DE1953687A1

DE1953687A1 - Verfahren zum Regeln der Fokussierung beim Elektronenstrahlschweissen

Info

Publication number: DE1953687A1
Application number: DE19691953687
Authority: DE
Inventors: Marcel Boncoeur; Jean-Yves Marhic; Michel Rapin
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1968-10-25
Filing date: 1969-10-24
Publication date: 1971-05-13
Also published as: NL6915989A; FR1593088A; LU59665A1; GB1259146A; DE1953687C3; GB1246528A; DE1953686B2; CH514390A; NL6915990A; LU59685A1; CH514391A; DE1953687B2; BE740163A; US3627971A; FR2050701A6; FR1588067A; DE1953686A1; US3626144A; BE740164A

Description

DR. HANS ULRtOH MAY D S MÖNCHEN S, OTTOSTRASSE 1 a TELEGRAMME: MAYPATENT MÜNCHEN TELEFON COSH} Οβ3β82

Β·2948.3 PP CP 314-791

München, 24· Oktober 1969 Dr.M./raj

Commissariat ä 1*Energie Atomique, Paris/Frankreich Verfahren zum Regeln der Fokussierung beim Elektronenstrahl -

schweißen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren turn Regien der Fokussierung beim Elektronenstrahlschweißen, das gleichzeitig das Peststellen bzw. Aufsuchen der verschiedenen Schweißparameter ermöglicht.

Eine vichtige und schwierige Aufgabe liegt beim Elektronenstrahlschweißen darin, eine Schveißung mit gegebenen Eigenschaften zu reproduzieren« Um zvei identische Schveißungen an zwei etvas auseinander liegenden Tagen mit ein und demselben Elektronenstrahl« erzeuger auszuführen, muß man die verschiedenen Schweißparameter genau reproduzieren. Insbesondere ist es unbedingt erforderlich, daß der Einschnürungsquerschnitt oder Hals des Elektronenbündels wieder genau die gleiche Lage bezüglich der Oberfläche des zu behandelnden Werkstücks oder Auffängers einnimmt. Andererseits aber verändern sich die Kenneigenschaften des Slektronenstrahlerzeugers im zeitlichen Verlauf rasch« sodaß die Gefahr besteht, daß für einen gleichen durch die elektromagnetische Fokussierung»·

109820/0169

BAD ORIGINAL

spule gehenden Fokussierungsstrom der Einschnürungsquer schnitt des Bündels nicht mehr die gleiche Stellung einnimmt, sodaß die erhaltenen Schweißnähte verschieden sind. Man kann sich daher nicht damit zufrieden geben, dem Elektronenstrahlerzeuger die gleiche Stellung bezüglich des Auffängers zu geben, und es ist erforderlich,die Lage des Einschnürungsquerschnitts genau zu orten. Nachdem bisherigen Verfahren versucht man, durch Experimente und empirisch den Einschnürungsquerschnitt auf die Oberfläche des zu schweißenden Werkstücks oder Auffängers einzustellen. Zu diesem Zveck stellt der Experimentator eine Schmelzlinie auf einem Auffänger gleicher Zusammensetzung vie das zu schweißende Stück her. Die vom geschmolzenen Metall ausgesandten Dämpfe werden im EleWronenstrahlbündelionisiert, das sich färbt und sichtbar wird. Der Experimentator stellt den Fokussierungsstrom so ein, daß der Einschnürungspunkt des Bündels auf die Oberfläche des Auffängers eingestellt wird.

Ein solches Verfahren ist empirisch_/und seine Genauigkeit hängt von der Geschicklichkeit und dem Können des Experimentators, derArt des zu schweißenden Metalls, der für das Schweißen eingesetzten Leistung usw. ab, sodaß die Reproduzierbarkeit der Schweißungen nicht gegeben sondern vom Zufall abhängig ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, diese Nachteile zu beheben und eine Regelung der Fokussierung zu ermöglichen. Die Erfindung beruht auf dem im folgenden dargelegten Prinzip und geht für die gewünschte Regelung aus von einer graphischen Registrierung.

