DE2204187B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Elektronenstrahlschweißen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Elektronenstrahlenschweißen mit waagerechter Elektronenkanone und Nahtformgebern auf beiden Seilen der Werkstücke, die eine Rinne zum Formen der Nahtoberfläche aufweisen, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Das hauptsächliche Anwendungsgebiet der Erfindung liegt dabei beim Schweißen von dicken Teilen, insbesondere aus Stahl, durch Senkrecht- und Rundnähte, wobei unter dicken Teilen solche mit Wandstärken von 100 mm und mehr verstanden werden.

Beim Elektronenstrahlschweißen von dicken Teilen ergeben sich Schwierigkeiten wegen der hohen erforderlichen Beschleunigungsspannung der Elektronenkanone. Die zum Durchschmelzen erforderliche Energie des Elektronenbündels ist etwa proportional der Schweißteildicke, und wenn zum Schweißen von 50 mm dicken Stahlblechen mit einer Beschleunigungsspannung von 50 bis 60 kV gearbeitet werden kann, so muß diese zur Bearbeitung von 100 mm dicken Blechen bereits auf ungefähr 150 kV erhöht werden.

Die Verwendung hoher Beschleunigungsspannungen, d h. von Beschleunigungsspannungen über 100 kV, bringt eiuc Reihe von Nachteilen mit sich. Es muß die Bearbeitung der zusammenstoßenden Kanten der zu ve-hindenden Werkstücke von erhöhter Qualität sein und es muß ihre Montage vor dem Schweißen genauer geschehen weil der Elektronenstrahldurchmesser sehr Wein ist und deswegen die Stoßfugen nicht größer als 0,1 mm sein sollen.

Im Zusammenhang hiermit steht auch, daß die Genauigkeit, mit der der Elektronenstrahl längs des Stoßes geführt wird, erhöhten Anforderungen genügen muß, was entsprechende Anforderungen an die Steuerungssysteme nach sich zieht.

Hinzu kommt daß bei Verwendung hoher Beschleunigungsspannungen die Qualität der Schweißverbindung wegen ungeschmolzener Stellen und Poren in Frage gestellt ist. Ungeschmolzene Stellen treten auf, wenn der Elektronenstrahl nicht genau längs des Stoßes geführt wurde und Poren bilden sich, weil die Gasblasen nicht ungehindert längs des schmalen und langen Durcnschmelzkanals an die Badoberfläche steigen können.

Schließlich ist die Betriebssicherheit einer Hochspannungskanone, insbesondere wegen auftretender Durchschläge, geringer als die von Elektronenkanonen mit niedriger und mittlerer Beschleunigungsspannung.

Wegen der beschriebenen Schwierigkeiten werden üblicherweise nur Teile bis zu 100 mm Dicke mittels Elektronenstrahls geschweißt, wobei die Teile sich in waagerechter Lage befinden und der Elektronenstrahl senkrecht verläuft.

Aus der deutschen Auslegeschrift 15 65 865 ist ein Elektronenstrahlschweißen mit - wie auch vorliegend vorausgesetzt — vertikalem Verlauf der Schweißnaht und horizontalem Elektronenstrahl bekannt, wobei die Bewegung des Strahls zur Nahtbildung von unten nach oben verläuft. Zur Erhöhung der Dicke der zu verschweißenden Teile wird hier versucht, die Oberflächenspannungen in der Schmelzschicht auszunutzen, die ins Gleichgewicht mit den Adhäsionskräften gebracht werden sollen. Die Begrenzungen dieses bekannten Verfahrens liegen darin, daß ein Schweißbad nicht gehalten werden kann, weil das geschmolzene Metall leicht aus der Schweißzone herausfließen würde, so daß auch hier größere Dicken der zu verschweißenden Teile nicht erreicht werden.

