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Verfahren und Vorrichtung zum Schweissen unter Verwendung eines Ladungsträgerstrahles
Beim Schweissen mit Hilfe einer Energiequelle, die dem zu verschweissenden Material die Energie an der Materialoberfläche zuführt, beispielsweise beim Schweissen mit Hilfe einer Flamme, mit Hilfe eines elektrischen Bogens, beim Schweissen mit Elektroden usw. wird stets eine sehr dünne Oberflächen- schicht von der Energiequelle aus direkt erhitzt und die zum Aufschmelzen eines grösseren M"'. terialbe- reiches erforderliche Wärmeausbreitung im Material geschieht durch Wärmeleitung.
Es ist schon vorgeschlagen worden, als Mittel zur Zuführung der notwendigen Energie einen Elektronenstrahl zu verwenden. Bei diesem Verfahren wird derElektronenstrahl dazu verwendet, an der gewünsch- ten Stelle des Werkstückes einen Oberflächenbereich zu erhitzen und dabei einen durch die über die Wärmeleitung erfolgende Ausbreitung der Energie bestimmten Bereich des Werkstückes aufzuschmelzen.
Alle die genannten Schweissverfahren geben keine Möglichkeit, die Aufschmelzung des zu verschwei- ssenden Materials nur auf den engen Bereich der zu verbindenden Flächen zu beschränken, da die Ausbreitung der Wärmeenergie im Material durch Wärmeleitung praktisch in allen Richtungen gleichmässig erfolgt. Ein weiterer Nachteil der bekannten Schweissverfahren liegt darin, dass die Energieausbreitung durch Wärmeleitung im Material verhältnismässig langsam erfolgt.
Bei den bekannten Schweissverfahren ist es weiterhin meist erforderlich, an der Schweissstelle besondere Nihtformen, wie beispielsweise die bekannte V-Naht und zusätzliche weitere Schweissmaterialien zum Ausfüllen der Naht zu verwenden.
Alle die erwähnten Nachteile werden durch die Verwendung des Schweissverfahrens nach der vorliegenden Erfindung vermieden. Darüber hinaus ergeben sich bei der Verwendung des neuen Schweissverfahrens eine ganze Reihe bisher unbekannter Möglichkeiten, welche die Anwendung des Schweissens an sich über den bisher erfassbaren Bereich hinaus wesentlich erweitern.
Bei dem Schweissverfahren gemäss der vorliegenden Erfindung wird ein Ladungsträgerstrahl als Mittel zur Energiezuführung verwendet, wobei dieser Strahl erfindungsgemäss auf oder in die Nähe der Schweissstelle fokussiert und seine Intensität so gewählt wird, dass der Strahl an der Auftreffstelle unter Bildung eines schmalen, hoch erhitztenKanales in das Material eindringt und dabei gleichzeitig seine Energie entlang der gesamten Eindringtiefe an das Material abgibt. Die Intensität des Ladungsträgerstrahles muss dabei so gewählt werden, dass an der Auftreffstelle eine gewisse, von der Art des zu verschweissenden Materials abhängige Mindestenergiedichte erreicht wird.
Sobald diese Energiedichte erreicht ist, dringt der Ladungsträgerstrahl plötzlich und praktisch ohne jeden Übergang unter Bilden eines schmalen, hoch erhitzten Kanales und gleichzeitigem Aufschmelzen des Materials tief in dasselbe ein. Die Eindringtiefe ist dabei im wesentlichen von der Art des Materials und der Ladungsträgerstrahlleistung abhängig. Bei diesem Eindringen des Ladungsträgerstrahles wird das seitlich an den Strahl angrenzende Material über die gesamte Eindringtiefe des Strahles gleichzeitig aufgeschmolzen. Wird nun der Ladungsträgerstrahl weiterbewegt, so fliesst das geschmolzene Material zusammen und es entsteht eine einwandfreie Verschweissung.
Versuche haben ergeben, dass das Eindringen des Ladungsträgerstrahles über eine Eindringtiefe von zirka 5 bis 20 mm von einer Energiedichte des auftreffenden Strahles von etwa 5 bis 10 kw/mm2 an auftritt. Dieser Wert ist jedoch nur beispielsweise genannt und hängt wesentlich vom Material ab. Eine Erhöhung der Energiedichte über diesen Wert bewirkt ein Eindringen des Strahles über noch grössere Eindringtiefen.
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Dieses neue Verfahren zum Schweissen hat den grossen Vorteil, dass nur ein kleiner, an die Schweissstelle angrenzender Materialbereich thermisch beansprucht wird. Wird dagegen die Schweissung in der bisher bekannten Art ausgeführt, wobei ein Ladungsträgerstrahl auf die Schweissstelle gerichtet wird und hier das Material nur oberflächlich erhitzt, so ist der thermisch beanspruchte Materialbereich etwa 5 bis 10 mal so gross wie bei dem neuen Schweissverfahren.
Das neue Schweissverfahren bringt weiterhin den Vorteil mit sich, dass die Schweissung mit relativ grosser Geschwindigkeit durchgeführt werden kann. Dies kommt dadurch zustande, dass nur verhältnismässig dünne, an den Eindring-Kanal des Ladungsträgerstrahles angrenzende Materialbereiche erhitzt und aufgeschmolzen werden müssen, wobei diese Erhitzung entlang der Eindringtiefe des Strahles gleichzeitig
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nismässig langsam durch ärmeleitung in das Material eindringen und ein Aufschmelzen eines verhältnismässig grossen Materialbereiches bewirken.
