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Verfahren und Vorrichtung zum Schweissen und Löten im dafür nicht direkt zugänglichen Innern eines Werkstückes
Bei der Herstellung komplizierter Werkstücke kann die Aufgabe auftreten, Schweissungen im Inneren des Werkstückes vorzunehmen. Solche Schweissungen sind mit den üblicherweise verwendeten Schweissund Lötverfahren nur unter grossen Schwierigkeiten durchzuführen, da man hiezu eine entsprechend grosse Öffnung in der Aussenfläche des Werkstückes anlegen muss, durch die hindurch mit Brenner und Zusatzdraht bzw. mit der Elektrode manipuliert werden muss.
Es ist bekannt, Schweissungen mittels eines fokussierten Ladungsträgerstrahles vorzunehmen. Dieses Schweissverfahren bringt verschiedene wesentliche Vorteile mit sich, welche im wesentlichen in der geringeren Wärmebeanspruchung des schweissgutes begründet sind.
Die vorliegende Erfindung beruht nun auf dem Gedanken, dass ein Ladungsträgerstrahl nicht nur thermische Vorteile mit sich bringt, sondern dass er auch ein sehr feines und relativ leicht beherrschbares Arbeitsmittel darstellt.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweissen und Löten im dafür nicht direkt zugänglichen Inneren eines Werkstückes unter Anlegung einer Öffnung in der Aussenfläche des Werkstückes zwecks Durchtritt des Arbeitsmittels. Die Erfindung besteht darin, dass eine Öffnung, deren Durchmesser dem drei-bis fünffachen Strahldurchmesser entspricht, angelegt wird und dass als Arbeitsmittel ein an sich bekannter, auf die Schweissstelle fokussierter Ladungsträgerstrahl verwendet wird, welcher durch Ablenksysteme so beeinflusst wird, dass er entlang einer gegenüber dem Durchmesser der Öffnung ausgedehnten Schweissnaht geführt wird.
Da im allgemeinen Schweissstrahlen von etwa 30 bis 200 li Durchmesser verwendet werden, kann die zum Durchtritt des Ladungsträgerstrahles dienende Öffnung also sehr eng gehalten werden, so dass die Festigkeit des Werkstückes kaum merkbar beeinflusst wird.
Ist das zu bearbeitende Werkstück relativ klein, so ist es vorteilhaft, den Ladungsträgerstrahl durch, in Strahlrichtung gesehen vor dem Werkstück angeordnete Ablenksysteme so zu beeinflussen, dass er eine Schwenkbewegung um einen in der erwähnten Werkstücköffnung liegenden Punkt ausführt.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, den Ladungsträgerstrahl erst nach Durchtritt durch die Öffnung im Werkstückinneren wirksame Ablenksysteme entlang der Schweissnaht zu führen. In diesem Fall trifft also der Ladungsträgerstrahl durch die auf die Strahlachse ausgerichtete Öffnung im Werkstück und wird erst im Werkstückinneren abgelenkt. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, sehr ausgedehnte, im Werkstückinneren liegende Schweissnähte herzustellen.
Besteht beispielsweise das zu bearbeitende Werkstück aus nichtmagnetischem Material, so ist es zweckmässig, ein ausserhalb des Werkstückes angeordnetes, zur Strahlablenkung im Inneren des Werkstückes dienendes Ablenksystem vorzusehen.
Weist das zu bearbeitende Werkstück grössere Öffnungen auf, durch welche der Ladungsträgerstrahl die Schweissstelle jedoch nicht erreichen kann, so ist es zweckmässig, in diesem Fall die Ablenkung des Ladungsträgerstrahles durch ein in eine solche Öffnung bis an die Nähe der Schweissstelle eingeführtes Ablenksystem zu bewirken. Auch in diesem Fall tritt der Ladungsträgerstrahl durch die auf die Strahlachse ausgerichtete Durchtrittsöffnung des Werkstückes und wird erst im Werkstückinneren abgelenkt.
Besteht das Werkstück aus ferromagnetischem Material, so ist es in manchen Fällen vorteilhaft, elektromagnetische Spulen auf das Werkstück oder Teile desselben aufzusetzen, wobei diese Spulen so
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angeordnet und ausgebildet sind, dass zwischen entsprechenden Werkstückteilen ein den Ladungsträgerstrahl auf die Schweissstelle ablenkendes Magnetfeld entsteht.
