DE1084398B

DE1084398B - Verfahren und Vorrichtung zum Schweissen und Loeten mit Ladungstraegerstrahlen

Info

Publication number: DE1084398B
Application number: DEZ6736A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Fritz Schleich; Dipl-Phys Karl Hei Steigerwald
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1958-07-01
Filing date: 1958-07-01
Publication date: 1960-06-30
Also published as: NL240710A; CH373831A; FR1229169A; US3033974A; GB916869A

Description

DEUTSCHES

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schweißen oder Löten. Die bisher bekannten Verfahren, z. B. das elektrische Widerstandsschweißen oder das Lichtbogenschweißen, ergeben Bearbeitungen, bei welchen hohe Forderungen an die Reinheit des Schweißgutes gestellt werden, kein befriedigendes Ergebnis.

Es ist bereits bekannt, für das Schweißen von Sonderwerkstoffen wie z. B. Zirkon, einen Elektronenstrahl als Mittel für die Zuführung der notwendigen Energie zu verwenden. Diese Schweißungen werden im Hochvakuum (etwa 10 ~⁴ Torr) durchgeführt, so daß die Forderung nach extremer Reinheit des Schweißgutes erfüllt werden kann.

Die bisher bekannten Vorrichtungen zum Schweißen mit Hilfe eines Elektronenstrahles enthalten ein Strahlerzeugungssystem, mit welchem die Strahlen auf das zu behandelnde Werkstück fokussiert werden, und einen das zu behandelnde Werkstück tragenden bewegbaren Tisch. Der Elektronenstrahl wird dabei während des gesamten Bearbeitungsvorganges kontinuierlich oder impulsartig auf das zu behandelnde Werkstück gerichtet. Dieses wird in Richtung der herzustellenden Schweißnaht bewegt.

Ein Nachteil des bekannten Schweißverfahrens liegt darin, daß mit ihm keine Tiefenwirkung erzielt wird, so daß also die Wärmeentwicklung allein an der Oberfläche des Schmelzbades stattfindet und die Wärme zum Aufschmelzen der zu verbindenden Werkstückkanten lediglich durch Leitung von der Schmelzbadoberfläche zu den aufzuschmelzenden Kanten gelangt. Das Verfahren und die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung vermeiden diesen Nachteil und bringen darüber hinaus eine Reihe von entscheidenden Vorteilen mit sich. Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Schweißen und Löten im Vakuum mit einem fokussierten Ladungsträgerstrahl, und die Erfindung besteht darin, daß der Ladungsträgerstrahl in an sich bekannter Weise impulsartig zur Wirkung gebracht wird bei einstellbarer Impulsfrequenz und Impulspausendauer und daß die Abstimmung der Strahlintensität und der Impuls- und der Impulspausendauer aufeinander derart getroffen wird, daß die Schmelzbadoberfläche so weit — vorzugsweise auf die dreibis vierfache Höhe der Schmelztemperatur — erhitzt wird, daß eine — jedoch nur geringe — Verdampfung des flüssigen Materials eintritt.

Vorzugsweise beträgt die Spannung des Ladungsträgerstrahles 50 bis 200 kV und die Stromstärke 0,2 bis 10 mA, vorzugsweise bei einem Strahldurchmesser von 20 bis 30 μ. Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird die Schweißverbindung zweier übereinanderliegender Werkstücke dadurch vorgenommen, daß mit Hilfe eines sehr intensitäts-Verfahren und Vorrichtung
zum Schweißen und Löten
mit Ladungsträgerstrahlen

Anmelder:
Fa. Carl Zeiss, Heidenheim/Brenz

Dipl.-Ing. Fritz Schleich, Unterkochen (Württ),
und Dipl.-Phys. Karl Heinz Steigerwald,