Beim eingangs vorausgesetzten Verfahren wird ein Herausfließen des flüssigen Metalls aus der Schweißzone mit den genannten Nahtformgebern verhindert, wie solche an sich aus der deutschen Offenlegungsschrift 15 65 230 bekannt sind. Im übrigen geht es bei dieser Quelle jedoch nicht um das Elektronenstrahlschweißen, sondern um andere Probleme.

Schwierig bleibt bei einem Verfahren der eingangs gekennzeichneten Art, daß sowohl das flüssige Metall als auch die sich aus diesem entwickelnden Gase und Dämpfe den Elektronenstrahl abschirmen, so daß dessen Durchschmelzfähigkeit begrenzt ist und die Nahtform nicht mehr gut zu beherrschen ist. Um dennoch einen stabilen und über die gesamte Schweißteildicke formbeständigen Durchschmelzkanal zu erhalten, muß

wieder die Beschleunigungsspannung erhöht werden, was wieder wegen der damit verbundenen Verringerung des Elektronenstrahldurchmessers zu den obenerwähnten Schwierigkeiten führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unter Vermeidung der erwähnten Nachteile ein Verfahren zur Elektronenstrahlschweißung sowie eine zu dessen Durchführung geeignete Vorrichtung aufzuzeigen, bei dem mit Elektronenkanonen niedriger und mittlerer Beschleunigungsspannung möglichst dickwandige Werkstücke verschweißt werden können.

Ausgehend von einem Verfahren der oben vorausgesetzten Gattung wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß während der Schweißung der Abstand der Achse des Elektronenstrahls von dem Niveau des von den Nahtformgebern gehaltenen flüssigen Metallbads bei dem 1,5- bis 2,5fachen des mittleren Elektronenstrahldurchmessers aufrechterhalten wird.

Die Einhaltung dieser Bedingungen gewährleistet, daß der Durchgang des Elektronenstrahls durch den Nahtkanal unbehindert von flüssigem Metall und Dämpfen möglich ist; dennoch ist durch die Nahtformgeber das Herausfließen des flüssigen Metalls aus der Schweißzone verhindert. Der Abstand der Elektronen-Strahlachse von der Metallbadoberfläche bewirkt, daß der Elektronenstrahl nur auf ungeschmolzenes Material einwirkt und dieses nach dem Schmelzen nach unten fließen kann, wobei Gase austreten könneu und Poren nicht auftreten. Es wird ein Durchschmelzen von Tiefen von 150 bis 300 mm und mehr möglich.

Es ist zweckmäßig, wenn vorbereitend an der Stelle, an der mit dem Schweißen des Stoßes zwischen den Werkstücken begonnen wird, ein Kanal in Richtung des Elektronenstrahls vorgesehen wird, dessen Breite gleich 2 bis 23 Elektronenstrahldurchmessern ist und dessen Länge gleich der 0,7- bis 0,8fachen Werkstückdicke ist. Auf diese Weise wird gleich zu Beginn des Schweißablaufs der erforderliche Abstand zwischen dem Elektronenstrahl und der Melallbadoberfläche erhalten und es werden schnell stationäre Bedingungen errreicht.

Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn der Elektronen-Strahldurchmesser im Kanal dem 0,02- bis 0,04fachen der Werkstürkdicke bei einer Energiedichte im Strahl von ungefähr 10⁵ W/cm² und bei einer Beschleunigungsspannung von ungefähr 30 bis 60 kV entspricht. Bei Beobachtung dieser Bedingungen erzeugt der Elektronenstrahl einen Kanal mit einem Verhältnis von Tiefe zu Breite und damit einen Nahtformkoeffizienten von 10:1. Dies bedeutet, daß die Naivbreite an der Nahtwurzel ausreichend groß ist, so daß dem Stoß leichter gefolgt werden kann und auch der Spalt im Stoß bis zu 0,8 mm betragen darf. Beispielsweise ist die Nahtbreite an der Nahtwurzel bei eirem 120 mm starken Stahlblech gleich 4 bis 5 mm.

