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Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer Schweisszone
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Querschnittsform beim Ladungsträgerstrahl-SchweissenDie Verkippung des oder der Ladungsträgerstrahlen erfolgt dabei mit einer so hohen Frequenz, dass die
Bewegung des Strahles senkrecht zur Schweissrichtung gross gegen die Relativbewegung in Schweissrichtung ist. Dabei ist es vorteilhaft, die Verkippung des Ladungsträgerstrahles so zu steuern, dass die Verweilzeit des Strahles in den verschiedenen Querschnittsbereichen der Schweisszone verschieden gross ist. Dies wird zweckmässig dadurch erreicht, dass den Ab1enkelementen Ab1enkspannungen oder Ablenkströme von nicht- linearem zeitlichem Verlauf zugeführt werden.
Durch diese Steuerung der Strahlablenkung wird bei- spielsweise erreicht, dass den durch den übrigen Materialverband stark gekühlten Randbereichen der
Schmelzzone mehr Energie zugeführt wird als den in der Mitte der Schweisszone gelegenen Materialbe- reichen.
Wird der zur Schweissung dienende Ladungsträgerstrahl intermittierend gesteuert, so erfolgt auch die
Strahlablenkung vorteilhaft intermittierend in den Impulspausen. Weiterhin ist es zweckmässig in diesem
Fall auch die Bewegung des Strahles in Schweissrichtung intermittierend zu gestalten, wobei während der
Querablenkung des Ladungsträgerstrahles diese Bewegung zu Null wird.
Bei allen bisher beschriebenen Arten der Strahlverkippung wird erreicht, dass schliesslich der gesamte
Querschnitt der Schweisszone aufgeschmolzen wird. Der gesamte gewünschte Querschnittsbereich wird also während des Schweissvorganges mit geschmolzenem Material erfüllt.
Dieser Effekt lässt sich bei dem neuen Verfahren zum Herstellen einer Schweisszone gewünschter
Querschnittsform beim Schweissen mittels eines tief in das Werkstück eindringenden, eine im wesentli- chen V-förmige Zone aufschmelzenden Ladungsträgerstrahles gemäss einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens auch dadurch erreichen, dass mehrere Ladungsträgerstrahlen so auf das Werkstück gerichtet werden, dass die von ihnen erzeugten Schmelzzonen den gewünschten Querschnitt vollständig ausfüllen.
Dazu kann es bei bestimmten Querschnittsformen erforderlich und vorteilhaft sein, die Ladungsträgerstrahlen von verschiedenen Seiten auf das Werkstück zu richten.
Die vorliegende Erfindung findet besonders vorteilhaft Anwendung zur Herstellung von Schweiss zonen mit rechteckförmigem Querschnitt. Beim Erkalten des innerhalb einer solchen Schweisszone aufgeschmolzenen Materials kann lediglich ein, durch die Materialschrumpfung hervorgerufenes geringfügiges Zusammenziehen der Wersktücke in der Ebene senkrecht zur Schweissnaht auftreten.
Soll eine rechteckförmige Querschnittsform mittels nur eines Ladungsträgerstrahles erzielt werden, so wird dieser Strahl während des Schweissvorganges so um eine in der Werkstückoberfläche liegende Achse gekippt, dass zwischen den Endlagen seiner Ablenkung im Werkstück ein spitzer Winkel in der Ebene senkrecht zur Schweissrichtung beschrieben wird, wobei dieser Winkel gleich dem Winkel der Schmelzzone bei nichtabgelenktem Strahl ist.
Es ist auch möglich, eine rechteckförmige Schweisszone dadurch zu erzielen, dass. beispielsweise zwei von verschiedenen Seiten auf das Werkstück gerichtete Ladungsträgerstrahlen verwendet werden.
Diese beiden Strahlen sind zueinander parallel und so gegen die Werkstückoberfläche geneigt, dass die äusseren Flanken ihrer Schmelzzonen senkrecht zur Werkstückoberfläche stehen.