Heidenheim/Brenz,
sind als Erfinder genannt worden

reichen Strahles eine durchgehende Bohrung unter Entwicklung einer solchen Menge Schmelzfluß erzeugt wird, daß dieser nach dem Erstarren eine Verbindung zwischen beiden Werkstücken herstellt.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Schweißverbindung zweier durch eine V-förmige Naht getrennter Werkstücke dadurch vorgenommen, daß der Ladungsträgerstrahl unter entsprechender Änderung der Fokussierung und/oder seiner Ablenkung senkrecht zur Nahtrichtung mehrmals über die Naht geführt wird.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung kann in den Raum um die Werkstücke ein Schutzgas eingebracht werden. Normalerweise wird bei dem neuen Verfahren eine Schweißung ohne Zugabe von Zusatzmaterial ausgeführt. Es kann aber auch ein Zusatzmaterial in Form von Draht, Pulver, Gas usw. in an sich bekannter Weise durch Zubringervorrichtungen an die Schweißstelle gebracht werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung enthält in an sich bekannter Weise ein Strahlerzeugungssystem und Mittel zur Formung und Fokussierung des Ladungsträgerstrahles auf die Schweißstelle. Vorteilhaft sind zusätzlich ein hinter Fokussierungslinse angeordnetes elektromagnetisches Ablenksystem sowie eine zwischen der Fokussierungslinse und dem Strahlerzeugungssystem angeordnete mikroskopische Beobachtungseinrichtung zur Beobachtung der Bearbeitungsstelle vorgesehen. Mittels dieser Beobachtungseinrichtung kann die Auf -

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treffstelle des Ladungsträgerstrahles auf dem Werk- es unter Umständen vorteilhaft, den Ladungsträgerstück und eine gewisse Umgebung dieser Stelle in strahl so abzulenken, daß er während aufeinanderentsprechender Vergrößerung in Draufsicht beobachtet folgender Impulse wie bei der Gasschweißung abwechwerden, so daß dem Beobachter ein genaues Einstellen selnd nahe der Naht auf das eine und dann auf das des Gerätes auf eine gewünschte Bearbeitungsstelle er- 5 andere der zu verbindenden Materialien auftrifft, womöglicht wird. bei diese Materialien während des Bearbeitungs-

Soll in den Raum um die Werkstücke ein Schutz- Vorganges in Richtung der Naht bewegt werden,
gas oder gasförmiges Zusatzmaterial eingebracht wer- Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es

den, so wird zwischen dem Bearbeitungsraum und dem auch, Materialien wie Zirkon oder Tantal zu ver-Strahlerzeugungsraum eine an sich bekannte, mit io schweißen, wobei die bestehenden Forderungen nach einer Vakuumpumpe verbundene Zwischendruck- extremer Reinheit des Schweißgutes ohne weiteres kammer angeordnet, in welcher sich eine zwischen den erfüllt werden.

Öffnungen der beiden Räume bewegte, mit Durch- Ein weiterer Vorteil des neuen Verfahrens liegt

bohrungen versehene rotierende Scheibenblende befin- darin, daß mit ihm eine Schweißgeschwindigkeit erdet. Insbesondere ist die Rotationsgeschwindigkeit 15 reicht werden kann, welche über der Schweißgeschwinder Blende derart hoch, daß im Zeitraum der Verbin- digkeit, wie sie mit bekannten Schweißverfahren erdung der beiden öffnungen durch die Blendenbohrung reichbar ist, liegt. Beispeilsweise ist es ohne weiteres den Gasmolekülen keine Zeit zum Durchtritt gegeben möglich, Schweißgeschwindigkeiten von 60 bis ist, und es ist eine bei Herstellung dieser Verbindung 100 cm/min und darüber zu erreichen,
zwischen den beiden Räumen den Ladungsträgerstrahl 20 Versuche haben ergeben, daß z. B. zum Schweißen sychron einschaltende Steuervorrichtung vorgesehen. von Zirkon Impulse von 100 bis 200 μβεΰ Dauer und

Bei dem erfindungsgemäßen Schweiß verfahren einer Folgefrequenz von 2 bis 5 kHz verwendet werden während der Impulsdauer sehr hohe Strom- werden können. Die verwendete Strahlstromspannung stärken des Ladungsträgerstrahles erreicht. Der inten- beträgt dabei beispielsweise 50 bis 200 kV, und die sitätsreiche Strahl wird auf eine sehr kleine Fläche 25 Strahlstromstärke, über die Zeit ausgemittelt, beträgt des zu bearbeitenden Werkstückes (beispielsweise 20 0,2 bis 10 mA. Mit dem erfindungsgemäßen Gerät ist bis 30 μ Durchmesser) fokussiert und erzeugt während es möglich, den Elektronenstrahl auf einen Strahlder Impulsdauer eine tiefe Aufschmelzung des getrof- querschnitt von 20 bis 30 μ Durchmesser zu fokusfenen Materials durch eine starke Überhitzung des sieren, was bei den vorstehenden Werten einer Strahlentstehenden Schmelzgutes. Man muß bei diesem Ver- 30 intensität von 1,4 bis 6,6 MW/mm² entspricht. Mit fahren darauf achten, daß die Intensität des Ladungs- diesem Strahlquerschnitt gelingt es, selbst sehr dünne trägerstrahles so groß gewählt wird, daß zwar ein Bleche ohne weiteres miteinander zu verschweißen, tiefes Eindringen des Ladungsträgerstrahles in das Sollen dickere Bleche verschweißt werden, so ist es Werkstück stattfindet, daß aber die während der Im- zweckmäßig, einen größeren Strahlquerschnitt zu pulsdauer auftretende Verdampfung der getroffenen ₃₅ wählen, was mit dem erfindungsgemäßen Gerät ohne Materialstelle einen geringen Wert nicht über- weiteres durch eine leichte Defokussierung des Laschreitet. Die richtige Stromstärke kann leicht durch dungsträgerstrahles möglich ist.

