DE3050370C2

DE3050370C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Schmelzschweissen inder Atmosph{re

Info

Publication number: DE3050370C2
Application number: DE19803050370
Authority: DE
Inventors: Evgenij Aramovi&ccaron; Abramian; Georgij Daniilovi&ccaron; Moskau/Moskva Kuleshov
Original assignee: INST VYSOKIKH TEMPERATUR AKADE
Current assignee: INST VYSOKIKH TEMPERATUR AKADE
Priority date: 1980-05-05
Filing date: 1980-05-05
Publication date: 1987-04-30
Also published as: JPS57501019A; GB2086289B; WO1981003139A1; GB2086289A; DE3050370T1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schmelzschweißen in der Atmosphäre unter Verwendung eines auf den Schweißpunkt gerichteten Elektronenstrahls.

Es ist bereits ein Verfahren zum Schmelzschweißen in der Atmosphäre unter Verwendung eines Lichtbogens, der zwischen der Schweißelektrode und dem Schweißteil erzeugt wird, bekannt. Zur Erzielung einer genaueren Schweißnaht und einer erleichterten Zündung des Lichtbogens wird im Schweißpunkt ein Elektronenstrahl fokussiert (SU-Urheberschein Nr. 1 87 894, bekanntgemacht am 20. Oktober 1966).

Da der Lichtbogen eine verhältnismäßig geringe Leistungsdichte aufweist, eignet sich dieses bekannte Verfahren nicht für das Schweißen von hochschmelzenden Werkstoffen.

Aus der US-PS 37 25 633 ist ein Verfahren zum Schmelzschweißen in der Atmosphäre unter Verwendung eines Elektronenstrahlbündels hoher Konzentration bekannt, welches in die Atmosphäre eingeführt und zum Schweißpunkt hingeleitet wird. Dieses Verfahren gestattet es, Teile aus hochschmelzenden Werkstoffen zu verschweißen. Jedoch ist dieses bekannte Verfahren auf die Vergrößerung des Abstandes zwischen der Stirnseite der Elektronenstrahlkanone und dem Schweißteil infolge einer Defokussierung und einer Aufweitung des in die Atmosphäre eingeführten Strahlenbündels, welche auf die Zerstreuung der Elektronen im Gas zurückzuführen ist, eingeschränkt. Bei einer Vergrößerung des Abstandes zum Schweißteil ergibt sich eine Verbreiterung der Schweißnaht sowie eine Verschlechterung deren Güte, d. h. dieses bekannte Verfahren eignet sich nicht für das Schweißen von großdimensionierten Teilen mit komplizierter Gestalt.

Schließlich ist aus der DE-OS 28 13 642 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines Laserstrahls bekannt, wobei gemäß diesem bekannten Verfahren zwischen der von einem auf das Werkstück geworfenen Laserstrahl erhitzten Werkstückzone und einer Elektrode ein Lichtbogen erzeugt wird. Der Laserstrahl dient bei diesem bekannten Verfahren als Hauptlieferant für die Energie, während der Lichtbogen lediglich zur Unterstützung bzw. zur Erhöhung des Wirkungsgrades erzeugt wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schmelzschweißen in der Atmosphäre der eingangs definierten Art derart zu verbessern, daß das Schweißen von hochschmelzenden Werkstoffen ermöglicht wird und die Schweißnaht mit hoher Qualität bei relativ langem Lichtbogen hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß innerhalb der Elektronenstrahlbahn ein Lichtbogen erzeugt wird, in welchem der Entladestrom der Elektronenbewegung im Elektronenstrahl entgegengesetzt ist.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird beispielsweise mit Hilfe einer Elektronenstrahlkanone ein Elektronenstrahl erzeugt, der mit Hilfe eines Elektronenstrahl-Ausschußsystems gebündelt wird und in Form eines Elektronenstrahlbündels das Ende des Elektronenstrahl-Ausschußsystems verläßt. Die Elektronen dieses Elektronenstrahlbündels fliegen dann durch die vorhandene Atmosphäre hindurch, wobei eine Ionisierung der Atmosphäre bzw. des Gases auftritt, so daß dadurch eine Entladestrecke für die nachfolgende Zündung des Lichtbogens vorgeschrieben wird. Mit anderen Worten kann durch die vorangegangene Erzeugung des Elektronenstrahls anschließend der Lichtbogen einfacher gezündet werden. Nach der Zündung des Lichtbogens verläuft dieser innerhalb des Elektronenstrahls, was zu besonderen Vorteilen führt.