Wird der Ladungsträgerstrahl neben seiner Verkippung gleichzeitig senkrecht zur Schweissrichtung bewegt, so kann beispielsweise eine rechteckförmige Schweisszone verhältnismässig grosser Breite erzeugt werden oder diese Zone lässt sich einseitig verschieben, um eine seitliche Abweichung der zu verschwei- ssenden Nahtstelle gegen den Strahl zu kompensieren.
Die Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung besteht aus einem an sich bekannten Gerät zum Schweissen mittels eines Ladungsträgerstrahles, wobei dieses Gerät erfindungsgemäss in Strahlrichtung gesehen vor dem Werkstück zwei, in verschiedenen Ebenen angeordnete Ablenksysteme enthält. Durch diesen Aufbau der Vorrichtung lässt sich erreichen, dass die Ablenkelemente in genügender Entfernung vom Werkstück angebracht werden können. Das in Strahlrichtung gesehen erste Ablenksystem lenkt den Ladungsträgerstrahl aus seiner ursprünglichen Richtung ab, während das zweite Ablenksystem ihn in entgegengesetzter Richtung so ablenkt, dass er in der Höhe der Werkstückoberfläche seine Ursprungsrichtung schneidet.
Erfolgen beide Ablenkungen synchron, so lässt sich erreichen, dass der Ladungsträgerstrahl stets in Hohe der Werkstückoberfläche seine Ursprungsrichtung schneidet, d. h. also, dass er um eine in derWerkstückoberfläche inNahtrichtung liegende Achse gekippt wird. Dadurch überstreicht der abgelenkte Strahl den gewünschten Winkelbereich im Werkstück.
Ist dieser Winkelbereich sehr klein, so ist es prinzipiell auch möglich, nur ein einziges Ablenksystem zu verwenden. Dieses System muss jedoch, sobald der vom Strahl zu überstreichende Winkelbereich etwas grösser ist, zur Erzeugung einer Schweissnaht, welche senkrecht zur Schweissrichtung nicht allzusehr ausgedehnt ist, sehr dicht über dem Werkstück angeordnet werden.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 1-8 näher er-
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Fig. 1lenkstrom gegenphasig zugeführt, dass der Elektronenstrahl 5 in entgegengesetzter Richtung so abgelenkt wird, dass er in Höhe der Werkstückoberfläche seine Ursprungsrichtung schneidet. Die beiden extremen
Ablenklagen des Elektronenstrahles 5 sind in Fig. 3 mit 5'und 5"bezeichnet.
Trifft der Elektronenstrahl in Richtung 5' auf die Werkstücke 15, 16 auf, so entsteht eine Schweisszo- ne 36, deren eine Flanke senkrecht zur Werkstückoberfläche liegt. Trifft der Elektronenstrahl in Rich- tung 5"auf die Werkstückoberfläche auf, so entsteht eine Schweisszone 35, deren andere Flanke senk- recht zur Werkstückoberfläche liegt. Insgesamt entsteht also beim Verschwenken des Elektronenstrahles 5 zwischen den Richtungen 5'und 5" eine rechteckförmige Schweisszone, deren Kanten senkrecht zur Werk- stückoberfläche liegen.
Wie ohne weiteres einzusehen ist, entspricht der Winkel zwischen den Ablenklagen 5'und 5"dem
Winkel der V-förmigen Schmelzzone 34. Die beiden Ablenkgeneratoren 32 und 33 sind miteinander ge- koppelt, so dass den Ablenksystemen 30 und 31 stets solche Ströme zugeführt werden, dass der Elektronen- strahl 5 um die in der Werkstückoberfläche liegende, in Richtung der Schweissnaht verlaufende Achse ge- kippt wird.