einen Vorversuch ermittelt werden. Es ist mit dem Zur Herstellung von V-förmigen Nähten ist es

erfmdungsgemäßen Verfahren möglich, das Material zweckmäßig, zunächst einen scharf fokussierten Laan der Bearbeitungsstelle, sofern die Siedetemperatur 40 dungsträgerstrahl zu verwenden und mit diesem auf des betreffenden Werkstoffes genügend hoch liegt, auf dem Grund der Naht entlang zu schweißen. Daraufhin drei- bis vierfache Höhe der Schmelztemperatur zu er- wird durch eine leichte Defokussierung und/oder hitzen, so daß das verflüssigte Material die drei- bis Strahlablenkung senkrecht zur Nahtrichtung der wirkvierfache Menge des angrenzenden Materials bis auf same Strahlquerschnitt vergrößert und die Naht den Punkt, an dem eine Bindung eintritt, erhitzen 45 wieder mit diesem Ladungsträgerstrahl abgefahren, kann, ehe es bis auf die Schmelztemperatur abgekühlt Auf diese Weise wird erreicht, daß eine solche Naht ist. Daher wird eine geringe Menge des Materials ver- vollkommen mit Material^ausgefüllt wird,
dampft, und der entstehende Dampfdruck genügt, ein Bei der Herstellung von kleineren Schweißungen

tieferes Eindringen des Ladungsträgerstrahles in das ist es unter Umständen vorteilhaft, auf eine Bewegung Werkstück zu bewirken, als dies ohne das verdampfte 50 der zu behandelnden Objekte zu verzichten und diese Metall möglich wäre. Bewegung durch Ablenkung des Ladungsträger-

Das während der Impulsdauer geschmolzene Mate- Strahles zu ersetzen. Beispielsweise ist es möglich, mit rial wird während der folgenden Impulspause durch einer Rundführung des Ladungsträgerstrahles kreis-Wärmeleitung in die umgebenden kalten Material- förmige Schweißnähte ohne Bewegung des Objektes bezirke intensiv gekühlt und erstarrt sehr schnell. 55 herzustellen.

Durch den sich ergebenden Temperaturausgleich wird Durch die Ablenkbarkeit des Ladungsträgerstrahles

vermieden, daß die Umgebung der Schweißstelle un- wird es möglich, Schweißnähte an schwer zugänglichen zulässig hoch erhitzt wird. Stellen^ anzulegen, so z. B. auf der Innenfläche von

Das Eindringen des aufgeschmolzenen Materialsjn_.,-_ Röhren. Dazu ist es lediglich notwendig, denLadungsdie Kapillaren und Poren des Werkstückmaterials 60 trägerstrahl in geeigneter Weise abzulenken,
läßt sich im Schliffbild einer Schweißstelle eindeutig Durch die Anwendung zweier oder mehrerer La-

nachweisen. Aus einem solchen Schliffbild ergibt sich, dungsträgerstrahlquellen und zugehöriger Fokussiedaß nach erfolgter Schweißung keine Grenzzone mehr rungs- und Ablenkeinrichtungen gleichzeitig können sichtbar ist, d. h. also, daß die zu verbindenden Mate- mehrere Schweißnähte in einem Arbeitsgang hergerialien eine innige Verbindung miteinander eingegan- 65 stellt werden.

