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Verfahren und Vorrichtung zum Schweissen und Löten mit Hilfe von Ladungsträgerstrahlen
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Der Ladungsträgerstrahl wird so gesteuert und fokussiert, dass während der Impulsdauer eine möglichst grosse Leistungsdichte des auf das zu bearbeitende Objekt auftreffenden Ladungsträgerstrahles erreicht wird. Dieser Strahl schmilzt den getroffenen kleinen Materialbereich auf und überhitzt das geschmolzene
Material sehr stark. Da die Impulsdauer kurz gehalten wird, tritt während der Einwirkungszeit des Strah- les kein unzulässig hoher Wärmefluss in die Randbezirke der getroffenen Materialstelle und keine unzu- lässig grosse Verdampfung des überhitzten Materials auf.
Dieses Material dringt während der Impnlspau- sen infolge der durch die Überhitzung hervorgerufenen Dünnflüssigkeit gut in die Kapillaren und Poren des Schweissgutes ein und erhitzt dabei das angrenzende Material sehr schnell bis zu einem Temperatur- wert, bei welchem eine Bindung eintritt. Es ist bei dem neuen Schweissverfahren möglich, das getroffe- ne Material so hoch zu überhitzen, dass es eine mehrfache Menge des angrenzenden Materials bis zu dem Temperaturwert, an dem eine Bindung auftritt, erhitzen kann, ehe es bis auf die Schmelztempera- tur abgekühlt ist.
Durch den intensitätsreichen Ladungsträgerstrahl wird auf die Materialbausteine zusätzlich eine
Stosswirkung ausgeübt, welche bewirkt, dass das überhitzte Material vorzugsweise in Strahlrichtung in den Materialverband eindringt. Es lassen sich also mit dem neuen Schweissverfahren relativ grosse Einwir- kungstiefen erreichen. Dadurch, sowie durch die Überhitzung des vom Strahl getroffenen Materials lassen sich relativ hohe Schweissgeschwindigkeiten erzielen, d. h. das Material kann schnell bewegt werden, ohne dass eine unregelmässige diskontinuierliche Schweissung entsteht.
Das geschilderte Eindringen des aufgeschmolzenen Materials in die Kapillaren und Poren des
Schmelzgutes lässt sich im Schliffbild einer Schweissstelle eindeutig nachweisen. Aus einem solchen
Schliffbild ergibt sich, dass nach erfolgter Schweissung keine Grenzzone mehr sichtbar ist, d. h. also, dass die zu verbindenden Materialien eine innige Verbindung miteinander eingegangen sind. Diese Verbin- dung ist nicht nur auf einen Bereich nahe der Oberfläche beschränkt, sondern erstreckt sich bis in be- trächtliche und bisher nicht erreichbare Tiefen.
Zur Herstellung einer Bördel-oder Stumpfnaht ist es vorteilhaft, den Ladungsträgerstrahl so abzu- lenken, dass er während aufeinanderfolgender Impulse abwechselnd nahe der Naht auf das eine und dann auf das andere der zu verbindenden Materialien auftrifft, wobei diese Materialien während des Bearbeitungsvorganges in Richtung der Naht bewegt werden. Auf diese Weise gelingt es, eine für den Schweiss- vorgang optimale Temperaturverteilung zu erreichen.
Das neue Verfahren bietet die Möglichkeit, die räumliche Steuerung des Ladungsträgerstrahles den verschiedenen Formen des Schweissgutes und den verschiedenen Ausführungen der Schweissnähte anzupassen. Es. kann beispielsweise erreicht werden, dass beiderseits der Schweissnaht jeweils ein Temperaturmaximum gelegen ist, und dass das Material auf diese Weise gut in die Schweissnaht hineinfliesst.
Beim Schweissen einer sich schliessenden Naht tritt, wenn die Schweissung mit Impulsen konstanter Dauer und Amplitude ausgeführt wird, der Effekt auf, dass die Naht an ihrem Ende breiter wird als an ihrem Anfang. Dies ist auf die sich im Laufe des Schweissvorganges langsam erhöhende Gesamttemperatur des Materials zurückzuführen. Es ist zur Vermeidung dieses Effektes und zur Erzielung einer gleichmässigen Schweissnaht zweckmässig, die Impulsdauer oder die Impulsfolgefrequenz so zu ändern, dass die Energiezufuhr am Ende der Schweissung kleiner ist als zu Beginn derselben.
In den bisher geschilderten Beispielen wurde das Schweissen ohne die Zugabe von Zusatzmaterial ausgeführt. Es ist jedoch auch möglich, mit dem Verfahren nach der Erfindung einen Schweissvorgang mit Zugabe von Zusatzmaterial auszuführen. Dabei werden vorteilhaft im Vakuum angeordnete Transportvorrichtungen vorgesehen, welche das Zusatzmaterial zu der Schweissstelle transportieren.
Mit dem Verfahren nach der Erfindung ist es ebenso möglich, niedrig schmelzende Materialien zu löten. Auch hier wird wieder zweckmässig das Lötmaterial durch geeignete Transportvorrichtungen herangeführt.
