DE10004389A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schweissen mittels Energiestrahl, insbesondere Elektronenstrahl - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen mittels Energiestrahl, insbesondere Elektronenstrahl, und zeichnet sich dadurch aus, daß die Strahlführung derart erfolgt, daß für eine oder mehrere punkt- oder achssymmetrische Schweißnähte das Schweißen in Abschnitten beginnt, die zu der Symmetrieachse oder Symmetrieebene des Werkstückes symmetrisch liegen, um so auftretende Schrumpfspannungen beim Abkühlen der Schmelze der Schweißnaht gegeneinander aufzuheben und die Anforderungen an die Werkstückpositionierung beim Schweißvorgang zu senken.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen von Bautei­ len mittels Energiesetrahl, insbesondere Elektronenstrahl.

Es ist bekannt, zur thermischen Oberflächenbehandlung von Werkstücken, wie z. B. zum Umschmelzhärten von Nockenwellen Elektronenstrahlen einzusetzen (DE 41 30 462, DE 42 25 002). Seit langer Zeit werden Elektronenstrahlen auch zum Verschwei­ ßen von Bauteilen, wie z. B. für die Herstellung von Zahnrädern durch Aufschweißen auf einen Grundkörper verwendet.

Es ist auch bekannt, eine Mehrzahl von Werkstücken durch punktförmige Beaufschla­ gung mit einem hochfrequent dreidimensional abgelenkten Elektronenstrahl zu ver­ schweißen (DE 197 29 083).

Allerdings führt generell das Fügen von Werkstücken oder Werkstückteilen zu einem Teil mittels Schmelzschweißverfahren notwendigerweise zu Schrumpfspannungen und damit zu unerwünschtem Verzug. Die Schrumpfspannungen werden durch das Abkühlen der Schmelze und der Werkstückkomponenten verursacht und führen zu beträchtlichen Kräften, die die Verwendung massiver Spannvorrichtungen bedingen, um die zu fügenden Teile genau zueinander in Position zu halten. Dennoch können - auch durch elastische und plastische Formänderungen von Werkstück- und Spann­ vorrichtung - Fehlpositionierungen nicht vollständig ausgeschlossen werden. Hierbei können formschlüssige Verbindungen, wie z. B. Preßpassungen oder Zentrierlippen zwar Verbesserungen bewirken, vielfach sind die Toleranzen aber unzulänglich, so daß erhöhte Fertigungskosten die Folge sind. Die Schrumpfung wird dabei um so kleiner, je schlanker die Schweißnaht ausgeführt werden kann. Die besten Werte wer­ den diesbezüglich durch die Strahlschweißverfahren mit Energiestrahl, wie Elektro­ nen- oder Laserstrahl erreicht.

Der Schrumpfprozeß beginnt zuerst an der Stelle, an der die erste Aufschmelzung der Schweißnaht vorgenommen wird und bleibt solange konstant, als keine Behinderung des Schrumpfprozesses stattfindet. Bei geschlossen kreisförmigen Schweißnähten gibt es im Bereich der Schweißnahtüberlappung ein zweimaliges Aufschmelzen und damit eine erhöhte Schrumpfung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen von Werkstücken mittels Energiestrahl, insbesondere Elektronen­ strahl anzugeben, die unter Ausnutzung der praktisch trägheitslosen Steuerbarkeit des Elektronenstrahles oder unter Verwendung anderer Strahlen einen Fertigungs­ prozeß zum Fügen von Werkstücken realisieren, bei dem das Auftreten von Schrumpfspannungen praktisch ausgeschlossen und ein Fügevorgang mit hoher Prä­ zision durchgeführt werden kann, ohne daß übermäßige Positionier- und Spannvor­ richtungen für die Relativpositionierung der Werkstücke erforderlich sind.

Es soll ferner eine entsprechende Vorrichtung für einen solchen Schweißprozeß mit Energiestrahlen, wie Elektronenstrahl oder Laserstrahl, angegeben werden.

Die vorgenannte Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens, insbesondere für das Ver­ schweißen punkt- oder achssymmetrischer Bauteile mittels zumindest einer punkt- oder achssymmetrischen Schweißnaht erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Energiestrahl zur Ausbildung zumindest einer Schweißnaht in punkt- oder achssym­ metrischen Abschnitten geführt wird.

Vorzugsweise ist der Energiestrahl ein Elektronenstrahl, der hochfrequent abgelenkt zwischen den Abschnitten der Schweißnaht zur Ausbildung derselben hin- und her­ springt.