Angenommen ein Elektronenstrahlbündel, dessen sämtliche Eigenschaften, außer der Fokussierung, als unveränderlich angenommen

109820/Q869

!AVH^rri', GAG BAD ORIGINAL

verden, trifft auf einen metallischen Auffanger bekannter Zu-. sammensetzung, so kann dieser Auffänger sich erhitzen oder bei Raumtemperatur verbleiben, je nachdem er gekühlt vird und je nach der Größe der Energiezufuhr durch die vom Elektronenstrahlerzeuger gelieferten Elektronen.

Wenn die Bedingungen so sind» daß sich der Auffänger nicht ervärmt, schlagen die einfallenden Elektronen auf dem Auffänger auf und dringen in das Metall ein« Einige Elektronen bleiben dort fixiert, vährend andere austreten; dies sind einerseits die mit hoher Energie zurückgestreuten Elektronen und andererseits die Sekundärelektronen mit einer Energie unter

Fig. 1 faßt diese Bedingungen zusammen und zeigt, daß der durch das Werkstück 1 gehende Strom I_p gleich der Differenz zwischen dem vom Elektronenstrahlerzeuger 2 gelieferten auftreffenden Strom I_b und den auf die Sekundärelektronen e_s und die zurtickgestreuten Elektronen e_p zurückgehenden Strömen I₈ und I₇ ist; es gilt daher:

Die Erfahrung zeigt, daß der Strom I_p unabhängig vom Fokussierungsstrom praktisch Konstant bleibt.

Wenn dagegen die Bedingungen so sind, daß sich der Auffänger erhitzt und unter dem Aufprall der vom.Elektronenstrahlerzeuger herkommenden Elektronen schmilzt, vird dieser Auffänger zu einem Thermoelektronenstrahler und sendet thermische Elektronen e_t von geringer Energie aus, die aus de« Metall austreten (Fig.2). Der Strom im Werkstück 1 hat daher den Wert*

¹P ^s *b * <V ¹S ⁺ *t>·

109820/0869

BAD

vobei I_t der von den thermischen Elektronen gelieferte Strom und I_r gleich ni_b ist, vor in η den Rucks treuungsfak tor für das betrachtete Metall bedeutet.

Die Thermoelektronenemissxon unterliegt dem Gesetz von Richardson-* Dushmann, wonach für ein gegebenes Metall der Strom thermischer Elektronen sich mit der Temperatur und -der Oberfläche des abstrählenden Auffängers verändert. Andererseits verändern sich bekanntlich die Tiefe und Breite der geschmolzenen Zone und damit die abstrahlende Oberfläche sowie die Temperatur des flüssigen Bades mit der Fokussierung des Elektronenstrahlbündels. Infolgedessen hängt I_t von dieser Fokussierung ab.

Außerdem verändern sich die I_r und X mit der Form, dem Zustand der Oberfläche des Auffängers und dem Einfall der Elektronen, und da die Oberfläche des Auffängers unter dem Aufprall der Elektronen dauernd und in einem von der Fokussierung des Bündels abhängenden Wert deformiert vird, folgt, daß 1 und I_r ebenfalls von der Fokussierung abhängen.

Schließlich muß die Stromstärke I_ vom Fokussierungstrom Iß abhängen, vas durch die Erfahrung bestätigt vird.

Die Erfindung bedient sich der Aufzeichnung der Kurve I_p = f(l£).

Genau gesagt schlägt die Erfindung zur Lösung der gestellten Aufgabe ein Verfahren zum Regeln der Fokussierung beim Elektronenstrahlschweißen vor, das sich dadurch auszeichnet, daß die Kurve I « f (Ip) unter den gewählten Schveißbedingungen, d.h. bei gut definierten Schweißparametern und insbesondere festgelegter Geschwindigkeit der Veränderung des Fokussierungsstroms, registriert vird, die Werte des Fokussierungsstroms für einerseits eine der

109820/0869 BAD ORIGINAL

charakteristischen Spitzen dieser Kurve und andererseits die erste hergestellte Schweißung festgestellt werden, zur Reproduktion der Schweißung die Kurve unter den gleichen Bedingungen wieder aufgezeichnet wird, der Fokussierungsstrom der gewählten charakteristischen Spitze festgestellt und das Elektronenstrahlbündel defokussiert wird, indem der Fokussierungsstrom um einen Wert gleich der Differenz zwischen den beiden bei der ersten Schieißung festgestellten Strömen verändert wird.