In manchen Fällen kann es jedoch auch zweckmässig sein, das Zusatzmaterial vor Beginn des Schweiss- oder Lötvorganges schon in die Naht der miteinander zu verbindenden Materialien einzulegen.
Das neue Verfahren gestattet es auch, Punktschweissungen mit grosser Geschwindigkeit auszuführen.
Zu diesem Zweck wird der Ladungsträgerstrahl und/oder das zu bearbeitende Material in den Impulspausen so bewegt, dass aufeinanderfolgende S1 ; rahlimpulse auf verschiedene Stellen des Materials auftreffen.
Werden an die Dichtigkeit des geschweissten Materials keine besonderen Anforderungen gestellt, so ist es in diesem Fall nicht notwendig, die Intensität des Ladungsträgerstrahles von vornherein zu beschränken.
In diesem Fall kann nämlich der Stra. hlimpuls ohne weiteres die zu verbindenden Materialien durchbohren, wobei so viel Material geschmolzen wird, dass eine Verschweissung entsteht. Die sich ergebende Verbindung kann etwa-mit der durch Hohlnieten verglichen werden.
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Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens enthält vorteilhaft ein mit einer Fernfokuskathode ausgerüstetes Strahlerzeugungssystem. Eine solche Kathode ist in der Zeitschrift "Optik"5 [1949], S. 469, beschrieben und zeichnet sich dadurch aus, dass sie die Erzeugung eines Elektronenstrahles gestattet, dessen erster Überkreuzungspunkt in Strahlrichtung gesehen hinter der Anode des
Strahlerzeugungssystemes liegt.
Die Einrichtung nach der Erfindung enthält weiterhin eine elektronenop- tische Linse zur Fokussierung des Elektronenstrahles auf das zu bearbeitende Objekt, ein in Strahlrichtung gesehen hinter dieser Linse angeordnetes Ablenksystem, eine zwischen der elektronenoptischen Linse und dem Strahlerzeugungssystem angeordnete optische Beobachtungseinrichtung zur Beobachtung der Bearbei- tungsstelle und einen das zu bearbeitende Objekt tragenden Kreuzschlitten. Ferner enthält diese Einrich- tung einen an sich bekannten Impulsgenerator zur Erzeugung von Steuerimpulsen sowie Schaltmittel zur
Zuführung dieser Impulse zum Strahlerzeugungssystem.
Die KUrze der verwendeten Impulse macht es erforderlich, die Steuerimpulse direkt dem Strahler- zeugungssystem zuzuführen. Dabei müssen selbstverständlich sämtliche Übertragungsmittel eine hinrei- chend grosse Bandbreite sowie sehr kleine Zeitkonstanten aufweisen. Dies wird vorteilhaft durch die Ver- wendung eines Impuls-Isolier-Transformators erreicht, welcher die erdseitig erzeugten Steuerimpulse auf
Hochspannungspotential transformiert und dem Strahlerzeugungssystem zuführt.
Durch die Verwendung einer Fernfokuskathode wird erreicht, dass ein intensitätsreicher Elektronenstrahl selbst ohne Anwendung zusätzlicher Linsen auf das zu bearbeitende Objekt fokussiert werden kann.
Die Verwendung einer zusätzlichen elektronenoptischen Linse bringt den Vorteil mit sich, dass extrem feine Fokussierungen erreicht werden können, welche beispielsweise zum Schweissen dünner Bleche not- wendig sind.
Um eine möglichst gleichförmige Schweissnaht zu erzielen, ist es vorteilhaft, zur Verschiebung des Kreuzschlittens in einer mit der Richtung der Schmelznaht zusammenfallenden Koordinatenrichtung einen bezüglich seiner Drehgeschwindigkeit regelbaren Elektromotor zu verwenden. Dabei ist es zweckmässig, den Kreuzschlitten mit Endlagenschaltern auszurüsten, welche automatisch die Drehrichtung des Motors nach Erreichen der Endlagen umschalten, so dass die Naht, gegebenenfalls unter Änderung der Strahlfokussierung und/oder-ablenkung mehrmals abgefahren wird.
In manchen Fällen kann die Forderung bestehen, dass die Schweissungen nicht im Hochvakuum, sondern unter Anwesenheit eines Schutzgases durchgeführt werden müssen. In diesem Fall wird die Einrichtung nach der Erfindung insofern abgewandelt, als zwischen dem Bearbeitungsraum und dem Strahlerzeu- gungsraum ein an sich bekanntes Druckstufensystem angeordnet wird. In manchen Fällen kann es auch zweckmässig sein, an Stelle des Druckstufensystemes eine Zwischendruckkammer vorzusehen, die zwischen den Öffnungen der Räume bewegte, mit Durchbohrungen versehene Vorrichtungen enthält. Der Ladungsträgerstrahl wird dabei mittels einer Steuervorrichtung eingeschaltet, sobald die Räume verbunden sind.
