnetisch durch eine mittels eines Wassermantels 22 gekühlte Spule 21 fokussiert,
Zwischen der Anode 20 und der Spule 21 ist ein schrägliegender
Spiegel 23 angeordnet, der ein Bild der Schweißzone in einen Hohlraum 24 entwirft, der entweder ein Endoskop oder ein anderes
optisches Beobachtungssystem enthält. Dieses Aggregat ist auf einen Träger 25 montiert und in einer eine vollständige
Einkapselung bildenden metallischen Hülle 26 eingeschlossen.
Bei einem praktischen .Ausführungsbeispiel hat man eine
Elektronenkanone gebaut, deren maximaler Durchmesser 1J0 mm
betrug und die eine maximale Beschleunigungsspannung von 35 kV
bei einem Elektronenstrom von 150 mA benutzte.
Die Eindringtiefe in die Schweißzone betrug 15 mm.
Die Arbeitsweise der Vorrichtung und der Schweißvorgang läuft in der folgenden Weise ab;
Die rohrförmigen Bauteile 1 und 10, die miteinander verschweißt
werden sollen, werden ineinander in der Weise einge-
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SGhaclitelt, daß die Oberflächen 35 und 36, die zuvor an den
Bauteilen herausgearbeitet worden sind, miteinander in Berührung
kommen, wobei die Oberfläche 36 die Dichtung 2 einschließt und
die andere Oberfläche 36 die Schweißnaht bestimmt. -In das Bauteil
10 wird ein Stopfen 4 eingepreßt und verschließt auf diese Weise ein Ende des aus den beiden Bauteilen 1 und 10 gebildeten Rohres.
Die Elektronenkanone 7 und der Arm 8 werden anschließend in den durch den Stopfen 4 und die beiden Bauteile 1 und 10 begrenzten
Behälter eingeführt, wobei die axiale Lage beispielsweise durch in der Zeichnung nicht dargestellte Keile geregelt wird, welche
die Tragweite des Armes 8 in der Weise verändern, daß sich das
offene Ende des Traggehäuses 42 der Elektronenkanone 7 an dem nicht den Stopfen 4 enthaltenden Bauteil 1 abstützt und den auf
diese Weise gebildeten dichten Behälter 6 versehließt. Anschließend
wird über die Öffnung 5 in dem Traggehäuse 42 eine .
kräftige Auspumpung des Behälters vorgenommen, bis das zu der
■Verschweißung erforderliche Tärnum erzielt ist. Anschließend
wird die Elektronenkanone 7 in Leistung und !Fokussierung eingeregelt
und die Verschweißung der Bauteile 1 und 10 unter Verschiebung der Elektronenkanone mittels des Armes 8 und
des Motors 13» d.h. im Falle der Fig. 1 durch Drehung der Elektronenkanone um die Achse der Bauteile 1 und 10 und die
des Armes 8 unter Steuerung durch den Motor 13 vorgenommen,
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wobei eine fest mit dem Arm 8 verbundene Eentrierrolle 52
"beispielsweise auf der Innenv/anäung des Bauteils 1 gleiten kann.
Die Yerschwdßung vollzieht sieh auf diese Weise in einem
vollkommen dicht abgeschlossenen Behälter entlang der
Stoßfuge zwischen den beiden Bauteilen.
Selbstverständlich ist die Erfindung in keiner Weise auf
die beschriebene und gezeichnete AusfühnaKgsforia beschränkt, die
lediglich als Ausführungsbeispiel zu werten istj die Erfindung
läßt sich in gleicher Weise auf die Versehweißung von Bauteilen
mit beliebigen Formen und Abmessungen anwenden.