Weitere Eigenschaften und Vorteil der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, die nur als Beispiel einer Ausführungsform der Erfindung erläutern.
Es zeigen:

Die Figuren 1 und 2 schematisch die Verteilung der verschiedenen Ströme, wie oben erläutert für den Fall, daß sich der Auffänger nicht erwärmt, bzw. daß er unter dem Aufprall der Elektronen des ELektronenstrahlerzeugers schmilzt; Fig. 3 schematisch eine Vorrichtung zur Regelung der Fokussierung

nach dem erfindungsgemäßen Verfahren; Fig. 4 eine Kurve der Veränderung des im Auffänger fließenden

Stroms I- in Abhängigkeit vom Fokussierungsstrom 1^; Fig· 5 eine Kurve entsprechend der der Fig. 3t worin jedoch schematisch die Querschnitte der bei verschiedenen Fokussierungen erhaltenen Schweißungen angegeben sind.

In Fig. 3 besitzt eine zum Elektronenstrahlschweißen verwendete Vorrichtung bekannter Art ein Registriergerät 5 zur Aufzeichnung der Kurve von I in Abhängigkeit von I_£- Die Vorrichtung besitzt in bekannter Weise eine Fokussierungsspule 3» während mit.4 ein Isolator bezeichnet ist. Als Elektronenstrahlerzeuger wird ein

109820/0869

^! BAD ORfGINAL

solcher nach Pierce verwendet.

Man hält konstant den Beschießungsstrom I_b, die Elektronenbeschleunigungsspannung U₁ den Abstand H zwischen dem Werkstück 1 und dem Elektronenstrahlerzeuger 2 sowie die Schweißgeschwindigkeit ν.. Verändert wird mit konstanter Geschwindigkeit der Fokus sierungs strom Ip, und man registriert die Kurve I ■ £(i_£) am Registriergerät 5« Fig. 4 zeigt, daß sich der Strom L, kontinuierlich in Abhängigkeit von I_f verändert.

Die Kurve der Fig. 4 vurde für folgende Werte der verschiedenen Parameter erhalten«

X^ft-viifiÖ' mA, U e 26,5 kV, V β 36 mm/min, und H = 9.5 cm; das behandelte Stück bestand aus Flußstahl.

Für einen Auffänger von gegebener Art und Form und für, abgesehen von der Fokussierung^konstante Werte der Parameter des Elektronen-Strahlbündels ist die am Registriergerät 5 erhaltene Kurve stets bis auf einige Prozent die gleiche, und die den Extremwerten der Spitzen entsprechenden Werte sind praktisch feststehend und kennzeichnend für den Fokussierungsstrom Ip, vobei die Schwankungen der Abrissen werte unter den Bedingungen der durchgeführten Untersuchungen und nach der gewonnenen Erfahrung stets unter 1% lagen. .

Die Untersuchungen haben gezeigt» das eine Beziehung zwischen den Abmessungen der Schweißnähte und den am Registriergerät 5 erhaltenen Kurven besteht.

Die Kurve I₀ ■ f(lp) wurde für eine Geschwindigkeit O der Veränderung von l_£, d.h. Punkt £V& Punkt aufgezeichnet. Man führt Scha·!»linien £Ur verschiedene Werte dieses Fokussierungsstrom· aus» wobei alle anderen Schweißparameter konstant bleiben.

109820/0869

Die durchgeführten Versuche zeigen, daß die Maxima und Minima der Kurven charakteristischen Abmessungen der Schweißnähte entsprechen. Es sei bemerkt, daß die für Punkt für Punkt aufgezeichntet Kurve I « f Cljp) praktisch mit der durch kontinuierliche Veränderung von Ip erhaltenen Kurve zusammenfällt, wenn die Geschwindigkeit der Veränderung des FoKussierungsStroms gering ist.

