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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen oder Trennen von Werkstücken mit einem Elektronenstrahl im Nicht-Vakuum gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Füge- und/oder Trenneinrichtung mit einem Elektronenstrahlerzeuger gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
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Verfahren und Vorrichtungen zum Fügen, z. B. durch Schweißen, von Werkstücken mittels Elektronenstrahlen sind bekannt, z. B. aus der
DE 1 199 416 A1 . Bei solchen Elektronenstrahlschweißanlagen ist zur Aufrechterhaltung des Elektronenstrahls ein Vakuum nötig, was ungünstig ist für moderne, Robotergestützte Fertigungsanlagen. Aus der
US 2006/0043075 A1 geht der Vorschlag hervor, einen Elektronenstrahl durch ein von einem Plasmagenerator erzeugtes Plasma von der Umgebung abzuschirmen. Der dort vorgeschlagene Aufbau ist für einen Einsatz in der automatisierten Fertigung unter Verwendung von Fertigungsrobotern zu komplex.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Fügen oder Trennen von Werkstücken mit einem Elektronenstrahl anzugeben, die wesentlich einfacher in modernen Produktionsanlagen einsetzbar sind.
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Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch ein Verfahren zum Fügen und oder Trennen von Werkstücken mit einem Elektronenstrahl im Nicht-Vakuum, wobei ein Elektronenstrahl von einem Elektronenstrahlerzeuger abgegeben wird und auf das Werkstück bzw. die Werkstücke auftrifft, wobei wenigstens ein Lichtbogen erzeugt wird, der wenigstens auf einem Teilabschnitt des Elektronenstrahls von dem Elektronenstrahlerzeuger zu dem Werkstück entlang des Elektronenstrahls in einem solchen Abstand vom Zentrum des Elektronenstrahls verläuft, dass der Lichtbogen den Elektronenstrahl beeinflusst. Das erfindungsgemäße Verfahren ist darauf ausgerichtet, im Nicht-Vakuum ausgeführt zu werden, so dass keine entsprechenden Maßnahmen und Bauteile erforderlich sind, um ein Vakuum an der Füge- oder Trennstelle herzustellen und aufrechtzuerhalten. Hierdurch kann das erfindungsgemäße Verfahren einfach und kostengünstig realisiert werden, indem wenigstens ein Lichtbogen erzeugt wird, der gemäß den weiteren kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 den Elektronenstrahl beeinflusst. Das Verfahren kann insbesondere direkt in der Atmosphäre durchgeführt werden. So kann der Lichtbogen direkt in der Luftatmosphäre erzeugt werden. Dies erlaubt auch eine einfache und kostengünstige Realisierung einer entsprechenden Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist deren gute Einsetzbarkeit in modernen, Roboter-gestützten Produktionsanlagen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es auch, dass der oder die Lichtbögen außerhalb des Elektronenstrahlerzeugers verlaufen und den Elektronenstrahl beeinflussen. Dies hat den Vorteil, dass der Elektronenstrahl auch außerhalb des Elektronenstrahlerzeugers durch den Lichtbogen bzw. die Lichtbögen fokussiert werden kann. Bei bekannten Vorschlägen, wie z. B.
US 2006/0043075 A1 erfolgt eine Abschirmung des Elektronenstrahls nur innerhalb der Elektronenstrahlkanone. Sobald der Elektronenstrahl die Elektronenstrahlkanone verlässt, verringert sich dort seine Intensität, weil er sich zerstreut. Daher kann beim Stand der Technik nur unmittelbar nach Austritt des Elektronenstrahls eine adäquate Leistung zum Fügen oder Trennen von Werkstücken bereitgestellt werden, d. h. die nutzbare Arbeitsreichweite ist sehr gering. Im Gegensatz hierzu erlaubt die vorliegende Erfindung eine deutlich größere Arbeitsreichweite des Elektronenstrahls, da dieser auch außerhalb des Elektronenstrahlerzeugers von dem Lichtbogen günstig beeinflusst werden kann, insbesondere gegenüber einer Zerstreuung des Elektronenstrahls. Die Eindringtiefe des Elektronenstrahls beim Erzeugen der Schweißnaht oder beim Trennen kann gegenüber bekannten Verfahren und Einrichtungen mit der Erfindung ohne weiteres um 50% erhöht werden. Dies eröffnet der Erfindung erheblich größere Anwendungsbereiche in der industriellen automatisierten Bearbeitung von Werkstücken. Insbesondere kann das Verfahren in der Atmosphäre durchgeführt werden.
