DE1615474A1 - Vorrichtung zur Verhinderung der magnetischen Ablenkung eines Ladungstraegerstrahles sowie mit dieser Vorrichtung durchzufuehrende Bearbeitungsverfahren - Google Patents

Description

. Herbert Moser

Patentanwalt Karlsruhe Etitingerstraßs 2 ο

Anmelder: MITED AIRCRAFT CORPORATION, USA

Vorrichtung zur ferhlnderung der magnetischen Ablenkung eines ladungsträgerstrahl es sowie ml dieser Vörricntung durchzuführende - ■--..'',.-■-. Bearbeitungsverfahren :Λ :λ - - _r~~

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verhinderung der magnetischen Ablenkung eines zur Bearbeitung von Werkstücken verwendeten Ladungsträgerstrahles, insbesondere zum -Schweißen längs ,einer Stoßlinie. Außerdem werden vorteilhafte Verfahren unter Verwendung einer solchen Vorrichtung angegeben.

Beim Schweißen mit Strahlen'von geladenen Partikeln, insbesondere mit Elektronenstrahlen ergeben sich wegen der Strahlablenkung durch magnetische Streufelder besondere Schwierigkeiten. Solche Streufelder können aus verschiedenen Quellen entstehen. Bei- spielsweise besitzt das Werkstück selbst einen gewissen Betrag

!AD ORfüiNAL 009823/0 4 0 7 -\, - 2 -

von ßestmagnetismus oder die Strahlmaschine ist in unerwünschter Weise magnetisiert worden. Störende Streufelder entstehen ferner innerhalb des Bearbeitungsbereiches aufgrund thermoelektrischer Ströme, welche durch Temperaturgradienten hervorgerufen werden, wenn thermoelektrisch unterschiedliche Metalle geschweißt werden sollen·. Eine weitere Erschwerung kann dabei dadurch gegeben sein, daß einer der zu schweißenden Werkstoffe magnetisch ist.

Somit tritt beim Stoßschweißen mit Elektronenstrahlen, beispielsweise von Nickel und Kupfer außerhalb der Werkstücke eine große Ablenkung des Ladungsträgerstrahles auf. Diese Strahlablenkung erscheint in einer Ebene quer zur Ebene der Stoßlinie und veranlaßt ein zufälliges Wandern des Ladungsträgerstrahles von einer Seite der Stoßlinie auf die andere. Bei Schweißverbindungen zwischen Nickel und Kupfer können beispielsweise Oberflächenstreuablenkungen von etwa 3 mm nach jeder Seite der Stoßlinie auftreten. Diese unkontrollierbaren Abweichungen sind vollständig unannehmbar und lassen Nahtschweißverbindungen von unterschiedlichen Werkstoffen, z.B. der angegebenen Art als extrem schwer herstellbar erscheinen,

Ähnliche Streuabienkungsproblerne treten jedoch auch innerhalb der Werkstücke auf, wenn relativ dicke Werkstücke nach der sogenannten Tiefeindringmethode gemäß der USA-Patentschrift 2 9b? ο verbunden werden sollen.

Zur Erklärung des Streuablenkungsproblems wird vorausgesetzt, daß das"magnetische Ablenkfeld eine Folge eines thermoelektrisch induzierten Stromes ist, welcher zwischen den verschiedenen

00882 3/04 8 7 BADOBICNA^ ^-

161547A

Werkstücken entsteht. Beim Stoßschweißen tritt somit ein thermoelektrischer Schaltkreis auf, dessen heiße Verbindungsstelle im Hittelbereich des Auftreffpunktes des ladungsträgerstrahles- liegt, während der übrige Teil der Naht, der sich auf verschiedenen Temp.eraturwerten befindet, als kalte Verbindungsstelle wirkt. Obwohl die elektrische Schaltung sehr komplex erscheint und daher schwer zu analysieren ist, soll zur Erläuterung der Merkmale der Erfindung ein vereinfachtes Beispiel herangezogen werden, welches in Fig. 2 dargestellt ist.

