CH622731A5 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweissen einer Fuge zwischen zwei Werkstückteilen mittels eines längs einer Strahlachse verlaufenden Energiestrahles, bei welchem der Energiestrahl zum Erzeugen einer eine

Schmelze enthaltenden Schweisszone in die Schweissfuge gerichtet sowie relativ zu den Werkstückteilen entlang der Schweissfuge bewegt wird, und Zusatzmaterial zum Auffüllen eines an der Schweissfuge befindlichen Spalts und/oder zur 5 metallurgischen Beeinflussung der Schweisszone kontinuierlich oder diskontinuierlich in die Schweisszone eingeführt wird.

Elektronenstrahlschweissen mit Zufuhrung von Zusatzmaterial zum Ausfüllen eines Spalts zwischen zwei zu verschweis-jo senden Werkstückteilen ist z.B. aus der US-PS 3 165 619 bekannt. Das Zusatzmaterial wird dabei von der offenen Seite der Schweissfuge her also «vor» dem Strahl derart zugeführt, das es vom Elektronenstrahl getroffen und geschmolzen wird und die Schmelze in den Schweissbereich 15 fliesst. Auf diese Weise wird der Spalt ausgefüllt und eine dichte Sch weissnaht erzeugt.

Das Zusatzmaterial kann ausser zum Ausfüllen eines Spalts auch zur Einführung von bestimmten Legierungskomponenten in die Schweissnaht bzw. zur metallurgischen Beeinflus-20 sung des Schweissguts verwendet werden.

Die bekannten Energiestrahl-, insbesondere Elektronen-strahlschweissverfahren haben sich beim Verschweissen relativ dünner Werkstückteile gut bewährt, sie lassen jedoch beim Verschweissen relativ dicker Werkstückteile, wie Stahlplatten, 25 mit Dicken über 20 mm, insbesondere über 40 oder 50 mm, zu wünschen übrig. Bei grossen Werkstückdicken ist nämlich eine einwandfreie Durchmischung des geschmolzenen Zusatzmaterials mit dem geschmolzenen Werkstückmaterial nicht mehr gewährleistet, wenn das Zusatzmaterial in bekannter Weise 30 zugeführt wird. Eine einwandfreie Ausfüllung des Spalts ist bei relativ dicken Werkstückteilen ebenfalls schwierig zu erreichen. Bei grossen Werkstücken müssen aus Gründen der Wirtschaftlichkeit meist auch relativ grosse Toleranzen hinsichtlich der Form und/ oder Abmessungen zugelassen wer-35 den, so dass die zu verschweissende Fuge dementsprechend ungleichmässig ist. Aus fertigungstechnischen Gründen können die zu verschweissenden Werkstückteile an der Schweissfuge im allgemeinen in Abständen miteinander pro visorich verbunden («geheftet») werden. Solche kleine «Heftschweiss-40 stellen» am oberen Rande der Naht behindern die Zuführung des Zusatzmaterials.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Energiestrahlschweissverfahren anzugeben, das auch beim Verschweissen sehr dicker Werkstückteile, deren Dicke bei-*5 spielsweise mehr als 5 mm, insbesondere mehr als 20 mm beträgt, einwandfreie Scheissnähe liefert. Im besonderen kann diese Aufgabe darin bestehen, einen an der Schweissfuge gegebenenfalls vorhandenen Spalt auszufüllen und/oder die chemische Zusammensetzung des Schweissgutes so zu steuern, so dass speziell bei grossen Schweisstiefen auftretende stofflich bedingte Fehler vermieden werden.

Dies wird mittels eines Verfahrens der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass das Zusatzmaterial unter einem spitzen Winkel zur mittleren Strahlachse 55 und neben dieser in die Schmelze eingeführt wird.

Der spitze Winkel beträgt zweckmässigerweise höchstens 40°, vorzugsweise höchstens 30° oder25°; besonders gut bewährthaben sich Winkel unter 20°. Vorzugsweise soll der längliche Füllmaterialkörper erst in einer Tiefe, die minde-6o stens ein Achtel oder mehr der Werkstückdicke beträgt, vollständig geschmolzen sein.

