DD250075A1

DD250075A1 - METHOD FOR WELDING MATERIAL COMBINATIONS WITH CHARGING CARRIER BEAMS

Info

Publication number: DD250075A1
Application number: DD29140186A
Authority: DD
Inventors: Klaus-Rainer Schulze; Horst Erhardt
Original assignee: Zentralinstitut Schweiss
Priority date: 1986-06-18
Filing date: 1986-06-18
Publication date: 1987-09-30

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.The invention relates to a method for welding material combinations with charge jets, wherein a material consists of a refractory metal or its alloy. In the case of minimum equipment expenditure, a reproducible adjustment of the position of the beam impingement point technologically required for the respective workpiece type is to be achieved, which is to be set and regulated by detection and evaluation of electromagnetic radiation. According to the invention, the charge carrier jet is adjusted towards the low-melting material side in such a way that the impact surface of the refractory material side is only striped with the peripheral electrons and the light intensity emitted constantly or on average over time by the refractory material is recorded in a known manner with an optical sensor in a corresponding control device as desired value and, in comparison with the intensity of light acting as a control variable during the actual welding of the light, a signal is generated, which is passed as a manipulated variable to the device for static beam deflection or workpiece movement, whereby stochastic and / or periodic fluctuations of the light intensity are averaged out. The invention finds particular application in electrical engineering.

Description

Field of application of the invention

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.The invention relates to a method for welding material combinations with charged particle beams, wherein a material consists of a refractory metal or its alloy and is given only an insufficient weldability.

Characteristic of the known technical solutions

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.It is known to weld material combinations with carrier beams by a displacement of the beam axis perpendicular to the welding direction to one of the two components. As a result, it is possible to control the degree of mixing in the melt and to take into account different melting points of the joining partners. The lateral displacement of the beam is in the tenth of a millimeter range. In difficult or impossible to weld metal pairings helps in many cases, the introduction of an intermediate layer, usually as a film in the butt joint. In some combinations where metallurgical incompatibility is present, the beam must be moved so far across that no mixing, so no weld, but a Elektronenstrahllötung arises. This is z. As in compounds with tungsten or tungsten alloys of the case. Tungsten not only has the highest melting point of all metals, but also embrittles after a brief melting because it solidifies very coarse-grained. Tungsten is not weldable with steel. A binding is possible only in the form of a kind of soldering. It has also been described to electronically weld impregnating alloys, such as WCu 70/30, to chromium-nickel steel by adjusting the electron beam so that only the steel side is melted and that by the heat conduction the tungsten-copper alloy so far is heated, that the copper from the impregnation at the abutment surface emerges liquid and contributes as a solder for compound formation.

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.A prerequisite for a sufficiently strong and error-free solder bond of this kind is, however, that the electron beam is positioned very precisely and this position is maintained exactly during the relative movement between the component and the beam over the entire butt joint length. But because the tolerances for this are very narrow, it comes under production conditions by the summation of production and plant-related deviations to irregular seam quality and thus errors.

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.Also known is an evaluation of backscatter electrons for determining the actual position of the butt joint, wherein for the case considered here, the weld should be placed by a precisely defined amount next to the joint. To distinguish here are the cold and the hot positioning. The former requires for each workpiece an additional operation and the storage of the joint position parameters, the latter for the position detection an extremely fast deflection (100 / us) of the beam before the weld, possibly combined with a pulsed Strahlstromstärkentastung (DD-PS 110198). The jet-impact positioning using the backscatter electrons is disadvantageously tied to a considerable equipment outlay, which is hardly retrofittable, especially in older systems and is not common even in smaller modern systems.

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).Also known is an evaluation of the emanating from the Strahlauftreffpunkt X-ray radiation, but also analogous to the backscattering electron method complicated beamlines, receiver assemblies, ancillary equipment and signal evaluations are required (DE-OS 2821028, DE-OS 2901148).

Object of the invention

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.The aim of the invention is to develop a method for welding material combinations with carrier beams, which ensures a reproducible adjustment of the technologically required position of the Strahlauftreffpunktes before and during the welding process and ensures a consistent connection quality with a minimum of equipment.