Es ist in vielen Fällen vorteilhaft, die Intensität des Ladungsträgerstrahles so gross zu wählen, dass der Strahl das Material vollständig durchdringt. In diesem Fall ist gewährleistet, dass die zu verschweissenden Werkstücke über die ganze Tiefe der Naht miteinander verschweisst werden.
Das Eindringen des Ladungsträgerstrahles in das Material kann in eindeutiger Weise beobachtet werden. Es ergeben sich dabei die im folgenden beschriebenen Möglichkeiten. Sobald der Strahl in das Werkstück eindringt, tritt auf der Oberseite des Materials einleicht zubeobachtender charakteristischer Funkenregen auf, so dass also durch Beobachten der Materialoberfläche das Eindringen des Strahles in einfacher Weise festgestellt werden kann.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Temperatur des bearbeiteten Materials an oder in der Nähe der Oberfläche zu messen. Ist die zum Eindringen des Strahles notwendige Mindesttemperatur bekannt, so kann aus dem Erreichen dieser Temperatur geschlossen werden, dass der Sarah. tatsächlich in das Werkstück eindringt.
In vielen Fällen wird beim Schweissen durch Vorversuche die zum Eindringen des Strahles notwendige Mindestenergiedichte des Strahles bestimmt. Das Erreichen dieser Mindestenergiedichte kann sodann beim eigentlichen Schweissvorgang durch eine Überwachung der Betriebswerte des Ladungsträgerstrahles kontrolliert werden.
Das Eindringen des Ladungsträgerstrahles in das Material ergibt weiterhin eine plötzliche Veränderung der oberhalb des Materials auftretenden Röntgenstrahlung. Durch Messen dieser Strahlung kann also auch eindeutig auf das Eindringen des Strahles geschlossen werden.
Auch das Durchdringen des Ladungsträgerstrahles durch das zu bearbeitende Material kann in einfacher und sicherer Weise bestimmt werden. Auch hiezu gibt es verschiedene Möglichkeiten, von denen im folgenden einige erwähnt werden sollen.
Ordnet man unterhalb des zu bearbeitenden Werkstückes eine isoliert gelagerte Elektrode an, so kann aus der Stromaufnahme dieser Elektrode eindeutig auf das Durchdringen des Ladungsträgerstrahles geschlossen werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Werkstück isoliert zu lagern und die Stromaufnahme des Werkstückes zu messen. Sobald sich diese Stromaufnahme verringert, tritt der Strahl durch das Werkstück hindurch.
Ordnet man unterhalb des Werkstückes Vorrichtungen an, welche zur Messung der hier auftretenden Streu- und Sekundärelektronen dienen, so kann in eindeutiger Weise aus der Zunahme dieses Stromes auf das Durchdringen des Strahles durch das Material geschlossen werden.
Eine weitere Messmöglichkeit besteht darin, unterhalb des zu bearbeitenden Materials eine durch irgendwelche Messgeräte feststellbare Substanz, z. B. eine radioaktive Substanz anzuordnen. In diesem Fall wird unterhalb des Werkstückes ferner ein Messgerät angeordnet, welches nur einen solchen Raumwinkel der Messstrahlung erfasst, dass im Ruhezustand keine Anzeige erfolgt.
Dringt nun der Ladungsträgerstrahl durch das Material hindurch, so wird die Messsubstanz verdampft und das Anzeigegerät zeigt einen bestimmten Messwert an, aus welchem dann eindeutig auf das Durchdringen des Strahles durch das Material geschlossen werden kann.
Die mittels des neuen Schweissverfahrens herstellbaren Schweissnähte unterscheiden sich im Schnittbild eindeutig von den mit den bisher bekannten Schweissverfahren hergestellten Schweissnähten. Während nämlich bei diesen durch die radiale Ausdehnung der Erwärmung von der Oberfläche her gebildete Formen der Aufschmelzungszone zu erkennen sind, zeigen nach den neuen Schweissverfahren hergestellte Schweissnähte nur eine sehr schmale V-förmig aufgeschmolzene Zone.
Bei dem neuen Schweissverfahren tritt der überraschende Effekt auf, dass der tief in das Material eindringende Ladungsträgerstrahl im Materialinnern stärker fokussiert wird als es dem Fokussierungszustand des auf die Oberfläche des Werkstückes auftreffenden Strahles entspricht. Diese zusätzliche Fokussierung
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wfrd wahrscheinlich durch im Material gebildete positive Ladungsträger bewirkt. Aus diesem Grunde dringt der Ladungsträgerstrahl auf engem Querschnitt sehr schnell durch das Material, d. h. es kann mit einem Minimum an Erhitzung geschweisst werden.
Versuche haben gezeigt, dass mit dem neuen Schweissverfahren Schweissgeschwindigkeiten von etwa 70 bis 80 cm/min erreicht werden können. Dabei empfiehlt es sich, z. B. zum Verschweissen von etwa
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und dessen Beschleunigungsspannung 100 kV beträgt.