Durch eine solche, nach einer bevorzugten Ausführungsform mehrdimensionaler Ab­ lenkung eines Elektronenstrahles in sprungartiger, praktisch trägheitsloser Weise die zur praktisch gleichzeitigen Ausbildung von Schweißnahtabschnitten führt, die zu ei­ ner einzigen Schweißnaht "zusammenwachsen" oder aber zur Ausbildung mehrerer Schweißnähte führen, wird erreicht, daß die beim Abkühlen der Schmelze nach dem Schweißprozeß entstehenden Schrumpfspannungen im Werkstück sich symmetrisch zueinander aufheben und somit kein Versatz der Bauteile, die miteinander ver­ schweißt werden bzw. worden sind, zueinander erzeugen.

Es kann daher auf aufwendige Spannvorrichtungen verzichtet und der Prozeß verein­ facht werden. Dies ist insbesondere für punkt- oder achssymmetrische Werkstücke, z. B. beim kreisrunden Aufschweißen eines Zahnrades auf einen Grundkörper von Be­ deutung und bietet sich als elegante Lösung an, um den Verzug von Kreisnähten axial oder radial ohne teure Passungen zu minimieren.

Ein gleiches Ergebnis kann auch bei Einsatz mehrerer Laserstrahlen oder bei Ver­ wendung von mehreren Elektronenstrahlen aus unterschiedlichen Richtungen erreicht werden.

Vorzugsweise kann auch zunächst unter sprungartiger Ablenkung eines Elektronen­ strahles das praktisch gleichzeitige Setzen von Heftpunkten zum Fixieren der Bauteile gegeneinander mit einem sprungartig abgelenkten Elektronenstrahl (oder auch mit mehreren Energiestrahlen) erfolgen und nachfolgend das abschnittsweise Ausbilden der zumindest einen Schweißnaht vorgenommen werden. Weitere, bevorzugte Aus­ gestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den übrigen Unteransprüchen dar­ gelegt.

Die Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens, weist die in Anspruch 11 dargelegten Merkmale auf.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

Fig. 1 das Aufschweißen eines Zahnkranzes auf einen Grundkörper in sche­ matischer Darstellung, und

Fig. 2 eine Ausbildung achssymmetrischer Schweißnähte an einem Werk­ stück.

In Fig. 1 ist schematisch das Verfahren und die Vorrichtung für ein erstes Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei ein Zahnrad 1 auf einen Grundkörper 2 aufgeschweißt wird. Dies ist ein Beispiel für das punktsymmetrische Ausbilden einer Schweißnaht mit einer Zentralachse A als Symmetrieachse.

Ein Elektronenstrahl-Ablenksystem, bestehend aus den Strahlablenkungseinheiten 3a, 3b, 3c und 3d führt den einen Elektronenstrahl 10 (der Elektronenstrahlerzeuger ist hier nicht gezeigt) unter sprungartiger, mehrdimensionaler Ablenkung desselben derart, daß zunächst vorzugsweise drei um 120° versetzt sich ausbildende Abschnitte 7a, 7b, 7c, bezogen auf eine Zentralachse der Schweißnaht (Mittenachse des Grund­ körpers 2), hergestellt werden, wobei vorher ein entsprechendes Anheften durch praktisch gleichzeitiges Setzen entsprechender Heftpunkte, z. B. im 120°-Abstand er­ folgt. Selbstverständlich kann eine größere oder kleinere Anzahl symmetrischer Ab­ schnitte gewählt werden.

Das Herstellen einer Schweißnaht entlang einer Verbindungslinie 6 der Werkstücke erfolgt somit unter Ausbildung von drei sich ständig in Umfangsrichtung vergrößern­ den, aber (zunächst) beabstandeten Abschnitten 7a, 7b, 7c, die praktisch gleichzeitig geschweißt werden, bedingt durch die praktisch trägheitslose Ablenkung des Elektro­ nenstrahles 10 durch die Ablenkeinheiten 3a bis 3d.

In Verbindung mit der Abkühlung der Schweißnaht und in diesem Zusammenhang auftretenden Schrumpfspannungen bzw. Verzug wird durch eine solche Verfahrens­ führung erreicht, daß die Schrumpfspannungen (da symmetrisch bezogen auf die Mittelachse der Anordnung) sich ausbildend, einander gegenseitig aufheben, so daß kein Versatz oder sonstige Verlagerungsprobleme zwischen den Bauteilen 1 und 2 auftreten.

Obwohl vorzugsweise in diesem Zusammenhang an die Durchführung eines Elektro­ nenstrahl-Schweißvorganges gedacht wird, sind in gleicher Weise und mit gleichem Erfolg auch andere Energiestrahlen, wie z. B. Laserstrahlen, anwendbar (z. B. Laser­ strahlkopf mit 3 Laserstrahlen).

