Verfahren und Vorrichtung zum Schweissen oder Löten im dafür nicht direkt zugänglichen Innern eines Werkstückes Bei der Herstellung komplizierter Werkstücke kann die Aufgabe auftreten, Schweissungen im Inne ren des Werkstückes vorzunehmen. Solche Schweis- sungen sind mit den üblicherweise verwendeten Schweiss- oder Lötverfahren nur unter grossen Schwierigkeiten durchzuführen, da man hierzu 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 oder Löten im dafür nicht direkt zugäng lichen Inneren eines Werkstückes, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass als Arbeitsmittel ein fokussierter Ladungsträgerstrahl verwendet wird, dass der dem den Strahl erzeugenden System zuge wandte äussere Teil des Werkstückes mit einer Öffnung versehen wird, und dass Ablenksysteme den Ladungsträgerstrahl so beeinflussen, dass er durch diese Öffnung hindurch auf die Schweiss- bzw. Löt stelle gerichtet wird und entlang einer gegenüber dem Durchmesser der Öffnung längeren Schweiss- bzw. Lötnaht geführt wird. Die Öffnung kann einen so kleinen Durchmesser haben, dass letzterer dem drei bis fünffachen Strahldurchmesser entspricht.
Da im allgemeinen Schweisstrahlen von etwa 30 bis 200/,u 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 ange ordnete Ablenksysteme so zu beeinflussen, dass er eine Schwenkbewegung um einen in der erwähnten Werkstücköffnung liegenden Punkt ausführt.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, den Ladungs trägerstrahl erst nach Durchtritt durch die Öffnung im Werkstück durch 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 ange ordnetes, zur Strahlablenkung im Inneren des Werkstückes dienendes Ablenksystem vorzusehen.
Weist das zu bearbeitende Werkstück grössere Öffnungen auf, durch welche der Ladungsträgerstrahl die Schweisstelle 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 Schweisstelle eingeführ tes Ablenksystem zu bewirken. Auch in diesem Fall tritt der Ladungsträgerstrahl durch die auf die Strahl achse ausgerichtete Durchtrittsöffnung für den Strahl 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 angeordnet und ausgebildet sind, dass zwischen ent sprechenden Werkstückteilen ein den Ladungsträger strahl auf die Schweisstelle ablenkendes Magnetfeld entsteht.
Zur Herstellung von Schweissungen im Inneren eines Werkstückes, bei welchem mehrere übereinan derliegende Teile die Schweisstelle abdecken, werden natürlich alle diese Teile mit in der Strahlachse ange ordneten Öffnungen versehen. Auch in diesem Fall erfolgt zweckmässig die Strahlablenkung erst im In nern des Werkstückes. Ist eine solche Strahlablen kung im Werkstückinneren jedoch nicht möglich, so ist es selbstverständlich erforderlich, die Öffnungen in den Werkstückteilen so anzulegen, dass sie auf die Schweisstelle weisen und den Ladungsträgerstrahl ausserhalb des Werkstückes so abzulenken, dass er durch diese Öffnungen hindurch auf die Schweisstelle 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 Ladungsträger strahl zunächst auf den zu durchbohrenden Teil des Werkstückes zu fokussieren und ihn sodann nach er folgter Durchbohrung auf die Schweisstelle zu fokus sieren. Ebenso kann es zweckmässig sein, nach been deter Schweissung im Inneren des Werkstückes die Öffnung im äusseren Teil des Werkstückes nach Zu gabe von Zusatzmaterial mit Hilfe des Ladungsträ gerstrahles zuzuschweissen.
Die Möglichkeit, die zum Durchtritt des Ladungs trägerstrahles dienende Öffnung mittels des Ladungs trägerstrahles selbst herzustellen und auch wieder zu verschweissen, macht eine vollautomatische Steue rung des gesamten Schweissvorganges durchführbar. Es ist zu diesem Zweck eine Programmsteuerung not wendig, welche zunächst die Durchbohrung des äus- seren Werkstückteiles bewerkstelligt, sodann den Schweissvorgang steuert und schliesslich Zusatzmate rial zur Bohrstelle transportiert und diese Stelle wie der zuschweisst.
