DE1902547B2 - Elektronenstrahlschweißgerät - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Elektronenstrahlschweißgerät zum kontinuierlichen Stumpfschweißen großer
Werkstücke, bestehend aus einer ersten eväkuierbaren Kammer, in der die Elektronenkanone untergebracht ist
und die an eine Vakuumpumpe angeschlossen ist, an die sich eine zweite, zu den zu schweißenden Werkstücken
hin offene Kammer, die von dem Elektronenstrahl durchquert wird, anschließt, wobei diese zweite
Kammer am Rand ihrer Öffnung zum Werkstück hin mit einer flexiblen Dichtung versehen ist, die sich auf die
zu verschweißenden Werkstücke mit einer gleitfähigen Oberfläche anlegt.
Nach einem bekannten Verfahren zum Schweißen mittels Elektronenstrahlen wird ein Elektronenstrahlenbündel
erzeugt und unter Verwendung elektrostatisch oder elektromagnetisch wirkender Mittel konzentriert
auf die Schweißstelle gerichtet. Das Gerät und die Schweißstelle befinden sich in einer evakuierten
Kammer.
Sollen im Verhältnis zur Größe des Gerätes wesentlich größere Objekte geschweißt werden, z. B.
Reaktorschutzgehäuse, Raketen, Raketenabschußanlagen, Schiffe, Flugzeuge, dann nehmen die erwähnten
Kammern eine unvertretbare Größe an. Zwar macht die Herstellung derartiger Kammern keinerlei Schwierigkeiten,
aber der Zeitaufwand für das Evakuieren der Kammer erfordert zu viel Zeit. *>5
Daher benutzt man bei großen Objekten nach wie vor die Lichtbogenschweißung. Die Hetstellung V- oder
J-förmiger Nähte, die bei größeren Werkstückwandstärken entsprechenden Höhen der Schweißnähte nur
in Stufen hergestellt werden können, erfordert aber viel Bearbeitungsaufwand. Hinzu kommt der hohe Wärmeaufwand
für die Schweißungen, der auch unzulässige Temperaturspannungen in den geschweißten Werkstükken
hervorrufen kann.
Das dann notwendige Ausglühen des Werkstücks zur Beseitigung der Schweißspannungen und/oder die
Durchführung weiterer thermischer oder mechanischer Maßnahmen zum Ausgleich der Verziehungen ist
aufwendig.
Aus der US-PS 32 19 792 ist eine Elektronenstrahlschweißvorrichtung
mit wandernden Dichtungsbälgen bekannt Bei dieser bekannten Vorrichtung schließt sich
an die evakuierbare Unterdruckkammer der Elektronenkanone eine zweite Kammer an, die in einen ersten
Unterdruckraum und einen koaxial sowie radial zu diesem gelegenen zweiten Unterdruckraum unterteilt
ist, die beide mit einer Vakuumpumpe verbunden sind. Diese bekannte Schweißvorrichtung kann nicht kontinuierlich
sondern nur schrittweise weiterbewegt werden. Hierzu muß abwechselnd in den beiden Unterdruckräumen
ein Druckausgleich mit der Umgebung — für den AuSenraum mit der Atmosphäre und für den
Innenraum mit dem Außenraum — durch Einleiten von Helium herbeigeführt und danach die betreffende
Kammer wieder durch die Pumpe evakuiert werden. Das abwechselnde Aufheben des Unterdrucks in den
Unterdruckräumen und deren erneutes Evakuieren ist zeitraubend und verzögert den Schweißfortschritt,
erfordert außerdem kostspieliges Helium und eine aufwendige Steuerung.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht in der Schaffung eines Elektronenstrahlschweißgeräts,
das auch zur Schweißung größerer Werkstücke geeignet ist und eine stetige Weiterbewegung während
des Schweißens ermöglicht, ohne daß ein Druckwechsel, verbunden mit erneutem Evakuieren der Kammer,
stattfindet.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß für ein Elektronenstrahlschweißgerät der eingangs
genannten Gattung die im Anspruch I angegebenen Merkmale vorgeschlagen.