Zur. Vermeidung des verhältnismässig grossen Zeitaufwandes, welcher zur Entfernung des bearbeiteten Objektes und zum Einbringen eines neuen Objektes in das Gerät unter Öffnen des Gerätes notwendig ist, ist es vorteilhaft, Vakuumschleusen vorzusehen, welche die Durchführung dieser Massnahmen ohne Störungen des Hochvakuums gestatten.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 1 - 10 näher erläutert. Dabei zeigen : Fig. 1 eine erfindungsgemässe Einrichtung zum Schweissen oder Löten mit Hilfe eines Elektronenstrahles, im Schnitt gezeichnet ; Fig. 2 einen Teilschnitt durch die Vorrichtung der Fig. l entlang der Linie II-II ; ig. 3 die Spannungsverhältnisse am Strahlerzeugungssystem ; Fig. 4 die Temperaturverteilung über einem zu schweissenden Werkstück ; Fig. 5 ein Schliffbild einer nach dem erfindungsgemässen Verfahren erzeugten Aufsetznaht ; Fig. 6 die Temperaturverteilung über einer Schweissstelle (Stumpfnaht) ;
Fig. 7 den Weg des Elektronenstrahles entlang einer Schweissnaht ; Fig. 8 eine Schleusenanordnung zum Ausschleusen bearbeiteter und zum Einschleusen neuer Objekte, in schematischer Darstellung ; Fig. 9 eine Teilansicht einer Einrichtung zum Schweissen oder Löten mit Hilfe von Ladungsträgerstrahlen unter Verwendung eines Druckstufensystemes, teilweise im Schnitt gezeichnet ; Fig. 10 eine Teilansicht einer Einrichtung zum Schweissen oder Löten mit Hilfe von Ladungsträgerstrahlen unter Verwendung einer eine bewegte Blende enthaltenden Zwischendruckkammer, teilweise im Schnitt gezeichnet.
In Fig. 1 ist mit 1 ein ölgefüllter Behälter bezeichnet, auf welchem ein Impuls-Isolier-Transformator 2 angeordnet ist, der mit einem Isolatoransatz in diesen Behälter eintaucht. In den Behälter 1 taucht ferner ein dreiadriges Hochspannungskabel 3 sowie ein weiterer Isolatoransatz 4 ein. Durch den Isolatoransatz 4 führen die Leitungen zur Zuführung der Heizspannung zur Kathode 5 und zur Zuführung der
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Spannung zum Wehnelt-Zylinder 6. Unterhalb des Wehnelt-Zylinders 6 ist die geerdete Anode 7 gezeichnet.
Im Gerät 45 wird eine Hochspannung von beispielsweise 100 kV erzeugt und mittels eines mit einem
Erdmantel versehenenHochspannungskabels dem Gerät "44 zugeführt. Dieses Gerät dient zur Erzeugung der regelbaren Heizspannung und der regelbaren Wehnelt-Zylinder-Spannung. Diese Spannungen werden über das mit einem Erdmantel versehene dreiadrige Hochspannungskabel 3 in den ölgefüllten Behälter 1 eingeführt. Die beispielsweise auf -100 kV liegende Heizspannung wird direkt der Kathode 5 zugeführt. Die
Wehnelt-Spannung von beispielsweise-101 kV wird durch den Isolatoransatz der Sekundärwicklung des
Impuls-Isolier-Transformators 2 zugeführt und gelangt von dort aus direkt zum Wehnelt-Zylinder 6.
Ein auf Erdpotential liegendes Gerät 46 dient zur Erzeugung der Steuerimpulse. Die vom Gerät 46 erzeugten Steuerimpulse werden der Primärwicklung des Impuls-Isolier-Transformators 2 zugeführt. Diese Wicklung liegt auf Erdpotential. Die Sekundärwicklung des Isolier-Transformators 2 ist hochspannungmässig von der Primärwicklung isoliert und liegt auf Hochspannung. Sie dient zur Überführung der der Primärwicklung zugeführten Impulse auf Hochspannungspotential.
Die Anordnung ist so getroffen, dass das Strahlerzeugungssystem 5,6, 7 zunächst gesperrt ist, d. h. also, dass kein Elektronenstrahl aus der Anode 7 austreten kann, solange das Impulserzeugungsgerät 46 nicht arbeitet. Dies wird dadurch erreicht, dass der Wehnelt-Zylinder 6 auf einer Spannung liegt, welche beispielsweise 1 kV negativer ist als die Spannung der Kathode 5. Wird das Impulserzeugungsgerät 46 eingeschaltet, so werden dem Wehnelt-Zylinder positive Hochspannungsimpulse zugeführt, welche die Wehnelt-Spannung so weit vermindert, dass ein Elektronenstrahl aus der Anode 7 austreten kann. Dieser Elektronenstrahl wird sofort nach Beendigung des Steuerimpilses gesperrt.
In Strahlrichtung gesehen, unterhalb der Anode 7, ist eine Blende 8 angeordnet, welche mittels der Knöpfe 9 und 10 in der Papierebene und senkrecht zur Papierebene bewegt werden kann.