Zur Herstellung von Schweissungen im Inneren eines Werkstückes, bei welchem mehrere übereinanderliegende Teile die Schweissstelle abdecken, werden natürlich alle diese Teile mit in der Strahlachse angeordneten Öffnungen versehen. Auch in diesem Fall erfolgt zweckmässig die Strahlablenkung erst im Innern des Werkstückes. Ist eine solche Strahlablenkung im Werkstückinneren jedoch nicht möglich, so ist es selbstverständlich erforderlich, die Öffnungen in den Werkstückteilen so anzulegen, dass sie auf die Schweissstelle weisen und den Ladungsträgerstrahl ausserhalb des Werkstückes so abzulenken, dass er durch diese Öffnungen hindurch auf die Schweissstelle trifft.
Es kann vorteilhaft sein, die zum Durchtritt des Ladungsträgerstrahles dienende Öffnung mittels des Ladungsträgerstrahles selbst herzustellen. In diesem Fall ist es lediglich erforderlich, den Ladungsträgerstrahl zunächst auf den zu durchbohrenden Teil des Werkstückes zu fokussieren und ihn sodann nach erfolgter Durchbohrung auf die Schweissstelle zu fokussieren. Ebenso kann es zweckmässig sein, nach beendeter Schweissung im Inneren des Werkstückes die Öffnung im äusseren Teil des Werkstückes nach Zugabe von Zusatzmaterial mit Hilfe des Ladungsträgerstrahles zuzuschweissen.
Die Möglichkeit, die zum Durchtritt des Ladungsträgerstrahles dienende Öffnung mittels des Ladungsträgerstrahles selbst herzustellen und auch wieder zu verschweissen, macht eine vollautomatische Steuerung des gesamten Schweissvorganges durchführbar. Es ist zu diesem Zweck eine Programmsteuerung notwendig, welche zunächst die Durchbohrung des äusseren Werkstückteiles bewerkstelligt, sodann den schweissvor- gang steuert und schliesslich Zusatzmaterial zur Bohrstelle transportiert und diese Stelle wieder zuschweisst.
In manchen Fällen ist es vorteilhaft, einen intermittierend gesteuerten Ladungsträgerstrahl zu verwenden. Ein solcher Strahl bietet die Möglichkeit, sogenannte Tiefschweissungen ohne merkliche Verdampfung des getroffenen Materials durchzuführen.
Der zur Schweissung des Werkstückes dienende Ladungsträgerstrahl hat eine solche Intensität, dass er an der Auftreffstelle unter Bildung eines schmalen hocherhitzten Kanales tief in das Werkstück eindringt und dabei seine Energie entlang der gesamten Eindringtiefe an das Material abgibt. Ein solches tiefes Eindringen des Ladungsträgerstrahles in das Werkstück tritt auf, wenn die Strahlintensität einen Wert von etwa 1 MW/cm' übersteigt.
Sollen Schweissungen im Inneren eines Werkstückes durchgeführt werden, welches aus ferromagneti- schem Material besteht und welches keine zum Einbringen eines Ablenksystems in das Werkstückinnere geeignete Öffnungen aufweist, so wird der oberhalb der Schweissstelle liegende Werkstückteil mit einer Öffnung versehen.
Die Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens besteht in diesem Fall aus einem Strahlerzeugungssystem sowie Mitteln zur Formung und Fokussierung des Ladungsträger- strahles, wobei gemäss der Erfindung mindestens zwei in zwei Ebenen übereinander angeordnete Ablenksysteme sowie Schaltmittel vorgesehen sind, welche zur Festlegung der dem zweiten Ablenksystem zugeführten Ablenkströme in Abhängigkeit von den für das erste Ablenksystem gewählten Ablenkströmen in der Weise dienen, dass der Ladungsträgerstrahl unabhängig vom gewählten Ablenkwert durch die Strahldurchtrittsöffnung im Werkstück trifft.
Durch die erwähnten Schaltmittel ist also gewährleistet, dass beim Einstellen des Ablenkwertes des ersten Ablenksystemes der Ablenkwert des zweiten Ablenksystemes automatisch so eingestellt wird, dass der Ladungsträgerstrahl durch die Öffnung im Werkstück trifft.
