DE2924003C2 - Verfahren zur Elektronenstrahl- Nahtschweißung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Elektronenstrahl-Nahtschweißung gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Ein solches Schweißverfahren mit gepulstem Strahl ist aus der Literaturstelle »Werkstatt-Technik Heft 5 (1960), Seite 286« bekannt. Hierbei soll die Pulsierung des Strahls den Verzug des Schweißgutes weitgehend herabsetzen, und es wird dazu eine Impulsfolgefrequenz innerhalb eines sehr weiten Bereiches zwischen 1 bis 300 Hz vorgesehen, entsprechend einer Impulsdauer zwischen 10 und 0,05 ms.

Die Bewegung des Elektronenstrahls erfolgt im bekannten Fall über Stellmotoren in Richtung der Schweißnaht, wobei die Vorschubgeschwindigkeit in bestimmter Weise auf die Impulsfrequenz abgestimmt sein muß. Es hat sich jedoch gezeigt, daß hochlegierte und hochtemperaturfeste Stähle auf Nickelbasis, wie sie beispielsweise im Turbinenteil von Gasturbinentriebwerken Anwendung finden, auf diese Weise nicht zuverlässig verschweißt werden können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zug) unde, ein Schweißverfahren der Gattung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch eine bestimmte Art der Strahlsteuerung so zu verbessern, daß auch hochfeste Werkstoffe, wie sie für die Siatorschaufeln und Läuferschaufeln des Turbinenteils eines Gasturbinentriebwerks Anwendung finden, zuverlässig verschweißt werden können.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kerinzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Es ist zwar durch die US-PS 34 92 456 bereits bekannt, beim Elektronenstrahl-Schweißen den Strahl über der Stoßfuge zu »wedeln«, wobei auch eine Kreisbogenbahn mit Überlappung vorgesehen ist. Hier fehlt jedoch die für die Erfindung wichtige Unterbrechung des Elektronenstrahls jeweils nach Vollendung einer 360°-Bewegung. Nach der Erfindung wird der Strahl nämlich so gesteuert, daß die Kreisbogenbahn auf der Schweißfuge beginnt und auf dieser endet, wobei die Relativverschiebung so gewählt wird, daß der Strahl bei einem Umlauf längs der Schweißfuge jm eine Radiuslänge versetzt wird. Durch diese Art der Bewegung wird eine volle Durchdringung gewährleistet, ohne daß ein Ausbrennen oder ein Abtropfen von der Unterseite zu befürchten wäre, und ohne daß sich bei der Abkühlung Risse bilden könnten.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich insbesondere als erfolgreich erwiesen bei der Verschweißung von Turbinenschaufeln, die mehrteilig hergestellt werden müssen um komplizierte Kühlluftführungen im Inneren der Schaufel vorsehen zu können, die durch eine mechanische, spanabhebende Bearbeitung nicht herstellbar sind, sondern durch entsprechende Gießverfahren und elektrolytische Bearbeitungsverfahren geformt werden.

Es hat sich bei der Durchführung des Verfahrens als zweckmäßig erwiesen, gemäß Anspruch 2 einen vollen Kreisbogenpfad jeweils innerhalb von etwa 20% jener Zeitdauer zu beschreiben, in der die Eingangsspannung der Elektronenstrahlquelle ihren Maximalwert besitzt. Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Fig.4 bis 12 beschrieben, während die F i g. 1 bis 3 den Stand der Technik repräsentieren. In der Zeichnung zeigen

F i g. 1 bis 3 Schnittansichten von Verschweißungen, die durch Elektronenstrahl-Schweißverfahren bekannter Art hergestellt wurden,

F i g. 4 eine Querschnittsansicht durch eine Schweißstelle, die gemäß der Erfindung hergestellt wurde,

F i g. 5 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles 5 gemäß Fig. 4,

F i g. 6 einen Schnitt nach der Linie 6-6 gemäß F i g. 4, F i g. 7 eine Draufsicht auf eine Schweißnaht, die gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde,

F i g. 8 einen Schnitt nach der Linie 8-8 gemäß F i g. 7, F i g. 9 eine Ansicht nach der Linie 9-9 gemäß F i g. 8, Fig. 10 eine schematische Ansicht einer Elektronenstrahl-Schweißvorrichtung,