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Mit der Erfindung kann z. B. ein Abstand von 30 mm zwischen der Vorrichtung und dem Werkstück überbrückt werden. Die beim Fügen entstehende Schweißnaht zeigt eine sehr geringe Wulst, was darauf hindeutet, dass der Lichtbogen bzw. die Lichtbögen ebenfalls thermisch auf das Werkstück eingewirkt haben. Insgesamt lässt sich hiermit eine Schweißnaht erzeugen, die hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften, wie Dauerschwingfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Kerbwirkung, verbessert ist. Bisher erforderliche Nachbearbeitungsschritte, z. B. über sogenannte „kosmetische Nähte”, können daher beim erfindungsgemäßen Verfahren entfallen oder zumindest reduziert werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass ein Elektronenstrahlerzeuger mit reduzierter Beschleunigungsspannung eingesetzt werden kann, was zusätzlich die Kosten für die Realisierung der Erfindung günstig beeinflusst, da kostengünstigere Elektronenstrahlkanonen eingesetzt werden können. Während bisher Elektronenstrahlkanonen mit 150 bis 175 kV Beschleunigungsspannung verwendet werden mussten, kann für die Realisierung der Erfindung eine Elektronenstrahlkanone mit einer Beschleunigungsspannung von nur 60 bis 80 kV verwendet werden. Dies führt zu weiteren Vorteilen. So können z. B. die Röntgenschutzmaßnahmen reduziert werden, was zu einer weiteren Gewichts- und Kosteneinsparung führt. Die gesamte Einrichtung kann wesentlich kompakter und leichter realisiert werden, was die Roboter-Tauglichkeit der Einrichtung weiter verbessert.
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Zusammengefasst kann gesagt werden, dass der Elektronenstrahl stärker gebündelt auf das Werkstück auftrifft, so dass dieser vergleichsweise tiefer in das Werkstück eindringen kann, da eine höhere Leistungsdichte durch die Streuungsverringerung sowie eine Fokussierung des Elektronenstrahls durch die Magnetfelder des Lichtbogens bzw. der Lichtbögen erfolgt, im Vergleich zu Verfahren aus dem Stand der Technik. Hierdurch kann bei Fügevorgängen die gesamte Schweißverbindung verbessert werden.
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Der Lichtbogen bzw. die Lichtbögen können den Elektronenstrahl auf verschiedene Arten beeinflussen, die miteinander kombinierbar sind, wie nachfolgend erläutert.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung verläuft wenigstens ein Teilabschnitt des Elektronenstrahls durch das vom Lichtbogen gebildete Plasma. Dies hat den Vorteil, dass der Elektronenstrahl durch das Plasma von der umgebenden Atmosphäre abgeschirmt wird, sodass hierdurch bedingte Zerstreuungseffekte des Elektronenstrahls minimiert werden. Das vom Lichtbogen gebildete Plasma zeichnet sich durch eine sehr geringe Materiedichte auf, insbesondere eine deutlich geringere Dichte als die der Luftatmosphäre, was den Vorteil hat, dass sich deutlich weniger Moleküle im Wege des Elektronenstrahls befinden und diesen beeinflussen können als in der umgebenden Atmosphäre.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Elektronenstrahl durch das von dem Lichtbogen gebildete Magnetfeld beeinflusst. Der Lichtbogen fungiert hierbei als Stromleiter. Das um den durch den Lichtbogen gebildeten Stromleiter erzeugte Magnetfeld wirkt zumindest in dem Teilabschnitt, in dem der Lichtbogen entlang des Elektronenstrahls verläuft, stützend und fokussierend auf den Elektronenstrahl infolge der auf die Elektronen des Elektronenstrahls einwirkenden magnetischen Kräfte.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung verläuft der Elektronenstrahl im von dem Lichtbogen erzeugten Wärmefeld. Auch hierdurch kann der Elektronenstrahl zusätzlich gestützt werden, d. h. das Wärmefeld wirkt ebenfalls einer Zerstreuung des Elektronenstrahls entgegen.