Mit dem Gerät durchgeführte Versuche bestätigen, daß bei einem Unterdruck von 10~' Torr in den durch
die Dichtungen abgegrenzten Räumen die Schweißung ebenso gute Ergebnisse erbringt, als wenn sich das
Werkstück und das Elektronenstrahlschweißgerät in einer evakuierten Kammer befänden, die unter einem
Unterdruck von mindestens 10~4 Torr steht. Es hat sich weiter ergeben, daß mühelos Kesselnähte geschweißt
werden können, deren Durchmesser bis zu 12 m beträgt, wobei die Wandstärke 25 mm und mehr aufweisen kann.
Die Schweißungen sind auch unabhängig von der Profilierung der Werkstücke. Es ist lediglich erforderlich,
die Führungswerkzeuge für das Elektronenstrahlschweißgerät der Formgebung der herzustellenden
Schweißnaht genau anzupassen, damit komplizierte Schweißnahtverläufe bei Objekten bisher nicht beherrschbarer
Größe mit einer Güte der Schweißung durchgeführt werden können, die der in einer
hochevakuierten Kammer entspricht.
Bildet man die Dichtungen ringförmig, ringelliptisch oder sonstwie in sich geschlossen aus, wobei sie dei
Formgebung und Erstreckung des beschränkt ausgewählten Bereichs der Schweißstelle nach Verlauf, Lage
und Länge angepaßt sind, so wird praktisch jede Zutrittsmöglichkeit der Atmosphäre verhindert. Dem
gleichen Zwecke dient es auch, wenn die Dichtungen druckmittelerfüllbare Hohlräume aufweisen. Mittels des
Druckmittels, beispielsweise mittels in die Dichtungshohlräume eingeführter Preßluft, können die Dichtungsdrücke auf jeden gewünschten Wert gebracht werden,
was sich dann besonders günstig auswirkt, wenn der beschränkt ausgewählte Schweißstellenbereich eine
verhältnismäßig große Länge besitzt, so daß die Halterungen für die Dichtung ein entsprechend hohes
Gewicht annehmen. In diesem Falle können die Drücke in den Dichtungen ohne weiteres auf einen Wert
gebracht werden, bei dem die Dichtungen ihrerseits die Halterungen gegen deren Gewicht festlegen, so daß es
nicht erforderlich wird, besondere Abstützungsvorrichtungen für die Halterungen vorzusehen.
In den meisten Fällen sind an die Schweißstellen angrenzende Flächen des Werkstücks und natürlich
diejenigen des Geräts schon aufgrund der Bearbeitung völüg eben und glatt, so daß mit den üblichen
elastischnachgiebigen Dichtungswerkstoffin auszukommen ist. Besonders geeignet sind jedoch Dichtungen
aus Silikonkautschuk, da sie vakuumsicher auszubilden sind. Sollte eine der Stellen, an denen Dichtungen
anzuordnen sind, im Gegensatz zur üblichen ebenen und glatten Ausführung unregelmäßig ausgebildet und/oder
rauh sein, so macht es keine Schwierigkeiten, die Dichtungen an Stellen zu verlegen, die den gewünschten
ebenen und glatten Verlauf haben. Dabei kann die Hauptdichtung bis in die unmittelbare Nähe des
Elektronenstrahlenbündels verlegt werden; solange die Dichtung von dem Bündel nicht unmittelbar getroffen
wird, besteht keine Gefahr des Auftretens von Beeinträchtigungen, insbesondere keine Gefahr einer
Verschmutzung der Schweißnähte. Zum gleichen Zwecke könnten auch zusätzliche Dichtungskörper,
insbesondere in Form von Dichtungsbändern, benutzt werden, um die erforderliche Abdichtung herzustellen.
Es bereitet keine Schwierigkeiten, in den durch die Dichtung begrenzten Haupt-, Hilfs- und/oder Zusatzkammern
ein Vakuum von 13,33 Pa aufrechtzuerhalten. Dabei ist von einem Hochvakuum an der Elektronenstrahlenerzeugungsstelle
von mindestens 0,01333 Pa ausgegangen worden, das aber auch bis zum Werte von 0,001333 Pa und darüber gesteigert sein könnte, ohne
daß es durch Auftreten des geringeren Vakuums in den Haupt-, Hilfs- und Zusatzkammern gestört werden oder
gar zusammenbrechen würde.