Das neue Schweissverfahren bietet die Möglichkeit, jede Art von Schweissnähten sehr schnell und mit minimaler Wärmebeanspruchung des behandelten Materials herzustellen. Sollen beispielsweise längere Schweissnähte hergestellt werden, so wird der Ladungsträgerstrahl sofort nach Erreichen der gewünschten Eindringtiefe in das Material mit solcher Geschwindigkeit in Nahtrichtung bewegt, dass die gewünschte Eindringtiefe während des gesamten Schweissvorganges konstant bleibt.
Besteht die Aufgabe, zwei Werkstücke miteinander zu verschweissen, wobei das erste Werkstück mit einer Kante auf einer Seite des zweiten Werkstückes aufsitzt, so wird diese Aufgabe vorteilhaft unter Verwendung des neuen Schweissverfahrens dadurch gelöst, dass der Ladungsträgerstrahl von der freien Seite kommend das zweite Werkstück in Richtung und entlang der Kante des aufsitzenden Werkstückes durchdringt und so eine Verschweissung herbeiführt. Grundsätzlich gelingt es, mit dem neuen Schweissverfahren auch zwei Werkstücke miteinander zu verschweissen, wobei ein Werkstück inStrahlrichtung gesehen unterhalb des zweiten Werkstückes gelegen ist. Der Ladungsträgerstrahl wird in diesem Fall so gesteuert, dass er das obere Werkstück durchdringt und in das zweite Werkstück einschneidet.
Durch diese Art der Steuerung des Ladungsträgerstrahles entsteht bei minimaler Wärmebeanspruchung der Werkstücke eine einwandfreie Verschweissung-
Es gelingt in der angegebenen Weise beispielsweise zwei oder mehr in Strahlrichtung gesehen hintereinander angeordnete Platten flächenhaft oder entlang bestimmter vorgegebener Linien miteinander zu verschweissen. Ebenso gelingt es, auf ein beliebig geformtes Werkstück eine Deckplatte aufzuschwei- ssen, wobei eine Schweissung beispielsweise nur an bestimmten Stellen oder entlang bestimmter Linien dieses Werkstückes möglich ist. Ein weiterer Vorteil des neuen Schweissverfahrens liegt darin, dass es mit seiner Hilfe auch gelingt, ein beliebiges, z. B. gitterförmiges Werkstück zwischen zwei Platten einzuschweissen.
Das neue Schweissverfahren kann mit grossem Vorteil auch dazu verwendet werden, punktförmige Verschweissungen zweier Werkstücke herbeizuführen. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, den Ladungsträgerstrahl nach Erreichen der gewünschten Eindringtiefe in das Material und nach Abgabe einer zum Aufschmelzen eines genügend grossen Bereiches ausreichenden Energiemenge abzuschalten. Es entsteht in diesem Fall eine "Punktschweissung", welche wesentlich einfacher auszuführen ist als die nach bekannten Punktschweissverfahren hergestellten Schweissungen. Bei solchen Schweissungen werden zwei Elektroden verwendet, welche von beiden Seiten auf das Werkstück aufgesetzt werden. Bei der Herstellung von "Punktschweissungen" mittels des Ladungsträgerstrahles muss dagegen das zu behandelnde Werkstück nur von einer Stelle zugänglich sein.
In vielen Fällen ist es auch vorteilhaft, den Ladungsträgerstrahl so zu steuern, dass"Punktschwei- ssungen" entstehen, wobei jedoch der Strahl zwischen den einzelnen Schweissungen weitergeführt wird.
Diese Weiterführung kann in der An erfolgen, dass schliesslich eine aus aneinandergrenzenden, sich überlappenden oder voneinander getrennten Schweisspunkten bestehende Schweissnaht entsteht. Besonders vorteilhaft ist es, dabei den Ladungsträgerstrahl zur Herstellung punktweiser Verschweissungen zweier Werkstücke in einer, den gewählten Befestigungspunkt als Mittelpunkt enthaltenden Kreisbahn zu führen und ihn nach Durchlaufen dieser Bahn abzuschalten. Dabei wird ein Maximum der Festigkeit mittels eines Minimums der verwendeten Energie erreicht. Es kann auch zweckmässig sein, den Strahl auf einer spi- ra1förmig um den Befestigungspunkt gelegten Bahn zu bewegen.
Das neue Schweissverfahren kann auch Anwendung finden zur Veochweissung von Werkstücken, welche aus thermisch sehr unterschiedlichen Materialien gebildet sind. Richtet man In diesem Fall den Ladungsträgerstrahl genau auf die Schweissstelle, so wird das niedriger schmelzende Material überhitzt ehe das höher schmelzende Material aufgeschmolzen ist. Diese Überhitzung ist jedoch sehr kurzzeitig und wird im allgemeinen dem Material nicht schaden. In vielen Fällen ist es jedoch besser, eine Überhitzung eines Materials dadurch zu vermeiden, dass der Ladungsträgerstrahl so auf die zu verschweissenden Werkstücke fokussiert wird, dass diesen die Energie anteilmässig, entsprechend der Verschiedenheit der thermischen Eigenschaften ihrer Materialien zugeführt wird.