Man erkennt in Fig. 2 zwei viereckige Stücke aus Kupfer und Nickel, welche durch einen Elektronenstrahl stoßgesöhweißt werden sollen* Vor dem Strahlschweißen werden die Werkstücke in den in Fig* 2 gezeigten Intervallen durch Heftschweißen verbunden» Derartige HeftschweißstelJLen 12 bedeuten kalte Verbindungsstellen im thermoelektrischen Schaltkreis, Bei der nachfolgenden Herstellung einer Strahlsohweißung einer kompletten Naht 18 bildet sich eine heiße Verbindungsstelle, welche in einer Stromschleife 20 einen Weg für einen starken Strom erzeugt, dessen Verlauf in Fig. 2 angegeben ist. Um diesen Strom entstehen magnetische Flüsse 24 und 26, die sich wie gleichfalls angegeben, oberhalb und unterhalb der Werkstücke erstrecken und vollständige Schleifen um die Stromschleife 20 bilden. In der Nähe des Elektronenstrahls befindet sich eine magnetische Feldstärkekomponente H in Vertikalrichtung parallel zur Achse des Elektronenstrahls, und eine weitere Feldstärke- . komponente H liegt in horizontaler Eichtung längs der Stoßlinie. Biese H -Komponente lenkt den Elektronenstrahl seitlich quer zur Stößlinie aus und veranlaßt dabei ein unkontrollierbares Wandern, wodurch das genaue Einhalten der Stoßlinie sehr,er- * · schwert wird. Als Ergebnis dieses Standes der Technik zeigt es

BAD ORIGINAL . 0 09 823/0487

sich, daß die genaue Strahlführung während des Stoßlinienschweißens von bestimmten unterschiedlichen Materialien sehr erschwert . ist.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Materialien mit einem Ladungsträgerstrahl anzugeben, bei der die Auswirkungen eines magnetischen Streufeldes wesentlich vermindert oder ganz aufgehoben sind. Das Kennzeich- , nende der Erfindung ist darin zu sehen» daß zwischen der Quelle des Ladungsträgerstrahles und den Werkstücken in Abstand vor der Werkstückoberfläche ein magnetisches Abschirmelement aus einem Werkstoff hoher magnetischer-Permeabilität angeordnet ist, und daß der Ladungsträgerstrahl auf die Werkstücke durch eine' Ausnehmung dn diesem Abschirmelement von solcher Größe hindurchtritt, bei der nach den gegebenen magnetischen Feldstärken der Innenraum dieser Ausnehmung wenigstens annähernd feldfrei bleibt. Wegen der hohen Permeabilität des zweckmäßig aus Eisen oder anderen ferromagnetischen Werkstoffen hergestellten magnetischen Abschirmelementes werden die auftretenden magnetischen Feldlinien weit überwiegend innerhalb des Abschirmelementes, d»h. auf einem Teilstück kleinen magnetischen Widerstandes geführt, so daß der freie Innenraum der Ausnehmung für den Durchtritt des Ladungsträgerstrahles praktisch feldfrei bleibt. Mit einer solchen Vorrichtung lassen sich vorteilhaft Werkstücke von unterschiedlichem thermoelektrisohem Potential verschweißen.

Das magnetische Abschirmelement kann zweckmäßig ortsfest gegenüber dem Ladungsträgerstrahl, d.h. bei einer Bewegung des Ladungsträgerstrahl es bewegbar mit der Strahlführung angeordnet sein. Eine andere zweckmäßige Ausführung sieht das magnetische

009823/0487

■ν 5.■-.■■ .."■■ ·;.' ■' ■'-.-:■·■ .7 -7 '

161547«

Abschirmelement ortsfest gegenüber den Werkstücken Vor, Bei der . letztgenannten Ausführung kann ein weiterer Vorteil dadurch erreicht werden, daß die Ausnehmung zum Durchtritt des: Ladungsträrgerstrahles von dies em im Abschirmelement während seines Bewegungsweges gebildet wird. Der Ladungsträgerstrahl erzeugt somit . in dem Abschirmelement eirte in Führungsrichtung fortschreitende Ausnehmung, die sich jeweils bei Weiterführüng des Ladungsträgerstrahles als Schweißstelle wieder schließt»

Als Ladungsträgerstrahl kann zweckmäßig ein Elektronenstrahl vorgesehen sein, ."-"'■■". ;

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können Steuerelemente angeordnet sein, welche den Ladungsträgerstrahl zusätzlich in einer harmonischen Bewegung im wesentlichen senkrecht zur Stoßlinie der Werkstücke auslenken. Diese Auslenkung-kannvorteilhaft mit einer Frequenz von etwa 60 Hz erfolgen.