Das Zusatzmaterial kann sowohl auf der Seite der Werkstückteile, in die der Strahl eintritt, als auch auf der entgegengesetzten Seite in die Schmelze eingeführt werden und man 65 kann auch von beiden Seiten Zusatzmaterial einführen.

Vorzugsweise wird das Zusatzmaterial auf der dem noch offenen Teil der Trennfuge entgegengesetzten Teil der Schweisszone in die Schmelze eingeführt, also in Richtung der

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Relativbewegung zwischen Strahl und Werkstückteilen gesehen «hinter» dem Strahl. Von dieser bevorzugten Orientierung kann jedoch gegebenenfalls etwas abgewichen werden,

wenn die Schweisszone bezüglich der Nahtebene unsymmetrisch ist, was z.B. beim Verschweissen einer horizontalen 5 Trennfuge der Fall sein kann.

Das Zusatzmaterial kann in festem Zustand kontinuierlich z.B. in Form von Draht oder Band bzw. diskontinuierlich z.B. in Form einzelner, vorzugsweise gestaltsgleicher Partikel oder aber in flüssigem Zustand in Form eines dünnen Schmelz- 10 strahls in die Schweissstelle eingebracht werden. Im Verhältnis zu der Zufuhrgeschwindigkeit des kontinuierlich eingebrachten festen Zusatzmaterials ist die Zufuhrgeschwindigkeit des diskontinuierlich eingebrachten festen sowie des flüssigen Zusatzmaterials sehr hoch: in den beiden letzten Fällen ist die 15 Einbringung des Zusatzmaterials als Injizierung zu bezeichnen.

Bei Verwendung von kontinuierlich eingebrachtem festen Zusatzmaterial wird dadurch, dass ein Teil des z.B. draht-oder bandförmigen Zusatzmaterials in noch festem Zustand 20 tief in die Schmelzzone an der Schweissstelle reicht, gewährleistet, dass sich das Zusatzmaterial einwandfrei mit dem aufgeschmolzenen Werkstückmaterial vermischt und auch in die Tiefe der Schweissstelle gelangt. Ausserdem wird die Gefahr verringert, dass sich Stücke des festen Zusatzmaterials vor- 25 zeitig ablösen und in ungeschmolzenem Zustand in die mitunter sehr rasch erkaltende Schmelze eingebettet werden.

Das vorzugsweise als Draht oder Band kontinuierlich eingebrachte Zusatzmaterial kann so eingeführt werden, dass es ausschliesslich durch die aus der Schmelze auf ihn übertragene 30 Wärme und nicht durch direkte Einwirkung des Energiestrahles geschmolzen wird. Vorzugsweise sind mindestens 40, insbesondere mehr als 50%, z.B. 70% oder mehr des Zusatzmaterials geschmolzen, wenn ein allenfalls noch fester Rest den vom Energiestrahl getroffenen Bereich der Schweisszone er- 35 reicht. Der Bereich, in dem das kompakte Zusatzmaterial in die Schmelze eintritt, befindet sich vorzugsweise ganz oder zumindest teilweise ausserhalb des Bereiches der Schmelze, auf den der Strahl auftrifft und der Strahl soll das Zusatzmaterial ausserhalb der Schmelze nicht oder nur relativ wenig 40 (z.B. weniger als 50%) schmelzen.

Bei Verwendung von diskontinuierlich eingebrachtem festen Zusatzmaterial wird durch die hohe Geschwindigkeit der Partikel gewährleistet, dass diese tief in die Schmelzzone der Schweissstelle injziert werden und sich einwandfrei mit dem 45 aufgeschmolzenen Werkstückmaterial vermischen. Durch Veränderung des Injizierungsintervalls kann die eingebrachte Zusatzmaterialmenge den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden. Bei Verwendung von flüssigem Zusatzmaterial sind von vornherin günstige Voraussetzungen für eine einwand- 50 freie Vermischung von Zusatzmaterial und aufgeschmolzenem Werkstückmaterial gegeben. Die hohe Geschwindigkeit des Schmelzstrahls unterstützt zudem wesentlich den Vermischungsvorgang.