Es kann dabei vorteilhaft sein, den Ladungsträgerstrahl so auf die zu verschweissenden Werkstücke zu fokussieren, dass er nur in das aus dem höher
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schmelzenden Material bestehende Werkstück in unmittelbarer Nähe der Nahtstelle eindringt. In diesem Fall wird ein geringer Teil des höher schmelzenden Materials aufgeschmolzen und dieser aufgeschmolzene Materialbereich gibt so viel Energie an das niedriger schmelzende Material ab, dass eine einwand- freie Verschweissung entsteht.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Figuren 1 - 15 näher erläutert. Dabei zeigen : Fig. 1 eine erfindungsgemässe Einrichtung zum Schweissen mit Hilfe eines Elek- tronenstrahles, im Schnitt gezeichnet ; Fig. 2 einen Teilschnitt durch die Vorrichtung der Fig. 1 entlang der Linie H-n ; Fig. 3 eine Teilansicht des in Fig. 1 dargestellten Gerätes ; Fig. 4 einen Teilschnitt durch den Bearbeitungsraum einer Einrichtung zum Schweissen mit Hilfe eines Elektronenstrahles, welche eine zur Justierung des Strahles dienende Platte enthält ; Fig. 5 eine Schleusenanordnung zum Ausschleusen bearbeiteter und zum Einschleusen neuer Objekte, in schematischer Darstellung ;
Fig. 6 eine Teilansicht einer Einrichtung zum Schweissen mit Hilfe eines Ladungsträgerstrahles unter Verwendung eines Druckstufensystemes, teilweise im Schnitt gezeichnet ; Fig. 7 eine Teilansicht einer Einrichtung zum Schweissen mit Hilfe eines Ladungsträgerstrahles unter Verwendung einer eine bewegte Blende enthaltenden Zwischendruckkammer, teilweise im Schnitt gezeichnet ; Fig. 8a ein Schnittbild durch zwei miteinander verschweisste Werkstücke, welche gemäss einem der bekannten Schweissverfahren bearbeitet wurden ; Fig. 8b ein Schnittbild zweier unter Anwendung des neuen Schweissverfahrens miteinander verschweisster Werkstücke ; Fig. 9 ein Schnittbild zweier unter Anwendung des neuen Verfahrens miteinander verschweisster, . aus thermisch verschiedenenMaterialien bestehender Werkstücke ;
Fig. 10 ein Schnittbild einer unter Anwendung des neuen Schweissverfahrens hergestellten Aufsetznaht ; Fig. 11 einen Schnitt durch eine mit einer Deck- und einer Grundplatte verschweisste höckerförmig Platte ; Fig. 12 die Draufsicht auf ein mit Hilfe des neuen Schweissverfahrens bearbeitetes Werkstück ; Fig. 13 einen Schnitt durch zwei mit Hilfe des neuen Schweissverfahrens miteinander verschweisste Platten ; Fig. 14 ein Schnittbild einer unter Anwendung des neuen Schweissverfahrens hergestellten Aufsetznaht ; Fig. 15a eine nach einem der bekannten Verfahren ausgeführte Punktschweissung ; Fig. 15b eine unter Anwendung des neuen Schweissverfahrens ausgeführte Punktschweissung.
Fig. 1 zeigt eine gemäss der Erfindung aufgebaute Einrichtung zum Schweissen mit Hilfe eines Elek- tronenstrahles, bei welcher die Intensität des Strahles während des Schweissvorganges impulsförmig zur Wirkung gebracht wird.
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ordnet ist, der mit einem Isolatoransatz in diesen Behälter eintaucht. In den Behälter 1 taucht ferner ein dreiadrigesHochspannungskabel 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 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 versehenen Hochspannungskabels dem Gerät 44 zugeführt. Dieses Gerät dient zur Erzeugung der regelbarenHeizspannung und der regelbaren Wehnelt-Zylinder-Spannung. Diese Spannungen werden über
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führt. Die beispielsweise auf - 100 kV liegende Heizspannung wird direkt der Kathode 5 zugeleitet. Die Wehnelt-Spannung von'beispielsweise - 101 kV wird durch den Isolatoransatz der Sekundärwicklung des Impuls-Isol1er-Transformators 2 zugeführt und gelangt von dort aus direkt zum Wehnelt-Zylinder 6.
Ein Gerät 46 dient zur Erzeugung der Steuerimpulse. Dieses Gerät liegt in dem hier dargestellten Beispiel auf Erdpotential. 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 hochspannungsmässig 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.
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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 vermindern, dass ein Elektronenstrahl aus der Anode 7 austreten kann. Dieser Elektronenstrahl wird sofort nach Beendigung des Steuerimpulses 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.
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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. Der obere Polschuh der elektromagnetischen Linse 20 ist mit 21 bezeichnet, während der untere Polschuh die Bezeichnung 22 trägt.
Unterhalb der elektromagnetischen Linse 20 ist ein Ablenksystem 23 angeordnet, welches. dazu dient, den Elektronenstrahl 25 zu bewegen.