Sofern die Schweißkanten dicht aneinarderiiegen,
kann auf zusätzliche die Schweißnaht abdichtende Mittel verzichtet werden. Sofern dies jedoch nicht
gewährleistet ist, ist die Anordnung einer dritten evakuierbaren Kammer an der zweiten Kammer
gegenüberliegenden Seite des Werkstücks im Bereich der Schweißnaht empfehlenswert, die an der Berührungsfläche
mit dem Werkstück ebenfalls flexiDle, gleitfähige Dichtungen aufweist.
Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele, gemäß der Erfindung, die nachfolgend beschrieben werden.
F i g. 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Gerät,
F i g. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Geräts für die Schweißung einer Rundnaht zwischen
einem Kesselschuß großen Durchmessers und einem Kesselboden, und
F i g. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für Schweißungen großflächiger Bleche.
Das Gerät in der Ausführung gemäß F i g. 1 ist für die
Herstellung einer Stumpfschweißung der starkwandigen Blechteile 20 ausgelegt, zwischen denen die
Stoßfuge 30 auftritt, die auf ihrer gesamten, durch die Blechstärke gegebenen Höhe durch eine Schweißnaht
zu schließen ist, wobei die geräteseitigen Schweißnahtkanten mit 29, die geräteabgewandten Schweißnahtkanten
mit 34 bezeichnet sind. Das als Ganzes mit 1 bezeichnete Elektronenstrahlschweißgerät enthält die
Heizfadenanordnung 9, die Kathode 10 und die Anode 11, in der die Elektronenstrahlen konvergieren, wie bei
31 angedeutet ist Aus der Anodenöffnung tritt ein divergierendes Elektronenstrahlenbündel aus, das unter
der Wirkung der richtend und verdichtend wirkenden Anordnung 16 aus elektromagnetischen Spulen konvergierend
auf eine Fläche nahezu punktförmiger Ausdehnung
trifft Die Emissionsquelle 9, die Kathode 10 und die Anode 11 liegen dabei in einem Raum, der unter
einem Hochvakuum von mindestens 1333 Pa bis zu
0,001333 Pa steht, welches von einer nicht dargestellten, über den Anschluß 12 angeschlossenen Hochvakuum-Diffusionspumpe
Pi erzeugt wird
Der Unterteil des Elektronenstrahlschweißgeräts 1 ist
nach Art eines verfahrbaren Wagens 32 mit Rollen 17 und Rollenschienenführungen 33 ausgebildet. Mittels
der Anordnung 17, 32, 33 kann das gesamte Elektronenstrahlschweißgerät 1 längs der Schweißnahtkanten
29 oberhalb der Schweißnaht 30 so verfahren werden, daß das Elektronenstrahlbündel die Schweißnahtkanten
29 auf ihrer in Bewegungsrichtung liegenden Längserstreckung in punktweise folgender Aneinanderreihung
bestreichen und hierbei zur Durchführung von Vor- und Hauptschweißungen benutzt werden
kann.
Der nach Art eines verfahrbaren Wagens ausgeführte Unterteil 32 des Geräts trägt zunächst die Hauptdichtung
19, die als Ringwulst ausgebildet ist, dessen Kopfstück in einer Nut oder in einer sonstigen
Ausnehmung (Rücksprung) des Unterteils 32 aufgenommen ist, so daß dieser Teil die Halterung der Dichtung
19 bildet. Dadurch grenzt die Dichtung 19 in Verbindung mit dem Werkstück 20 (29, 30, 34) und mit
angrenzenden Teilen des Wagens 32 eine im Verhältnis zu den Dimensionen des Objekts 20 sehr kleine
Kammer 43 ab, die über den Pumpenanschluß 13 der Einwirkung einer selbst nichtgezeichneten Pumpe P2
aussetzbar ist, die in der Lage ist, im Räume 43 ein Vakuum in der Größenordnung von etwa 13,33 Pa zu
erzeugen und aufrechtzuerhalten. Ein Durchbruch der Atmosphäre selbst ist umsoweniger zu befürchten, als
der Ringdichtung 19, bestehend beispielsweise aus Silikonkautschuk, der auch noch aufblasbar sein könnte,
eine zweite Dichtung 18 zur Atmosphäre hin vorgeordnet ist, die dadurch in Verbindung mit dem Werkstück
20 und den übrigen Teilen des Wagens 32 eine Vorkammer 42 verhältnismäßig kleinen Rauminhalts
begrenzt, die über den Pumpenanschluß der Wirkung einer nicht dargestellten Vakuumpumpe Pz ausgesetzt
ist. Diese Pumpe P3 hält im Räume 42 das Vakuum in
derselben Höhe aufrecht, die im Räume 43 herrscht, so daß die Dichtung 19 druckentlastet ist oder bei Druckschwankungen
wenigstens im -wesentlichen druckentlastet ist. Selbst wenn durch eine Unvollkommenheit
der Dichtung 18 Luft eindringen würde, würde letztere aus der Kammer 42 durch Pumpe Pi sofort
abgesaugt, ohne daß die Möglichkeit eines Zutritts zur Arbeitsstelle 29 besteht.