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Sofern nur ein Lichtbogen erzeugt wird, kann dieser seitlich des Elektronenstrahls erzeugt werden. Im Fall von zwei Lichtbögen können diese z. B. auf gegenüberliegenden Seiten des Elektronenstrahls erzeugt werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden wenigstens drei Lichtbögen erzeugt, die auf wenigstens einem Teilabschnitt des Elektronenstrahls von dem Elektronenstrahlerzeuger zu dem Werkstück entlang des Elektronenstrahls verlaufen. Die wenigstens drei Lichtbögen sind dabei wenigstens nahe der Stelle, an der der Elektronenstrahl von dem Elektronenstrahlerzeuger abgegeben wird, um den Elektronenstrahl herum angeordnet. Im Falle von genau drei Lichtbögen können diese z. B. um jeweils 120° versetzt gleichmäßig um den Elektronenstrahl herum im Bereich der Austrittsstelle des Elektronenstrahls aus dem Elektronenstrahlerzeuger angeordnet sein. Durch drei oder mehr Lichtbögen kann eine besonders effektive Stützung des Elektronenstrahls sozusagen „von allen Seiten” um den Elektronenstrahl herum realisiert werden, so dass dieser über längere Distanz auch im Nicht-Vakuum mit hoher Intensität transportiert werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung verlaufen die Lichtbögen zunächst getrennt voneinander und werden auf ihrem Weg zum Werkstück hin wenigstens zum Teil vereinigt. Hierbei tritt der Effekt auf, dass der Elektronenstrahl seinerseits die ihn umgebenden Lichtbögen auf dem Weg zum Werkstück hin sozusagen anzieht. In einer vorteilhaften Ausgestaltung verlaufen die Lichtbögen bis hin zu dem Werkstück. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Lichtbögen im Bereich des Auftreffpunkts des Elektronenstrahls auf das Werkstück mit dem Elektronenstrahl vereinigt. Dies hat den Vorteil, dass zum Werkstück hin eine zunehmend intensivere Stützung des Elektronenstrahls durch die Lichtbögen erfolgt. Zudem kann die durch die Lichibögen auf das Werkstück einwirkende Energie zugleich unterstützend für das Fügen oder Trennen des Werkstücks herangezogen werden, so dass mehrere gegenseitige Synergieeffekte genutzt werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung stabilisiert der Elektronenstrahl im Bereich des Werkstücks durch ein von ihm gebildetes Plasma den oder die Lichtbögen. Dies hat den Vorteil, dass einerseits der Elektronenstrahl die Lichtbögen stabilisiert, und andererseits die Lichtbögen den Elektronenstrahl stabilisieren, so dass sich eine gegenseitige Verstärkung der Effekte ergibt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung verläuft der Elektronenstrahl in der Zentralachse der Lichtbögen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Lichtbogen ausgehend von einer oder mehreren ersten Elektroden hin zu einer oder mehreren zweiten Elektroden hin erzeugt. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind wenigstens drei erste Elektroden um den Elektronenstrahl herum angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass durch eine solche Anordnung von ersten Elektroden wenigstens drei Lichtbögen erzeugt werden können, die wenigstens in einem bestimmten Abschnitt des Elektronenstrahls um den Elektronenstrahl herum angeordnet sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die erste Elektrode bzw. die ersten Elektroden näher an der Stelle angeordnet, an der der Elektronenstrahl von dem Elektronenstrahlerzeuger abgegeben wird, als die zweite Elektrode bzw. die zweiten Elektroden. Dies hat den Vorteil, dass bei wenigstens drei ersten Elektroden die wenigstens drei