Bei relativ grosser Ablenkung des Ladungsträgerstrahles kann es zweckmässig sein. Schaltmittel vorzusehen, welche zur Änderung der Fokussierung des Ladungsträgerstrahles in Abhängigkeit vom gewählten Ablenkwert dienen. Durch solche Mittel ist gewährleistet, dass der auftreffende Schweissstrahl unabhängig von seiner Ablenkung stets den optimalen Fokussierungszustand aufweist.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 1-8 näher erläutert.
Dabei zeigen : Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Erläuterung einer Ausführungsform des neuen Verfahrens ; Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer gemäss der Erfindung aufgebauten Einrichtung zum Schweissen und Löten im nicht direkt zugänglichen Inneren eines Werkstückes ; Fig. 3 eine vergrösserte Teilansicht des in Fig. 2 dargestellten Gerätes ; Fig. 4 eine Draufsicht auf das in den Fig. 2 und 3 dargestellte Werkstück ; Fig. 5 einen Teilschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel einer gemäss der Erfindung aufgebauten Einrichtung, bei welcher ein Ablenksystem in das Werkstück eingeschoben ist ; Fig. 6 einen Teilschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer gemäss der Erfindung aufgebauten Einrichtung, bei welcher ausserhalb des Werkstückes angeordnete Ablenksysteme zur Strahlablenkung im Werkstückinneren dienen ;
Fig. 7 einen Teilschnitt durch eine gemäss der Erfindung aufgebaute Einrichtung, bei welcher mehrere. übereinanderliegende Werkstückteile die Schweissstelle abdecken ; Fig. 8 einen Teilschnitt durch eine Einrichtung nach der Erfindung, bei welcher das Werkstück aus ferromagnetischem Material besteht.
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In Fi. g 1 ist mit 1 ein Ladungsträgerstrahl bezeichnet, welcher durch die beiden durch gestrichelte Linien angedeuteten Ablenksysteme 2 und 3 tritt. Der im ersten Ablenksystem erreichte Ablenkwinkel ist mit a bezeichnet, während der im zweiten Ablenksystem 3 erreichte Ablenkwinkel die Bezeichnung ss trägt. Der Ladungsträgerstrahl 1 tritt nach Durchlaufen der beiden Ablenksysteme durch eine Öffnung 4 im äusseren Teil 5 eines Werkstückes ein und trifft sodann auf die im Inneren des Werkstückes gelegene Schweissstelle 6.
Bezeichnet man den Abstand zwischen den beiden Ablenksystemen 2 und 3 mit a und den Abstand zwischen dem zweiten Ablenksystem 3 und der Werkstückoberfläche 5 mit b, so muss zwischen den beiden Ablenkwinkeln os und 8 stets die Beziehung
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In Fig. 5 ist mit 40 ein langes Rohr bezeichnet, welches mit einem Innenrohr 41 verschweisst werden soll. Zu diesem Zweck ist das Rohr 40 mit einer Öffnung 42 versehen, durch welche der Elektronenstrahl 14 in das Rohrinnere eintritt. Die Öffnung 42 ist dabei in der Strahlachse gelegen.
Innerhalb des Rohres 40 sind zwei Ablenksysteme angeordnet, mittels welcher der Elektronenstrahl 14 auf die Schweissstelle gerichtet wird. Das erste Ablenksystem besteht aus zwei senkrecht zur Papierebene angeordneten Polschuhen, von welchen nur der Polschuh 43 sichtbar ist. Mittels dieses Ablenksystemes wird der Elektronenstrahl 14 so umgelenkt, dass er etwa in Richtung der Achse des Rohres 40 verläuft. Das zweite Ablenksystem 44 besteht aus vier diametral zueinander angeordneten Ablenkspulen bekannter Bau- art. DiesesAblenksystem dient zur Ablenkung des in Richtung der Rohrachse verlaufenden Elektronenstrahles 14 in der Papierebene und senkrecht zur Papierebene. Bei entsprechender Steuerung der dem Ablenksystem 44 zugeführten Ablenkströme lässt sich erreichen, dass der Elektronenstrahl 14 einen Kegelmantel mit der Rohrachse als Achse beschreibt.
Dabei werden die Rohre 40 und 41 entlang des gesamten Umfanges miteinander verschweisst.
Die Ablenksysteme 43 und 44 sind in einem Halter 45 angeordnet, mittels welchem sie in das Innere des Rohres 40 eingeschoben werden. Der Halter 45 dient dabei zugleich zur Zuführung der Ablenkströme zu den einzelnen Ablenksystemen. Mit seinem Griff sind Scheiben 46 verbunden, welche zur Führung im Inneren des Rohres 40 dienen.