Nach erfolgter Justierung des Elektronenstrahles 25 durch Verschieben der Blende 8 fällt der Strahl durch ein geerdetes Rohr 15 und wird mittels einer elektromagnetischen Linse 20 auf das zu bearbeitende Werkstück 26,27 fokussiert. Die oberen Polschuhe der elektromagnetischen Linsen 2Q sind mit 21 bezeichnet, während die unteren Polschuhe die Bezeichnung 22 tragen.
Unterhalb der elektromagnetischen Linse 20 ist ein Ablenksystem 23 angeordnet, welches dazu dient, den Elektronenstrahl 25 zu bewegen. In einem Gerät 51 werden die zur Versorgung des Ablenksystemes 23 dienenden regelbaren Ablenkströme erzeugt. Ein weiteres Gerät 43 dient zur Stromversorgung der elektromagnetischen Linse 20.
Das Ablenksystem 23 besteht aus vier jeweils mit einem ferromagnetischen Kern versehenen Spulen, welche in der senkrecht zur Strahlrichtung gelegenen Ebene angeordnet sind. Der Elektronenstrahl 25 fällt durch die Öffnung des Ablenksystems 23, innerhalb deren die Ablenkfelder aufgebaut werden.
Zur Beobachtung des Schweissvorganges dient ein optisches System, welches die mikroskopische Auflichtbeleuchtung des Werkstückes 26,27 erlaubt. Dieses System besteht aus einem Beleuchtungsystem 12, welches paralleles Licht liefert. Dieses Licht wird über zwei metallische Prismen 13 und 14 durch Durchbohrungen 52,53 eines Spiegels 16 auf eine in axialer Richtung verschiebbare Linse 17 reflektiert und von dieser auf das Werkstück fokussiert. Unterhalb der Linse 17 ist eine auswechselbare Glasplatte 18 angeordnet, welche die Linse 17 vor etwaigen Verunreinigungen durch Metalldämpfe schützt. Die Linse 17 wird mittels eines Knopfes 19 in axialer Richtung bewegt.
Das von der Oberfläche des Werkstückes 26,27 reflektierte Licht wird durch die Linse 17 parallelgerichtet und über den Spiegel 16 in ein als Stereomikroskop ausgebildetes Beobachtungssystem 49 gelenkt (s. Fig. 2). Das Mikroskop 49 ist von bekannter Bauart ; lediglich sein Objektiv ist durch die Linse 17 ersetzt. Das Mikroskop ist mit einem Vergrösserungswechsler 50 ausgestattet, welcher es erlaubt, die Werkstückoberfläche in verschiedenen Vergrösserungen zu beobachten.
Zur Vermeidung des Eindringens schädlicher Strahlung in das Auge des Beobachters ist es zweckmä- ssig, im Strahlengang Schulzfilter vorzusehen, Diese können vorteilhaft in der Wand des Gehäuses 11 angeordnet sein und beispielsweise aus einem Röntgenschatzglas bestehen.
Das gesamte Gerät ist mit einem leitenden Mantel 11 versehen und geerdet.
Der Elektronenstrahl 25 tritt durch die Öffnung des Ablenksystems 23 aus dem Gehäuse 11 aus und in einen Bearbeitungsraum 24 ein. Dieser Bearbeitungsraum ist ebenfalls mit einem leitenden Mantel versehen und geerdet. Ferner sind im Bearbeitungsraum Schutzbleche, z. B. Bleibleche, angeordnet, welche das Ausdringen von bei der Materialbearbeitung erzeugten schädlichen Röntgenstrahlen verhindern. Im Raum 24 ist das zu bearbeitende Werkstück auf einem Kreuztisch angeordnet, welcher es erlaubt, das Objekt in zwei zueinander senkrechten Koordinatenrichtungen zu bewegen.
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In Fig. 1 sind im Bearbeitungsraum 24 zwei Bleche 26 und 27 angeordnet, welche zusammenge- schweisst werden sollen. Es ist also in diesem Fall eine Stumpfnaht zu bilden.
Die Bleche 26 und 27 sind mittels eines Spanntisches 28 gehaltert. Der Spanntisch 28 ist seinerseits auf einem Tisch 29 angeordnet, welcher senkrecht zur Papierebene verschoben werden kann. Der Tisch 29 ist auf einem weiteren Tisch 30 angeordnet, welcher in der Papierebene verschoben werden kann. Ein
Tisch 31 dient zur Lagerung des gesamten Kreuztisches.
Auf dem Tisch 30 sind-zwei Räder 32 angeordnet, wobei eines der Räder vor und das andere hinter der Zeichenebene gelegen ist. Eines der Räder 32 ist mittels einer durch den Tisch 30 hindurchtretenden
Achse mit einem Zahnrad verbunden.
Dieses Zahnrad steht mit einer Schnecke im Eingriff, welche mit einem Zahnrad 33 eine gemein- same Achse aufweist. Das Zahnrad 33 steht mit einem weiteren, in Richtung seiner Achse ausgedehnten
Zahnrad 34 im Eingriff, welches über eine Handkurbel 35 gedreht werden kann.