Die Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend umrissenen Verfahrens besteht aus einer waagerechten Elektronenkanone, gekühlten Nahtformgebern auf beiden Seiten der Werkstücke und einem Werk zur Bewir- 6r> kung einer Relativverschiebung zwischen Elektronenstrahl und Werkstücken, wobei erfindungsgemäß der auf der Seite der Elektronenkanone gelegene Nahtformgeber eine Durchgangsöffnung zum Durchtritt des Elektronenstrahls aufweist, deren das Niveau des flüssigen Metallbads bestimmender unterer Rand in einem Abstand vom 1,5- bis 2,5fachen des mittleren Elektronenstrahldurchmessers unter der Elektronenkanonenachse gelegen ist

Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Tiefe der die Nahtoberfläche formenden Rinne des auf der Seite der Elektronenkanone befindlichen Formgebers etwa gleich der 0,05fachen Werkstückdicke und die Breite der Rinne etwas größer als der mittlere Elektronenstrahldurchmesser ist

Nachstehend wird die Erfindung durch die Beschreibungen eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnungen erläutert Es zeigt

F i g. 1 den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Formgeber und Schweißteile im Schnitt gezeigt sind,

F i g. 2 die Draufsicht auf die zum Schweißen zusammengesetzten Teile in der in F i g. 1 gezeigten Vorrichtung,

F i g. 3 die formgebende Einrichtung,

Fig.4a und 4b zum Schweißen mittels geradliniger Nähte zusammengesetzte Teile und

F i g. 5a und 5b die Vorderansicht bzw. die Seitenansicht von zum Schweißen mittels Rundnähten zusammengesetzten Teilen.

Das Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren zum Elektronenstrahlschweißen von sehr dicken Stahlblechen, bei dem die Teile verschoben werden und das Eiektronenbündel unbeweglich ist.

In der Vakuumkammer 1 befindet sich eine Vorrichtung 2 zum Befestigen der Schweißteile, ein Werk 3 zum Verschieben der Teile in senkrechter Richtung, wie dies durch Pfeil A angegeben ist, und Einrichtungen

4 und 5 zum zwangsweisen Nahtformen, die weiterhin kurz als Formgeber bezeichnet werden. An der Außenseite der Kammer ist die waagerecht liegende Elektronenkanone 6 befestigt Die das Vakuum erzeugenden Anlagen für die Kammer und die Kanone sind getrennt ausgeführt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die Schweißstücke 7 und 8 so befestigt, daß sich die Formgeber 4 und 5 auf beiden Seiten des Stoßes befinden.

Der Formgeber 4 zum zwangsweisen Formen des Nahlteils, der sich auf der Elektronenkanonenseite befindet, ist perspektivisch in F i g. 3 abgebildet und besteht aus einer Metallplatte mit großer Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus einer Kupferplatte, die einen Kanal 9 für die Kühlflüssigkeitszirkulation enthält. In diesem Formgeber ist eine offene Durchgangsöffnung 10 für den Elektronenstrahl ausgeführt. Außerdem besitzt der Formgeber eine Rinne 11, die seine ganze Höhe einnimmt und zum Formen der Nahtoberseite dient.

Die Rinnenbreite wird etwas größer als der Bündeldurchmesser und die Rinnentiefe δ = 0,05 Teiledicke gewählt. Hierbei soll der ganze Metallüberschuß, der immer beim Elektronenstrahlschweißen in Form der Nahtüberwölbung entsteht, diese Rinne füllen. Es wird, um bessere Resultate beim Schweißen von 120 mm dikken Stahlblechen zu erzielen, beispielsweise die Rinnenbreite gleich dem Bündeldurchmesser plus 4 mm sowie die Rinnentiefe gleich 5 bis 6 mm genommen.

Der auf der anderen Seite des Stoßes angeordnete Formgeber 5 ist analog ausgeführt. Er unterscheidet sich nur dadurch, daß er keine Durchgangsöffnung hat und die Rinnenbreite bei den erwähnten Dicken gleich

5 bis 6 mm und die Rinnentiefe gleich 2 bis 3 mm ist.