Um innerhalb der entstehenden rechteckförmigen Schweisszone die gewünschte Energieverteilung zu erzielen, wird den periodischen Ablenkströmen für die Ablenksysteme 30 und 31 ein geeigneter zeitlicher
Verlauf gegeben. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Generatoren 32 und 33 so auszubilden, dass sie Ab- 1enkströme. mit nichtlinearem zeitlichem Verlauf liefern. Beispielsweise liefern die Generatoren 32 und
33 Ablenkströme von rechteck- oder sinusförmigem Verlauf oder auch Ablenkströme, deren zeitlicher
Verlauf die Form einer Dachkurve hat. Dadurch wird die Verweilzeit des Elektronenstrahles 5 und damit die abgegebene Wärmemenge in den verschiedenen Richtungen seines Ablenkwinkels in gewünschter Weise beeinflusst.
Beispielsweise wird bei einem rechteck- oder sinusförmigen Verlauf der Ablenkströme erreicht. dass der Elektronenstrahl 5 in den Endlagen 5'und 5"länger verweilt als in den Mittellagen und dass dem- zufolge den Zonen 35 und 36 mehr Energie zugeführt wird als den zwischen diesen beiden Zonen gelege- nen Schmelzzonen. Dadurch wird die starke Wärmeableitdng an den Rändern der Schmelzzone kompen- siert.
Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung, bei welcher zusätzlich zu den Ablenksystemen 30 und 31 ein weiteres Ablenksystem 37 vorgesehen ist. Dieses Ablenksystem lenkt den Elektronenstrahl 5 so aus seiner ursprünglichen Richtung ab, dass er in Richtung 5'"in das Ablenksystem 30 eintritt. Aus diesem Grunde wird der Elektronenstrahl 5 nach links verschoben, d. h., die Schweisszone wandert im Werkstück nach links. Da- durch wird kompensiert, dass die ursprünglich bei 38 gelegene Stosskante zwischen den Werkstücken 15 und 16 nunmehr bei 39 liegt. Das Ablenksystem 37 bietet also die Möglichkeit, seitliche Abweichungen der Schweissstelle gegen den Strahl zu kompensieren.
Derselbe Effekt liesse sich auch ohne das Ablenksystem 37 erzielen. In diesem Fall müsste dem Ablenkstrom für das Ablenksystem 30 ein Gleichstrom bestimmter Grösse überlagert werden.
Wird dem Ablenkstrom für das Ablenksystem 30 ein zusätzlicher periodischer Ablenkstrom überlagert bzw. wird dem in Fig. 4 dargestellten Ablenksystem 37 ein periodischer Ablenkstrom zugeführt, so lassen sich rechteckförmige Schmelzzonen einer Breite erzeugen, welche wesentlich grösser ist als die Breite der in Fig. 3 dargestellten Schmelzzone.
In der Darstellung der Fig. 5 treffen zwei Ladungsträgerstrahlen 40 und-41 von verschiedenen Seiten auf die Werkstücke 15, 16 auf. Es entsteht dabei eine Schmelzzone, 42, welche in der Mitte etwas eingeschnürt ist. Diese Einschnürung ist jedoch, da die entstehende Naht symmetrisch ist, unbeachtlich und kann in den meisten Fällen ohne weiteres in Kauf genommen werden.
In Fig. 6 treffen zwei Ladungsträgerstrahlen 43 und 44 von verschiedenen Seiten auf die Werkstücke 15, 16 auf. Beide Ladungsträgerstrahlen sind so gegen die Werkstückoberfläche geneigt, dass eine rechteckförmige Schweisszone 45 entsteht, deren Kanten senkrecht zur Werkstückoberfläche liegen.
Fig. 7 zeigt die beiden Werkstücke 15 und 16, auf welche ein intermittierend gesteuerter Ladungsträgerstrahl 46 auftrifft. DieserLadungsträgerstrahlwirdum die in derWerkstückoberfläche gelegeneAchse so gekippt, dass er nacheinander die Lagen 46', 46, 46" einnimmt. Die Verkippung des Ladungsträgerstrahles erfolgt dabei während der Impulspausen. In dem hier dargestellten Fall wird die Bewegung der Werkstücke 15, 16 in Richtung der Schweissnaht intermittierend vorgenommen. Die Werkstücke bleiben so lange stehen, bis der Ladungsträgerstrahl nacheinander die drei gezeichnetenAblenklagen eingenommen hat.