Auf dem Tisch 31 sind zwei weitere Räder 42 angeordnet und mittels eines Seilzuges miteinander verbunden. Das linke Rad 42 greift mit seiner Achse durch den Tisch 31 hindurch. Auf der Achse dieses
Rades. 42 ist ein Kegelrad angeordnet, welches mit einem weiteren Kegelrad ein Getriebe 41 bildet. Ein
Handrad 40 dient zur Betätigung des Getriebes 41.
Die Wirkungsweise der Bewegungsvorrichtung des Kreuztisches ist folgende :
Durch Drehen des Handrades 40 wird über das Getriebe 41 das linke Rad 42 gedreht. Über den die beiden Räder verbindenden Seilzug wird dabei auch das andere Rad 42 angetrieben. Der Tisch 30 ist an einer Stelle mit dem Seilzug verbunden, so dass er beim Drehen des Handrades 40 von links nach rechts oder umgekehrt bewegt wird. Während dieser Bewegung gleitet das Zahnrad 33 auf dem Zahnrad 34. Ist nun der Kreuztisch bezüglich der Seite eingestellt, u. zw. so, dass die Naht zwischen den Blechen 26 und 27 an der Auftreffstelle des Elektronenstrahles 25 gelegen ist, so wird durch Betätigen des Handrades 35 der Kreuztisch senkrecht zur Zeichenebene verschoben. Durch Drehen des Handrades 35 wird das Zahnrad 34 gedreht.
Das mit diesem Zahnrad im Eingriff stehende Zahnrad 33 wird ebenfalls gedreht und treibt über die Schnecke und das mit ihr in Eingriff stehende Zahnrad die ebenfalls mit einem Seilzug verbundenen Räder 32 an. Der Tisch 29 ist an einer Stelle mit diesem Seilzug verbunden, so dass also bei Betätigung des Handrades 35 der Tisch 29 vorwärts und rückwärts verschoben werden kann.
Die miteinander zu verschweissenden Bleche 26 und 27 werden so auf dem Tisch 29 gelagert, dass ihre Naht genau in der Bewegungsrichtung des Tisches 29 verläuft. In diesem Fall kann also nach erfolgter seitlicher Einstellung mittels des Handrades 40 der Elektronenstrahl 25 eingeschaltet werden. Dieser Strahl trifft auf die miteinander zu verbindenden Bleche 26 und 27 und schmilzt eine entlang der Naht gelegene Randzone auf. Das verflüssigte Material fliesst in die Naht ein, wobei sich dieses Material jeweils in den Impulspausen auf einen gewünschten Wert abkühlt. Dadurch wird vermieden, dass die Bleche 26 und 27 in der Umgebung der Schweissstelle hoch erhitzt werden. Versuche haben gezeigt, dass bei der Durchführung des Schweissvorganges die Bleche 26 und 27 nicht zum Glühen kommen. Lediglich die Schweissnaht leuchtet hell auf, da hier das Material aufgeschmolzen wird.
Zur Erzielung einer gleichförmigen Bewegung in Nahtrichtung ist ein motorischer Antrieb vorgesehen. Diesem Zweck dient ein Elektromotor 38, welcher über ein Getriebe 37 ein Rad 36 antreibt. Über dieses Rad 36 wird das Handrad 35 angetrieben, so dass sich also beim Einschalten des Motors 38 eine kontinuierliche Bewegung des Kreuztisches in Nahtrichtung ergibt. Dem Motor 38 ist ein Gerät 39 vorgeschaltet, welches zur kontinuierlichen Regelung der Drehgeschwindigkeit des Motors 38 dient.
Der Tisch 29 des Kreuztisches ist zweckmässig mit Endlagenschaltern ausgerüstet. Diese Endlagenschalter sind in der Darstellung der Fig. 1 nicht gezeichnet. Die Anordnung wird dabei so getroffen, dass nach Betätigung eines Endlagenschalters über das Gerät39 die Drehrichtung des Elektromotors 38 automatisch umgeschaltet wird.
Der Bearbeitungsraum 24 ist mit einer Öffnung 47 versehen, an welche eine durch die Pumpe 48 angedeutete Pumpvorrichtung angeschlossen ist. Mittels dieser Pumpvorrichtung werden während des Bearbeitungsvorganges sowohl der Bearbeitungsraum 24 als auch das Gehäuse 11 auf Hochvakuum gehalten.
Zur Erzeugung der Elektronenstrahlimpulse wird die Spannung des Wehnelt-Zylinders 6 gesteuert.
Die Spannungsverhältnisse am Strahlerzeugungssystem werden im Zusammenhang mit Fig. 3 näher erläutert. In dieser Figur gibt die Ordinate Spannungswerte an, während die Abszisse den Zeitmassstab angibt.
