DE2122059B2 - Elektronenstrahlschweiß verfahren - Google Patents

Description

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 von der genauen Kreisform oder einer genau zentribis4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertei- sehen Lage der miteinander zu verschweißenden lung der Strahlenergie über den Strahlquerschnitt Rohrabschnitte in der Praxis unvermeidlich. Dies gilt in Vorschubrichtung für den Elektronenstrahl insbesondere dann, wenn es sich um Rohre von gröeiner unstetigen Kurve folgt (F i g. 7 b). 45 ßerem Durchmesser handelt, die unmittelbar auf

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 einem Montageplatz wie einer Baustelle, einer Werft bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der in der oder einer ähnlichen Arbeitsstätte mir relativ rohen Verteilung der Strahlenergie über den Strahlquer- Arbeitsbedingungen miteinander verbunden werden schnitt unterschiedlich gehaltene Elektronen- sollen.

strahl von einer einzigen Elektronenkanone gelie- 50 Zur Abhilfe «st bereits vorgeschlagen worden, der

fert wird, die ein oder mehrere getrennte Bündel Elektronenstrahlschweißung für die Herstellung der

abgibt(Fig. 16, 17). endgültigen und beständigen Schweißnaht ein Vor-

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 verfahren vorzuschalten, bei dem beispeilsweise mit bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Hilfe von Lichtbogenschweißung mit oder ohne Verteilung der Strahlenergie über den Strahlquer- 55 Schutzgasatmosphäre zusätzliches Material in die schnitt unterschiedlich gehaltene Elektronen- Schweißnaht eingebracht werden kann. Eine derarstrahl von mehreren Elektronenkanonen geliefert tige zweistufige Arbeitsweise ist jedoch wesentlich wird, die jede ein eigenes Bündel abgeben unwirtschaftlicher als ein in einem einzigen Arbeits-(Fig. 18, 19). gang durchführbares El-.ktronenstrahlschweißverfah-

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ⁶° ren, und außerdem lassen sich bei einer solchen gekennzeichnet, daß die Aufprallzonen der Elek- zweistufigen Arbeitsweise die dem Elektronenstrahltronenstrahlbündel voneinander getrennt sind schweißverfahren eigenen Vorteile einer Schweißnaht (F ϊ g. 15 a). hoher Qualität und Zuverlässigkeit nicht mit der

10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, da·- wünschenswerten Sicherheit gewährleisten.

durch gekennzeichnet, daß die Aufprallzonen der 65 Aus der DT-AS 1100 835 ist weiter eine Einrich-

Elektronenstrahlbündel sich teilweise überdecken tung zum Fräsen von Profilen, zum Schneiden von

(Fig. 15b,c). Schablonen oder zum Bohren von Düsenkanälen

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 mittels eines Ladungsträgerstrahles bekannt, bei dem

efo Ladungsträgerstrahl längs einer vorgegebenen Profillinie Über das zu bearbeitende Werkstück geföbrt wird und dabei eine nacb einem festen Vorbild über die Werkstücktiefe variierende Strahlquergcbnittsform aufgeprägt erhält. Mit Hilfe von Blen- den, die vom Ladungsträgerstrahl zu durchlaufen sind, kann dabei eine Intensitätsverteilung an der Bearbeitungsstelle am Werkstück erzielt werden, die über die Werkstücktiefe ungleichförmig gehalten ist, um eine gleichförmige BearbeUungstemperatur über ια die gesarate Bearbeitungsfläche zu erbalten.