Durch die elektromagnetischen Felder des Lichtbogenstromes wird der Elektronenstrahl innerhalb des Lichtbogens stärker gebündelt, was jedoch wiederum zur Folge hat, daß die Ionisierung zur zentralen Längsachse des Lichtbogens hin größer wird als in umgekehrter Richtung. Dadurch wird der Entladestrom der Lichtbogenentladung zur Längsachse stärker konzentriert, so daß eine noch stärkere Bündelung von Elektronenstrahl und Lichtbogen erreicht und eine Ausweitung des Lichtbogens im Bereich des zu schweißenden Werkstücks wirksam verhindert wird.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt eine Elektronenkanone mit einem Elektronenstrahl-Ausschußsystem, welches als der eine elektrische Pol (- Pol) für die Lichtbogenerzeugung dient.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Schmelzschweißen in der Atmosphäre schematisch zeigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Schmelzschweißen in der Atmosphäre besteht darin, daß ein Elektronenstrahl einer hohen Konzentration von ca. 10⁶ W/cm² und darüber, die für das Schmelzen des Schweißteiles bis in eine große das Schweißen bewirkende Tiefe ausreicht, in die Atmosphäre eingeführt und auf den Schweißpunkt gerichtet wird. Längs des größten Teiles der Strahlbahn (oder der gesamten Strahlbahn) wird ein Lichtbogen erzeugt, in welchem der Entladestrom der Elektronenbewegung innerhalb des Strahls entgegengesetzt ist. Die hierbei feststellbare räumliche und zeitliche Übereinstimmung des Strahlstromes mit dem der Lichtbogenentladung verbessert beachtlich die Ausbreitungsverhältnisse für den Elektronenstrahl in der Atmosphäre, wobei der Schweißabstand vergrößert und die Aufweitung des Strahls verringert wird. Dies ist durch zwei Mechanismen bedingt: zum einen durch die Wärmewirkung der Bogenentladung, die eine Gaserwärmung längs der Strahlbahn, eine Verminderung der Gasdichte und mithin eine verminderte Zerstreuung des Strahls zur Folge hat. Die Weglänge des Strahls im Gas nimmt hierbei auf Grund der Mediumtrennung zu. Zum anderen verhindert das Magnetfeld des Entladestromes, dessen Kraftlinien die Durchlaufzone des Strahls umgreifen, bei der erfindungsgemäßen Auswahl der Richtung des Entladestromes (der Entladestrom ist der Elektronenbewegung des Strahls entgegengesetzt, wobei die Bewegungsrichtung der negativen Ladungen im Lichtbogen mit der Bewegungsrichtung der Elektronen im Strahl übereinstimmt), den Austritt von zerstreuten Elektronen aus der achsnahen Zone, so daß eine Verbreiterung des Strahls unterbunden wird. Bei einer Entladung längs des Elektronenstrahls pflanzt sich folglich das letztere in einem besonderen Kanal mit einer geringeren Gasdichte und bei einem magnetischen Halten der Strahlelektronen in der Nähe der Achsenzone fort. Unter diesen Bedingungen pflanzt sich der Strahl um viel größere Abstände fort, und die Stromdichte sowie die Strahlleistung lassen sich vergrößern, so daß in einem beachtlichen Abstand von der Ausschußöffnung (der Stirnseite der Elektronenstrahlkanone) geschweißt und ein hoher Fokussierungsgrad des Strahls im Schweißpunkt zur Sicherung einer hohen Qualität der Schweißnaht erreicht werden kann.
Die in der Zeichnung abgebildete Vorrichtung enthält eine Elektronenkanone 1 mit einem Ausschußsystem 2 für den Ausschuß eines Elektronenstrahls 3 (gezeigt mit ausgezogenen Linien) in die Atmosphäre und eine Quelle 4 zur Speisung der Bogenentladung, die mit ihrem Pluspol an einen Schweißteil 5 und dem Minuspol an die Stirnseite des Ausschußsystems 2 der Elektronenkanone 1 angeschlossen ist.
Die Vorrichtung arbeitet nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Der Elektronenstrahl 3 wird über das Ausschußsystem 2 aus der Elektronenstrahlkanone 1 in die Atmosphäre eingeführt und auf den Schweißteil 5 gerichtet. Die durch die Elektronen veranlaßte Gasionisierung im Bereich der Fortpflanzung des Strahls 3 erleichtert eine Zündung des Lichtbogens 6 (gezeigt mit gestrichelten Linien) zwischen der Stirnseite des Ausschußsystems 2 und dem Schweißteil 5. Durch das Anschließen der Bogenentladungsquelle 4 mit ihrem Minuspol an die Stirnseite des Ausschußsystems 2 und dem Pluspol an den Schweißteil 5 wird der Entladestrom der Elektronenbewegung des Strahls 3 entgegengesetzt. Ab diesem Zeitpunkt wirkt nun der Mechanismus einer gegenseitigen Stabilisierung des Strahls 3 und der Bogenentladung. Der Entladestrom wird im Bereich der größtmöglichen Ionisierung des Mediums eingegrenzt, die durch die Schnellelektronen des Strahls 3 an dessen Achse bewirkt wird. Der Elektronenstrahl 3 bildet seinerseits einen Kanal im Bereich des Bogenbrennens. Durch die jeweilige Auswahl der Kennwerte des Strahls und der Bogenentladung kann der Schweißvorgang von den Umweltbedingungen, wie Gaskonvektionen, äußere Magnetfelder u. ä., unabhängig gemacht werden.
Durch die gegenseitige Verlagerung des Ausschußsystems 2 und des Schweißteiles 5 kann die gewünschte Gestalt der Schweißnaht erreicht werden.