Bei der Durchführung von praktischen Yersuehen hat es sich als * zweckmäßig erwiesen, bei einer Dicke}des plattenförmigen magnetischen Abschirmelementes in der Größenordnung von 13 mm die lichte Weite der Ausnehmung und den Abstand des plattenförmigen magnetischen Abschirmelementes von der Werkstückoberfläche in der. Grbßen-Ordnung von 6 mm zu wählen· Das gemäß der Erfindung vorgesehene · magnetische Abschirmelement liegt zwischen der Ilektronanstrahl-' quelle und der ausgewählten Bearbeitiings zone auf dem Werkstück * und zwar so dicht als praktisch möglich über^ f er Werkitüokob$r- ;flache, damit ein niedriger Widerstand; im Moka<M.uBmg der magnetischen Feldlinien in Mr Nachbarschaft ds& f@rksiüö|s bsw| der - Werkstücke erzielt

BADORlGINAi-

Unter Verwendung einer solchen Vorrichtung läßt sich eine Stoßschweißung mit unterschiedlichen Metallen vorteilhaft ausführen, wobei das eine der unterschiedlichen Metalle Nickel oder Kupfer sein kann. Es hat sich gezeigt, daß auch eine Stoßschweißung eines Werkstücks aus Kupfer mit einem solchen aus Nickel vorteilhaft ■·■ ausgeführt werden kann.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sollen unter Bezug auf die in Fig. 1 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform der Erfindung nachfolgend näher erläutert· werden.

In Fig. 1 sind zwei Werkstücke. A,B von unterschiedlichem Material wie Kupfer und Nickel längs einer Stoßlinie 10 oder .Naht zu verschweißen. Ein magnetisches Abschirmelement 28 mit einer Ausnehmung 30 befindet sich in einem Abstand L von den Werkstücken A und B und von der Stoßlinie 10. Das magnetische Abschirnielement • 28 ist plattenförmig gestaltet und besteht aus einem Werkstoff hoher Permeabilität wie Eisen. Es muß eine solche Ausdehnung aufweisen, um den oberhalb des magnetischen Abschirmelementes 28 liegenden Bereich 32 von magnetischen Streufeldern abzuschirmen, die- aus den zu schweißenden Werkstücken A und B entstehen.

Ein Elektronenstrahl hoher Energie wird von einer Kathode 40 in einer hochevakuierten Kammer 38 erzeugt. Eine Steuerelektrode 42 regelt die Intensität, und die Elektronen werden gegen eine / Anode 44 beschleunigt. Der Elektronenstrahl erzeugungsapparat kann beispielsweise in der Art ausgeführt sein, wie sie in der USA-Patentschrift 2 987 6TO dargestellt ist. Zur Strahlmodulation ist eine Ablenkvorrichtung, mit einer Ablenkspule 36 zusätzlich vorgesehen, wodurch der Auftreffpunkt des Elektronenstrahls

. BAD ORIGINAL 00**23/048-7 '_ -

periodisch verändert werden kann._t Das Steuersignal für diese Modulation wird von einem Steuergenerator 34 erzeugt. Falls eine Kreismodulation zweckmäßig erscheint, sind zwei Ablenkungsspulen 36 unter einem Winkel von 90 versetzt anzuordnen, und durch Sinus- und Kosinusgeneratoren zu speis.en_P Erscheint dagegen eine lineare Modulation oder Ablenkung erwünscht, wird zur Speisung der Ablenkspule 36 ein Generator mit linearem Spannungsanstieg verwendet,

Die Ablenkung des Elektronenstrahls stellt eine Funktion des ·

Abstandes dar, in dem das Streumagnetfel& auf den Elektronenstrahl einwirkt. Eine Verminderung des Bereichs 4 unterhalb des magnetischen Abschirmelementes 28 ist erstrebenswert und wird durch eine Anordnung in geringem Abstand L von der Werkstückoberfläche erreicht. Dadurch kann nur eine geringe oder gar keine Streuabweichung des Ladungsträgerstrahles 2 entstehen.