Das Elektronenstrahlschweißen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verläuft folgendermaßen. Die Schweißteile 7 und 8 (F i g. 4a) werden zunächst SDaltlos zusammengesetzt und starr miteinander ver-

bunden. An der unteren Stirnfläche der Schweißteile wird starr eine Lasche 12 befestigt, an der mit dem Schweißen begonnen wird. In dieser Lasche 12 befindet sich an der Stelle, an der mit dem Schweißen begonnen wird, eine zum Stoß senkrecht stehende öffnung, beispielsweise eine Bohrung, deren Tiefe gleich der 0,7- bis 0,8fachen Teiledicke ist. Der Durchmesser der öffnung soll gleich 2 bis 2,5 Bündeldurchmesser sein.

Beim Schweißen von Rundnähten wird die entsprechende Eintrittsöffnung 13 mit den angegebenen Abmessungen direkt in den Schweißsteilen ausgeführ·, wie dies aus F i g. 5a und 5b ersichtlich ist.

Die zum Schweißen einer geradlinigen Naht (F i g. 1) zusammengesetzten Teile werden so befestigt, daß der Stoß senkrecht steht. An die Teile 7 und 8 werden die Nahtformgeber 4 und 5 fest angepreßt, wobei der Formgeber 4 so angeordnet wird, daß die Durchgangsöffnung 10 mit der Achse des Elektronenbündels 14 zusammenfällt. Die zum Schweißen zusammengesetzten Teile 7 und 8 werden durch das Werk 3 in eine solche *o Stellung gebracht, daß die Eintrittsöffnung in der Lasche 12 genau mit der Öffnung 10 im vorderen Formgeber 4 zusammenfällt. Die Rinne im Formgeber 4 wird unterhalb der öffnung 10 durch einen Pfropfen aus Asbest oder einem andern hitzefesten Werkstoff abgedichtet.

Die verwendete Elektronenkanone besitzt beispielsweise eine Leistung von 50 kW bei einer Beschleuni gungsspannung von bis 60 kV und erzeugt für Werkstückdicken von 100 bis 120 mm ein Elektronenbündel mit 4 mm Durchmesser. Hierbei ist eine Energiedichte im Bündel von ungefähr 5 · 10⁵ W/cm² verwirklicht. Der Durchmesser der Wolframkathode kann bei jeder Kanone 6 bis 8 mm betragen. Bei kleiner Stromstärke wird das Bündel optimal auf die Schweißteile fokussiert. Danach wird mit Hilfe eines Ablenksystems das Elektronenbündel genau mit der öffnung in den SchweiBteilen zur Deckung gebracht Das Schweißen beginnt mit der Abwärtsbewegung der Schweißteile und dem Erhöhen des Bündelstroms bis auf den Normalwert. Die ungefähren Schweißbedingungen für niedriggekohlten, 120 mm dicken Stahl sind folgende: U= 4OkV, / = 1 A bei 10 m/h Schweißgeschwindigkeit

Beim Schmelzen der Schweißteilkanten durch ein starkes Bündel während des Verschiebens dieser Teile fließt flüssiges Metall in Form von Tropfen an den Wänden des Kanals 15 herab in den unteren Kanalteil, wo es kristallisiert. Hierbei wird das flüssige Metall am Herausfließen durch die Formgeber 4 und 5 gehindert. Bei richtig gewählten Abmessungen der Rinne im Formgeber 4 wird während der ganzen Schweißdauer unter dem Bündel ein ovaler Kanal bestehen, der in senkrechter Richtung ausgedehnt ist, wobei der Abstand zwischen der Bündelachse und dem Niveau des flüssigen Metalls unveränderlich und gleich 2 bis 2,5 Elektronenbündeldurchmesser sein wird.