Ausführungsbeispiel des Verfahrens

Man bediente sich eines Elektronenstrahls mit einer Energie der beschleunigten Elektronen von 300 keV und einem Strahlstrom von 300 mA, wobei der Strahl aus der Elektronenkanone 1 in die Atmosphäre und weiter auf den Schweißteil 5 gerichtet wurde. Die durch die Elektronen bedingte Ionisierung des Gases im Bereich der Fortpflanzung des Strahls 3 erleichterte die Zündung des Lichtbogens 6 bei einem Entladestrom von 100 bis 500 A zwischen der Stirnseite des Ausschußsystems 2 und dem Schweißteil 5. Der Entladestrom wurde im Bereich der maximalen Ionisierung des Mediums eingegrenzt, die durch den Elektronenstrahl 3 an dessen Achse erzeugt wurde. Der Elektronenstrahl 3 bildete seinerseits einen Kanal im Brennbereich des Lichtbogens 6. Hierbei belief sich der Durchmesser des Lichtbogens 6 auf 1 mm bei einem Schweißabstand von 0,5 m.
Das erfindungsgemäße Schweißverfahren zum Schmelzschweißen in der Atmosphäre eignet sich für das Schweißen und das Schneiden von großdimensionierten Bauteilen einer komplizierten Form aus hochschmelzenden Werkstoffen.

Claims

1. Verfahren zum Schmelzschweißen in der Atmosphäre unter Verwendung eines auf den Schweißpunkt gerichteten Elektronenstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Elektronenstrahlbahn ein Lichtbogen (6) erzeugt wird, in welchem der Entladestrom der Elektronenbewegung im Elektronenstrahl (3) entgegengesetzt ist.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Elektronenstrahlkanone (1), mit einem Elektronenstrahl-Ausschußsystem (2), welches als der eine elektrische Pol (Minuspol) für die Lichtbogenerzeugung (Lichtbogen 6) dient.