Bekannt ist weiter eine Vorrichtung (DT-AS 1043 527) zur Erzeugung einer geforderten, insbesondere homogenen Intensitätsverteilung einer Strahlung von Ladungsträgern, bei der mit einer Intensi- tätsbeeinflussung für einen Ladungsträgerstrahl gearbeitet wird. In diesem Falle geht es jedoch darum, eine homogene Intensitätsverteilung mit einem vorgegebenen zeitlichen Mittelwert zu erreichen, wozu mit Hilfe einer magnetischen Ladungsträge rauslenkung als Ersatz für eine mechanische Bewegung von Strahlungsquelle oder Bestrahlungsobjekt relativ zueinander die Ladungsträgerenergie auf einer vorgegebenen Fläche zeitlich variiert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektronenstrahlschweißverfahren der eingangs erwähnten Art in der Weise auszubilden, daß ein gleichmäßiger Materialfluß in die Schweißfuge hinein erreicht werden kann und sich insgesamt eine verringerte Schrumpfung der Schweißraupe und eine Beseitigung von die Festigkeit der Schweißnaht beeinträchtigenden Mikrohohlräumen erzielen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für mindestens einen Elektronenstrahl die Verteilung der Strahlenergie über den Strahlquerschnitt während des Schweißvorgangs zeitlich konstant, aber räumlich in Richtung der Vorschubbewegung für den Elektronenstrahl unterschiedlich gehalten wird.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Änderung der Verteilung der Strahlenergie über den Strahlquerschnitt in Vorschubrichtung für den Elektronenstrahl gibt der Schmelzzone an der Schweißstelle eine solche Form, daß das gesamte durch den Aufprall der Elektronen und den durch die Verdampfung der Metallatome erzeugten Druck aus dem durch den Elektronenstrahl erzeugten Loch herausgedrückte Metall wieder in den entstandenen Hohlraum einfließen und diesen vollständig erfüllen kann, so daß sich eine Schweißnaht von hoher Qualität ohne die Neigung zu späterer Schrumpfung oder der Ausbildung von Mikrohohlräumen erhalten läßt.

Das erfindungsgemäß ausgebildete Elektronenstrahlschweißverfahren führt also im Vergleich zu den bisher bekannten Elektronenstrahlschweißverfahren mit axialsymmetrischer Verteilung der Elektronenstrahlenergie über den Strahlquerschnitt zu Schweißnähten, die sich durch eine gesteigerte Haltbarkeit und Dichtigkeit auszeichnen.

Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind im einzelnen in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Für die weitere Erläuterung der Erfindung und ihrer Vorteile wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen, in der in schematisch gehaltener Darstellung zum einen das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens und zum anderen vorteilhafte Ausgestaltungen und Vorrichtungen für seine Durchführung veranschaulicht sind; dabei zeigt in der Zeichnung

F i g. 1 eine Darstellung des durch plötzliches Anhalten das Elektronenstrahlbeschusses erhaltenen Schweißhohlraums,

Fig.2 scberoatisch den Schweißvorgang, wobei sich der durch das Auftreffen der Elektronen erzeugte Hohlraum in der Vorschubrichtung des Elektronenstrahl verschiebt und sich durch Fließen des geschmolzenen Metalls im gleichen Maße füllt,

F i g. 2 a den typischen Querschnitt einer üblichen Schweißnaht in der zur Scbweißrichtung XX' senkrechten Ebene YY-ZZ',

F i g. 3 a drei Formen von Schmelzzonen, die mit drei abnehmenden spezifischen Leistungen

erhalten wurden und alle drei zylindrischen Bündeln entsprechen, wobei die F i g. 3 b und 3 c die Überlagerung zweier Schmelzzonen jeweils in der zur Schweißrichtung senkrechten Ebene ^ Y'-ZZ' zeigen,

Fig. 4a, ⁷Ib, 5a, 5b, 6a, 6b jeweils die Raumformen von Schmelzzonen, welche verschiedenen spezifischen Leistungen entsprechen, zwischen den Grenzwerten α und b der Aufprallzone, und zwar entweder abnehmend (F i g. 4). oder zunehmend (F i g. 5) oder zunehmend und anschließend abnehmend (F i g. 6),

F i g. 7 a und 7 b die Entsprechung zwischen einer kontinuierlichen und einer stufenweisen Verringerung der spezifischen Leistung im Inneren einer rechteckig angenommenen Aufprallzone,

Fig. 8, 9, 10 und 11 eine besondere Anwendung der Erfindung beim Stoßschweißen zweier Rohre, welche Anlegfehler aufweisen,

Fig. 12, 13 und 14 wie oben eine Anwendung der Erfindung beim Stoßschweißen zweier Rohre mit solchen Anlegfehlern, daß ein Metallauftrag erforderlich ist,

Fig. 15a. 15b und 15c seliematisch eine mögliche Übergangsweise zwischen zwei getrennten Brennflecken und einem einzigen Brennfleck, der entweder den gleichen Typ von Veränderung der spezifischen Leistung oder eine kompliziertere Veränderung dieser Leistung aufweist.

Fi g. 16 bis 19 als Beispiele vereinfachte Schemata im Grundriß und Schnitt von Modellen von Elektronenkar.onen. welche die Erzeugung von Elektronenstrahlbündel entsprechend einer Durchführung des Verfahrens ermöglichen.