Eine zusätzliche Sicherung 22 ist in einer hierzu vorgesehenen Fassung 21 so aufgenommen, daß auch
durch die Schweißnaht 30 jede Zutrittsmöglichkeit
atmosphärischer Luft unterbunden ist. Die Fassung 21 bildet einen Hohlraum 41, der durch die Dichtung 22, das
Werkstück 20 und durch die an den Hohlraum angrenzenden Wandungen der Fassung 21 gegen die
Atmosphäre abgekapselt ist. In diesen Hohlraum 41 mündet außerdem der Evakuierungsstutzen 15 ein, der
an eine Saugpumpe Pa angeschlossen ist. Diese
Saugpumpe unterhält im Räume 41 ebenfalls ein Vakuum, zweckmäßig in der Größenordnung von
13,33 Pa oder etwas größer, so daß also auch zwischen den Kammern 41 und 43 im wesentlichen Druckausgleich
herrscht.
Wird der Wagen 32 im Verhältnis zum Werkstück oder wird, was auch in Betracht zu ziehen ist, das
Werkstück relativ zum Elektronenstrahlschweißgerät 1 verschoben, so kann zunächst eine Schweißnaht
hergestellt werden, die sich nicht auf die gesamte Tiefe der Stoßfläche 30 erstreckt, sondern zunächst auf einen
Bruchteil dieser Tiefe beschränkt wird, der dazu ausreicht, die an die Fuge 30 angrenzenden Werkstückteile
im Verhältnis zueinander vorläufig festzulegen. Erst wenn auf diese Weise der Wagen 32 auf eine
größere, gegebenenfalls über die gesamte Länge der Schweißnahtkanten 29 verschoben worden ist, so daß
die Werkstückteile 20 über die fixierende Schweißnaht vereinigt und dadurch im Verhältnis zueinander
unverschiebbar festgelegt sind, wird die Schweißung fortgeführt und auf die gesamte Tiefe der Stoßfuge 30
ausgedehnt Das ermöglicht die Anwendung zunächst nur kleiner Schweißströme und verhindert Lageveränderungen
oder Verziehungen der Werkstückteile.
Vor- und Hauptschweißung können mit den für Elektronenstrahlschweißgeräte üblichen Geschwindigkeiten
dadurch hergestellt werden, daß im Oberteil des Elektronenstrahlschweißgeräts ohne Schwierigkeiten
und Umstände das übliche Hochvakuum herzustellen und aufrechtzuerhalten ist. Es können also die
bekannten Vorteile der Elektronenstrahlschweißung in vollem Ausmaß verwirklicht werden. Andererseits kann
das Werkstück 20 jede praktisch in Betracht kommende Ausdehnung besitzen, ohne daß sich grundsätzliche
Schwierigkeiten einstellen. Eine Kammer, die früher zur Einkapselung des zu schweißenden Werkstücks und des
Elektronenstrahlenerzeugungsgeräts 1 erforderlich war, fällt weg, so daß der Elektronenstrahlschweißung
Anwendungsgebiete erschlossen werden, auf denen sie bisher undurchführbar war.