In einem Gerät 61 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 Ablenksystemes 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 Beleuchtungssystem 12, welches paralleles Licht liefert. Dieses Licht wird über zwei metallische Prismen 13 und 14 durch Durchbohrungen 62, 63 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). Als vakuumdichter Abschluss des Gehäuses 11 gegen das Mikroskop 49 dient eine Platte 65 aus Röntgenschutzglas. Diese Platte hält die für das Auge schädliche, bei der Materialbearbeitung entstehende Röntgenstrahlung vom Beobachtungssystem 49 fern. Das Mikroskop 49 ist von bekannter Bauart, lediglich sein Objektiv ist durch die Linse 17 ersetzt. Das Mikroskop ist mit einem Vergrösserungswechsler 64 ausgestattet, welcher es erlaubt, die Werkstückoberfläche in verschiedenen Vergrösserungen zu beobachten.
Der unter Hochvakuum stehende Strahlerzeugungsraum ist mit einem leitenden Mantel 11 versehen und geerdet.
Der Elektronenstrahl 25 tritt durch die Öffnung des Ablenksystemes 23 aus dem Gehäuse 11 aus und in einen Bearbeitungsraum 24 ein. Dieser Bearbeitungsraum ist ebenfalls mit einem leitenden Mantel versehen und geerdet. Im Raum 24 ist das zu bearbeitende Werkstück auf einem Kreuztisch angeordnet, welcher es erlaubt, das Objekt'in zwei zueinander senkrechtenKoordinatenrichtungen zu bewegen.
In der Darstellung der Fig. 1 sind im Bearbeitungsraum 24 zwei Bleche 26 und 27 angeordnet, welche zusammengeschweisst werden sollen. Diese Bleche sind mittels eines Spanntisches 28 gehaltert, welcher seinerseits auf einem Tisch 29 angeordnet ist. Dieser Tisch kann senkrecht zur Papierebene verschoben werden. 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.
Zur Bewegung des Kreuztisches dienen zwei Handräder 35 und 40. Durch Drehen des Handrades 40' wird der Tisch 30 über einen Seilzug von links nach rechts oder umgekehrt bewegt. Durch Betätigen des Handrades 35 wird der Tisch 29 senkrecht zur Zeichenebene bewegt.
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 nun 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 dient.
Der Tisch 29 des Kreuztisches ist zweckmässig mit Endlageschaltern ausgerüstet. Diese Endlagenschalter sind in der Darstellung der Fig. 1 nicht gezeichnet. Die Anordnung ist so getroffen, dass nach Betätigung eines Endlagenschalters über das Gerät 39 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.
Wie aus Fig. 3 zu erkennen ist, enthält der Bearbeitungsraum 24 ein Fenster 33, welches die gleichzeitige Beobachtung der Werkstückoberseite und der Werkstückunterseite erlaubt. Das Fenster 33 ist mittels eines Ringes 32 auf dem Gehäuse des Bearbeitungsraumes 24 befestigt.
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Die in Fig. 4 dargestellte Einrichtung zum Schweissen mit Hilfe eines Elekuon. enstrahles enthält eine aus hitzebeständigem Material hergestellte Platte 55, welche zur Justierung des Elektronenstrahles dient.
Diese Platte ist bei 53 gehaltert. Die Halterung 53 ist ihrerseits drehbar auf einer Achse 52 gelagert, welche eine Zahnstange aufweist. In diese Zahnstange greift ein Zahnrad 51 ein, welches aber einen Elektromotor 50 angetrieben wird. Die Achse 52 gleitet in einer Führung 54. Mit der Achse des Motors 50 ist zugleich ein Rad 56 verbunden, welches über einen Schnurzug mit der Halterung 53 in Verbindung steht.
Beim Anschalten des Motors 50 wird die Platte 55 entsprechend der Drehrichnmg des Motors auf-oder abbewegt. Dabei ist durch den über das Rad 56 betätigten Seilzug dafür gesorgt, dass keine Kippung der Plat-
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Kupplung das Zahnrad 51 von der Zahnstange der Achse 52 getrennt. Bei Betätigung des Motors 50 dreht sich also lediglich noch das Rad 56 und die Scheibe 55 wird gekippt.
Zum Einleiten einer Schweissung wird zunächst der Tisch 30 so weit nach links bewegt, dass die Platte 55 unter die Auftreffstelle des Elektronenstrahles 25 zu liegen kommt. Hierauf kann durch entsprechende Betätigung des Elektromotors 50 die Platte 55 in gewünschter Weise verschoben oder gekippt werden, um die erforderliche Fokussierung des Strahles 25 beobachten zu können. Dabei ksüna es insbesondere vorteilhaft sein, die Platte 55 zu kippen und dadurch den Verlauf des ElektroneBstrahles aber einen ver-
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Tisch 30 so weit nach rechts verschoben, bis die Nahtstelle der Werkstücke 26, 27 unter die Auftreffstelle des Elektronenstrahles 25 zu liegen kommt.
Zugleich wird der Tisch 29 so weit nach vorne verschoben, bis die Auftreffstelle des Strahles 25 vor dem vorderen Ende der Werkstücke 26, 87 liegt. Eine solche Einstellung wird deshalb gewählt, damit nach erfolgtem Einschalten des Elektromotors 38 der Tisch 29 schon eine gleichförmige Bewegung aufgenommen hat, ehe der Schweissstrahl 25 auf die Werkstücke auftrifft.