Aus den F i g. 3,4 und 7 ist ersichtlich, daß die entweder kontinuierliche oder stufenweise Verringerung der spezifischen Leistung im Inneren der Fläche des Elektronenaufprails erheblich den Fluß des Me tails in den vi m Aufprall der Elektronen, welche der maximalen spezifischen Leistung entspricht, er zeugten Hohlraum begünstigt. Dieser Vorteil zeig sich konkret in einer sehr wesentlichen Verringerun; und sogar Ausschaltung der geometrischen oder rne tallurgischen Fehler der Schweißnaht, wie Schweiß wulst, Schrumpfung oder Mikrohohkäume.

Die Verbesserung der Füllbcdingungen des Hohl raums in Verbindung mit der neuen Form desselbe und infolgedessen der Schmelzzone in Richtung de Verschiebung des Elektronenstrahls ist insbesonder günstig für die Qualität durchdringender Schweißuti

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gen, die mit hohen Schweißgeschwindigkeiten ausge- dungsgemäße Verfahren ebenfalls erhalten bei Rohführt werden, welche bei einer industriellen Produk- ren mit Unvollkommenheiten der Anlage, die mit tion erforderlich sein können. Unterschieden des Durchmessers in der Größenord-Ferner zeigen die F i g. 5 und 6, daß der Anstieg nung von 2 mm für die bereits beispeilsweise erder spezifischen Leistung von einem Mindestwert, 5 wähnte Wandstärke von 10 mm zusammenhängen, welcher einer minimalen Eindringtiefe, jedoch einer Es sei ebenfalls darauf hingewiesen, daß die Ververhältnismäßig großen Schmelzzone entspricht, zu änderung der spezifischen Leistung des Elektroneneinem Maximalwert, welcher dem gewünschten ma- Strahls mit den bekannten Verfahren der seitlichen ximalen Eindringen entspricht, gefolgt von beispiels- Verschiebung der Elektronenaufprallzonen kombiweise einer geregelten Verringerung, wie oben in den io niert werden kann und daß außerdem die Mittellinie F i g. 3,4 oder 7 gezeigt, die Behebung der Anlegfeh- oder Kennlinie dieser Zonen in einem Winkel bezügler zwischen den zu schweißenden Werkstücken er- Hch der Anlegerrichtung oder Schweißrichtung der möglicht. In dieser Hinsicht ist in den F i g. 8 und 9 Werkslücke versetzt sein kann, wenn es beispielsnur als Beispiel die Anwendung der Erfindung zum weise notwenig erscheint, ein Schmelzen der obersten stoßweisen Verschweißen von zwei Rohren 1,2 ge- 15 Kante der Verbindung zu begünstigen. Die Verändezeigt, welche Anlegefehler infolge Unregelmäßigkeit rung der spezifischen Leistung im Inneren einer oder der Schnitte und diametraler Abstände aufweisen. mehrerer Aufprallflächen gestattet im Fall zusam-Um derartige Rohre durch Elektronenstrahlver- menwirkender Kanonen, einer Bi- oder Multifokusschweißung zu verbinden, hat man in Betracht gezo- _{Kanone oder yon} ^ _variablem JL _eine gen, daß die Erhöhung der spezifischen Leistung *o _s durch Anpassung zweier, von zwei gesonderten Elek- sehr große Anpassungsfähigkeit, um ein und denseltronenkanonen ausgesandten Strahlenbündeln oder ben Gerätetyp der Ausführung von Schweißverbinvorteilhafterweise durch eine Bifokus-Elektronenka- düngen mit sehr verschiedenen Merkmalen anzupasnone erhalten würde. Das erste Bündel mit der ge- sen.

ringsten spezifischen Leistung gibt eine Aufprall- 25 Beispielsweise ist in den Fig. 15a, 15b, 15c (be-

zone 3, die in der Verschiebungsrichtung vor der züglisii der Anwendung vgl. die F i g. 8 und 9) eine

Aufprallzone 4 des zweiten Bündels mit höherer Lei- Möglichkeit des Übergangs zwischen zwei getrennten

stung gelegen ist (F i g. S). Diese beiden Zonen kön- Brennflecken 9 und 10 von im wesentlichen ovaler

nen sich im übrigen überdecken (F i g. 9), und diese Gestalt gezeigt, in denen die jeweiligen spezifischen

Überdeckung kann auch sowohl mit zwei getrennten 30 Leistungen Elektronenkanonen wie mit einer einzigen Bifokus-