Mit 54 ist die an der Kathode 5 gpl,gene Spannung bezeichnet. 57 bezeichnet die am WehneltZylinder liegende Gleichspannung. Mit 56 ist die Sperrspannung des Strahlerzeugungssystems bezeichnet, d. h. alle am Wehnelt-Zylinder 6 gelegenen Spannungen, welche unterhalb der Linie 56 liegen, können den Elektronenstrahl 25 nicht auslösen.
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Zylinderspannung auf die mit 55 bezeichnete Arbeitsspannung angehoben. Der Strahlstrom innerhalb der
Impulsdauer ist proportional dem zwischen den Linien 55 und 56 gelegenen Wert der Spannung. Wird durch entsprechende Regelung am Gerät 44 die Gleichspannung am Wehnelt-Zylinder 6 erhöht, so erhöht sich bei gleichbleibender Amplitude der Steuerimpulse auch der Strahlstrom des Elektronenstrahles 25.
Diese Verhältnisse sind deutlich aus Fig. 3 zu erkennen. Wie diese Figur zeigt, ragen die Spitzen der
Steuerimpulse bei Anheben der Wehnelt-Zylinderspannung auf einen mit 59 bezeichneten Wert über die mit 55 bezeichnete Linie hinaus. In diesem Fall ist der Strahlstrom des Elektronenstrahles dem zwischen den Impulsspitzen und der Linie 56 gelegenen Wert proportional.
Wie aus diesen Ausführungen hervorgeht, kann also durch Ändern der Wehnelt-Zylindervorspannung die Amplitude der Elektronenstrahlimpulse verändert werden.
In Fig. 4 ist mit 61 ein stark vergrössert dargestelltes Werkstück bezeichnet, auf welches ein weiteres
Werkstück 60 aufgesetzt ist. Zur Erzeugung einer Aufsetznaht wird der Elektronenstrahl 25 auf die Naht- stelle gerichtet. Dabei entsteht über dieser Stelle die mit 62 bezeichnete Temperaturverteilung. Aus der
Kurve 62 geht hervor, dass die Nahtstelle selbst und eine sehr enge Grenzzone um diese Nahtstelle aufge- schmolzen werden. Mit TS ist in Fig. 4 die Schmelztemperatur des zu behandelnden Materials bezeich- net. Die Kurve 62 entspricht insofern nicht der Wirklichkeit, als ihre Spitze noch weit über dem Wert TS liegen müsste. Aus Platzgründen wurde jedoch in Fig. 4 auf eine massstabgetreue Darstellung der Kurve 62 verzichtet.
Wird der Elektronenstrahlimpuls abgeschaltet, so kühlt sich das aufgeschmolzene Material nach Ein- fliessen in die Naht und Eindringen in die Kapillaren und Poren der beiden Werkstücke durch Wärmelei- tung zu den die Nahtstelle umgebenden Materialbezirken stark ab. Die sich ergebende Temperaturverteilung vor Beginn eines neuen Impulses ist in Fig. 4 mit 63 bezeichnet. Wie aus dieser Kurve ersichtlich ist, hat sich die Nahtstelle bis unterhalb der Schmelztemperatur abgekühlt und es hat sich die Temperatur der Werkstücke 60 und 61 ausgemittelt.
Bei der Schweissung werden die Werkstücke 60 und 61 bei feststehendem Elektronenstrahl 25 senkrecht zur Zeichenebene in Nahtrichtung bewegt.
In Fig. 5 ist eine mittels des neuen Verfahrens hergestellte Aufsatznaht im Schliffbild dargestellt.
Wie aus dieser Figur zu erkennen ist, sind durch den Schweissvorgang die beiden Werkstücke zu einem einheitlichen Werkstück 64 verschmolzen worden. Eine Nahtstelle ist im Schliffbild nicht mehr zu erkennen.
Aus den Fig. 6 und 7 ist die Führung des Elektronenstrahles 25 bei der Herstellung einer Stumpfnaht ersichtlich. Die beiden Werkstücke 65 und 66 sollen zusammengeschweisst werden. Zu diesem Zweck werden die Werkstücke mittels der Antriebvorrichtung des Kreuztisches in Nahtrichtung bewegt, wobei gleichzeitig der Elektronenstrahl 25 mittels des Ablenksystems 23 in der in Fig. 7 dargestellten Weise bewegt wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass zwei gegenüberliegenden Spulen des Ablenksystems 23 eine sägezahnförmige Spannung zugeführt wird. Durch die Überlagerung der Bewegung des Elektronenstrahles und der Bewegung des Werkstückes beschreibt der Elektronenstrahl den in Fig. 7 mit 68 bezeichneten Weg. Mit 69 sind dabei jeweils die Auftreffstelle eines Elektronenstrahlimpulses bezeichnet.
Durch das Auftreffen der Elektronenstrahlimpulse werden die beiderseits der Naht 70 gelegenen Materialbezirke geschmolzen, wobei. sich die in Fig. 6 mit 67 bezeichnete Temperaturverteilungskurve ergibt. (Auch diese Kurve ist bezüglich ihrer Höhe über dem Wert TS nicht massstabgetreu. ) Das geschmolzene Material fliesst in diesem Fall in die Schweissnaht hinein, wobei dieses Einfliessen durch die Temperaturverteilung 67 wesentlich begünstigt wird.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren gelingt es, Materialien wie Zirkön oder Tantal zu verschwei- ssen, wobei die bestehenden Forderungen nach extremer Reinheit des Schweissgutes ohne weiteres erfüllt werden.