Lichtbögen auf einfache Weise nahe an der Stelle erzeugt werden können, an der der Elektronenstrahl von dem Elektronenstrahlerzeuger abgegeben wird, wobei die wenigstens drei Lichtbögen dort um den Elektronenstrahl herum angeordnet sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die erste Elektrode bzw. die ersten Elektroden Kathoden. Die zweite Elektrode bzw. die zweiten Elektroden sind Anoden. Bei dem zwischen den ersten und den zweiten Elektroden gebildeten Lichtbogen fließt der Strom somit von der ersten zu der zweiten Elektrode. Die Kraftwirkrichtung des hierdurch gebildeten Magnetfelds eignet sich besonders für eine Stützung des Elektronenstrahls.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bildet das Werkstück bzw. die Werkstücke während der Durchführung des Verfahrens zumindest zeitweise eine Elektrode für den Lichtbogen, insbesondere die Anode. Dies hat den Vorteil, dass der Lichtbogen bzw. die Lichtbögen bis hin zu dem Werkstück verlaufen, so dass der Elektronenstrahl bis hin zu dem Werkstück durch den Lichtbogen bzw. die Lichtbögen gestützt werden kann. Damit kann eine unerwünschte Zerstreuung des Elektronenstrahls praktisch bis zu der Stelle vermieden werden, an der der Elektronenstrahl für ein Fügen oder Trennen von Werkstücken eingesetzt wird. In vorteilhafter Weise ist das Werkstück dann ein aus elektrisch leitfähigem Material bestehendes Werkstück oder ein wenigstens teilweise elektrisch leitfähiges Werkstück, wie z. B. ein metallischer Werkstoff.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bilden während einer ersten Phase des Verfahrens eine oder mehrere Zwischenelektroden, die zwischen der ersten Elektrode bzw. den ersten Elektroden und dem Werkstück angeordnet sind, die zweiten Elektroden, und in einer zweiten Phase des Verfahrens, die auf die erste Phase folgt, bildet das Werkstück wenigstens einen Teil der zweiten Elektroden oder alle zweiten Elektroden. Dies hat den Vorteil, dass der Lichtbogen bzw. die Lichtbögen zunächst in einer definierten Umgebung zwischen den ersten Elektroden und den Zwischenelektroden aufgebaut werden können. Sind diese Lichtbögen stabilisiert, kann eine Umschaltung auf das Werkstück als zweite Elektroden erfolgen. Die Lichtbögen verlaufen dann bis zu dem Werkstück hin, was die zuvor erläuterten Vorteile der Stützung des Elektronenstrahls bis hin zu dem Werkstück hat. Dadurch, dass die Lichtbögen bis zum Werkstück hin verlaufen, wird der Abstand zwischen dem Elektronenstrahlerzeuger und dem Werkstück überbrückt.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass die am Werkstück verfügbare Leistung des Elektronenstrahls zum Fügen oder Trennen weitgehend konstant ist und praktisch nicht in Abhängigkeit vom Abstand zwischen dem Elektronenstrahlerzeuger und dem Werkstück variiert, solange der Abstand innerhalb gewisser Grenzwerte gehalten wird. Es ergibt sich hierdurch eine verbesserte Unempfindlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber geringen Abstandsvariationen, wie sie z. B. bei Werkstücken mit unebener Oberfläche auftreten.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung verfügen die mehreren Lichtbögen über im Wesentlichen gleich starke Magnetfelder, wobei die Stromflussrichtung in den Lichtbögen dieselbe ist. Dies kann z. B. dadurch realisiert werden, dass eine Stromregelung in den Lichtbögen erfolgt, so dass die in den Lichtbögen fließenden elektrischen Ströme im Wesentlichen gleich sind. Durch im Wesentlichen gleich starke Magnetfelder kann der Elektronenstrahl symmetrisch gestützt werden.