gen sind. Diese Verbindung ist nicht wie bei den be- Mit dem Verfahren nach der Erfindung ist ebenso

kannten Verfahren nur auf einen Bereich nahe der möglich, niedrigschmelzende Materialien zu löten. Oberfläche beschränkt, sondern erstreckt sich bis in Auch hier wird zweckmäßig das Lötmaterial durch gebeträchtliche und bisher nicht erreichbare Tiefen. eignete Transportvorrichtungen herangeführt. In

Zur Herstellung einer Bördel- oder Stumpf naht ist 70 manchen Fällen kann es jedoch auch zweckmäßig sein,

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das Zusatzmaterial vor Beginn des Schweiß- oder Erdmantel versehenen Hochspannungskabels dem Ge-Lötvorganges schon in die Naht der miteinander ver- rät 44 zugeführt. Dieses Gerät dient zur Erzeugung bindenden Materialien einzulegen. der regelbaren Heizspannung und der regelbaren Das neue Verfahren gestattet es auch, Punkt- Wehneltzylinderspannung. Diese Spannungen werden schweißungen mit großer Geschwindigkeit auszuführen. 5 über das mit einem Erdmantel versehene dreiadrige Zu diesem Zweck wird gemäß einem älteren Vorschlag Hochspannungskabel 3 in den ölgefüllten Behälter 1 der Ladungsträgerstrahl und/oder das zu bearbeitende eingeführt. Die beispielsweise auf —100 kV liegende Material in den Impulspausen so bewegt, daß aufein- Heizspannung wird direkt der Kathode 5 zugeführt, anderfolgende Strahlimpulse auf verschiedene Stellen Die Wehneltspannung von beispielsweise —101 kV des Materials auftreffen. Werden an die Dichtheit des io wird durch den Isolatoransatz der Sekundärwicklung geschweißten Materials keine besonderen Anforde- des Impulsisoliertransformators 2 zugeführt und gerungen gestellt, so ist es in diesem Fall nicht notwen- langt von dort aus direkt zum Wehneltzylinder 6. dig, die Intensität des Ladungsträgerstrahles von Ein Gerät 46 dient zur Erzeugung der Steuer vornherein zu beschränken. In diesem Fall kann ge- impulse. Dieses Gerät liegt in dem hier dargestellten maß einer besonderen Anwendungsform des erfin- 15 Beispiel auf Erdpotential. Die vom Gerät 46 erzeugten dungsgemäßen Verfahrens der Strahlimpuls ohne Steuerimpulse werden der Primärwicklung des Imweiteres die zu verbindenden Materialien durch- pulsisoliertransformators 2 zugeführt. Diese Wicklung bohren, wobei so viel Material aufgeschmolzen wird, Hegt auf Erdpotential. Die Sekundärwicklung des daß eine Verschweißung entsteht. Die sich ergebende Isoliertransformators 2 ist hochspannungsmäßig von Verbindung kann etwa mit Hohlnieten verglichen 20 der Primärwicklung isoliert und liegt auf Hochwerden, spannung. Sie dient zur Überführung der der Primär-

Zur Vermeidung des verhältnismäßig großen Zeit- wicklung zugeführten Impulse auf Hochspannungsaufwandes, welcher zur Entfernung des bearbeiteten potential.

Objektes und zum Einbringen eines neuen Objektes Die Anordnung ist so getroffen, daß das Strahlin das Gerät unter Öffnen des Gerätes notwendig ist, 25 erzeugungssystem 5, 6, 7 zunächst gesperrt ist, d. h. ist es vorteilhaft, in an sich bekannter Weise Vakuum- also, daß kein Elektronenstrahl aus der Anode 7 ausschleusen vorzusehen. treten kann, solange das Impulserzeugungsgerät 46

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Aus- nicht arbeitet. Dies wird dadurch erreicht, daß der

führungsbeispiele darstellenden Fig. 1 bis 9 näher er- Wehneltzylinder 6 auf einer Spannung liegt, welche

läutert. Dabei zeigt 3° beispielsweise 1 kV negativer ist als die Spannung

Fig. 1 eine erfmdungsgemäße Einrichtung zum der Kathode 5. Wird das Impulserzeugungsgerät 46

Schweißen oder Löten mit Hilfe eines Elektronen- eingeschaltet, so werden dem Wehneltzylinder posi-

strahles, im Schnitt gezeichnet, tive Hochspannungsimpulse zugeführt, welche die

Fig. 2 einen Teilschnitt durch die Vorrichtung der Wehneltspannung so weit vermindern, daß ein Elek-

Fig. 1 entlang der Linie H-II, 35 tronenstrahl aus der Anode 7 austreten kann. Dieser

Fig. 3 die Spannungsverhältnisse am Strahl- Elektronenstrahl wird sofort nach Beendigung des

erzeugungssystem, Steuerimpulses gesperrt.