Kanone erhalten werden. Die unter dem Elektronen- /j^\ _un(j l^\ aufprall des ersten Bündel geschmolzene Zone 3 \s }i \ s /2 (Fig. 10) dringt nicht tief ein, ist jedoch verhältnismäßig groß, wodurch die Schweißverbindung der 35 in der zur Verschiebungsrichtung F der Strahlen entbeiden Rohre 1 und 2 eingeleitet werden kann, zwi- gegengesetzten Richtung ansteigen. Eine Annäherung sehen denen geometrische Unvollkommenheiten dieser Flecken, beispielsweise durch Verlängerung einen erheblichen Zwischenraum 5 bestehen lassen, des einen oder anderen von ihnen, führt zu einer einder örtlich beispielsweise 1,5 bis 2 mm bei Wandstär- zigen Aufprallfläche (F i g. 15 b), welche im Inneren ken des Rohrs von etwa 10 mm erreichen kann. Die 4° der Bereiche 9 A und 10 Λ eine ähnliche Verteilung anschließend durch das zweite eine höhere Leistung der spezifischen Leistungen aufweist: aufweisende Strahlenbündel erzeugte Schweißung ist

begünstigt durch das Vorhandensein des vom ersten / _w\ 1 _w\ Strahlenbündel geschmolzenen Metalls 3 und ermög- I J < (— )· licht die gewünschte Eindringtiefe (Fig. 11). Es sei 45 ^ ^s '^l ^ ^s '² ausdrücklich bemerkt, daß die Begrenzung der kennzeichnenden Werte der spezifischen Leistungen auf Eine Betonung der Überdeckung kann dazu führen, zwei nur zur Erleichterung des Verständnisses des eine diabolo-förmige Aufprallfläche zu erhalten, die Verfahrens dient und daß der Anstieg zwischen den zwischen den Bereichen 9 B und 10 B einen Mittel· zu betrachtenden Mindest- und Höchstwerten entwe- 5° abschnitt 11 aufweist, in dem die spezifische Leider kontinuierlich oder in mehreren Stufen erfolgen stung maximal ist. Man findet hier eine besondere kann. Art der Leistungsveränderung wieder, die in F i g. 61 Falls der Spielraum zu groß ist, als daß er ohne gezeigt ist, wobei die sowohl für den Angriffsbereicr Auftragsmetall ausgefüllt werden könnte, ermöglicht oder die Angriffsfront wie für den Anstieg, das Maxi ein einfacher, ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen 55 mum und die Abnahme bis zur Endfront zu wählen umgelegter Streifen 6 (Fig. 12), durch Anwendung den Werte für die gewünschte Schweißgeschwindigkei des gleichen Verfahrens gesunde Schweißungen trotz von der Art der Materialien und den geometrischei Spielräumen zu erhalten, welche beispeilsweise ort- Eigenschaften der einander gegenüberliegenden Flä lieh 3 bis 4 mm für Wandstärken von einigen 10 mm chen abhängen und eine einzige Regelung des strah erreichen können. Das erste Strahlenbündel von ge- ⁶< > lenaussendenden Systems so das Einleiten, Eindrin ringer spezifischer Leistung bewirkt über eine ausge- gen und Beenden der Schweißung gewährleistet, dehnte Fläche das Schweißen mit einer geringen Sen- Die Veränderung der spezifischen Leistung kam kung 7 des Streifens auf den beiden gegenüberliegen- entweder durch bekannte elektrostatische oder elek den Kanten (Fig. 13). Der zweite Elektronenstrahl tromagnetische Mittel der Elektronenoptik ode vervollständigt durch eine eindringende 65 durch Anwendung von Multifokus-Elektronenkanc Schweißung 8 die vorangehende oberflächliche nen erhalten werden, deren Aufbau aus den folgen Schweißung (F i g. 14). den Schemata leicht abzuleiten ist Befriedigende Ergebnisse werden durch das erfin- Die F i g. 16 bis 19 zeigen als Beispiel im Grundri

(Fig. 17) und 19) und im Schnitt (Fig. 16 und 18) das Schema von Konzentrations- oder Wehneltstükken (12,14), welche die Erzeugung von Elektroneabündeln und infolgedessen Aufprallzonen entsprechend der Erfindung mit zwei verschiedenen Kathodenanordnungen ermöglichen und von denen die eine. (F ϊ g. 16 und 17) nur eine einzige Kathode 13 und die andere (F i g. 18 und 19) zwei Kathoden 15 und 16 benutzt.