Dämpfe und Gase aus dem geschmolzenen Metall können während des Schweißens ziemlich ungehindert austreten und sich über den in senkrechter Richtung ausgedehnten Kanal 15 entfernen, wodurch bedeutend die Nahtgüte erhöht wird.

Beim Schweißen mit Zusatzdraht, der beispielsweise zum Legieren des Nahtmetalls in den Kanal 15 eingeführt wird, entsteht ein Metallüberschuß, der in die Rinne 11 eintreten soll. In diesem Falle wird die Rinnentiefe größer als die 0,05fache Teiledicke gewählt.

Die Naht wird nach dem Badverfahren mit zwangsweisem Formen der Nahtoberflächen durch die gekühlten Formgeber 4 und 5 gebildet Die im Formgeoer 4 vorhandene Durchgangsöffnung ermöglicht es, das Niveau des Bads und das Verhallen des Metalls in ihm zu überwachen. Beim Schweißen von geradlinigen Nähten wird das Schweißen in einer (nicht abgebildeten) Lasche durch Ausschalten des Stroms beendet, so daß der Abschlußkrater nicht im Werkstück gebildet wird.

Beim Schweißen von Ringnähten wird die Stelle des Schweißbeginns überdeckt und dann der Schweißstrom allmählich bis auf Null vermindert, um den Krater zu verschweißen.

Die Verwendung des erfindungsgemäßen \ erfahrens ermöglicht es, 150 mm dicke und dickere Metallbleche durchzuschmelzen. wobei eine Niederspannungs-Elektronenstrahlapparatur ausreicht, bessere Schweißnähte zu erhalten und die Naht mit einer beliebigen geometrischen Überwölbung zu formen, welche durch die Form der Rinnen der Formgeber bestimmt wird.

Patentschutz wird nur begehrt jeweils für die Gesamtheit der Merkmale eine« jeden Anspruchs, also einschließlicl seinerRückbeziehung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

04 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Elektronenstrahlschweißen mit waagerechter Elektronenkanone und Nahtformgebern auf beiden Seiten der Werkstücke, die eine Rinne zum Formen der Nahboberfläche aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß während der Schweißung der Abstand der Achse des Elektronenstrahls (14) von dem Niveau des von den Nahtformgebern (4, 5) gehaltenen flüssigen Metallbads bei dem 1,5- bis 2,5fachen des mittlerer. Elektronenstrahldurchmessers aufrechterhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorbereitend an der Stelle, an der mit is dem Schweißen des Stoßes zwischen den Werkstükken begonnen wird, ein Kanal in Richtung des Elektronenstrahls vorgesehen wird, dessen Breite gleich 2 bis 2,5 Elektronenstrahldurchmessern ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Kanals gleich der 0,7-bis 0,8fachen Werkstückdicke ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahldurchmesser im Kanal dem 0,02- bis 0,4fachen der Werkstückdicke bei einer Energiedichte im Strahl von ungefähr 10⁵ W/cm² und bei einer Beschleunigungsspannung von ungefähr 30 bis 60 kV entspricht.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer waagerechten Elektronenkanone, gekühlten Nahtformgebern auf beiden Seiten des Werkstücks und einem Werk zur Bewirkung einer Relativverschiebung zwischen Elektronenstrahl und Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der Seite der Elektronenkanone (6) gelegene Nahtformgeber (4) eine Durchgangsöffnung (10) zum Durchtritt des Elektronenstrahls (14) aufweist, deren das Niveau des flüssigen Metallbads bestimmender unterer Rand in einem Abstand vom 1,5- bis 2,5fachen des mittleren Elektronenstrahldurchmessers unter der Elektronenkanonenachse gelegen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der die Nahtoberfläche formenden Rinne (11) des auf der Seite der Elektronenkanone (6) befindlichen Formgebers (4) etwa gleich der 0,05fachen Werkstückdicke und die Breite der Rinne etwas größer als der mittlere Elektronenstrahldurchmesser ist.

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