In manchen Fällen ist es vorteilhaft, einen inter mittierend gesteuerten Ladungsträgerstrahl zu ver wenden. Ein solcher Strahl bietet die Möglichkeit, sogenannte Tiefschweissungen ohne merkliche Ver dampfung des getroffenen Materials durchzuführen.
Der zur Schweissung des Werkstückes dienende Ladungsträgerstrahl hat zweckmässig eine solche In tensität, 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 Ladungsträgerstrah- les in das Werkstück tritt auf, wenn die Strahlintensi tät einen Wert von etwa 1 MW/cm2 übersteigt.
Die Einrichtung zur Durchführung des erfin- dungsgemässen Verfahrens ist gekennzeichnet durch ein Gerät zur Erzeugung und Formung eines auf die Schweiss- bzw. Lötstelle fokussierten Ladungsträger strahles, sowie durch mit diesem Gerät verbundene, zur Ablenkung des Ladungsträgerstrahles in den bei den Koordinatenrichtungen dienende Ablenkmittel und durch Generatoren zur Erzeugung der den Ladungsträgerstrahl entlang der Schweiss- bzw. Löt- naht führenden Ablenkströme.
Sollen Schweissungen im Inneren eines Werkstük- kes durchgeführt werden, welches aus ferromagneti- schem Material besteht und welches keine zum Ein bringen eines Ablenksystemes in das Werkstückinnere geeignete Öffnungen aufweist, so besitzt die Einrich tung in diesem Falle mindestens zwei in zwei Ebenen übereinander angeordnete Ablenksysteme und es sind Schaltmittel vorgesehen, welche zur Festlegung der dem zweiten Ablenksystem zugeführten Ablenk ströme in Abhängigkeit von den für das erste Ab lenksystem gewählten Ablenkströmen in der Weise dienen, dass der Ladungsträgerstrahl unabhängig vom gewählten Ablenkwert durch die Strahldurch trittsöffnung im Werkstück trifft.
Durch die erwähnten Schaltmittel ist also gewähr leistet, dass beim Einstellen des Ablenkwertes des er sten Ablenksystemes der Ablenkwert des zweiten Ab- lenksystemes automatisch so eingestellt wird, dass der Ladungsträgerstrahl durch die Öffnung im Werkstück trifft.
Bei relativ grosser Ablenkung des Ladungsträger strahles kann es zweckmässig sein, Schaltmittel vor zusehen, welche zur Änderung der Fokussierung des Ladungsträgerstrahles in Abhängigkeit vom gewähl ten Ablenkwert dienen. Durch solche Mittel ist ge währleistet, dass der auftreffende Schweisstrahl unab hängig von seiner Ablenkung stets den optimalen Fokussierungszustand aufweist.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 1 bis 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 auf gebauten Einrichtung, bei welcher ein Ablenksystem in das Werkstück eingeschoben ist; Fig. d einen Teilschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer gemäss der Erfindung auf gebauten Einrichtung, bei welcher ausserhalb des Werkstückes angeordnete Ablenksysteme zur Strahl ablenkung im Werkstückinneren dienen; Fig. 7 einen Teilschnitt durch eine gemäss der Erfindung aufgebaute Einrichtung, bei welcher meh rere übereinanderliegende Werkstückteile die Schweisstelle abdecken; Fig. 8 einen Teilschnitt durch eine Einrichtung nach der Erfindung, bei welcher das Werkstück aus ferromagnetischem Material besteht.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Ladungsträgerstrahl be zeichnet, 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 Ab lenksystem 3 erreichte Ablenkwinkel die Bezeich nung ss trägt, Der Ladungsträgerstrahl 1 tritt nach Durchlaufen der beiden Ablenksysteme durch eine Öffnung 4 im äusseren Teil 5 eines Werkstückes und trifft sodann auf die im Inneren des Werkstückes ge legene Schweisstelle 6.