F i g. 11 das Profil der Spannungsimpulse, mit dem der Strahlstrom geändert wird,

Fig. 12 das Profil der Stromimpulse, die zwischen Elektronenstrahlvorrichtung und Werkstück auftreten. Zunächst wird auf den Stand der Technik Bezug so genommen. F i g. 1 zeigt zwei Werkstücke 10 und 12, die aus einer Legierung bestehen, welche Nickel-Eisen-Chrom-Molybdän-Titan umfaßt. Ihre aneinanderstoßenden Seitenränder sind durch Elektronenstrahlverschweißung verbunden. Das Verfahren benutzt einen einzigen schnellen Durchlauf der Werkstücke und die Strahlleitung genügt, um die Werkstückmetalldicke voll zu durchdringen. Das Ergebnis ist eine Versetzung des geschmolzenen Metalls, wie dies bei 14 angedeutet ist, und zwar in einem Ausmaß, das annehmbar ist, aber die schnelle Erhitzung und Abkühlung des Metalls bewirkt eine Rissebildung, wie bei 16 angedeutet. Demgemäß war das Verfahren nicht geeignet.

F i g. 2 läßt die Ergebnisse nach einem relativ langsamen Durchlauf der Elektronenstrahlvorrichtung durch das Werkstück erkennen. Bei diesem Verfahren sind die Risse infolge der verminderten Rate der Wärmeabfuhr aus dem geschmolzenen Metall vermieden. Das Metall war hier aber so lange im geschmolze-

nen Zustand gehalten, daß eine übermäßig große Menge von Metall nach unten unter der Schwerkraft versetzt wurde, was zu einem tiefen Kanal J8 und zu einer großen vorstehenden Naht 20 führt.

In F i g. 3 wurde die Schweißung dadurch bewerkstelligt, daß zunächst das Werkstück mit hoher Durchlaufgeschwindigkeit vorgeschoben wurde, was durch das Bezugszeichen 22 angedeutet ist, wodurch die Schweißung nach Fig. 1 mit der Rissebildung erlangt wurde, und danach folgte ein zweiter Durchlauf mit niedriger Geschwindigkeit, wobei die Elektronenstrahlleistung auf einen relativ niedrigeren Leistungswert fixiert wurde, derart, daß bei diesem zweiten Durchlauf eine volle Durchdringung der Metalldicke vermieden wurde. Durch das teilweise Wiedererweichen der Schweißnaht 24 wurden die Risse ausgefüllt, aber es ergab sich eine gewisse Verzerrung der Werkstücke und eine Versetzung des Metalls konnte auch nicht vermieden werden. Die Gesamtwirkung war demgemäß unbefriedigend.

Nachstehend wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig.4 bis 12 , beschrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren besteht , darin, den Elektronenstrahl zu veranlassen, in einem Strahl von Impulsen auszutreten. Die Impulse werden dadurch erlangt, daß intermittierend die negative Vorspannung des Gitters 50 der Elektronenstrahlquelle 52 (F i g. 10) geändert wird. Die Impulsfrequenz wird auf die Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstücks abgestimmt, mit der das Werkstück an der Elektronenstrahl-, quelle vorbeibewegt wird, und zwar derart, daß jeder Elektronenimpuls die Metallfläche überlappt, die durch den unmittelbar vorhergehenden Impuls geschmolzen wurde, wie dies aus F i g. 5 ersichtlich ist.

Die Energie des resultierenden gepulsten Elektronenstrahls 54 ist derart, daß durch jeden Impuls tin volles Eindringen erlangt wird, wodurch eine örtliche vorstehende Schweißnaht 32 (Fig.4 und 5) annehmbarer Abmessungen erzeugt wird. Ein nachfolgender Impuls erhitzt einen Teil des vorher geschmolzenen Metalls jedoch wieder und bildet eine weitere örtliche Nahtperle (F i g. 5) neben der ersten Schweißnahtperle. Die weitere Schweißnahtperle hat etwas größere Abmessungen, wie bei 32 in F i g. 5 dargestellt, obgleich auch in Fig.5 die Verhältnisse der Übersichtlichkeit wegen übertrieben dargestellt sind. F i g. 4 zeigt jedoch, daß durch die lokalisierte Metallversetzung die Gesamtmetallversetzung der Naht um einen beträchtlichen Betrag, d.h. um etwa 50%, vermindert werden kann.