Es kann vorteilhaft sein, in hier nicht dargestellter Weise die Platte 55 mit einer Wasserkühlung oder einer sonstigen Kühlung zu versehen. Ebenso kann es zweckmässig sein, vor das vordere Ende der miteinander zu verschweissenden Werkstücke 26, 27 eine Leiste zu schalten, welche aus demselben Material hergestellt ist wie die Werkstücke. Durch diese Massnahme wird das Auftreten einer breit eingeschmolzenen Schweissnaht am vorderen Ende der miteinander zu verschweissenden Werkstücke vermieden.
Nach erfolgter Justierung des Elektronenstrahles wird dieser abgeschaltet und nach beendeter Einstellung des Kreuztisches zusammen mit dem Elektromotor 38 eingeschaltet.
In der in Fig. 4 dargestellten Einrichtung ist unterhalb der miteinander zu verschweissenden Werkstücke 26,27 eine Elektrode 57 angeordnet, welche mittels eines Isolators 58 gehaltert ist. Die Elektrode 57 ist über einen Widerstand 59 mit Erde verbunden und steht zugleich mit ein-. m Verstärker 60 in Verbindung.
Wird das Schweissgerät so eingestellt, dass der Elektronenstrahl die miteinander zu verschweissenden Werkstücke 26, 27 vollständig durchdringt, so erhält die Elektrode 57 eine elektrische Ladung. Diese Ladung fliesst über den Widerstand 59 zur Erde ab und die am Widerstand 59 abfallende Spannung kann beispielsweise dazu verwendet werden, die Drehgeschwindigkeit des Motors 38 zu regeln. Dadurch wird gewährleistet, dass die Werkstücke 26,27 mit einer solchen Geschwindigkeit verrhoben worden, dass der Elektronenstrahl 25 immer in demselben Mass die beiden Werkstücke durchdringt. Die vom Verstärker 60 gelieferte Spannung kann jedoch auch dazu verwendet werden, den Grad des Dmchdringens des Elektronenstrahles 25 durch die Werkstücke 26, 27 anzuzeigen.
In Fig. 5 ist eine Vorrichtung dargestellt, mit deren Hilfe es gelingt, die bearbeitenden Objekte aus dem Hochvakuum auszuschleusen und neue Objekte einzuschleusen, ohne das Hochvakuum im Gerät zu stören. Zu diesem Zweck sind seitlich an den Bearbeitungsraum 24 weitere Räume 71 bzw. 73 angeschlossen, welche mit Pumpanschlüssen 72 bzw. 74 versehen sind. Zum Abschluss dieser Räume gegenüber dem Bearbeitungsraum 24 dienen klappbar angeordnete Schleusentken 75 bzw. 77. Zum Abschluss der Räume 71 bzw. 73 gegenüber dem Aussendruck dienen ebenfalls klappbar angeordnete Schleusentoren 76 bzw. 78. Die Räume 71 und 72 enthalten fahrbare Wagen 79 bzw. 81, welches mittels hier nicht darge- stellter Elektromotoren in Richtung auf den Bearbeitungsraum 24 und von diesem weg bewegt werden können.
Die Wirkungsweise der in Fig. 5 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,
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die Türe 77 wird geschlossen und der Tisch 29 läuft bis zur rechten Endlage.
Daraufhin wird die Klapp- tur 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.
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. 6 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. Der untere Polschuh 84 trägt ein enges Röhr- chen 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 einer an einen Anschluss 92 angeschlossenen Pumpe abgezogen.
Die in Fig. 7 dargestellte Vorrichtung dient demselben Zweck wie die Vorrichtung der Fig. 6. In diesem Fall ist zwischen dem Bearbeitungsraum 24 und dem Strahlerzeugungsraum 11 eine Zwischendruckkammer 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 werden so zwischen den Öffnungen 102 und 103 bewegt, dass die Zeit, welche vom Raum 24 aus in eine der Öffnungen 102 eintretende Gasmoleküle brauchen, um die Öffnung 101 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.
Fig. 8a zeigt das Schnittbild zweier miteinander verschweisster Werkstücke 126 und 127. Diese Verschweissung wurde mittels eines Ladungsträgerstrahles 125 vorgenommen, welcher auf die Oberfläche der Werkstücke fokussiert war, dessen Energiedichte jedoch nicht zum Eindringen des Strahles über eine grö- ssere Tiefe ausreichte. 128 stellt die Grenzlinie zwischen den beiden Werkstücken dar. Beim Schweissen wird mittels des Ladungsträgerstrahles 125 zunächst ein kleiner Oberflächenbereich der Werkstücke hoch erhitzt. Der Strahl selbst dringt nicht in die Werkstücke ein. Durch Wärmeleitung wird ein relativ grosser Materialbereich 129 aufgeschmolzen, so dass nach Weiterführen des Ladungsträgerstrahles eine einwandfreie Verschweissung entsteht.