Bezeichnet man den Abstand zwischen den bei den 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 a und ss stets die Beziehung
EMI0003.0001
gelten, wenn der Ladungsträgerstrahl unabhängig von dem gewählten Ablenkwinkel a durch die Öffnung 4 im Teil 5 treffen soll. Entsprechend der Grösse des frei zu wählenden Ablenkwinkels a verändert sich der Abstand der Schweisstelle 6 vom Auftreffpunkt 7 des nicht abgelenkten Strahles.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Einrichtung ist mit 10 die Kathode, mit 11 die Steuerelektrode und mit 12 die Anode eines Strahlerzeugungssystemes be zeichnet. Dieses Strahlerzeugungssystem ist in einem unter Hochvakuum stehenden geerdeten Gefäss 13 angeordnet. Zur Formung des vom Strahlerzeugungs system erzeugten Elektronenstrahles 14 dienen zwei justierbar angeordnete Blenden 15 und 16.
Unterhalb dieser Blenden ist eine elektromagneti sche Fokussierungslinse 17 angeordnet, deren oberer Polschuh mit 18 und deren unterer Polschuh mit 19 bezeichnet ist. Unterhalb der elektromagnetischen Linse 17 ist ein erstes Ablenksystem 20 angeordnet, welches in dem hier dargestellten Fall aus vier einan der diametral gegenüberliegenden elektromagneti schen Spulen besteht, welche jeweils mit einem Kern. aus hochpermeablem Material versehen sind. Unter halb des Ablenksystems 20 ist ein zweites Ablenk system 21 angeordnet, welches ebenso aufgebaut ist wie das System 20. Im Bearbeitungsraum 22 ist das zu bearbeitende Objekt 23 auf einem Tisch 24 angeord net.
Dieser Tisch kann mittels einer Spindel 25 auf einem weiteren Tisch 26 verschoben werden, welcher seinerseits mittels einer weiteren, hier nicht dargestell ten Spindel senkrecht zur Zeichenebene verschiebbar ist. Wie insbesondere aus Fig. 3 und 4 hervorgeht, besitzt das zu bearbeitende Werkstück 23 eine Deck platte 27, eine Grundplatte 28 und eine Mittelplatte 29. Zwischen sämtlichen Platten sind Stege 30 ange ordnet, welche mit den Platten verschweisst werden sollen. Zu diesem Zweck werden zunächst die Stege 30 zwischen die Platten 28 und 29 geschweisst. So dann wird die Deckplatte 27 mit den oberen Stegen 30 verschweisst und schliesslich werden diese Stege mit der Platte 29 verschweisst.
Zu diesem Zweck wird die Deckplatte 27 mit Löchern 31 versehen, durch welche der Elektronenstrahl 14 auf die Schweisstelle auf der Platte 29 trifft.
Zur Festlegung der Ablenkwerte des Ablenksyste- mes 20 dienen die mit 32 und 33 bezeichneten Schaltmittel. Diese Schaltmittel erzeugen zugleich zusammen mit den Steuervorrichtungen 34 und 35 die Ablenkströme für das Ablenksystem 21. Die in den Vorrichtungen 32, 33 und 34, 35 erzeugten Ab lenkströme stehen stets in einem solchen Zusammen hang, dass die Beziehung (A) zwischen den Ablenk winkeln a und ,B erfüllt ist. Dadurch ist gewährlei stet, dass der Elektronenstrahl 14 unabhängig von seinem Ablenkzustand stets durch die Löcher 31 in der Deckplatte 27 trifft. Der Elektronenstrahl 14 ist in Fig. 3 in den beiden mit 14 und 14a bezeichneten Ablenkzuständen eingezeichnet.
Zur Herstellung des Werkstückes 23 wird der Ladungsträgerstrahl 14 so gesteuert, dass er beispiels weise beim Durchtreten durch das Loch 36 in der Deckplatte 27 den Weg 37 (Fig. 4) beschreibt und auf diese Weise die oberen Stege 30 entlang dieses Weges mit der Platte 29 verschweisst. Dieser Weg ist länger als der Durchmesser des Loches 31.
Die Steuervorrichtungen 32 und 33 sind mit einer weiteren Steuervorrichtung 38 verbunden. Diese Steuervorrichtung liefert den Erregerstrom für die Fokussierungslinse 17. Durch die Steuervorrichtun gen 32,33 wird die Vorrichtung 38 so beeinflusst, dass sie den Fokussierungszustand des Elektronen strahles 14 in Abhängigkeit vom gewählten Ablenk wert verändert. Dadurch ist gewährleistet, dass der auf die Schweisstelle auftreffende Elektronenstrahl 14 stets den optimalen Fokussierungszustand aufweist.