Wenn das Zusatzmaterial «hinter» dem Strahl in die 55

Schmelze eingeführt wird, können offensichtlich auch Heftstellen, mit denen die beiden zu verschweissenden Werkstückteile provisorisch verbunden sind, nicht stören, da sie dort, wo der Füllmaterialkörper in den Schweissbereich eingeführt wird, durch den Energiestrahl bereits geschmolzen sind. so

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, dabei werden noch weitere Aspekte der Erfindung zur Sprache kommen.

Es zeigen: 65

Fig. 1 eine Schnittansicht in der Mittelebene einer Schweissfuge zwischen zwei Werkstückteilen, die mittels einer Elektronenstrahlschweissmaschine unter Verwendung von kontinuierlich eingebrachtem Zusatzmaterial verschweisst werden;

Fig. 2 eine vergrösserte Schnittansicht eines Teiles der Fig. I;

Fig. 3 eine Schnittansicht ähnlich Fig. 2, jedoch für den Fall des Verschweissens einer senkrechten Trennfuge mittels eines relativ zu den Werkstückteilen von unten nach oben bewegten Elektronenstrahls;

Fig. 4 eine Schnittansicht in der Mittelebene einer Schweissfuge zwischen zwei Werkstückteilen, die mittels einer Elektronenstrahlschweissmaschine unter Verwendung von diskontinuierlich eingebrachtem festen Zusatzmaterial verschweisst werden, und

Fig. 5 eine Schnittansicht in der Mittelebene einer Schweissfuge zwischen zwei Werkstückteilen, die mittels einer Elektronenstrahlschweissmaschine unter Verwendung von flüssigem Zusatzmaterial verschweisst werden.

• In Fig. 1 und 2 ist angenommen, dass zwei plattenförmige Werkstückteile 10 (von denen in Fig. 1 und-2'nur eines zu sehen ist) entlang einer Schweissfuge 14, deren Mittelebene mit der Zeichenebene zusammenfallt, mittels eines Elektronenstrahls 12 verschweisst werden. Der Elektronenstrahl 12 wird durch eine Strahlkanone 13 erzeugt, die zu einer sonst nicht näher dargestellten, im Prinzip bekannten Elektronen-strahlschweissmaschine gehört. Da der Aufbau und die Arbeitsweise von Elektronenstrahlschweissmaschinen bekannt ist, kann auf eine ins einzelne gehende Darstellung und Beschreibung verzichtet werden. Beim Schweissen werden die Werkstückteile 10 in Richtung eines Pfeiles 16 relativ zum Strahl 12 bewegt. Der Elektronenstrahl 12 kann in bekannter Weise quer zur Schweissfuge 14 hin- und herbewegt werden und erzeugt in einer Schweisszone 15 eine Schmelze 20, welche bei der Bewegung der Werkstückteile bezüglich des Strahls längs der Schweissfuge 14 wandert, hinter dem Strahl 12 (in Fig. 1 und 2 links) erstarrt und eine mit erstarrtem Material gefüllte Schweissnaht 18 bildet. Der hochenergetische Elektronenstrahl 12 verläuft im Schweissbereich 15 im allgemeinen in einem Kanal aus verdampftem Werkstückmaterial.

Zum Ausfüllen eines an der Schweissfuge vorhandenen Spalts und/oder zum Zwecke des Einbringens bestimmter Le-gierungs- bzw. Zusatzelemente in die Schmelze an der Schweissstelle ist Zusatzmaterial erforderlich.

Dieses Zusatzmaterial kann in festem Zustand vorzugsweise in Stab-, Draht- oder Bandform, z.B. als Draht 24 (in Fig. 1 und 2) durch eine Zuführvorrichtung 25 kontinuierlich in die Schweisszone 15 eingeführt werden. Die Zuführvorrichtung kann z.B. so konstruiert sein, wie es in der US-PS 3 165 619 (entsprechend derDT-AS 1 270 708) beschrieben ist.