Die Ausnehmung 30 ist so klein wie möglich gemacht und weist dabei solche Abmessungen auf, daß das magnetische Streufeld nicht durch sie hindurch in den Bereich 32 durchgreifen kann. Diese Ausnehmung 30 kann dabei vom Elektronenstrahl selbst hergestellt werden«. Durch das Kleinhalten der Ausnehmung werden die Flußlinien 6 in dem magnetischen Abschirmelement 28 um diese Ausnehmung 30 herumgeführt und folgen so dem Weg niederen Widerstandes innerhalb des ferromagnetischen Werkstoffes, wodurch wie bereits erwähnt eine magnetisch feldfreie Ausnehmung 30 entsteht· Diese Ausnehmung kann in verschiedener Gestalt, beispielsweise alsenger Schlitz ausgebildet sein, wobei sich eine Anpassung an eine eventuell. ■ 'zusätzlich vorhandene Ablenkungsmodulation durch die Ablenkspule-36 erzielen läßt. Die genaue Größe der Ausnehmung 30 hängt von

000823/0487 _ ₈ -

BAD ORIGINAL

der Anwendung und dem Grad „der Abschirmung ab. Der Abstand L soll, einerseits so klein wie möglich aber andererseits nicht so gering gewählt werden, daß die an der Schweißstelle erzeugte Hitze das magnetische Abschirmelement 28 verformt.

Unter Verwendung dieser Vorrichtung gelingt auch eine Schweißverbindung zwischen Kupfer und Stahl ohne Strahlablenkung, wobei das verwendete magnetische Abschirmelement aus Eisen besteht. Dieses magnetische Abschirmelement besitzt dabei Oberflächenabmessungen von etwa 15 cm Länge und 15 cm Breite bei einer Dicke d von ca. 1,3 cm. Die Ausnehmung 30 weist eine lichte Weite von ca. 6 mm . auf und das magnetische Abschirmelement liegt'in einem Abstand L von etwa 6 mm oberhalb der beiden Werk stücke aus Kupfer und Stahl.

Das magnetische Abschirmelement 28 ist mit dem Elektronenstrahlgerät derart verbunden, daß sich die Stoßlinie 10 gegenüber dem Abschirmelement 28 bewegt» In anderen Fällen, in denen von der Durchdringungscharakteristik des Ladungsträgerstrahls Gebrauch .gemacht werden soll, kann die magnetische Abschirmung 28 auch mit den Werkstücken A und B starr verbunden sein, so daß sich der Ladungsträgerstrahl 2 relativ zur Abschirmung 28 bewegt. Dabei schafft der Strahl entweder seine eigene Ausnehmung 30, die sich als simulierte Schweißstelle hinter dem Strahl schließt, oder er tritt durch einen engen Schlitz, welcher parallel zur Stoßlinie 10 angeordnet ist. Es erscheint erforderlich, das magnetische Abschirmelement 28 stets einwandfrei zu erden, um die Bildung von unerwünschten Aufladungen zu vermeiden. Beim Stoßschweißen von Materialien wie Kupfer und Nickel entsteht eine mere Stranlableflkung, wenn der Strahl in das Material längs der Naht eindringt.

D09823/Ö487

Eine harmonische Auslenkung des Ladung^trägerStrahls int wesentlichen s enkrecht zur Naht mit einer; Frequenz von 60 Hz zusätzlich zur Anwendung des im Vorangegangenen beschriejjen^n Abschiraele-' " mentes beseitigt auch diese :imiereStra^ablen3ning·'

Bei Anwendung der Erfindung ist es tnöglich, unterschiedliche Werkstoffe ohne' Strahlablenkung mit Präzision" zu bearbeiten, insbesqndere zu versc.hwei.Gi en. Es können dabei^; auch Kupf er/liickel-StoßlinienschweiBungen an Werkstücken von etwa 2*5 cm IJickß mit dem. auf die gewünschten Schmelzzonen auf treffenden und in diese eindringenden Ladungsträgerstrahl ausgeführt werden*

Claims (12)