Fig. 4 die Temperaturverteilung über einem zu In Strahlrichtung gesehen, unterhalb der Anode 7,

schweißenden Werkstück, ist eine Blende 8 angeordnet, welche mittels der

Fig. 5 ein Schliffbild einer nach dem erfindungs- 40 Knöpfe 9 und 10 in der Papierebene und senkrecht

gemäßen Verfahren erzeugten Kehlnaht, zur Papierebene bewegt werden kann.

Fig. 6 die Temperaturverteilung über einer Schweiß- Nach erfolgter Justierung des Elektronenstrahles 25

stelle (Stumpfnaht), durch Verschieben der Blende 8 fällt der Strahl durch

Fig. 7 eine mögliche Führung des Elektronen- ein geerdetes Rohr 15 und wird mittels einer elektro-

strahles entlang einer Schweißnaht, 45 magnetischen Linse 20 auf das zu bearbeitende Werk-

Fig. 8 eine Schleusenanordnung zum Ausschleusen stück 26, 27 fokussiert. Der obere Polschuh der elek-

bearbeiteter und zum Entschleusen neuer. Objekte in tromagnetischen Linse 20 ist mit 21 bezeichnet, wäh-

schematischer Darstellung; rend der untere Polschuh die Bezeichnung 22 trägt.

Fig. 9 eine Teilansicht einer Einrichtung zum Unterhalb der elektromagnetischen Linse 20 ist ein

Schweißen oder Löten mit Hilfe von Ladungsträger- 50 Ablenksystem 23 angeordnet, welches dazu dient, den

strahlen unter Verwendung eines Druckstufensystems, Elektronenstrahl 25 zu bewegen. In einem Gerät 51

teilweise im Schnitt gezeichnet, zur Einführung von werden die zur Versorgung des Ablenksystems 23 die-

gasförmigem Zusatzmaterial, nenden regelbaren Ablenkströme erzeugt. Ein weiteres

Fig. 10 eine Teilansicht einer Einrichtung zum Gerät 43 dient zur Stromversorgung der elektro-

Schweißen oder Löten mit Hilfe von Ladungsträger- 55 magnetischen Linse 20.

strahlen unter Verwendung einer eine bewegte Blende Das Ablenksystem 23 besteht aus vier jeweils mit

enthaltenden Zwischendruckkammer, teilweise im einem ferromagnetischen Kern versehenen Spulen,

Schnitt gezeichnet. welche in der senkrecht zur Strahlrichtung gelegenen

In Fig. 1 ist mit 1 ein ölgefüllter Behälter bezeich- Ebene angeordnet sind. Der Elektronenstrahl 25 fällt net, auf welchem ein Impulsisoliertransformator 2 an- 60 durch die öffnung des Ablenksystems 23, innerhalb geordnet ist, der mit einem Isolatoransatz in diesen deren die Ablenkfelder aufgebaut werden. Behälter eintaucht. In den Behälter 1 taucht ferner ein Zur Beobachtung des Schweißvorganges dient ein dreiadriges Hochspannungskabel 3 sowie ein weiterer optisches System, welches die mikroskopische Auf-Isolatoransatz 4 ein. Durch den Isolatoransatz 4 füh- . lichtbeleuchtung des Werkstückes 26, 27 erlaubt, ren die Leitungen zur Zuführung der Heizspannung 65 Dieses System besteht aus einem Beleuchtungsystem zur Kathode 5 und zur Zuführung der Spannung zum 12, welches paralleles Licht liefert. Dieses Licht wird Wehneltzylinder 6. Unterhalb des Wehneltzylinders 6 über zwei metallische Prismen 13 und 14 durch Durchist die geerdete Anode 7 gezeichnet. bohrungen 52, 53 eines Spiegels 16 auf eine in axialer

Im Gerät 45 wird eine Hochspannung von beispiels- Richtung verschiebbare Linse 17 reflektiert und von

weise 100 kV erzeugt und mittels eines mit einem 70 dieser auf das Werkstück fokussiert. Unterhalb der

