DD250075A1 - Verfahren zum schweissen von werkstoffkombinationen mit ladungstraegerstrahlen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweissen von Werkstoffkombinationen mit Ladungstraegerstrahlen, wobei ein Werkstoff aus einem hochschmelzenden Metall oder dessen Legierung besteht. Bei einem geraetetechnischen Mindestaufwand soll eine reproduzierbare Einstellung der fuer den jeweiligen Werkstuecktyp technologisch erforderlichen Lage des Strahlauftreffpunktes erzielt werden, die durch Erfassung und Auswertung elektromagnetischer Strahlung einzustellen sowie zu regeln ist. Erfindungsgemaess wird der Ladungstraegerstrahl zur niedrigschmelzenden Werkstoffseite hin derart justiert, dass die Stossflaeche der hochschmelzenden Werkstoffseite nur mit den Randelektronen gestreift wird und die staendig oder im zeitlichen Mittel von dem hochschmelzenden Werkstoff emittierte Lichtintensitaet in bekannter Weise mit einem optischen Sensor in einer zugehoerigen Regeleinrichtung als Sollwert aufgenommen wird und im Vergleich mit der als Regelgroesse fungierenden, waehrend des Schweissens tatsaechlich emittierten Lichtintensitaet ein Signal erzeugt wird, das als Stellgroesse auf die Einrichtung zur statischen Strahlablenkung oder Werkstueckbewegungseinrichtung geleitet wird, wobei stochastische und/oder periodische Schwankungen der Lichtintensitaet ausgemittelt werden. Die Erfindung findet insbesondere in der Elektrotechnik Anwendung.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von Werkstoffkombinationen mit Ladungsträgerstrahlen, wobei ein Werkstoff aus einem hochschmelzenden Metall oder dessen Legierung besteht und nur eine ungenügende Schweißbarkeit gegeben ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, Werkstoffkombinationen mit Ladungsträgerstrahlen zu schweißen, indem eine Verschiebung der Strahlachse senkrecht zur Schweißrichtung zu einer der beiden Komponenten erfolgt. Dadurch kann man den Vermischungsgrad in der Schmelze steuern und unterschiedliche Schmelzpunkte der Fügepartner berücksichtigen. Die seitliche Verschiebung des Strahls liegt im Zehntelmillimeterbereich. Bei schwer oder nicht schweißbaren Metallpaarungen hilft in vielen Fällen das Einbringen einer Zwischenschicht, meist als Folie, in die Stoßfuge. Bei einigen Kombinationen, bei denen metallurgische Unverträglichkeit vorliegt, muß der Strahl so weit quer verschoben werden, daß keine Vermischung, also auch keine Schweißverbindung, sondern eine Elektronenstrahllötung entsteht. Das ist z. B. bei Verbindungen mit Wolfram oder Wolframlegierungen der Fall. Wolfram hat nicht nur den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle, sondern versprödet auch schon nach kurzzeitigem Aufschmelzen, weil es sehr grobkörnig erstarrt. Mit Stahl ist Wolfram nicht schweißbar. Eine Bindung ist nur in Form einer Art Lötung möglich. Es ist ferner beschrieben worden, Tränklegierungen, wie WCu 70/30, mit Chrom-Nickel-Stahl durch Elektronenstrahlschweißen zu verbinden, indem man den Elektronenstrahl so justiert, daß nur die Stahlseite aufgeschmolzen wird und daß durch die Wärmeleitung die Wolfram-Kupfer-Legierung soweit erwärmt wird, daß das Kupfer aus der Tränklegierung an der Stoßfläche flüssig austritt und als Lot zur Verbindungsbildung beiträgt.

Voraussetzung für eine ausreichend feste und fehlerfreie derartige Lötbindung ist aber, daß der Elektronenstrahl sehr genau positioniert wird und diese Lage auch während der Relativbewegung zwischen Bauteil und Strahl über die gesamte Stoßfugenlänge exakt beibehalten wird. Weil aber die Toleranzen dafür sehr eng sind, kommt es unter Produktionsbedingungen durch die Summierung von fertigungs- und anlagenbedingten Abweichungen zu unregelmäßiger Nahtqualität und damit zu Fehlern.

