DE2204187C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Elektronenstrahlschweißen - Google Patents

Description

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn- 20 rungssysteme nach sich zieht

zeichnet, daß die Länge des Kanals gleich der 0.7-bis 0,8fachen Werkslückdicke 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.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ver-Hinzu kommt, dall bei Verwendung hoher Beschleunigungsspannungen die Qualität der Schweißverbindung wegen ungeschmolzener Stellen und Poren in Frage gestellt ist. Lngeschmolzene 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 hingen Durchschmelzkanals an die Badoberfläche steigen können.

Schließlich ist die Betriebssicherheit einer Hochspannungskanone, insbesondere wegen auftretender Durch schlage, 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

fahren zum Elektronenstrahlenschweißen mit waage- 55 Herausfließen des flüssigen Metalls aus der Schweiß-

rechter Elektronenkanone und Nahtformgebern auf beiden Seiten 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 Rtintlnülitc, 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 Durchschinel/en erforderliche Energie zone mit den genannten Nahtformgebern verhindert, wie solche an sich aus der deutschen Offcnlegungsschrift 15 65 230 bekannt sind. Im übrigen geht es bei dieser Quelle jedoch nicht um das Elcktroncnstrahlschweißen, 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 Durchsehmclzfähigkeit begrenzt ist und die Nahtform nicht mehr gut zu beherrschen ist. Um dennoch einen stabilen und über die gesamte Sehweißteildicke formbeständigen C'urchschmel/kanal zu erhalten, muH

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

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unter Vermeidung der erwähnten Nachteile ein Verfahren zur Elektronenstrahlschweißung sowie eine .:u dessen Durchführung geeignete Vorrichtung aufzuzeigen, bei dem mit Elekfronenkanonen niedriger und mittlerer Beschleunigungsspannung möglichst d'ckwandige 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 Elektronenstrahldurehmessers aufrechterhalten wird.

Die EinhaHung dieser Bedingungen gewährleistet. daß der Durchgang des Elektronenstrahls durch den Nahtkanal unbehindert von flüssigem Metall und Dampfen möglich ist; dennoch ist durch die Nahtformgeber das Herausfließen des flüssigen Metalls aus der Schweißzone verhindert. Der Abstand der Elektronenstrahlachse von der Metallbadobcifläche bewirkt, daß der Elektronenstrahl nur auf iingeschmolzenes Material einwirkt und dieses nach dem Schmelzen nach unten fließen kann, wobei Gase austreten können 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 Elektronensstrahls vorgesehen wird, dessen Breite gleich 2 bis 2,5 Eiektroncnstrahldurchmesscni ist und dessen Länge gleich der 0,7- bis O.Sfachen Werkstückdicke ist. Auf diese Weise wird gleich zu Beginn de:, Schvveißablaufs der erforderliche Abstand zwischen dem Elektronenstrahl und der Mctallbadobcrflächc erhalten und es werden schnell stationäre Bedingungen crrreicht.

Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn der Eiektronenstrahldurchmesser im Kanal dem 0,02- bis 0.04fachen der Werkstückdic!;e bei einer Energiedichte im Strahl von ungefähr 10⁵ W/cm² und bei einer Beschleunigungsspannung von ungefähr 30 bis b0 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 Nahtbreitc an der Nahtwurzcl 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 Nahtwurzcl bei einem 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 Bewirkling einer Rclativverschicbung /wischen Elektronenstrahl und Werkstücken, wobei erfindungsgemäß der auf der Seite der Elektronenkanone gelegene Naht formgcbcr eine Durchgangsöffniing zum Durchtritt ile--Elektroncnstrahis aufweist, deren das Niveau des fhissigen Metallbads bestimmender unterer Rand in eiiK'in Abstand vom 1,5- bis 2,5fai.-lieii des minieren ElektroiiiMi<.iT-:ihl(liirchmessers unter der Elektronenkanone!!

achse 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 0,051'achen 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 Elektronenbündel 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 Formgeben 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 F i g. 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 Nahtteils, de- 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 II. die seine ganze Höhe einnimmt und zum Formen der Nahioberscite dient.

Die Rinnenbrche wird etwas größer als der Bündcldurchmesser und die Rinnentiefe ύ = 0,05 Tciledicke 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 Bünclcldurchmcsscr plus 4 mm so vMc die Rinnentiefe gleich ^rt bis fc mm genommen.

Der auf der anderen Seite des Stoßes angeordnete l'ormgcber ^r:< ist analog ausgeführt. Er unterscheidet sieh nur dadurch, daß er keine Durchgnngsöffnuiig hat und die Rinncnbreite bei den erwähnten Dicken gleich

5 bis b mm und die Rinnentiefe gleich 2 bis ! mm ist.