Das Zusatzmaterial kann aber auch diskontinuierlich in Form vorzugsweise gestaltsgleicher, z.B. zylindrischer Partikel 33 (Fig. 4), die mittels einer nach allgemeinen bekannten mechanischen Prinzipien (z.B. Ausnutzung der in einer gespannten Feder gespeicherten Energie) wirkenden Schleudervorrichtung 34 in gleichbleibenden oder veränderlichen Zeitabständen in die Schmelze an der Schweissstelle injiziert werden.

Das Zusatzmaterial kann schliesslich auch in flüssiger Form als Schmelzstrahl 35 (Fig. 5), der mit sehr hoher Geschwindigkeit aus einer beheizten Düse 36 austritt, in die Schmelze an der Schweissstelle injiziert werden.

Bisher hat man Zusatzmaterial nur in fester Form und kontinuierlich so zugeführt, dass es an oder vor der Oberfläche der Werkstückteile 10 vom Elektronenstrahl 12 getroffen und geschmolzen wurde, so dass dann das geschmolzene Zusatzmaterial in die S chweisszone floss oder tropfte und sich mit der Schmelze 20 vereinigte. Bei grösseren Werkstückdicken ist" bei einer derartigen Zufuhrung des Zusatzmaterials eine einwandfreie Durchmischung mit dem geschmolzenen Werk-

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Stückmaterial und ein Ausfüllen tiefer liegender Bereiche der. Schweissfuge nicht gewährleistet.

Es werden daher Massnahmen getroffen, dass das Zusatzmaterial rasch unter die Oberfläche der Schmelze in der Schweisszone gebracht wird. Dies geschieht im Falle kontinuierlich eingebrachten festen, vorzugsweise draht- oder bandförmigen, Zusatzmaterials in einer solchen Weise, dass wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, das Zusatzmaterial in noch festem Zustand unter einem spitzen Winkel a bezüglich einer Strahlachse 12a so zugeführt wird, dass es in noch festem Zustand in die Schmelze 20 eintritt und in festem Zustand die Strahlachse 12a, wenn überhaupt, zuerst an einem Punkt 26 erreicht, der in einer gewissen Tiefe S unterhalb der der Strahlkanone zugewandten Oberfläche der Werkstückteile liegt. Die Tiefe S ist vorzugsweise mindestens ein Achtel der Dicke D der Werkstückteile 10. Diese Orientierung der Zufuhr des Zusatzmaterials wird sinngemäss auch beibehalten für die diskontinuierliche Einbringung festen Zusatzmaterials sowie für die Einbringung flüssigen Zusatzmaterials.

Vorzugsweise wird das Zusatzmaterial ganz allgemein an jener Stelle in die Schmelze eingeführt, wo aufgrund der Energieverteilung in der Schweisszone und der Schweissgeschwin-digkeit (Vorschubgeschwindigkeit in Richtung des Pfeiles 16 bezüglich des Strahls) die Schmelze ihre grösste Dicke hat.

Im Falle kontinuierlich eingebrachten festen Zusatzmaterials kann es zweckmässig sein, insbesondere wenn pro Zeiteinheit grössere Mengen an Zusatzmaterial zugeführt werden müssen, um den Spalt 14 auszufüllen, das vorzugsweise in Stab-, Draht- oder Bandform vorliegende Zusatzmaterial vor seiner Einführung in die Schmelze vorzuwärmen. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen, z.B. durch direkten Stromdurchgang, wie in Fig. 1 durch eine einstellbare Stromquelle

28 schematisch dargestellt ist, die zwischen die Zuführvorrichtung 25 und die Werkstückteile 10 geschaltet ist. Eine andere M öglichkeit besteht darin, den Elektronenstrahl 12 durch eine Ablenkanordnung 30 bekannter Bauart kurzzeitig abzulenken, 5 dass er auf den Füllmateriälkörper 24 fällt und diesen erwärmt, ohne ihn jedoch zu schmelzen.

Bei dem Verfahren gemäss der Erfindung kann die Spitze des kontinuierlich eingebrachten festen Zusatzmaterials den Strahl 12 zum Beispiel erst bei 1 /2 der Nahttiefe'erreichen. io Das Zusatzmaterial wird zu einem wesentlichen Teil, z.B.

mehr als 50%, in der Schmelze 20 durch Wärmeübertragung aus der Schmelze und nur zu einem geringeren Teil oder gar nicht durch direkte Einwirkung des Elektronenstrahls 12 ge-, schmolzen.