Bekannt ist ferner eine Auswertung von Rückstreuelektronen zur Ermittlung der tatsächlichen Position der Stoßfuge, wobei für den hier betrachteten Fall die Schweißstelle um einen exakt definierten Betrag neben die Fuge zu legen wäre. Zu unterscheiden sind hierbei die Kalt-und die Heißpositionierung. Erstere verlangt für jedes Werkstück einen zusätzlichen Arbeitsgang und die Speicherung der Fugenpositionsparameter, letztere für die Positionserfassung eine extrem schnelle Ablenkung (100/us) des Strahls vor die Schweißstelle, gegebenenfalls verbunden mit einer impulsmäßigen Strahlstromstärkentastung (DD-PS 110198). Die Strahl-Stoß-Positionierung mit Hilfe der Rückstreuelektronen ist nachteiligerweise an einen beträchtlichen gerätetechnischen Aufwand gebunden, der insbesondere bei älteren Anlagen kaum nachrüstbar und auch bei kleineren modernen Anlagen nicht üblich ist.

Bekannt ist auch eine Auswertung der vom Strahlauftreffpunkt ausgehenden Röntgenstrahlung, wobei aber analog zum Rückstreuelektronenverfahren ebenfalls komplizierte Strahlführungen, Empfängeranordnungen, Zusatzeinrichtungen und Signalauswertungen erforderlich sind (DE-OS 2821028; DE-OS 2901148).

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist, ein Verfahren zum Schweißen von Werkstoffkombinationen mit Ladungsträgerstrahlen zu entwickeln, das bei einem gerätetechnischen Mindestaufwand eine reproduzierbare Einstellung der technologisch erforderlichen Position des Strahlauftreffpunktes vor und während des Schweißprozesses gewährleistet und eine gleichbleibende Verbindungsqualität sichert.

Das Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim Schweißen von Werkstoffkombinationen, von denen ein Werkstoff aus einem hochschmelzenden Metall oder dessen Legierung besteht, mit Ladungsträgerstrahlen die technologisch erforderliche Lage des Strahlauftreffpunktes durch Erfassung und Auswertung elektromagnetischer Strahlung einzustellen und zu regeln. Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Strahl-Stoß-Positionierung durch Erfassung und Auswertung von elektromagnetischer Strahlung mittels eines Sensors in einer zugehörigen Regeleinrichtung erfolgt, wobei erfindungsgemäß der Ladungsträgerstrahl in der für den Weckstücktyp technologisch erforderlichen Lage zur niedrigschmelzenden Werkstoff se ite der Stoßfuge hin derart justiert wird, daß die Stoßfiäche der hochschmelzenden Werkstoff se ite der Stoßfuge nur mit seinen Randelektronen gestreift wird und die ständig oder im zeitlichen Mittel von dem hochschmelzenden Werkstoff emittierte Lichtintensität in an sich bekannterWeise mit dem optischen Sensor in der zugehörigen Regeleinrichtung als Sollwert aufgenommen wird und im Vergleich mit der als Regelgröße fungierenden, während des Schweißvorganges tatsächlich emittierten Lichtintensität ein Signal erzeugt wird, das als Stellgröße auf die Einrichtung zur statischen Strahlablenkung oder auf die Werkstückbewegungseinrictitung geleitet wird, wobei auftretende stochastische und/oder periodische Schwankungen der Lichtintensität mit Hilfe eines integrierenden Reglers ausgemittelt werden.