Da«· Elektronenstrahlschweißen nach dem erfin-Juiigsgemäüen Verfahren verläuft folgendermaßen. Die SchweiiJtcile 7 und 8 (Fig. 4a) werden zunächst spalllos zusammengesetzt und starr miteinander ver-

bunden. Λη der unteren Stirnfläche der Schweißleile wird starr eine Lasche 12 befestige, an der mit dem Schweißen begonnen wird. In dieser Lasche 12 belindei 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 0,8faclien Teiledickc ist. Der Durchmesser der Öffnung soll gleich 2 bis 2,5 Bündeldurchmesser sein.

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

Die zum Schweißen einer geradlinigen Naht (F i g. I) 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 Durchgangs öffnung 10 mit der Achse des Elcklronenbündels 14 zusammenfällt. Die zum Sehweißen zusammengesetzten Teile 7 und 8 werden durch das Werk 3 in eine solche Stellung gebracht, daß die Fintrittsöffnung 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 hitzcfcstcn Werkstoff abgedichtet.

Die verwendete Elektronenkanone besitzt beispielsweise eine Leistung von 50 kW bei einer Beschleunigungsspannung von bis 60 kV und erzeugt für Werkstückdicken von 100 bis 120 mm ein F.lektroncnbündcl mit 4 mm Durchmesser. Hierbei ist eine Energiedichte im Bündel von ungefähr 5 · 10' 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 Flcktroncnbündel genau mit der Öffnung in den Schwcißteilen zur Deckung gebracht. Das Schweißen beginnt mit der Abwärtsbewegung der Schweißteile und dem Erhöhen des Bündclstroms bis auf den Normalwcrt. Die ungefähren Schweißbedingungen für nicdriggekohlten, 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 Wanden des Kanals 15 herab in den unteren Kanalteil, wo es kristallisiert. Hierbei wird das flüssige Metall am Hei ausfließen 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 Bündclachsc und dem Niveau des ο flüssigen Metalls unveränderlich und gleich 2 bis 2.5 l'.lekironenbündeldurchmesser 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 Nahtgüic erhöht wird.

Beim Schweißen mit Zusatzdraht, der beispielsweise zum Legieren des Nahtmctalls in den Kanal 15 eingeführt wird, entsteht ein MctallüberschuB, der in die Rinnc 11 eintreten soll. In diesem Falle wird die Rinnentiefe größer als die 0,05fachc Teilcdicke gewählt.

Die Naht wird nach dem Badverfahren mit zwangsweisem Formen der Nahtobcrflächcn durch die gekühlten Formgeber 4 und 5 gebildet Die im Formgeber 4 vorhandene Durdigangsöffnung ermöglicht es, das Niveau des Bads und das Verhalten 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 Abschlußkratcr 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 Verfahrens ermöglicht es, 150 mm dicke und dickere Metallbleche durehzuschmelzcn, wobei eine Niederspannungs-Elektronenstrahlapparatur ausreicht, bessere Schweißnähte zu erhalten und die Naht mit einer beliebigen gcomctrisehen (Jbcrwölbung zu formen, welche durch die Form der Rinnen der Formgeber bestimmt wird.

Patentschutz wird nur begehrt je weih für die Gesamtheit der Merkmale eines jeden Anspruchs, also einschließ Ii el' seiner Rückbeziehung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Elektronenstrahlschweißen mit waagerechter Elektronenkanone und Nahtformgebern auf beiden Seinen der Werkstücke, die eine Rinne zum Formen der Nahtoberfläche aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß während der Schweißung der Abstand der Achse des EJekdes Elektronenbündels ist etwa proportional der Sehweißteildicke. 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 eine Reihe von Nachteilen mil sich. Es muß die

tronenstrahls (14) von dem Niveau des von den io Bearbeitung der zusammenstoßenden Kanten der zu

verbindenden Werkstücke von erhöhter Qualität sein und es muß ihre Montage vor dem Schweißen genauer geschehen, weil der Elektronensirahldurchmesser sehr klein 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, erhöhien Anforderungen genügen muß, was entsprechende Anforderungen an die Stcue-

Nahtforntgebern (4, 5) gehaltenen flüssigen Metallbads bei dem 1,5- bis 2,5fachen des mittleren Elektronenstrahldurchmessers aufrechterhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorbereitend an der Stelle, an der mit dem Schweißen des Stoßes zwischen den Werkstükken begonnen wird, ein Kanal in Richtung des Elektronenstrahls vorgesehen wird, dessen Breite gleich 2 bis Z5 Elektronenstrahldurchmessern ist.