Sodann wird die Längsbewegung der Werkstücke wieder eingeschaltet und diese werden so weitbe-
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wegt, dass sich die beim darauffolgenden Auftreffen des Ladungsträgerstrahles 46 entstehende Schmelz- zone mit der beim vorhergehenden Schweissschritt erzeugten Schmelzzone überlappt.
Derselbe Effekt kann auch dadurch erzielt werden, dass der Kreuztisch 17, auf welchem die Werkstücke 15, 16 gehaltert sind, kontinuierlich in Nahtrichtung bewegt wird, wobei jedoch durch eine Ablen- kung des Ladungsträgerstrahles 46 entgegen der Richtung der Schweissnaht dafür gesorgt wird, dass keine Relativbewegung zwischen Strahl und Werkstück auftritt solange der Ladungsträgerstrahl verkippt wird.
Ist diese Verkippung beendet, so wird der Ladungsträgerstrahl in Richtung der Schweissnaht so lange abgelenkt, bis er die nächste Auftreffstelle erreicht hat. Zur Erzielung einer solchen Längsablenkung des Ladungsträgerstrahles kann beispielsweise dem durch das Ablenksystem 31 fliessenden Ablenkstrom ein weiterer sägezahnförmiger Ablenkstrom überlagert werden.
Fig. 8 zeigt zwei Werkstücke 47 und 48, welche miteinander verschweisst werden sollen. Werden dabei diese beiden Werkstücke so wie in Fig. 8 dargestellt, auf dem Kreuztisch 17 gelagert, so kann der Schweissstrahl im nichtabgelenkten Zustand die Nahtstelle nicht erreichen. Aus diesem Grunde wird der Ladungsträgerstrahl aus seiner Ursprungsrichtung abgelenkt und trifft nunmehr schräg zur Stosskante auf die Werkstücke 47, 48 auf. Zusätzlich wird der Ladungsträgerstrahl um eine in der Werkstückoberfläche liegende Achse gekippt, wobei er nacheinander die beiden Ablenklagen 49'und 49"einnimmt. Dabei entsteht eine geradlinig begrenzte Schweisszone 50, welche in Richtung ihrer Tiefe gegen die ursprüngliche Strahlrichtung geneigt ist.
In allen den hier dargestellten und beschriebenen Beispielen muss die Verkippung des Ladungsträgerstrahles so schnell erfolgen, dass sich der Strahl wesentlich schneller senkrecht zur Schweissrichtung bewegt, als in Richtung der Schweissnaht.
Die in Fig. l dargestellte Vorrichtung findet nicht nur Anwendung zur Herstellung der in den Fig. 3-8 dargestellten Querschnittsformen von Schweisszonen, sondern es können mit ihrer Hilfe beliebige Querschnittsformen der Schweisszone erzeugt werden. Dazu ist es lediglich erforderlich, den Ablenkwinkel des Ladungsträgerstrahles entsprechend zu ändern oder mehrere in entsprechenden Richtungen auf das Werkstück auftreffende Ladungsträgerstrahlen vorzusehen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Herstellen einer Schweisszone gewünschter Querschnittsform beim Schweissen mit- tels eines tief in das Werkstück eindringenden, eine im wesentlichen V-förmige Zone aufschmelzenden
Ladungsträgerstrahles, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ladungsträgerstrahl auf die Schweissstelle gerichtet und so um eine parallel zur Richtung der Schweissnaht liegende Achse gekippt wird, dass die Flanken des gewünschten Querschnittsbereiches unter Aufschmelzung des Materials in diesem Querschnitt von den Flanken der durch den Ladungsträgerstrahl bewirkten V-förmigen Schmelzzone berührt werden.