Ein weiterer Vorteil des neuen Verfahrens liegt darin, dass mit ihm eine Schweissgeschwindigkeit erreicht werden kann, welche über der Schweissgeschwindigkeit, wie sie mit bekannten Schweissverfahren erreichbar ist, liegt. Beispielsweise ist es ohne weiteres möglich, Schweissgeschwindigkeiten von 60 bis 100 cm/min und darüber zu erreichen.
Mit dem erfindungsgemässen Gerät ist es möglich, den Elektronenstrahl25 auf einen Strahlquerschnitt von 20 bis 30 li Durchmesser zu fokussieren. Mit diesem Strahlquerschnitt gelingt es, selbst sehr dünne Bleche ohne weiteres, miteinander zu verschweissen. Sollen dickere Bleche verschweisst werden, so ist es
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zweckmässig, einen grösseren Strahlquerschnitt zu wählen, was mit dem erfindungsgemässen Gerät ohne weiteres durch eine leichte Defokussierung des Elektronenstrahles möglich ist.
Zur Herstellung von V-förmigen Nähten ist es zweckmässig, zunächst einen scharf fokussierten Elektronenstrahl zu verwenden und mit diesem auf dem Grund der Naht entlangzuschweissen. Daraufhin wird durch eine leichte Defokussierung und/oder Strahlablenkung senkrecht zur Nahtrichtung der wirksame Strahlquerschnitt vergrössert und die Naht wieder mit diesem Elektronenstrahl abgefahren. Auf diese Weise wird erreicht, dass eine solche Naht vollkommen mit Material ausgefüllt wird.
Bei der Herstellung von kleineren Schweissungen ist es unter Umständen vorteilhaft, auf eine Bewegung der zu behandelnden Objekte zu verzichten und diese Bewegung durch eine Ablenkung des Elektronenstrahles zu ersetzen. Beispielsweise ist es möglich, mit einer Rundführung des Elektronenstrahles kreisförmige Schweissnähte ohne Bewegung des Objektes herzustellen.
Durch die Ablenkbarkeit des Elektronenstrahles wird es möglich, Schweissnähte an schwer zugänglichen Stellen anzulegen, so z. B. auf der Innenfläche von Rohren. Dazu ist es lediglich notwendig, den Elektronenstrahl 25 in geeigneter Weise abzulenken.
Durch die Anwendung zweier oder mehrerer Elektronenstrahlquellen und zugehöriger Fokussierungsund Ablenkeinrichtungen gleichzeitig, können mehrere Schweissnähte in einem Arbeitsgang hergestellt werden.
In Fig. 8 ist eine Vorrichtung dargestellt, mit deren Hilfe es gelingt, die bearbeiteten Objekte aus dem Hochvakuum auszuschleusen, und neue Objekte einzuschleusen, ohne das Hochvakuum im Gerät zu stören. Zu diesem Zwecke sind seitlich an den Bearbeitungsraum 24 weitere Räume 71 bzw. 73 angeschlossen, welche mit Pumpanschlüssen 72 bzw. 74 versehen sind. Zum Abschluss dieser Räume gegen- über dem Bearbeitungsraum 24 dienen klappbar angeordnete Schjeusentüren 75 bzw. 77. Zum Abschluss der Räume 71 bzw. 73 gegenüber dem Aussendruck dienen ebenfalls klappbar angeordnete Schleusentüren 76 bzw. 78. Die Räume 71 und 73 enthalten fahrbare Wagen 79 bzw. 81, welche mittels hier nicht dargestellter Elektromotoren in Richtung auf den. Bearbeitungsraum 24 und von diesem weg bewegt werden können.
Die Wirkungsweise der in Fig. 8 dargestellten Vorrichtung ist folgende : Nach erfolgter Bearbeitung eines Objektes wird der Tisch 29 in eine Endlage gefahren. Nach Erreichen dieser Endlage wird der Motor 38 entweder automatisch oder von Hand ausgeschaltet, und es wird zunächst die Klapptür 77 geöffnet und der Wagen 81 an den Bearbeitungsraum 24 herangefahren. Sodann wird durch einen geeigneten, hier nicht dargestellten Transportmechanismus das Objekt 26 zusammen mit der Einspannvorrichtung 28 auf den Wagen 81 transportiert. Dieser Wagen läuft dann in Richtung auf die Türe 78, die Türe 77 wird geschlossen, und der Tisch 29 läuft bis zur rechten Endlage. Daraufhin wird die Klapptüre 75 geöffnet, der Wagen 79 nach links gefahren und ein neues Objekt 80 durch eine hier ebenfalls nicht dargestellte Transportvorrichtung auf den Tisch 29 transportiert.