In Fig. 2 ist das parallele, gegensinnige Schweißen von zwei oder mehr Schweißnäh­ ten 21 mittels eines, sprunghaft abgelenkten Elektronenstrahles 10 dargestellt, wobei zwei prismatische Körper 20 vermittels Schweißnähten 21 in Ausnehmungen eines Tragkörpers 22 eingeschweißt werden. Auch hierbei ist ein entsprechendes Ablen­ kungssystem 3a, 3b, 3c, 3d vorgesehen, das den Elektronenstrahl 10 sprunghaft mehrdimensional ablenkt, so daß die Schweißnähte 21 abschnittsweise praktisch gleichzeitig entstehen (und auch abkühlen), so daß in Bezug auf eine Symmetrieebe­ ne A negative Auswirkungen von Schrumpfspannungen auf mögliche Dislokationen der Teile vermieden werden.

Gleichzeitig wird mit diesem Verfahren eine entsprechend Erhöhung der Produktivität erreicht.

Auch hier können selbstverständlich ebenfalls andere Arten von Energiestrahlen wie Laserstrahlen verwendet werden.

Generell kann in gleicher Weise auch mit mehreren Energiesetrahlen (Elektronen­ strahlen oder Laserstrahlen), die aus mehreren Richtungen punkt- oder achssymme­ trische Schweißnähte an Werkstücken ausbilden, gearbeitet werden.

Die Vorrichtung, mit der das vorerläuterte Verfahren ausgeführt wird, weist einen (hier nicht näher gezeigten) Funktionsgenerator zur Ansteuerung der Ablenkeinheiten 3a- 3d des Elektronenstrahles 10 auf, der eine abschnittsweise Strahlführung entweder zur Ausbildung einer einzigen Schweißnaht (Fig. 1) oder mehrerer Schweißnähte (Fig. 2) aufweist, so daß die Schweißnaht in symmetrischen Abschnitten entsteht (Fig. 1), und sich Schrumpfspannungen symmetrisch zur Sollposition gegenseitig aufheben, oder wobei in entsprechender Weise an einem Werkstück eine Mehrzahl punkt- oder achssymmetrischer Schweißnähte erforderlich ist, für die der Elektronenstrahl 10 (oder ein anderer Energiestrahl, wie z. B. Laserstrahlen) praktisch gleichzeitig unter punktförmiger Aufschmelzung zur Einwirkung kommt und hin- und herspringend die beiden Schweißnähte praktisch gleichzeitig herstellt, so daß auch hier deren Schrumpfspannungen symmetrisch zur Sollposition einander gegenseitig aufheben.

Um den Verzug von Kreisnähten (Fig. 1) axial oder radial ohne teure Passungen zu minimieren, ist das Elektronenstrahlschweißen (oder auch Schweißen mit anderen Energiestrahlen) eine elegante Lösung. Da ein Elektronenstrahl in bekannter Weise sehr schnell abgelenkt werden kann (wobei dies auch auf andere Energiestrahlen zu­ trifft, oder aber z. B. auch mit drei Laserstrahlen gearbeitet werden kann), so daß beim Elektronenstrahlschweißen mit einem Strahl quasi an zwei oder mehr Stellen gleich­ zeitig geschweißt werden kann, ist es hierdurch möglich, die Wirkung einseitiger "resultierender" Schrumpfspannungen auf das Werkstück zu vermeiden.

Wird, wie in Fig. 1, beispielsweise der Elektronenstrahl (oder andere Energiestrahlen), beispielsweise gleichzeitig um drei um 120° versetzte Positionen auf einer Kreisbahn entlanggeführt, so setzen die Schrumpfspannungen symmetrisch an den zu fügenden Bauteilen an und heben sich gegenseitig auf, ohne daß die Zentrierung verlorengeht. Der Überlappungsbereich, der bei herkömmlichen Schweißverfahren nur einmal am Umfang auftritt und somit zur Asymmetrie führt, tritt bei dem neu vorgeschlagenen Verfahren drei oder mehrmals auf, so daß kein Achsversatz und damit keine Exzen­ trizität entstehen.

Gleiches gilt für das vorherige Heftschweißen und erst anschließende "Durch­ schweißen" in mehreren Abschnitten. Auch eine solche Möglichkeit erspart teure Pas­ sungen. Bei dem vorgesehenen Verfahren und bei der vorgesehenen Vorrichtung sind daher Spann- bzw. Aufnahmemittel für die Funktionsflächen, die die Bauteile an ihren Funktionsflächen zentrieren, ausreichend, und es können die Passungen beispiels­ weise als Stanzschnitte preiswert gefertigt werden.