Als Schweißtechnologie wird vorteilhafterweise das Elektronenstrahlschweißen angewendet, wobei sogenannte Elektronenstrahl-Lötungen entstehen, bei denen eine Komponente nicht aufgeschmolzen wird. Wesentlich ist, daß.der Ladungsträgerstrahl derart auf der niedrigschmelzenden Werkstoffseite justiert wird, daß er die Stoßfläche des hochschmelzenden Werkstoffs nur mit den Randelektronen streift. Die Einstellung, die für den jeweiligen Werkstücktyp durch Probeschweißen ermittelt wird, ist durch eine ganz charakteristische Lichtemission, ein leichtes Sprühen, gekennzeichnet. Bei der geringsten Lageabweichung des Ladungsträgerstrahles verändert sich die Intensität der Lichtstrahlung. Sie nimmt ab, wenn der Strahl eine Fehlpositionierung weiter zur niedrigschmelzenden Werkstoff se ite hin erfährt und nimmt zu bei einer Fehlpositionierung zur höherschmelzenden Werkstoffseite hin. Die während des Schweißvorganges entstehende Lichtemission dient somit als Regelgröße für die mit dem optischen Sensor betriebene Regeleinrichtung, der ein vorher ermittelter dem jeweiligen Werkstücktyp entsprechender Lagesollwert als Führungsgröße vorgegeben wird und die gleichzeitig als Stellgröße das entsprechende Signal an die Ablenkspulen des Ladungsträgerstrahles bzw. auf die Werkstückbewegungseinrichtung leitet und damit den Strahl während des Schweißens gleichbleibend in der optimalen Position relativ zur Stoßfuge hält. Dadurch werden Ungenauigkeiten der Nahtvorbereitung bzw. der Spann- und Bewegungseinrichturigen kompensiert. Da die Lichtemission nicht gleichmäßig, sondern sprühend ist, muß die Regeleinrichtung einen Integrator enthalten, dessen Zeitkonstante für den betreffenden Werkstücktyp optimal eingestellt wird. Eine zu geringe Integrationszeit würde entsprechend der stochastischen Lichtemission bei der nahezu trägheitslosen Funktion des Stellgliedes zu einer unerwünschten Strahlpendelung führen, eine zu große Integrationszeit hingegen zu einer ungenügenden, trägen Reaktion der Lageregelung. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können beispielsweise Werkstoffe aus Wolfram oder Wolframlegierungen mit verschiedenen Werkstoffen, z. B. Stählen, verbunden werden. Das Verfahren gewährleistet eine unkomplizierte, reproduzierbare Einstellung der technologisch optimalen Strahlposition.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Die zugehörige Prinzipskizze Fig. 1 zeigt die zu verbindenden unterschiedlichen Metalle 1 und 2, den Elektronenstrahl 3, die Ablenkspulen 4, den optischen Sensor 5, die Lichtemission 6 und die Regeleinrichtung 7 mit der Führungsgröße 8 zur Einstellung der technologisch erforderlichen Lage. Es soll die Werkstoffkombination WCu 70/30 1 und CrNi-Stahl 2 durch Elektronenstrahlschweißen verbunden werden. WCu 70/ 30 1 ist eine Tränklegierung, die vielfach in der Elektrotechnik Verwendung findet. Der Elektronenstrahl 3 wird in einer Sollage relativ zur Stoßfuge so justiert, daß er mit seinem gesamten Brennfleck fast vollständig auf der Stahlseite auftrifft und die Stirnfläche der Wolfram-Kupfer-Legierung nur durch die Randelektronen streift und soweit erhitzt, daß das Kupfer der Tränklegierung in der Randzone schmilzt, teilweise aus dem Wolframgerüst austritt und als Lot zur Bindung mit dem Stahl beiträgt, wobei eine Elektronenstrahl-Lötung entsteht. Dieser Einstellung, die durch Probeschweißungen ermittelt wird, entspricht eine charakteristische Lichtemission 6, deren Intensität als Sollwert angenommen und an der Regeleinrichtung 7 als Führungsgröße 8 eingestellt wird und die sich bei Abweichungen von der Sollage sofort ändert. Die dem optischen Sensor 5 nachgeschaltete Regeleinrichtung 7 bewirkt in diesem Falle über die Ablenkspulen 4 eine Verschiebung des Elektronenstrahls quer zur Stoßfuge zur Sollage. Die Regeleinrichtung 7 enthält einen Integrator, der stochastische bzw. periodische Schwankungen der Lichtintensität ausmittelt.

Claims (1)

1. Verfahren zum Schweißen von Werkstoffkombinationen mit Ladungsträgerstrahlen, von denen ein Werkstoff aus einem hochschmelzenden Metall oder dessen Legierung besteht, wobei eine Strahl-Stoß-Positionierung durch Erfassung und Auswertung von elektromagnetischer Strahlung mittels eines Sensors in einer zugehörigen Regeleinrichtung erfolgt, gekennzeichnet dadurch, daß der Ladungsträgerstrahl in der für den Werkstücktyp technologisch erforderlichen Lage zur niedrigschmelzenden Werkstoffseite der Stoßfuge hin derart justiert wird, daß die Stoßfläche der hochschmelzenden Werkstoff se ite der Stoßfuge nur mit seinen Randelektronen gestreift wird und die ständig oder im zeitlichen Mittel von der hochschmelzenden Komponente emittierte Lichtintensität in an sich bekannter Weise mit Hilfe des optischen Sensors in der zugehörigen Regeleinrichtung als Sollwert aufgenommen wird und im Vergleich mit der als Regelgröße fungierenden, während des Schweißvorganges tatsächlich emittierten Lichtintensität ein Signal erzeugt wird, das als Stellgröße auf die Einrichtung zur statischen Strahlablenkung oder auf die Werkstückbewegungseinrichtung geleitet wird, wobei auftretende stochastisch^ und/oder periodische Schwankungen der Lichtstrahlung mit Hilfe eines integrierenden Reglers ausgemittelt werden.

Hierzu 1 Seite Zeichnung