Bei der in Fig. 5 als Teilschnitt gezeichneten Einrichtung können die beiden Ablenksysteme 20 und 21 der Fig. 2 entfallen. Das Rohr 40 ist in einem grossen Bearbeitungsraum auf einem Kreuztisch gelagert, welcher zur Halterung und zur Bewegung des Rohres 40 dient. Mittels dieses Kreuztisches wird das Rohr 40 so justiert, dass die Öffnung 42 mit der Achse des Elektronenstrahles 14 zusammenfällt.
In Fig. 6 ist mit 47 ein langes Rohr aus nichtmagnetischem Material bezeichnet, welches mit einem weiteren Rohr 48 aus nichtmagnetischem Material verschweisst werden soll. In diesem Fall sind ausserhalb des Rohres 47 zwei Ablenksysteme angeordnet. Das erste Ablenksystem besteht aus zwei senkrecht zur Papierebene angeordneten Ablenkspulen, von welchen lediglich die Spule 50 sichtbar ist. Das zweite Ablenksystem besteht ebenso wie in Fig. 5 aus vier einander diametral gegenüberliegenden Ablenkspulen, welche hier mit 51 bezeichnet sind. Das Rohr 47 trägt eine Öffnung 49, durch welche der Elektronenstrahl 14 in das Rohrinnere eintritt. Er wird dort ebenso abgelenkt wie der in das Innere des Rohres 40 der Fig. 5 eintretende Elektronenstrahl 14.
Auch bei der in Fig. 6 dargestellten Einrichtung können die Ablenksysteme 20 und 21 der Fig. 2 entfallen und muss das Rohr 47 auf einem Kreuzschlitten gelagert sein. Dieser Kreuzschlitten wird so eingestellt, dass die Öffnung 49 mit der Strahlachse des Elektronenstrahles 14 zusammenfällt.
Fig. 7 zeigt ein langes Rohr 52, welches mit einem weiteren Rohr 53 verschweisst werden soll. Die Schweissstelle wird in diesem Fall jedoch durch die beiden Wände 54 und 55 der kreisförmigen Aussenkammern abgedeckt. Die Wände 54 und 55 sind mit Öffnungen 56 bzw. 57 versehen, welche ebenso wie die Öffnung 58 im Rohr 52 auf die Strahlachse des Elektronenstrahles 14 ausgerichtet sind. Der durch die Öffnungen 56, 57,58 tretende Elektronenstrahl 14 wird mittels der Ablenksysteme 43 und 44 so abgelenkt, dass er die beiden Rohre 52 und 53 entlang des gesamten Umfanges miteinander verschweisst.
In speziellen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Öffnungen 56,57 und 58 nicht auf die Strahlachse auszurichten, sondern sie schräg zur Strahlachse anzuordnen. In diesem Fall sind die in Fig. 2 dargestellten Ablenksysteme 20 und 21 notwendig, welche den Elektronenstrahl 14-so ablenken, dass er durch die entsprechend geneigten Öffnungen 56,57 und 58 trifft.
Fig. 8 zeigt einen nahe der Vorderwand gelegten Schnitt durch eine quaderförmige Kammer 60 aus ferromagnetischem Material. In dieser Kammer ist eine ebenfalls aus ferrogmagnetischem Material bestehende Kammer 61 angeordnet, welche mit einem Fortsatz 62 aus 60 herausragt. Auf diesen Fortsatz ist eine Spule 63 aufgeschoben, welche ein Magnetfeld zwischen den Wänden der Kammern 60 und 61 erzeugt. Eine auf die Kammer 60 aufgeschobene Hülse 64 dient als magnetischer Rückflussweg.
Der durch die Öffnung 65 der Kammer 60 in diese eindringende Elektronenstrahl 14 wird durch das zwischen der Kammer 61 und der Vorderwand von 60 ausgebildete Magnetfeld nach der Seite abgelenkt und trifft auf die Nahtstelle zwischen der Kammer 60 und dem in diese einzuschweissenden Teil 66. Durch Regelung des die Spule 63 durchfliessenden Stromes kann der Ablenkwinkel des Elektronenstrahles'geändert werden, so dass es möglich ist, eine Schweissnaht herzustellen, welche entlang eines gewissen Bereiches in Richtung der in der Papierebene gelegenen Naht zwischen 60 und 66 verläuft.