Schließlich sei bemerkt, daß die Veränderung der

spezifischen Leistung auch mit der Form der Aufprallfläche zusammenhängen kann. Beispielsweis« führt die Verteilung eines Elektronenstrahlbündels das in einem rechteckigen Querschnitt eine homo S gene spezifische Leistung aufweist, auf eine trapezförmige Oberfläche zu einem allmählichen Anstieg oder einer allmählichen Verringerung der spezifischen Leistung auf der Aufprallzone je nach der An Ordnung der Grundlinien des Trapezes bezüglich de; »β Verschiebungsrichtung.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

409535/

Claims (5)

1. bis JO, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel· Patentansprüche: linie der Aufpralteonenite Hogronautrabl·

   bündel mit der Vorscbubrichtung fur den Elek·

   J. Elektronenstrablscbweißverfahren, bei dem tronenstrahl einen Winkel einschließt,

   ein oder mehrere Elektronenstrahlen mit un- S
   gleichförmiger Verteilung der Strahlenergie über

   den Strablquerschnitt to eine Vorschubbewegung

   entlang einer vorgebbaren SchweißUnie versetzt
   werden, dadurch gekennzeichnet, daß
   für mindestens einen Elektronenstrahl die Vertei- io

   Jung der Strablenergie über den Strahlquerschnitt Die Erfindung betrifft ein Elektronenstt^lschweißwShrend des Scbweißvorgangs zeitlich konstant, verfahren, bei dem ein oder mehrere bleJctronenaber räumlich in Richtung der Vorscbubbewe- strahlen mit ungleichförmiger Verteüung der Strahlgung für den Elektronenstrahl unterschiedlich ge- energie über den Strahlquerschnitt in eine Vorschubbalten wird, jg bewegung entlang einer vorgebbaren Schweißlinie
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- versetzt werden.

   kennzeichnet, daß die Verteilung der Strahlener- Bei den bisher üblichen Elektronenstrahlschweißgie über den Strahlquerschnitt in Vorschubrich- verfahren geht das Bestreben stets dahin, dem Elektung für den Elektronenstrahl zunächst einen tronenstrahl eine möglichst weitgehende axiale Sym-Höchstwert und sodann einen Mindeswert auf- 20 metrie zu geben, d. h. eine praktisch homogene Verweist (F i g. <*y teilung der Strahlleistung über die Auftrefffläche der
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- Elektronen auf dem Werkstück zu erreichen. Diese kennzeichnet, daß die Verteilung der Strahlener- bekannten Elektronenstrahlschweißverfahren zeigen gie über den Strahlquerschnitt in Vorschubrich- jedoch den Nachteil, daß in Abhängigkeit von den tung für den Elektronenstrahl zunächst einen 25 Schweißbedingungen in dem Schweißbereich mehr Mindestwert und sodann einen Höchstwert auf- oder weniger ausgeprägte Mikrohohlräume entsteweist (F i g. 5). hen, die der Festigkeit der erzielten Schweißverbin-
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- dung abträglich sh.d. Außerdem ergeben sich bei diekennzeichnet, daß die Verteilung der Strahlener- sen bekannten Elektronenstrahlschweißverfahren gie über den Strahlquerschnitt in Vorschubrich- 30 dann Schwierigkeiten für die Ausführung einer zutung für den Elektronenstrahl zunächst einen friedenstellender. Schweißnaht, wenn die einander Mindestwert, sodann einen Höchstwert und zugeandten Oberflächen der miteinander zu verschließlich wieder einen M;-.destwert aufweist, schweißenden Werkstückteile nur unvollkommen ander gleich oder verschieden vom ersten Mindest- einander anliegen. Derartige Unvollkommenheiten in wert ist (F i g. 6). 35 der gegenseitigen Anlage der miteinander zu ver-
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 schweißenden Werkstückteile sind aber etwa beim bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertei- Aneinanderfügen von Rohren durch unvermeidliche; lung der Strahlenergie über den Strahlquerschnitt Umvollkommenheiten in der ebenen Ausbildung von in Vorschubrichtung für den Elektronenstrahl deren Stoßflächen, durch geringfügig unterschiedeiner stetigen Kurve folgt (F i g. 7 a). 40 liehe Rohrdurchmesser und durch Abweichungen;