Aus der nahezu trägheitslosen Ansteuerbarkeit der Strahlablenkung ergibt sich die Möglichkeit einer perfekten Schleppfehlerkompensation. Ähnlich wie z. B. beim Hoch­ geschwindigkeitsfräsen, bei dem die Maschinendynamik über Kennkurven kompen­ siert wird, ist es bei Elektronenstrahl-Maschinen, wie in der vorbeschriebenen Vorrich­ tung möglich, die Abweichung von Strahlposition und Schweißgeschwindigkeit vom Sollwert aufgrund der Massenträgheit oder von Unzulänglichkeiten des Antriebssy­ stems exakt zu messen und über einen Soll-Ist-Wert-Vergleich durch Strahlablenkung in Echtzeit zu kompensieren. Sie setzt allerdings ein ausreichend schnelles Rechensystem voraus. Es ergibt sich dabei aber die Möglichkeit, die Relativbewegung zwi­ schen Elektronenstrahl und Werkstück entweder rein mechanisch (Werkstückbewe­ gung) oder rein elektrisch (Strahlbewegung) oder über eine gleichzeitige Kombination beider Bewegungen zu bewirken.

Aufgrund der schnellen Strahlsteuerbarkeit ergibt sich neben der dargestellten Mög­ lichkeit der Mehrstrahltechnik auch die Mehrfokustechnik.

Es ist auch möglich, in Mehrfokustechnik mit einem Elektronenstrahl zu arbeiten, was bedeutet, daß bei konstantem Strahlstrom die Fokuslage zwischen mehreren Höhen springt, z. B. zwischen drei Höhen: der Höhe zum Durchschweißen, der Höhe zum Glätten der Oberraupe und der Höhe zur Ausbildung einer optimalen Unterraupe der Schweißnaht (Schweißen in vertikal beabstandeten Brennfleckebenen).

Dabei kann auch Spritzerbildung deutlich reduziert werden oder das Ausgasen, z. B. bei AL-Druckguß, verbessert werden. Bei synchroner Steuerung des Strahlstromes kann dieser für jede Fokusposition entsprechend angepaßt werden.

Beim Elektronenstrahl-Schweißen kann auch die Mehrstrahltechnik mit Mehrfoku­ stechnik kombiniert werden; letzteres bedeutet das Hin- und Herspringen des Elektro­ nenstrahles zwischen zwei benachbarten Schweißnähten oder zunächst getrennten Abschnitten einer einzigen Schweißnaht mit Hochfrequenz, wobei dies für die einzelne Schweißposition wie ein gepulster Strahl wirkt, mit dem Resultat einer besonders schlanken Schweißnaht. Dies bewirkt vor allem eine noch geringere Wärmeeinbrin­ gung und damit geringeren Verzug. Im Hinblick auf die beim parallelen Herstellen mehrerer Abschnitte einer Schweißnaht oder von mehreren Schweißnähten, die zu­ einader symmetrisch im Werkstück verlaufen, mit einem hin- und herspringenden Elektronenstrahl geringere Schweiß- bzw. Vorschubgeschwindigkeit kann zur Erhö­ hung derselben bzw. zur tatsächlichen Halbierung der Bearbeitungszeit beim gleich­ zeitigen Herstellen zweier Schweißnähte der Strom entsprechend erhöht und die Ab­ lenkfrequenz des Elektronenstrahles angepaßt werden. Durch den höheren Strom wird die Schweißnaht wieder etwas breiter und die Produktivität gleichzeitig entspre­ chend erhöht. Die vorerläuterte Kombination dieser Mehrstrahltechnik mit der ebenfalls oben erläuterten Mehrfokustechnik ergibt folgende Möglichkeit: ein vorauseilen­ der Elektronenstrahl wird mit hohem Strom defokussiert und/oder schnell oszillierend zum Vorwärmen verwendet, während der mittlere Strahl die Schweißnaht mit einem der Werkstückdicke und Schweißtiefe angepaßtem Strom und Fokus ausführt. Der nacheilende "dritte" Strahl wird zum Glätten der Oberraupe der Schweißnaht verwen­ det, wobei wiederum andere Strom- und Fokuswerte eingestellt werden. Da die Schweißgeschwindigkeit für alle drei Strahlen (die durch den einen hochfrequent "springenden" Elektronenstrahl gebildet werden) zwangsweise gleich ist, sind die Pro­ zeßparameter voneinander abhängig. Bei beliebig gekrümmten Bahnkurven muß die CNC-Steuerung in der Lage sein, jeden Strahl für sich auf der Nahtfuge zu halten. Dies ist allerdings deutlich schwieriger als die bisher bekannte Vektorisierung eines oszillierenden Strahles.