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Linse 17 ist eine auswechselbare Glasplatte 18 ange- ebenfalls gedreht und treibt über die Schnecke und das

ordnet, welche die Linse 17 vor etwaigen Verunreini- mit ihr im Eingriff stehende Zahnrad die ebenfalls mit

gungen durch Metalldämpfe schützt. Die Linse 17 einem Seilzug verbundenen Räder 32 an. Der Tisch wird mittels eines Knopfes 19 in axialer Richtung 29 ist an einer Stelle mit diesem Seilzug verbunden,

bewegt, 5 so daß also bei Betätigung des Handrades 35 der

Das von der Oberfläche des Werkstückes 26, 27 Tisch 29 vorwärts und rückwärts verschoben werden

reflektierte Licht wird durch die Linse 17 parallel ge- kann.

richtet und über den Spiegel 16 in ein als Stereo- Die miteinander zu verschweißenden Bleche 26 und mikroskop ausgebildetes Beobachtungssystem 49 ge- 27 werden so auf dem Tisch 29 gelagert, daß ihre lenkt (s. Fig. 2). Das Mikroskop 49 ist von bekannter io Naht genau in der Bewegungsrichtung des Tisches 29 Bauart, lediglich sein Objektiv ist durch die Linse 17 verläuft. In diesem Fall kann also nach erfolgter seitersetzt. Das Mikroskop ist mit einem Vergrößerungs- licher Einstellung mittels des Handrades 40 der Elekwechsler 50 ausgestattet, welcher es erlaubt, die tronenstrahl 25 eingeschaltet werden. Dieser Strahl Werkstücksoberfiäche in verschiedenen Vergrößerun- trifft auf die miteinander zu verbindenden Bleche 26 gen zu beobachten. 15 und 27 und schmilzt eine entlang der sich berührenden

Das gesamte Gerät ist mit einem leitenden Mantel Werkstücksflächen gelegene Randzone auf. Versuche

11 versehen und geerdet. haben gezeigt, daß bei der Durchführung des Schweiß-

Der Elektronenstrahl 25 tritt durch die Öffnung Vorganges die an die Naht angrenzenden Zonen der

des Ablenksystems 23 aus dem Gehäuse 11 aus und Bleche 26 und 27 nicht zum Glühen kommen. Ledig-

in einen Bearbeitungsraum 24 ein. Dieser Bearbei- 20 lieh die Schweißnaht leuchtet hell auf, da hier das

tungsraum ist ebenfalls mit einem leitenden Mantel Material aufgeschmolzen wird.

versehen und geerdet. Im Raum 24 ist das zu bearbei- Zur Erzielung einer gleichförmigen Bewegung in

tende Werkstück auf einem Kreuztisch angeordnet, Nahtrichtung ist ein motorischer Antrieb vorgesehen,

welcher es erlaubt, das Objekt in zwei zueinander Diesem Zweck dient ein Elektromotor 38, welcher

senkrechten Koordinatenrichtungen zu bewegen. 25 über ein Getriebe 37 ein Rad 36 antreibt. Über dieses

In Fig. 1 sind im Bearbeitungsraum 24 zwei Bleche Rad 36 wird das Handrad 35 angetrieben, so daß sich 26 und 27 angeordnet, weiche zusammengeschweißt also beim Einschalten des Motors 38 eine kontinuwerden sollen. Es ist also in diesem Fall eine ierliche Bewegung des Kreuztisches in Nahtrichtung Stumpfnaht zu bilden. Die Bleche 26 und 27 sind ergibt. Dem Motor 38 ist ein Gerät 39 vorgeschaltet, mittels eines Spanntisches 28 gehaltert. Der Spann- 30 welches zur kontinuierlichen Regelung der Drehtisch 28 ist seinerseits auf einem Tisch 29 angeordnet, geschwindigkeit des Motors 38 dient,
welcher senkrecht zur Papierebene verschoben werden Der Tisch 29 des Kreuztisches ist zweckmäßig mit kann. Der Tisch 29 ist auf einem weiteren Tisch 30 Endlagenschaltern ausgerüstet. Diese Endlagenschalter angeordnet, welcher in der Papierebene verschoben sind in der Darstellung der Fig. 1 nicht gezeichnet, werden kann. Ein Tisch 31 dient zur Lagerung des 35 Die Anordnung wird dabei so getroffen, daß nach gesamten Kreuztisches. Auf dem Tisch 30 sind zwei Betätigung eines Endlagenschalters über das Gerät 39 Räder 32 angeordnet, wobei eines der Räder vor und die Drehrichtung des Elektromotors 38 automatisch das andere hinter der Zeichenebene gelegen ist. Eines umgeschaltet wird.