15 Aus Fig. 1 und 2 ist auch ersichtlich, dass eine Heft-schweissstelle 32, mit der die beiden Werkstückteile provisorisch verbunden sind, den Schweissvorgang nicht stören kann, da die Heftschweissstelle vom Strahl 12 bereits geschmolzen ist, wenn die betreffende Stelle der Schweissfuge den Zufüh-20 rungsbereich des Füllmaterials erreicht. .

Fig. 3 zeigt den Fall, dass eine Schweissfuge 14', deren Längsrichtung vertikal verläuft, mittels eines horizontal verläufenden Elektronensträhls 12, der relativ zu den Werkstück-25 teilen 10' von unten nach oben bewegt wird, verschweisst wird. Bei diesem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung werden Zusatzmaterialdrähte 24' und 24" von beiden Seiten der Werkstückteile in die Schmelze 20' so eingeführt, wie es oben erläutert worden ist.

30 Als Strahlachse wird bei nicht abgelenktem Strahl dessen Mittellinie und bei quer zur Trennfuge oszillierendem Strahl die Mittellage der Strahlmittellinie angenommen.

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2 Blätter Zeichnungen

Claims (12)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Verfahren zum Verschweissen einer Fuge zwischen zwei Werkstückteilen mittels eines längs einer Strahlachse verlaufenden Energiestrahles, bei welchem der Energiestrahl zum Erzeugen einer eine Schmelze enthaltenden Schweisszone in die Schweissfuge gerichtet sowie relativ zu den Werkstückteilen entlang der Schweissfuge bewegt wird, und Zusatzmaterial zum Auffüllen eines an der Schweissfuge befindlichen Spalts und/oder zur metallurgischen Beeinflussung der Schweisszone kontinuierlich oder diskontinuierlich in die Schweisszone eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmaterial unter einem spitzen Winkel zur mittleren Strahlachse und neben dieser in die Schmelze eingeführt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiestrahl ein Elektronenstrahl verwendet wird.
3. 3. Verfahrennach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen der Zufuhrrichtung des Zusatzmaterials und der Strahlachse höchstens 30° beträgt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen der Zufuhrrichtung des Zusatzmaterials und der Strahlachse höchstens 25° beträgt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen der Zufuhrrichtung des Zusatzmaterials und der Strahlachse höchstens 20° beträgt.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Strahlachse und die Richtung, in der das Zusatzmaterial in die Schmelze eingebracht wird, an einem Punkt schneiden, der eine Entfernung (S) zwischen einem Achtel und zwei Drittel der Werkstückdicke (D) von einer einer Strahlkanone zugewandten Oberfläche der Werkstückteile hat.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmaterial kontinuierlich in fester Form in die in der Schweisszone befindliche Schmelze eingebracht wird.
8. 8. Verfahrennach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekeimzeichnet, dass das Zusatzmaterial diskontinuierlich in fester Form in die in der Schweisszone befindliche Schmelze eingebracht wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmaterial in flüssiger Form als Schmelzestrahl in die in der Schweisszone befindliche Schmelze eingebracht wird.
10. 10. V erfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrmenge des kontinuierlich oder diskontinuierlich eingebrachten Zusatzmaterials so gesteuert wird, dass sich dieses erst in einem Achtel bis der Hälfte der Gesamttiefe der Schmelze der Schweissstelle in vollständig geschmolzenem Zustand mit dieser vereinigt.
11. 11. Verfahrennach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das kontinuierlich in fester Form in die in der Schweisszone befindliche Schmelze eingebrachte Zusatzmaterial mittels einer zusätzlichen Energiequelle auf eine Temperatur unterhalb seiner Schmelztemperatur vorgewärmt wird.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das kontinuierlich in fester Form in die in der Schweisszone befindliche Schmelze eingebrachte Zusatzmaterial mittels des aus einer Schweissposition periodisch kurzzeitig ausgelenkten Energiestrahls vor Erreichen der Schmelze auf eine Temperatur unterhalb seiner Schmelztemperatur vorgewärmt wird.