Auch beim Laserstrahlschweißen können analoge Überlegungen (Mehrstrahl- und Mehrfokustrechnik) angewandt werden. Da jedoch beim Laserstrahl die freie Pro­ grammierbarkeit der Parameter und damit die Flexibilität in der Anwendung der Pro­ zesse fehlt, so daß sich besondere Schwierigkeiten im Bereich der Parameteroptimie­ rung ergeben, ist eine dem Elektronenstrahlschweißen vergleichbare Flexibilisierung und Optimierung bisher noch nicht möglich. Für jede Anwendung muß jeweils eine neue Hardware gefertigt werden.

Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, mit hoher Produktivität für punkt- oder achssymmetrische (letzteres bedeutet z. B. zu einer Symmetrieebene symmetri­ sche) Schweißnähte diese so auszubilden, daß Schrumpfspannungen, bedingt durch eine spiegelsymmetrische Ausbildung der Schweißnähte, vermieden werden.

Claims (13)

1. Verfahren zum Schweißen von Bauteilen mittels Energiestrahl, insbesondere punkt- oder achssymmetrischen Bauteilen, mittels zumindest einer punkt- oder achs­ symmetrischen Schweißnaht, gekennzeichnet durch Führung eines Energiestrahles zur Ausbildung zumindest einer Schweißnaht in punkt- oder achssymmetrischen Ab­ schnitten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch hochfrequente Ablenkung eines Elektronenstrahls.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere Laserstrahlen entsprechend der Anzahl der Abschnitte.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronen­ strahl praktisch trägheitslos zur Ausbildung beabstandeter Abschnitte einer Schweiß­ naht oder mehrerer Schweißnähte geführt wird, derart, daß beim Abkühlen der Schweißnahtabschnitte, der Schweißnaht oder der Schweißnähte entstehende Schrumpfspannungen in dem verschweißten Werkstück symmetrisch einander ge­ genseitig in Bezug auf die Symmetrieachse oder -ebene kompensieren.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenn­ punkt des Elektronenstrahles zwischen einer Mehrzahl von Fokusebenen hin- und herspringt.

6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Bauteile zunächst an mehreren, insbesondere punkt- oder achssymmetrisch angeordneten Heftpunkten mit zumindest einem Energiestrahl, insbesondere einen sprunghaft abgelenkten Elektronenstrahl, heftverschweißt und nachfolgend das abschnittsweise Ausbilden der zumindest einen Schweißnaht erfolgt.

7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Energiestrahlen, insbesondere La­ serstrahlen, zum Schweißen verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Energiestrahlen, insbesondere Elektronen- oder Laserstrahlen, aus mehreren Richtungen verwendet wird.

9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abschnitte einer in der Art einer Kreisform ausgebil­ deten Schweißnaht unter einem Winkel von beispielsweise 120° zueinander begin­ nend ausgebildet werden.

10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Elektronenstrahl sprungartig zwischen im wesentli­ chen parallel zueinander und/oder punkt- und/oder achssymmetrisch sich ausbilden­ den Schweißnähten abgelenkt wird, derart, daß alle Schweißnähte praktisch gleich­ zeitig entstehen.

11. Vorrichtung zum Verschweißen von Bauteilen mittels Energiestrahl, insbeson­ dere Elektronen- oder Laserstrahl, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Strahlerzeugungs- und/oder Strahlfüh­ rungseinrichtung mit Führung des zumindest einen Energiestrahles zur Ausbildung zumindest einer Schweißnaht in punkt- oder achssymmetrischen Abschnitten.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 mit zumindest einem Elektronenstrahlerzeuger zur Bereitstellung eines Elektronenstrahls und mit einer Strahlablenkungseinrichtung zur sprungartigen, insbesondere mehrdimensionalen Ablenkung des Elektronen­ strahls, gekennzeichnet durch einen Funktionsgenerator zur Elektronenstrahlablen­ kung zu dem punkt- oder achssymmetrischen Abschnitten der zumindest einen Schweißnaht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Laserstrahl- Schweißkopf mit einer der Anzahl der Abschnitte entspechenden Emission um Laser­ strahlen und Führung derselben zur Ausbildung dieser Abschnitte der zumindest ei­ nen Schweißnaht.