The essence of the invention

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.The invention is based on the object when welding material combinations, of which a material consists of a refractory metal or its alloy to set and control the technologically required position of the Strahlauftreffpunktes by detecting and evaluating electromagnetic radiation with charged beams. The object is achieved by a jet-impact positioning by detection and evaluation of electromagnetic radiation by means of a sensor in an associated control device, according to the invention, the charge carrier beam in the technologically required for Weckstücktyp to the low-melting material se ite of the butt adjusted so is that the Stoßfiäche the refractory material se ite the butt joint is striped only with its peripheral electrons and continuously or in the temporal average of the refractory material emitted light intensity in a known manner with the optical sensor in the associated control device is taken as a target value and in comparison acting as a controlled variable, during the welding process actually emitted light intensity, a signal is generated, which is used as a manipulated variable to the device for static beam deflection or the Werkstückbewegungseinri ctitung is conducted, wherein occurring stochastic and / or periodic fluctuations in the light intensity are averaged out using an integrating controller.

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.As welding technology, electron beam welding is advantageously used, so-called electron beam soldering in which a component is not melted. It is essential that the charge carrier beam is adjusted on the low-melting material side in such a way that it brushes the impact surface of the refractory material only with the peripheral electrons. The setting, which is determined by sample welding for the respective workpiece type, is characterized by a very characteristic light emission, a slight spraying. At the slightest positional deviation of the charge carrier beam, the intensity of the light radiation changes. It decreases as the beam continues to maladjust to the low melting point of the material and increases in the event of mispositioning to the higher melting side of the material. The resulting during the welding process light emission thus serves as a control variable for the operated with the optical sensor control device, which is given a previously determined the respective workpiece type corresponding position setpoint as a reference variable and at the same time as a manipulated variable the corresponding signal to the deflection coils of the charged particle beam or on the workpiece movement device directs and thus holds the beam during welding consistently in the optimum position relative to the butt joint. As a result, inaccuracies of the seam preparation or of the tensioning and movement devices are compensated. Since the light emission is not uniform, but spraying, the control device must contain an integrator whose time constant is set optimally for the respective workpiece type. Too little integration time would lead to an unwanted beam oscillation corresponding to the stochastic light emission in the almost inertia-free operation of the actuator, too large an integration time, however, to an insufficient, sluggish response of the position control. By the method according to the invention, for example, materials of tungsten or tungsten alloys with different materials, eg. As steels are connected. The process ensures an uncomplicated, reproducible adjustment of the technologically optimal beam position.

embodiment

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.The invention will be explained below using an exemplary embodiment. The associated schematic diagram Fig. 1 shows the different metals to be connected 1 and 2, the electron beam 3, the deflection coils 4, the optical sensor 5, the light emission 6 and the control device 7 with the reference variable 8 for setting the technologically required position. The material combination WCu 70/30 1 and CrNi steel 2 is to be joined by electron beam welding. WCu 70/30 1 is an impregnating alloy that is widely used in electrical engineering. The electron beam 3 is adjusted in a desired position relative to the butt joint so that it almost completely impinges on the steel side with its entire focal spot and the end face of the tungsten-copper alloy touches only by the edge electrons and so far heated that the copper of Tränklegierung in the Edge zone melts, partially emerges from the tungsten framework and contributes as solder to the bond with the steel, wherein an electron beam soldering is formed. This setting, which is determined by Probefweißungen corresponds to a characteristic light emission 6, the intensity of which is assumed as a setpoint and is set on the control device 7 as a reference variable 8 and which changes immediately from deviations from the desired position. The optical device 5 downstream control device 7 causes in this case via the deflection coils 4, a shift of the electron beam across the butt joint to the desired position. The control device 7 contains an integrator which detects stochastic or periodic fluctuations of the light intensity.

Claims

1. A method for welding material combinations with charged particle beams, of which a material consists of a refractory metal or its alloy, wherein a jet-impact positioning is performed by detection and evaluation of electromagnetic radiation by means of a sensor in an associated control device, characterized in that the charge carrier beam in the position technologically required for the workpiece to the low melting side of the butt joint is adjusted so that the abutting surface of the refractory material se ite the butt joint is striped only with its edge electrons and the light emitted in the time or average of the refractory component light intensity in a known manner with the aid of the optical sensor in the associated control device is taken as the setpoint and in comparison with the acting as a control variable, actually emit during the welding process Light intensity generated a signal that is passed as a manipulated variable to the device for static beam deflection or on the workpiece moving device, with occurring stochastic ^ and / or periodic fluctuations of the light radiation are averaged by means of an integrating controller.

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