der Räder 32 ist mittels einer durch den Tisch 30 hin- Der Bearbeitungsraum 24 ist mit einer Öffnung 47 durchtretenden Achse mit einem Zahnrad verbunden. 40 versehen, an welche eine durch die Pumpe 48 ange-Dieses Zahnrad steht mit einer Schnecke im Eingriff, deutete Pumpvorrichtung angeschlossen ist. Mittels welche mit einem Zahnrad 33 eine gemeinsame Achse dieser Pumpvorrichtung werden· während des Beaufweist. Das Zahnrad 33 steht mit einem weiteren, arbeitungsvorganges sowohl der Bearbeitungsraum 24 in Richtung seiner Achse ausgedehnten Zahnrad 34 als auch das Gehäuse 11 auf Hochvakuum (10~⁴ Torr) im Eingriff, welches über eine Handkurbel 35 gedreht 45 gehalten.

gedreht werden kann. Auf dem Tisch 31 sind zwei Zur Erzeugung der Elektronenstrahlimpulse wird

weitere Räder 42 angeordnet und mittels eines Seil- die Spannung des Wehneltzylinders 6 gesteuert. Die

zuges miteinander verbunden. Das linke Rad 42 greift Spannungsverhältnisse am Strahlerzeugungssystem

mit seiner Achse durch den Tisch 31 hindurch. Auf werden im Zusammenhang mit Fig. 3 näher erläutert,

der Achse dieses Rades 42 ist ein Kegelrad angeordnet, 50 In dieser Figur gibt die Ordinate Spannungswerte

welches mit einem weiteren Kegelrad ein Getriebe 41 an, während die Abszisse den Zeitmaßstab angibt,

bildet. Ein Handrad 40 dient zur Betätigung des Ge- Mit 54 ist die an der Kathode 5 gelegene Spannung

triebes 41. bezeichnet. 57 bezeichnet die am Wehneltzylinder

Die Wirkungsweise der Bewegungsvorrichtung des liegende Gleichspannung. Mit 56 ist die Sperr-Kreuztisches ist folgende: Durch Drehen des Hand- 55 spannung des Strahlerzeugungssystems bezeichnet, rades 40 wird über das Getriebe 41 das linke Rad 42 d. h., alle am Wehneltzylinder 6 gelegenen Spangedreht. Über den die beiden Räder verbindenden nungen, welche unterhalb der Linie 56 liegen, können Seilzug wird dabei auch das andere Rad 42 ange- den Elektronenstrahl 25 nicht auslösen,
trieben. Der Tisch 30 ist an einer Stelle mit dem Seil- Wird das Impulserzeugungsgerät 46 eingeschaltet, zug verbunden, so daß er beim Drehen des Handrades 60 so werden dem Wehneltzylinder 6 auf Hochspannungs-40 von links nach rechts oder umgekehrt bewegt wird. potential gelegene Steuerimpulse 58 zugeführt. Wäh-Während dieser Bewegung gleitet das Zahnrad 33 auf rend der Dauer dieser Impulse wird die Wehneltdem Zahnrad 34. Ist nun der Kreuztisch bezüglich zylinderspannung auf die mit 55 bezeichnete Arbeitsder Seite eingestellt; und zwar so, daß die Naht spannung angehoben. Der Strahlstrom innerhalb der zwischen den Blechen 26 und 27 an der Auftreffstelle 65 Impulsdauer ist proportional dem zwischen den des Elektronenstrahles 25 gelegen ist, so wird durch Linien 55 und 56 gelegenen Wert der Spannung. Betätigen des Handrades 35 der Kreuztisch senkrecht Wird durch entsprechende Regelung am Gerät 44 die zur Zeichenebene verschoben. Durch Drehen des Gleichspannung am Wehneltzylinder 6 erhöht, so Handrades 35 wird das Zahnrad 34 gedreht. Das mit erhöht sich bei gleichbleibender Amplitude der diesem Zahnrad im Eingriff stehende Zahnrad 33 wird 70 Steuerimpulse auch der, Strahlstrom des Elektronen-