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Die Zwischenelektrode bzw. die Zwischenelektroden können z. B. aus Kupfer hergestellt sein. Als Kathoden eignet sich besonders Wolframkathoden, wobei aber auch abschmelzende Kathoden vorteilhaft einsetzbar sind. Die ersten und/oder zweiten Elektroden können als Ringelektroden, durch die der Elektronenstrahl hindurchgeführt wird, oder als Einzelelektroden ausgebildet sein. Im Fall von Einzelelektroden können diese z. B. kegelförmige Spitzen aufweisen.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gemäß Anspruch 8 durch eine Füge- und/oder Trenneinrichtung mit einem Elektronenstrahlerzeuger gelöst, der dazu eingerichtet ist, einen Elektronenstrahl auf ein Werkstück bzw. mehrere Werkstücke abzugeben, wobei die Füge- und/oder Trenneinrichtung einen Lichtbogenerzeuger aufweist, der dazu eingerichtet ist, wenigstens einen Lichtbogen zu erzeugen, der wenigstens auf einem Teilabschnitt des Elektronenstrahls von dem Elektronenstrahlerzeuger zu dem Werkstück entlang des Elektronenstrahls in einem solchen Abstand vom Zentrum des Elektronenstrahls verläuft, dass der Lichtbogen den Elektronenstrahl beeinflusst. Eine solche Füge- und/oder Trenneinrichtung kann im Vergleich zu bekannten Einrichtungen kostengünstiger realisiert werden und flexibler eingesetzt werden, wie eingangs für das erfindungsgemäße Verfahren bereits ausgeführt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Lichtbogenerzeuger eine oder mehrere erste Elektroden und eine oder mehrere zweite Elektroden auf, wobei die erste Elektrode bzw. die ersten Elektroden näher an der Stelle angeordnet sind, an der der Elektronenstrahl von dem Elektronenstrahlerzeuger abgegeben wird, als die zweite Elektrode bzw. die zweiten Elektroden. Hierbei sind in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die erste Elektrode bzw. ersten Elektroden Kathoden und die zweite Elektrode bzw. die zweiten Elektroden Anoden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Füge- und/oder Trenneinrichtung eine oder mehrere Neutroden auf, die in Richtung des Elektronenstrahls zwischen den ersten Elektroden und den zweiten Elektroden angeordnet sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Lichtbogenerzeuger eine elektrische Energieversorgungseinrichtung zur Versorgung der ersten und der zweiten Elektroden mit elektrischer Energie und eine Regeleinheit auf, wobei die Regeleinheit eingerichtet ist zur Regelung der Energiezufuhr von der Energieversorgungseinrichtung zu den ersten und zweiten Elektroden derart, dass wenigstens ein Lichtbogen von den ersten zu den zweiten Elektroden erzeugt und aufrechterhalten wird. Sofern mehrere Lichtbögen erzeugt werden, ist es vorteilhaft, wenn die Regeleinheit mehrkanalig ausgebildet ist, um mehrere separate Lichtbögen getrennt voneinander hinsichtlich der Energiezufuhr zu regeln. Die Regeleinheit kann die Regelung der Energiezufuhr insbesondere in Form eines Stromreglers aufweisen, durch den der durch den Lichtbogen fließende Strom auf einen gewünschten Wert geregelt wird. Die Regeleinheit kann insbesondere einen seriellen selbstregelnden Regelkreis zur Regelung der Energiezufuhr von der Energieversorgungseinrichtung zu den ersten und zweiten Elektroden aufweisen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Regeleinheit zur Ausführung eines Verfahrens der zuvor beschriebenen Art eingerichtet. Hierzu kann die Regeleinheit z. B. einen Rechner aufweisen, z. B. in Form eines Mikroprozessors oder Mikrocontrollers, auf dem ein Computerprogramm ausgeführt wird, wobei hierdurch das Verfahren ausgeführt wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Füge- und/oder Trenneinrichtung eine oder mehrere Zwischenelektroden aufweist, die zwischen der ersten Elektrode bzw. den ersten Elektroden und dem Werkstück angeordnet sind und während einer ersten Phase des Betriebs der Füge- und/oder Trenneinrichtung die zweiten Elektroden bilden, und in wenigstens einer Energieversorgungsleitung von der Energieversorgungseinrichtung zu der Zwischenelektrode bzw. einer der Zwischenelektroden ein Energieversorgungsunterbrecher angeordnet ist, der über die Regeleinheit steuerbar ist, wobei die Regeleinheit dazu eingerichtet ist, nach Erzeugung des Lichtbogens von den ersten Elektroden zu den Zwischenelektroden den Energieversorgungsunterbrecher zu betätigen, wodurch wenigstens eine der Zwischenelektroden von der Energiequelle getrennt ist. Hierdurch kann der Lichtbogen von der entsprechenden ersten Elektrode bzw. den ersten Elektroden zu dem Werkstück geführt werden, wodurch die eingangs beschriebenen Vorteile realisiert werden können.
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Der Energieversorgungsunterbrecher kann z. B. als Schalter mit Ein-/Aus-Funktion oder als Umschalter realisiert sein, z. B. als elektromechanischer Schalter oder als Halbleiterschalter.