Anstelle des in den Fig. 2 und 3 dargestellten ein fachen Gerätes kann auch ein Gerät verwendet wer den, bei welchem über ein Digital-Steuergerät die den Ablenkströmen 20 und 21 zugeführten Ablenkströme festgelegt sind. In diesem Fall ist also ein ganz be stimmtes Schweissprogramm vorgegeben, wobei das Gerät weiterhin so ausgebildet sein kann, dass das Werkstück 23 nach erfolgter Schweissung automa tisch so verschoben wird, dass ein neues Loch 31 an die Auftreffstelle des Elektronenstrahles 14 gelangt.
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 Elektronen strahl 14 in das Rohrinnere eintritt. Die Öffnung 42 ist dabei in der Strahlachse gelegen. Innerhalb des Rohres 40 sind zwei Ablenksy steme angeordnet, mittels welcher der Elektronen strahl 14 auf die Schweisstelle gerichtet wird. Das erste Ablenksystem besteht aus zwei senkrecht zur Papierebene angeordneten Polschuhen, von welchen nur der Polschuh 43 sichtbar ist.
Mittels dieses Ab- lenksystemes wird der Elektronenstrahl 14 so umge lenkt, dass er etwa in Richtung der Achse des Rohres 40 verläuft. Das zweite Ablenksystem 44 besteht aus vier diametral zueinander angeordneten Ablenkspu len bekannter Bauart. Dieses Ablenksystem dient zur Ablenkung des in Richtung der Rohrachse verlaufen den Elektronenstrahles 14 in der Papierebene und senkrecht zur Papierebene. Bei entsprechender Steue rung der dem Ablenksystem 44 zugeführten Ablenk ströme lässt sich erreichen, dass der Elektronenstrahl 14 einen Kegelmantel mit der Rohrachse als Achse beschreibt. Dabei werden die Rohre 40 und 41 ent lang des gesamten Umfanges miteinander ver- schweisst.
Die Ablenksysteme 43 und 44 sind in einem Hal ter 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 50 dienen.
Bei der in Fig. 5 als Teilschnitt gezeichneten Ein richtung können die beiden Ablenksysteme 20 und 21 der Fig. 2 entfallen. Das Rohr 40 ist in einem grossen Bearbeitungsraum auf einem Kreuztisch gela gert, 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 nichtma gnetischem Material bezeichnet, welches mit einem weiteren Rohr 48 aus nichtmagnetischem Material verschweisst werden soll. In diesem Fall sind ausser- halb 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 Ablenk spulen, welche hier mit 51 bezeichnet sind. Das Rohr 47 trägt eine Öffnung 49, durch welche der Elektro nenstrahl 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 ent fallen und muss das Rohr 47 auf einem Kreuzschlit ten gelagert sein. Dieser Kreuzschlitten wird so einge stellt, 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 Schweisstelle wird in diesem Fall jedoch durch die beiden Wände 54 und 55 der kreisförmigen Aus- senkammern 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 Elektronen strahl 14 wird mittels der Ablenksysteme 43 und 44 so abgelenkt, dass er die beiden Rohre 52 und 53 entlang des gesamten Umfanges miteinander ver- schweisst. In speziellen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Öffnungen 56, 57 und 58 nicht auf die Strahlachse auszurichten, sondern sie schräg zur Strahlachse an zuordnen.
In diesem Fall sind die in Fig. 2 dargestell ten 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 ferromagnetischem Material beste hende 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 er zeugt. 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 abge lenkt und trifft auf die Nahtstelle zwischen der Kam mer 60 und dem in diese einzuschweissenden Teil 66. Durch Regelung des die Spule 63 durchfliessenden Stromes kann der Ablenkwinkel des Elektronenstrah les geändert werden, so dass es möglich ist, eine Schweissnaht herzustellen, welche entlang eines ge wissen Bereiches in Richtung der in der Papierebene gelegenen Naht zwischen 60 und 66 verläuft.