Sodann fährt der Wagen 79 nach rechts, die Tür 75 wird geschlossen, und nach erfolgter Justierung kann ein neuer Schweissvorgang ablaufen.
Die bearbeiteten Objekte können durch Öffnen der Türe 78 aus dem Raum 73 entnommen werden, während die zu bearbeitenden Objekte nach Öffnen der Türe 76 in den Raum 71 eingebracht werden.
Die Anordnung kann auch so getroffen sein, dass in den Räumen 71 und 73 mehrere Objekte Platz haben.
Um Schweissungen durchführen zu können, bei welchen entweder ein Schutzgas anwesend ist, oder bei welchen ein gasförmiges Zusatzmaterial an die Schweissstelle herangebracht werden soll, wird die in Fig. 9 dargestellte Vorrichtung verwendet. Wie aus dieser Figur hervorgeht, ist eine elektromagnetische Linse 82 so ausgebildet, dass zwischen ihren oberen Polschuhen 83 und ihren unteren Polschuhen 84 eine abgeschlossene Kammer 86 entsteht. Diese Kammer ist mit einem Anschluss 87 versehen, an welchen eine nicht dargestellte Vakuumpumpe angeschlossen ist. Die unteren Polschuhe 84 tragen ein enges Röhrchen 85, welches durch seinen Querschnitt das Eindringen von Gas in den Raum 86 erschwert, jedoch den Durchtritt des Elektronenstrahles nicht behindert.
Unterhalb des Raumes 86 ist ein weiterer Raum 88 angeordnet, welcher über einen Anschluss 89 mit einer weiteren Vakuumpumpe in Verbindung steht. Ein weiterer Raum 90, welcher über eine Anschlussleitung 91 ebenfalls mit einer Vakuumpumpe verbunden ist, ist unterhalb des Raumes 88 angeordnet. Unterhalb des Raumes 90 ist, ebenso wie in Fig. 1 dargestellt, ein Ablenksystem 23 angeordnet.
Der Bearbeitungsraum 24 ist mit einem Gefäss 93 verbunden, welches über ein Nadelventil 94 dem Bearbeitungsraum Gas zuführt. Das überschüssige Gas bzw. das entstehende Reaktionsprodukt wird mittels
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Mittels der in Fig. 9 dargestellten Vorrichtung gelingt es, in an sich bekannter Weise im Bearbei- tungsraum 24 einen höheren Druck aufrechtzuerhalten, ohne dass das im Gehäuse 11 notwendige Hoch- vakuum gestört wird. Zu diesem Zweck wird in den Räumen 90,88 und 86 ein zunehmend niedrigerer
Druck aufrechterhalten.
Die in Fig. 10 dargestellte Vorrichtung dient demselben Zweck wie die Vorrichtung der Fig. 9. In diesem Fall ist zwischen dem Bearbeitungsraum 24 und dem Strahlerzeugungsraum 11 eine Zwischen- druckkammer 95 angeordnet, die über einen Anschluss 97 mit einer Vakuumpumpe verbunden ist. Die
Kammer 95 enthält eine Scheibe 96, welche mittels eines Elektromotors 98 um eine Achse 99 gedreht wird. Die Scheibe 96 ist mit einem Kranz 100 versehen, der Löcher 101 enthält. Diese Löcher 101 wer- den so zwischen den Öffnungen 102 und 103 bewegt, dass die Zeit, welche vom Raum 24 aus in eine der Öffnungen 101 eintretende Gasmoleküle brauchen, um die Öffnung 102 zu erreichen, länger ist als die
Zeit, während der die Öffnungen 101,102, 103 verbunden sind.
Das in die Öffnungen 101 eingedrungene Gas wird jeweils beim Schliessen der Verbindung 101,102, 103 durch 97 abgesaugt.
Es ist ferner eine hier nicht dargestellte Steuervorrichtung vorgesehen, welche den Ladungsträgerstrahl einschaltet, sobald die Verbindung 101,102, 103 hergestellt ist, und die den Strahl abschaltet, sobald diese Verbindung unterbrochen wird.
Das neue Gerät zum Schweissen oder Löten wurde im Zusammenhang mit der Verwendung von Elektronenstrahlen beschrieben. Es ist jedoch auch möglich, an Stelle von Elektronenstrahlen andere Ladungsträgerstrahlen, wie z. B. Ionenstrahlen, zu verwenden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Schweissen und Löten unter Verwendung eines fokussierten Ladungsträgerstrahles als Mittel zur Energiezuführung, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Ladungsträgerstrahles während des Bearbeitungsvorganges impulsförmig zur Wirkung gebracht wird, wobei die Leistungsdichte der während der Impulsdauer auf die zu verbindenden Teile auftreffenden Strahlung zum Schmelzen des Materials und zum Überhitzen des geschmolzenen Materials ausreicht und die Dauer der Impulspausen so gewählt wird, dass sich das geschmolzene Material jeweils vor Beginn eines neuen Impulses auf einen vorbestimmten Temperaturwert abkühlt.