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Sofern mehrere voneinander getrennte Zwischenelektroden vorgesehen sind, ist es vorteilhaft, für jeden hierdurch gebildeten Stromkreis jeweils einen eigenen Energieversorgungsunterbrecher vorzusehen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Energieversorgungseinrichtung elektrisch mit dem Werkstück verbunden oder verbindbar, z. B. über einen Schalter, so dass in einer zweiten Phase des Betriebs der Füge- und/oder Trenneinrichtung, die auf die erste Phase folgt, das Werkstück wenigstens einen Teil der zweiten Elektroden oder alle zweiten Elektroden bildet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 – eine Füge- und/oder Trenneinrichtung in der ersten Phase des Betriebs und
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2 – die Füge- und/oder Trenneinrichtung in der zweiten Phase des Betriebs und
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3 – eine Anordnung von ersten Elektroden in einer Draufsicht und
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4 – den Verlauf eines Elektronenstrahls und dreier Lichtbögen in der gleichen Ansicht wie 3.
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In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
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Die 1 zeigt eine Füge- und/oder Trenneinrichtung in einer ersten Betriebsphase in einer seitlichen Ansicht. Mit Schraffur versehene Elemente sind dabei in einer Schnittansicht wiedergegeben. Die Füge- und/oder Trenneinrichtung weist einen Elektronenstrahlerzeuger 1 auf, z. B. eine Elektronenstrahlkanone des Typs PTR25-175-TU. Aus dem Elektronenstrahlerzeuger 1 tritt an einer Stelle 9 ein Elektronenstrahl 2 aus. Der Elektronenstrahl 2 ist auf ein Werkstück 4, 5 gerichtet und trifft dort auf. Das Werkstück 4, 5 kann z. B. aus zwei Teilen bestehen, die miteinander über eine Schweißverbindung 23 verbunden werden sollen.
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Die Füge- und/oder Trenneinrichtung weist ferner als erste Elektroden drei Kathoden 7 auf, die um den Elektronenstrahl 2 herum angeordnet sind. Die Kathoden 7 sind dabei jeweils um einen Winkel von 120° versetzt zueinander an geordnet, wie in der Draufsicht (aus Sicht des Elektronenstrahlerzeugers 1) in 3 erkennbar ist. Die Kathoden 7 können z. B. stabförmig ausgebildet sein und, wie ebenfalls in 3 dargestellt, Spitzen 30 aufweisen, z. B. konusförmige Spitzen. In der 1 sind die Kathoden 7 bezüglich ihrer Längsachsen in einem Winkel von etwa 90° zur Richtung des Elektronenstrahls 2 angeordnet. Die Kathoden 7 können auch in einem davon abweichenden positiven oder negativen Winkel angeordnet sein.
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Ausgehend von dem Elektronenstrahlerzeuger 1 befindet sich unterhalb der Kathoden 7 eine Anordnung von Neutroden 16, 18, 20, die durch jeweilige Isolatoren 17, 19 voneinander räumlich und elektrisch getrennt sind. Die Neutroden 16, 18, 20 sind nicht mit einem Potential verbunden, d. h. sie sind floatend. Die Neutroden können z. B. als Kupferringe ausgebildet sein. Unterhalb der beschriebenen Anordnung der Neutroden 16, 18, 20 und der Isolatoren 17, 19 befindet sich eine ringförmige Anode 8, die als Zwischenelektrode in der ersten Betriebsphase der Füge- und/oder Trenneinrichtung wirksam ist. Die ringförmige Anode 8 sowie die Kathoden 7 können z. B. aus Wolfram hergestellt sein.
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Die ringförmige Anode 8 ist über einen weiteren Isolator 21 gegenüber der Neutrode 20 isoliert. Die Isolatoren 17, 19, 21 können z. B. aus Teflon oder Keramik hergestellt sein.
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Zur elektrischen Energieversorgung zur Erzeugung von Lichtbögen weist die Füge- und/oder Trenneinrichtung eine Energieversorgungseinrichtung 11 auf, z. B. eine Stromquelle oder eine Spannungsquelle. Die elektrische Energieversorgungseinrichtung 11 ist mit einer Regeleinheit 10 verbunden. Die Regeleinheit 10 ist mit elektrischen Leitungen 12 mit den Kathoden 7 verbunden. Die Regeleinheit 10 ist dabei über jeweils eine elektrische Leitung 12 mit einer Kathode 7 verbunden, so dass getrennte elektrische Stromkreise realisiert werden.