Fig. 8b zeigt dagegen dieselben Werkstücke, welche jedoch mittels des neuen Schweissverfahrens miteinander verschweisst wurden. Zu diesem Zweck wurde ein Elektronenstrahl einer Besch1eunigungs- spannung von 150 kV und einer Strahlstromstärke von 15 mA verwendet, dessen Durchmesser am Auftreffpunkt etwa 0,5 mm betrug. Die Dicke der Werkstücke betrug 10 mm. Wie man aus Fig. 8b ohne weiteres erkennt, entsteht in diesem Fall nur ein sehr schmaler, V-förmiger, aufgeschmolzener Bereich 130.
Der Ladungsträgeistrahl 125 hat eine solche Intensität, dass er beim Schweissvorgang unter Aufschmelzen des Materials tief in dasselbe eindringt und dabei seine Energie über die gesamte Eindringtiefe an das Material abgibt. Auf diese Weise entsteht die Schmelzzone 130, wobei zu bemerken ist, dass allen Stellen dieser Zone die Wärmeenergie gleichzeitig zugeführt wird.
Aus diesen Betrachtungen ist eindeutig zu erkennen, dass mittels des neuen Schweissverfahrens wesentlich höhere Schweissgeschwindigkeiten erreicht werden können als bei den bisher bekannten Schweissverfahren und dass der thermisch beanspruchte Materialbereich nur etwa 1/10 des bei den bekannten Schweissverfahren beanspruchten Materialbereiches umfasst.
Beispielsweise ist es möglich, mit einem Elektronenstrahl einer Beschleunigungsspannung von 150 kV und einer Strahlstromstärke von 20 mA, der an der Auftreffstelle auf einen Fleck von etwa 0,7 mm fo-
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knssiert ist, zwei Werkstücke aus Stahl von 20 mm. Dicke einwandfrei zu verschweissen, wobei der Strahl aber die gesamte Tiefe'in die Werkstücke eindringt. Die erreichte Schweissgecchwindigkeit beträgt hier etwa 3 mm/sec.
Fig. 9 zeigt zwei thermisch sehr unterschiedliche Materialien 131 und 132, welche entlang der Naht 133 verschweisst sind. Zu diesem Zweck wird der Ladungsträgerstrahl 125 auf das aus höher schmelzendem Material bestehende Werkstück 132 fokussiert. Die dabei entstehende Schmelzzone 134 umfasst auch einen Randbezirk des aus niedriger schmelzendem Material bestehenden Werkstückes 131, ohne dass eine Überhitzung dieses Materials entsteht.
Fig. 10 zeigt eine mit dem neuen Verfahren hergestellte Aufsetznaht. Es wird hier der Ladungsträgerstrahl so justiert, dass er nur auf das Werkstück 136 auftrifft und in dieses eindringt. Die dabei entstehende Schmelzzone 137 umfasst auch einen schmalen Randbezirk des Werkstückes 135. Es ist jedoch durch eine solche Steuerung des Ladungsträgerstrahles gewährleistet, dass zum Verschmelzen lediglich vom Werkstück 136 stammendes Material verwendet wird. Dies bedeutet, dass die Stärke des Werkstückes 135 an keiner Stelle vermindert wird.
Fig. 11 zeigt ein Werkstück 138, welches eine höckerförmig Oberflache aofweist. Dieses Werkstück ist mit einer Deckplatte 139 und einer Grundplatte 140 verschweisst. Zur Herstellung einer solchen Verschweissung wird der Ladungsträgerstrahl auf die Stelle 141 gerichtet und dringt an dieser Stelle durch die Platte 139 und das Werkstück 138 hindurch. Hat sowohl das Werkstück 138 als auch die Platte 139 eine Dicke von 4 mm, so wird hiezu ein Elektronenstrahl einer Beschleunigungsspannung von 100 kV und einer Strahlstromstärke von 0, 2 mA verwendet, dessen Durchmesser ander Auftreffstelle etwa 50 11 beträgt.
Nach Erreichen der gewünschten Eindringtiefe in das Material und nach Abgabe einer zum Aufschmelzen eines genügend grossen Bereiches ausreichenden Energiemenge wird der Ladungsträgerstrahl abgeschaltet.
Danach werden die Werkstücke so weit seitlich bewegt, bis beispielsweise die Stelle 142 unter der Auftreffstelle des Strahles liegt. Sodann wird derLadungsträgerstrahl wieder eingeschaltet und es entsteht eine punktförmige Verschweissung. Nach Verschweissen der Deckplatte 139 mit dem Werkstück 138 an genügend vielen Stellen werden die Werkstücke umgedreht und es wird nunmehr in der schon beschriebenen Weise die Grundplatte 140 mit dem Werkstück 138 verschweisst. Eine der hier gebildeten Schweissstellen ist mit 143 bezeichnet.
Das in Fig. 11 dargestellte verschweisste Werkstück 138, 139, 140 ist nur mittels des neuen Schweissverfahrens herstellbar, da hier lediglich eine Werkstückseite zum Auftreffen des Ladungsträgerstrahles zu- gänglich sein muss. Eine der entstehenden Verschweissungen ist beispielsweise in Fig. 15b gezeigt. Wie aus dieser Figur zu erkennen ist, ist die Schweissstelle 141 X-förmig ausgebildet und weist zwischen den Werkstücken 138 und 139 keine Einschnürungen auf.
Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 15a eine nach dem üblichen Punktschweissverfahren hergestell- te Schweissstelle. In bekannter Weise wird zur Verschweissung eine erste Elektrode auf dem Werkstück 138 und eine zweite Elektrode auf dem Werkstück 139 aufgesetzt. Die beim Stromdurchgang auftretenden Aufschweissungen sind mit 144 und 145 bezeichnet. Diese beiden Aufschweissungen sind so ausgebildet, dass sie ineinander übergehen. Wie jedoch leicht zu erkennen ist, ist die eigentliche Verschweissungsstelle an der Grenzlinie zwischen den Teilen 138 und 139 sehr schmal ausgebildet. Die Verschweissung ist aus diesemGrunde für irgendwelche Kräfte, welche seitlich auf die Schweissstelle einwirken, nicht sehr haltbar.
Fig. 12 zeigt die Ansicht eines Werkstückes, welches mit einem darunterliegenden Werkstück von beispielsweise höckerförmiger Oberfläche verschweisst ist. Die beiden Schweissstellen146und 147 sind so ausgebildet, dass auf einer Kreisbahn um den gewählten Befestigungspunkt aneinandergereihte punktför- mige Schweissstellen gebildet sind. Diese Schweissstellen sind beispielsweise bei 146 so gelegt, dass jede Schweissstelle von der andern deutlich getrennt ist. Bei 147 wurde der Ladungsträgerstrahl so geführt, dass die entstehenden Schweissstellen aneinandergrenzen. Bei einer Führung des Schwsissstrahles, wie sie aus Fig. 12 erkennbar ist, wird ein Maximum der Festigkeit der entstehenden Schweissstelle mit einem Minimum der verwendeten Energie erreicht.
Fig. 13 zeigt zwei miteinander verschweisste Platten 148 und 149. Zur Herstellung der Verschweissung wird der Ladungsträgerstrahl so auf die Platte 148 gerichtet, dass er diese und die darunterliegende Platte 149 durchdringt. Die entstehenden Schweissstellen sind mit 150 bezeichnet. Es ist hier ein dem Punktschweissverfahren ähnliches Schweissverfahren gewählt.
Fig. 14 zeigt eine Deckplatte 151, welche mit einem auf dieser Platte mit einer. Kante aufstehenden Werkstück 152 verschweisst ist. Zum Herstellen der Verschweissung wird der Ladungsträgerstrahl so auf die Platte 151 fokussiert, dass er diese Platte durchdringt und noch eine kleine Strecke in das Werkstück 152
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eindringt. Die so entstehende V-förmige Aufschmelzung garantiert eine einwandfreie Verschweissung der beiden Werkstücke. Die Schweissstelle selbst ist mit 153 bezeichnet.
Sollen mitHilfe des neuen Schweissverfahrens zwei Werkstücke miteinander verschweisst werden, die dmch eine Nut mit gleicher oder grösserer Querausdehnung als der Querschnitt des Ladungsträgerstrahles getrennt sind, so muss der Ladungsträgerstrahl periodisch quer zu seiner Bewegungsrichtung so weit abgelenkt werden, dass er einen schmalen Randbereich um die Nahtstelle erfasst. Durch diese Massnahme wird eine-schmale Randzone beider Werkstücke aufgeschmolzen und das verflüssigte Schmelzgut läuft unter Bildung einer einwandfreien Verschweissung beim Weiterbewegen des Ladungsträgerstrahles zusammen.
Das neue Schweissverfahren kann auch zum Verschweissen zweier Platten verwendet werden, wobei zum Unterschied gegen Fig. 13 keine punktförmigen Verschweissungen sondern eine durchgehende flächenhafte Verschweissung erzielt werden soll. Zu diesem Zweck ist es lediglich erforderlich, den Strahl so über die ihm zugewendete Platte zu bewegen, dass er durch diese und die darunterliegende Platte durchdringt und dass er auf Linien bewegt wird, deren Schm e1zzonen aneinandergrenzen.
Das neue Verfahren zum Schweissen mit Hilfe eines Ladungsträgerstrahles wurde im Zusammenhang mit den Zeichnungen mit der Verwendung von Elektronenstrahlen beschrieben. Es ist jedoch auch möglich, an Stelle von Elektronenstrahlen andere Ladungsträgerstrahlen, z. B. Ionenstrahlen, zu verwenden.
Alle die in den Fig. 8-. 15 dargestellten Schweissprobleme können sowohl mit Hilfe eines impulsförmig gesteuertenladungsträgerstrahles als auch mit Hilfe eines kontinuierlich zur Einwirkung kommenden Ladungsträgerstrahles gelöst werden. Dies ist deshalb der Fall, weil bei dem neuen Schweissverfahren auch beim kontinuierlichen Auftreffen des Schweissstrahles nur ein sehr kleiner Materialbereich thermisch beansprucht wird und weil darüber hinaus die Schweissung sehr schnell durchgeführt werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Schweissen unter Verwendung eines Ladungsträgerstrahles als Mittel zur Energiezuführung, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungsträgerstrahl auf die Schweissstelle oder in die Nähe der Schweissstelle fokussiert und seine Intensität so gewählt wird, dass der Strahl an der Auftreffstelle unter Bildung eines schmalen, hoch erhitzten Kanals in das Material eindringt und dabei seine Energie entlang der Eindringtiefe an das Material abgibt.
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