Fig· 5 zeigt die im Fall einer kontinuierlichen und langsamen Veränderung des Pokussierungsstroms erhaltene Kurve I « f (l_£)i vobei der Auffänger aus Flußstahl bestand. In dieser Figur sind schematisch die Querschnitte der bei verschiedenen Fokussferungen erhaltenen Schweißnähte angegeben.

In erster Annäherung erhält man die folgenden Ergebnisse:

1. Auf den Zweigen AB und DB der Kurve erfolgt das Schmelzen des Metalls des Auffängers durch Leitung, und die geschmolzene Zone ist ebenso breit wie tief. Auf den Zweigen BC und CD ist die geschmolzene Zone nageiförmig; außerhalb A und E ist die Tiefe der geschmolzenen Zone zu vernachlässigen.

2. Die tiefste Schweißung wird für die dem Punkt C entsprechende Fokussierung erhalten (das ist beispielsweise der Fall einer Zapfenschweißung)·

3. Auf dem Zweig CD verändert sich die Tiefe der Schweißnähte erheblich, und es erscheinen Lunker» Die regelmäßigsten Schweißnähte werden auf dem Zweig BC erhalten.

4· Die Gestalten der Kurven verändert sich mit der Atomzahl desAuffängers, sodaß die Kurven und Formen der Schweißnähte mindestens einmal für jedes Metall oder jede Legierung verglichen werden müssen, womit die Beziehungen dann festliegen.

109820/0869 BAD

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, daß es sich unnittelbar undjunabhängig von der Geschicklichkeit des Ausführenden und den Schweißparametern durchführen läßt. Die Messgenauigkeit ist stets besser als * 1 %.

Die verschiedenen Parameter des. Blektrönenstrahlbündels _f vie die Intensität des Beschüsses» die Elektronenbeschleunigungsspannung und die Abstände zvischen dem Elektronenstrahlerzeuger und dem Auf fänger usw., haben einen Einfluß auf die Form der von Registriergerät 5 gelieferten Kurve oder die Lage der Spitzen, jedoch zeigt sich praktisch die Auswirkung dieser Parameter nur bei erheblichen Veränderungen (zufälligen Irrtümern, Zvischenfallen beim Betrieb usw.)·

Das exßndungsgemäße Verfahren ermöglicht die unmittelbare Peststellung von zufälligen und vesentliehen Veränderungen eines Schweißparameters, da sich dann die Spitzen bei den verschiedenen vorgenommenen Registrierungen verschieben oder die Form der Kurve sich verändert.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ferner die unmittelbare Feststellung der Bereiche des Fokussierungsstroms, die eine bestimmte Form der Schweißnaht liefern, diejunmittelbare Bestimmung der Fokussierung, welche für die gewählten Schweißparameter die tiefrte Schweißung liePert, und die unmittelbare Feststellung des Bereichs des Fokussierungsstroas, der Schweißnähte mit dem Minimum an Fehlern und einer regelmäßigen Tiefe liefert.

109820/0869 BAD ORfG^AlT °

Claims

Patentanspruch ■ '

Verfahren zum Regeln der Fokussierung beim Elektronenstrahlschweißen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurve I « JP (Ip) unter den gewählten Schveißbedingungen, das heißt bei gut definierten Schveißparametern und insbesondexs gut definierter Geschwindigkeit der Veränderung des FokussierungsStroms, registriert wird, di· Werte des Fokussierungsstroms Ip für einerseits kennzeichnende Spitzen dieser rurve und andererseits die erste hergestellte : Schveißung fesgestellt verden, zur Reproduktion der Schveißung di^£ürve unter den gleichen Bedingungen nachgezeichnet wird, der F^kussierungsstrora der gewählten charakteristischen Spitze festgestellt und das Elektronenstrahlbündel defokussiert vird, indem der: Fokussierungsstrom Ip umeiaen Wert gleich der Differenz zwischen den beiden bei der ersten Schveißung festgestellten Strömen verändert wird. ·

109820/0869

BAD ORIGINAL