Außerdem vermeidet das Verfahren jedoch eine zu schnelle Abkühlung des vorher geschmolzenen Metalls und so wird eine Rissebildung vermieden.

Die Erfindung wurde dann v/eiterentwickelt durch einen erfolgreichen Versuch, die durch die örtliche Versetzung des Metalls erzeugten Schweißnahtperlen überhaupt zu vermeiden. Dieses weitere Verfahren zur Erzeugung einer Schweißnaht ist in den Fig. is 9, 11 und 12 dargestellt. Hierbei wird der Art itsgang zunächst in der beschriebenen Weise durchgeführt und gleichzeitig wird der Strahl um die Längsachse der Strahlquelle 52 gedreht, während die Bewegung des Werkstückes in einer geraden Linie an der Strah/quelle vorbei stattfindet. Die gleichzeitige Drehung des Strahles und Bewegung des Werkstückes relativ zur Strahlquelle ergibt die Spur eines Pfades durch jeden Impuls, welcher Pfad die aus Fig.6 ersichtliche Form hat. Dies ist in F i g. 7 durch das Bezugszeichen 33 gekennzeichnet. Es wurde jeweils eine Drehung während jedes Elektronenstrahlimpulses durchgeführt und die Anordnung war so getroffen, daß dies während jener Zeitperiode stattfand, bei der der jeweilige Spannungseingangsimpuls zur Strahlquelle einen Spitzenwert hatte, und nicht zu der Zeit, an der der Strom des Elektronenstrahls den Spitzenwert hatte. Der Grund dafür wird aus den F i g. 11 und 12 klar. F i g. 11 zeigt die steuernden Spannungsimpulse 34, die dem Vorspanngitter 50 der Strahlquelle zugeführt werden, und hier handelt es sich um eindeutige rechteckige Impulse, während die Stromimpulse 36, die von der Strahlquelle ausgehen, in ihrer Gestalt etwas unregelmäßig sind. Es ist daher einfacher, einen konstanten Zeit/Spannungs-Wert-Faktor von der Eingangsspannung zu erreichen als einen konstanten Zeit/Strom-Wert-Faktor von dem Strahlstromausgang zu erhalten.

Durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß die folgenden Parameter eine Schweißnaht ergeben, wie sie in den F i g. 8 und 9 dargestellt ist, d. h. eine gute obere Schweißnaht 40 und annehmbare Schweißnahtperlen 42 an der Unterseite und das Fehlen von Rissen. Diese Parameter waren die folgenden:

a) Die Legierung des Werkstücks bestand aus Nickel, Eisen, Chrom, Molybdän und Titan,

b) die eingestellte Leistung betrug 13 kW,

c) die Vorschubgeschwindigkeit betrug 6 mm/sec,

d) die Impulsfrequenz betrug 5 Hz für 20°/o Spitzeneingangsspannungszeit,

e) der Drehdurchmesser des Strahls betrug 2,5 mm.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Elekironenstrahl-Nahtschv/eißung von Werkstücken unter Anwendung eines gepulsten Elektronenstrahls, wobei die Beziehung zwischen Strahlimpulsfrequenz und Relativgeschwindigkeit zwischen Strahlquelle und Werkstück so gewählt ist, daß jeder Impi'ls die Werkstückfläche überlappt, die durch den unmittelbar vorhergehenden Impuls erhitzt wurde, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl auf einem kreisförmigen Pfad um eine Achse bewegt wird, die auf die relativ hierzu bewegte Stoßfuge der zu verschweißenden Werkstücke ausgerichtet ist, daß der Strahl einen vollen Kreisbogen jeweils innerhalb eines Spannungsimpulses beschreibt, in dem die Eingangsspannung der Elektronenstrahlquelle ihren Maximalwert hat, daß Beginn und Ende jeder kreisförmigen Strahlabtastung im Bereich der Stoßstelle liegt, und daß der Durchmesser des Kreisbogenpfades etwa doppelt so groß ist wie der Abstand zwischen Beginn und Ende des Strahlkreisbogenpfades, gemessen in Richtung der Stoßfuge.

2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der volle Kreisbogenpfad innerhalb von etwa 20% jener Zeitdauer beschrieben wird, in der die Eingangsspannung der Elektronenstrahlquelle ihren Maximalwert besitzt.