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Claims (6)
1. Verfallren zum Schweißen mittels Elektronenbeschuß, dadurch
gekennzeichnet, daß man jedes der miteinander zu verschweißenden
Bauteile mit mindestens zwei Kontaktflächen versieht, daß man an die einen dieser Kontaktflächen eine vakuumdichte Dichtung
andrückt, daß man über der Stoßstelle zwischen den "beiden
Bauteilen einen dichten Behälter erdichtet und daß man die
"beiden Bauteile entlang der Trennfuge zwischen den zweiten
Kontaktflächen durch Elektronenbeschuß verschweißt, wobei eine Elektronenkanone entlang dieser Srennfuge in dem Behälter verschoben
wird und die Dichtung nach der Sehweißung eingeschlossen "bleibt·
2. Verfahren nach Anspitgh I1 dadurch gekennzeichnet, daß man
den dichten Behälter unter Begrenzung durch die miteinander zu verschweißenden Bauteile, die zwischen diesen eingepreßte
Dichtung, eine Tragvorrichtung für die Elektronenkanone,
Abdiclitungselemente und Anschlüsse an eine Evakuierungsanlage
aufbaut, wobei die Elektronenkanone der Schweißnaht genau gegenüberliegt und sieh unter fiegelung ihrer Leistung und
Stromstärke entlang 5er Stoßfuge zwischen den beiden Bauteilen verschieben läßt, die nicht zu den die Dichtung enthaltenden
Kontaktflächen gehört, welche Dichtung nach der Sehweißung
eingeschlossen bleibt»
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3. Vorrichtung zur Durchführung des Schweißverfahrens nach
Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Elektronenkanone (7)»
die an einem eingekapselten Arm (8) sitzt, der ein Aggregat aus
Versorgungsleitungen mit Strom (9130) und Kühlmittel (12) enthält,
durch ein Traggehäuse (42) für die Elektronenkanone (7), durch Hittel (44) zum dichten Festlegen des Traggehäuses (42) an
mindestens einem der miteinander zu verschweißenden Bauteile (1 und 10), durch eine von den Bauteilen (1 und 10) zwischen
zwei von den die Schweißnaht (3) bildenden Kontaktflächen (35)
verschiedenen Kontaktflächen (36) eingeschlossene Vakuumdichtung (2), durch eine Verbindungsöffnung (5) in dem so aus dem Traggehäuse
(42) und den Bauteilen (1 und 10) gebildeten dichten Behälter (6) zu einem Evakuierungskreis und durch Organe (47)
zur dichten Durchführung des Armes (8) durch das Traggehäuse (42) und zur führung der Elektronenkanone (7) während ihrer Verschiebung entlang der Schweißnaht (3)·
4· Vorrichtung nach Anspitph 3, zum Verschweißen zweier rohrförmiger
Bauteile entlang einer kreisförmigen Schweißnaht, gekennzeichnet durch ein im wesentlichen zylindrisches Traggehäuse
(42) für aen Arm (8) der Elektronenkanone (7), durch Mittel (44) zum dichten Festlegen des Traggehäuses (42) an
einem (1) der miteinander zu verschweißenden Bauteile (1 und 10), durch ein Organ (4) zum Verstopfen des zweiten (1O)
der miteinander zu verschweißenden Bauteile (1 und 10)
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durch eine zwischen den beiden Bauteilen (1 und 10) entlang
ihrer zu der Schweißnaht (3) senkrechten Eontaktflächen (36)
eingeschlossene Vakuumdichtung (2), durch eine Verbindungsöffnung
(5) in dem aus dem !traggehäuse (42), den beiden Bauteilen (1 und 10) und dem Organ (4) zum Verstopfen
gebildeten dichten Behälter ζ6) zu einem Evakuierungskreis und
durch ein zu den beiden Bauteilen (1 und 10) koaxiales Kugelgelenk
zur dichten Durchführung des Armes (8) durch das Traggehäuse (42) und zur Führung der Elektronenkanone (7)
auf ihrer Drehbewegung entlang der Schweißnaht (3)·
5· Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verschieben der Elektronenkanone (7) ein Motor (13) außen
an dem Traggehäuse (42) befestigt und mit dem eingekapselten
Arm (8) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch an dem Arm (8) sitzende Mittel (11) zur visuellen Beobachtung des
Schweißvorganges*
7· Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß
außen an dem Traggehäuse (42) Organe zur manuellen Steuerung der Elektronenkanone (7) befestigt sind.
109839/0245
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