λ -Ζ : A 393 JL η s ρ r ü c h e

1." Vorrichtung zur Verhinderung der magnetischen Ablenkung eines zur Bearbeitung von Werkstücken verwendeten Ladungsträgerstrahles» insbesondere zum Schweißen von Werkstücken längs einer Stoßlinie,, dadurch g e k e η η ze i c h η e t , daß zwischen der Quelle (40) des Ladungsträgerstrahles (2) und den Werkstücken (A,B) in Abstand vor der Werks tücko"berflache ein magnetisches Abschirmelement (28) aus einem Werkstoff hoher magnetischer Permeabilität angeordnet ist, und daß der Ladungsträgerstrahl (2) auf die Werkstücke (1,3) durch eine Ausnehmung (30) in diesem Ibschirmelement (28.) von solcher Große hindurchtritt,' bei der nach den gegebenen magnetischen Feldstärken der Innenraum dieser; Ausnehmung (30) wenigstens annähernd feläfrei bleibt,

2· Vorrichtung nach Anspruch 1, dad u roh g ek e η η zeichnet , daß das magnetische Abschirmelement (28) ortsfest gegenüber dem Ladungsträgerstrahl (2) angeordnet ist.

3· Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e η η ζ e i ο h η ei t , daß das magnetische Abschirmelement (28) > ortsfest gegenüber den Werkstücken (A,B) angeordnet ist,

4· Vorrichtung naoh Anspruch 1_f dadurch g e k. e η η-a ei c kn Ii , daß der Ladungsträgerstrahl ein Elektronenstrahl ist«

f BAD OBlGlNAL

5. Torrichtung, nach einem oder mehreren der Torangegangenen Ansprüche, d a*d U f ö la ' g e kenn 2; e i c h η et, daß in einem Strahlapparat zur Bearbeitung von Werkstücken mit EiIf e von' Xadungs träger strahlen ein platt enlörmiges, netisohes Abschirmeiement. (28) dicht oberhalb der Werkstückoberfläche' angeordnet, ist, welches die Ausnehmung (30) zum Durchtritt "des Xadurij^trägerstrahles (2) aufweist und hinsichtlich seiner Permeabilität und Dicke so bestimmt ist, daß die magnetischen Streufeldlinien im wesentlichen innerhalb des plattenförmigen Abschirmelementes (28) mit geringem Widerstand geführt werden und den I$nenraum der Ausnehmung (30) feldfrei belassen. -

6. Vorrichtung nach Anspruch % da d u r c h g e k e n,n -ze i c h η e t , daß das plattenförmige, magnetische Abschirmelemet^t (28) aus einem ferromagnetischen Werkstoff besteht, v- ^:--■■'·'■ ". ;

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, iaduTC h'Vge k e η η ze lehnet , daß bei einer Dicke des plattenförmigen, magnetischen Abschirmelementes(28) in de> Größenordnung von 13 mm die lachte Weit ei der Ausnehmung (30) und der Abstaad des illat'tenförmigett, magnetischen Äbschirmelementes (28) von der Werkstückoberfläche in der Größenordnung von 6 ton liegen.

8· Vorrichtung nach Anspruch 1, daiu r 6 h· ge ken η -? ζ ei chi e t _t daE Steuerelemente vorgesehen sind, welche den Ladungsträgerstrahl (2) zusätzlich in einer harmonischen Bewegung, im wesentlichen senkreüht rsur Verbindungslitiie der

Werkstücke auslenkenV ^: / '■*'

-3-

9. Verfahren zur Durchführung in einer Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (30) zum Durchtritt des Ladungsträgerstrahls (2) von diesem während seines Bewegungsweges gebildet wird.

10. Verfahren zur Durchführung in einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der durch Stoßschweißung zu verbindenden unterschiedlichen Werkstoffe Kupfer ist.

1!.Verfahren zur Durchführung in einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der durch Stoßschweißung zu verbindenden unterschiedlichen Werkstoffe llickel ist.

12. Verfahren zur Durchführung in einer Vorrichtung nach Anspruch und 8, d a d u r c h gekennzeichnet , daß * die beiden durch-Stoßschweißung zu verbindenden Werkstücke aus Kupfer und Nickel bestehen. '

BAD

009 823/0487