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Die Energieversorgungseinrichtung 11 ist über eine Energieversorgungsleitung 22 über einen Energieversorgungsunterbrecher 13 mit der ringförmigen Anode 8 elektrisch verbunden. Der Energieversorgungsunterbrecher 13 ist in diesem Fall als Schalter mit einer Ein-/Aus-Funktion dargestellt, wobei auch andere Realisierungen, mit denen ein Stromfluss durch die Energieversorgungsleitung 22 unterbrochen werden kann, vorgesehen werden können. Der Energieversorgungsunterbrecher 13 ist über eine Steuerleitung 14 von der Regeleinheit 10 steuerbar.
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Die Energieversorgungseinrichtung 11 ist ferner über eine Energieversorgungsleitung 15 mit dem Werkstück 4, 5 verbunden, das im dargestellten Beispiel ein gemeinsames Massepotential darstellen soll.
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In der ersten Betriebsphase, die in der 1 dargestellt ist, werden Lichtbögen 3 zwischen den Kathoden 7 und der ringförmigen Anode 8 erzeugt. Diese verlaufen zumindest in einem Teilabschnitt 6 entlang des Elektronenstrahls 2. In der ersten Betriebsphase ist der Energieversorgungsunterbrecher 13 eingeschaltet, so dass ein Strom von der Regeleinheit 10 über die Energieversorgungsleitungen 12 zu den Kathoden 7, von diesen über die Lichtbögen 3 zu der ringförmigen Anode 8 und zurück über den Energieversorgungsunterbrecher 13 und die Energieversorgungsleitung 22 zu der Energieversorgungseinrichtung 11 fließen kann.
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Sobald die Lichtbögen 3 in der ersten Betriebsphase stabilisiert sind, betätigt die Regeleinheit 10 über die Steuerleitung 14 den Energieversorgungsunterbrecher 13, so dass die Energieversorgungsleitung 22 aufgetrennt wird und keine galvanische Verbindung zwischen der ringformigen Anode 8 und der Energieversorgungseinrichtung 11 mehr besteht. Hierdurch wird die zweite Betriebsphase eingeleitet, die in der 2 dargestellt ist. In der zweiten Betriebsphase gehen die Lichtbögen 3 nun direkt zu dem Werkstück 4, 5 über, das nun als zweite Elektrode für die Lichtbögen 3 fungiert. Hierdurch verlaufen die Lichtbögen 3 über einen nun etwas verlängerten Abschnitt 6 entlang des Elektronenstrahls 2 und treffen im Bereich der zu erzeugenden Schweißnaht 23 auf das Werkstück 4, 5. Wie erkennbar ist, nähern sich die Lichtbögen 3 auf ihrem Weg hin zum Werkstück 4, 5 dem zentral zwischen den Lichtbögen 3 verlaufenden Elektronenstrahl 2 immer weiter an und vereinigen sich in der Nähe des Werkstücks 4, 5 mit dem Elektronenstrahl 2.
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Die 3 zeigt die Kathoden 7 aus Sicht des Elektronenstrahlerzeugers 1. Erkennbar ist der zentral zwischen den Kathoden 7 verlaufende Elektronenstrahl 2.
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Die 4 zeigt in der gleichen Ansicht wie die 3 den Elektronenstrahl 2 sowie die drei Lichtbögen 3. Durch Pfeile mit gestrichelten Linien sind die durch die Lichtbögen 3 erzeugten Magnetfelder dargestellt. Wie erkennbar ist, laufen die Magnetfelder der Lichtbögen 3 in der gleichen Richtung um diese herum wie das durch den Elektronenstrahl 2 gebildete äußere Magnetfeld, das ebenfalls durch Pfeile mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Hierdurch erzeugen die Magnetfelder der Lichtbögen 3 zum Zentrum des Elektronenstrahls 2 hin wirkende Kräfte 40, die hier vereinfacht durch drei Pfeile wiedergegeben sind. Dies führt zu einer vorteilhaften Stabilisierung und Fokussierung des Elektronenstrahls 2 über einen erweiterten Weg bis hin zu dem Werkstück 4, 5.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1199416 A1 [0002]
- US 2006/0043075 A1 [0002, 0005]