F i g. 2 läßt erkennen, wie die Gesamtanordnung für den Fall aussieht, daß eine Schweißnaht zwischen dem
starkwandigen Kesselboden 23 und dem Kesselschuß 24 hergestellt werden soll. In diesem Falle ist in der Achse
des herzustellenden, hohlzylindrischen Werkstücks 23, 24 die Mittelsäule 35 vorgesehen, die über den kräftigen
Ausleger 36 das Elektronenstrahlschweißgerät 1 trägt. Dieselbe Mittelsäule 35 kann auch benutzt werden, um
alle übrigen, zugehörigen Neben- und Hilfsteile zu tragen, beispielsweise die zur Herstellung des Hochvakuums
zu benutzende Diffusionspumpe 26, die Verteilungsanordnung 27 und die mechanisch wirksamen
ίο Pumpen 28 und 37, die benutzt werden sollen, um
innerhalb der abgedichteten Räume die vorher im einzelnen erwähnten, geringeren Vakua in der angegebenen
Größenanordnung von rund 13,33 Pa herzustellen. Zweckmäßig wird der Stahlstreifen 45 benutzt, um
mit Hilfe der Dichtungsbänder 40 den kleinen Ringraum 41 abzudichten, der dem Räume 41 nach F i g. 1
entspricht und die gleiche Wirkung wie dieser hat. Dem Räume 41 gegenüber liegt ein durch die Dichtung 38
abgedichteter Raum 46, der dieselbe Wirkung hat wie der Raum 43 nach F i g. 1. Zur Halterung der Dichtung
38 dient die Fassung 44. Eine der Dichtung 18 nach F i g. 1 entsprechende, zur Entlastung der Dichtung 38
dienende Dichtung kann fehlen, da bei der zentrierenden Anordnung der Säule 35 und infolge der
vorhandenen glatten, bearbeiteten Flächen von einer derartigen Entlastung abgesehen werden kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 handelt es sich um die Herstellung von Schweißnähten in Blechen
sehr großer Flächenausdehnung und Stärke. Das Elektronenstrahlschweißgerät ist wieder mit 1 bezeichnet.
Es ist gemeinsam mit der Pumpenanordnung 2 auf dem verfahrbaren Querausleger 3 angeordnet, der in
den Führungen 4 gleitet Der Querausleger 3 ist außerdem als Ganzes vertikal verfahrbar, und zwar mit
■!5 Hilfe einer Mittelspindel, die durch einen steuerbaren
Motor angetrieben ist
Das Werkstück 5, dessen Schweißfuge in der Bewegungsrichtung des Auslegers 3 verläuft, ist über die
Zwischenplatte 6 auf den Tisch 8 aufgelagert. Auch eine derartige Anordnung dient zweckmäßig zur Herstellung
einer Hilfsschweißnaht, über die die Fixierung der Blechteile im Verhältnis zueinander auf der gesamten
Länge der Verbindungsstelle bewirkt wird. Für den Fall, daß die Schweißnaht geschlossen und beispielsweise
kreisförmig verläuft, ist außerdem ein die Vertikalführung aufnehmender Drehtisch vorgesehen, der mit Hilfe
eines Motors und eines entsprechenden Übertragungsgetriebes so verdreht werden kann, daß peripher
verlaufende Schweißnähte hergestellt werden können.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Elektronenstrahlschweißgerät zum kontinuierlichen Stumpfschweißen großer Werkstücke, bestehend
aus einer ersten evakuierbaren Kammer, in der die Elektronenkanone untergebracht ist und die an
eine Vakuumpumpe angeschlossen ist und eine an diese sich anschließende zweite, zu den zu
schweißenden Werkstücken hin offene Kammer, die von dem Elektronenstrahl durchquert wird, wobei ι ο
diese zweite Kammer am Rand ihrer Öffnung zum Werkstück hin mit einer flexiblen Dichtung versehen
ist, die sich auf die zu verschweißenden Werkstücke mit einer gleitfähigen Oberfläche anlegt, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite Kammer (42, 43) an ihrer offenen Seite durch zwei koaxiale, mit
radialem Abstand voneinander angeordnete gleitfähige Dichtungen (18, 19) in zwei gegeneinander
abgedichtete, jeweils an eine Unterdruckquelle (P3, P2) angeschlossene Räume (42,43) unterteilt ist
2. Elektronenstrahl-Schweißgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruck
in der ersten Kammer 0,01333 Pa und in der Nähe der Schweißstelle 13,33 Pa beträgt.
3. Elektronenstrahl-Schweißgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine
dritte, an einer Unterdruckquelle (P4) angeschlossene Kammer mit ihrer offenen, eine flexible,
gleitfähige Dichtung aufweisenden Seite an der der zweiten Kammer (42, 43) gegenüberliegenden Seite
der Werkstücke (20) angeordnet ist.
4. Elektronenstrahl-Schweißgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruck
der dritten Kammer(31) !3,33 Pabeträgt.
35
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8263 | Opposition against grant of a patent | ||
8235 | Patent refused |