DE1902547B2 - Elektronenstrahlschweißgerät - Google Patents

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)

Patentansprüche:

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.

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