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Strahles 25. Diese Verhältnisse sind deutlich aus hinein, wobei dieses Einfließen durch die Temperatur-Fig. 3 zu erkennen. Wie diese Figur zeigt, ragen die verteilung 67 wesentlich begünstigt wird. Spitzen der Steuerimpulse bei Anheben der Wehnelt- In Fig. 8 ist eine Vorrichtung dargestellt, mit

zylinderspannung auf einen mit 59 bezeichneten Wert deren Hilfe es gelingt, die bearbeitenden Objekte aus über die mit 55 bezeichnete Linie hinaus. In diesem :5 dem Hochvakuum auszuschleusen und neue Objekte Fall ist der Strahlstrom des Elektronenstrahles dem einzuschleusen, ohne das Hochvakuum im Gerät zu zwischen den Impulsspitzen und der Linie 56 ge- stören. Zu diesem Zweck sind seitlich an den Belegenen Wert proportional. arbeitungsraum 24 weitere Räume 71 bzw. 73 ange-

Wie aus diesen Ausführungen hervorgeht, kann schlossen, welche mit Pumpanschlüssen 72 bzw. 74 also durch Ändern der Wehneltzylindervorspannung io versehen sind. Zum Abschluß dieser Räume gegenüber die Amplitude der Elektronenstrahlimpulse verändert dem Bearbeitungsraum 24 dienen klappbar angeordwerden. nete Schleusentüren 75 bzw. 77. Zum Abschluß der

In Fig. 4 ist mit 61 ein stark vergrößert darge- Räume 71 bzw. 73 gegenüber dem Außendruck dienen stelltes Werkstück bezeichnet, auf welches ein ebenfalls klappbar angeordnete Schleusentüren 76 weiteres Werkstück 60 aufgesetzt ist. Zur Erzeugung 15 bzw. 78. Die Räume 71 und 73 enthalten fahrbare einer Kehlnaht wird der Elektronenstrahl 25 auf die Wagen 79 bzw. 81, welche mittels hier nicht darge-Nahtstelle gerichtet. Dabei entsteht über dieser Stelle stellter Elektromotoren in Richtung auf den Bedie mit 62 bezeichnete Temperaturverteilung. Aus der arbeitungsraum 24 und von diesem weg bewegt Kurve 62 geht hervor, daß die Nahtstelle selbst und werden können.

eine sehr enge Grenzzone um diese Nahtstelle auf- 20 Die Wirkungsweise der in Fig. 8 dargestellten geschmolzen werden. Mit T₈ ist in Fig. 4 die Schmelz- Vorrichtung ist folgende: Nach erfolgter Bearbeitung temperatur des zu behandelnden Materials bezeichnet. eines Objektes wird der Tisch 29 in eine Endlage ge-Die Kurve 62 entspricht insofern nicht der Wirklich- fahren. Nach Erreichen dieser Endlage wird der keit, als ihre Spitze noch weit über dem Wert T₈ Motor 38 entweder automatisch oder von Hand ausliegen müßte. Aus Platzgründen wurde jedoch in 25 geschaltet, und es wird zunächst die Klapptür 77 ge-Fig. 4 auf eine maßstabsgetreue Darstellung, der öffnet und der Wagen 81 an den Bearbeitungsraum 24 Kurve 62 verzichtet. herangefahren. Sodann wird durch einen geeigneten,

Wird der Elektronenstrahlimpuls abgeschaltet, so hier nicht dargestellten Transportmechanismus das kühlt sich das aufgeschmolzene Material nach Ein- Objekt 26 zusammen mit der Einspannvorrichtung 28 dringen in die Kapillaren und Poren der beiden 30 auf den Wagen 81 transportiert. Dieser Wagen läuft Werkstücke durch Wärmeleitung zu den die Naht- dann in Richtung auf die Tür 78, die Tür 77 wird gestelle umgebenden Materialbezirken stark ab. Die sich schlossen, und der Tisch 29 läuft bis zur rechten Endergebende Temperaturverteilung vor Beginn eines lage. Daraufhin wird die Klapptür 75 geöffnet, der neuen Impulses ist in Fig. 4 mit 63 bezeichnet. Wie Wagen 79 nach links gefahren und ein neues Objekt aus dieser Kurve ersichtlich ist, hat sich die Naht- 35 80 durch eine hier ebenfalls nicht dargestellte stelle bis unterhalb der Schmelztemperatur abgekühlt, Transportvorrichtung auf den Tisch 29 transportiert, und es hat sich die Temperatur der Werkstücke 60 Sodann fährt der Wagen 79 nach rechts, die Tür 75 und 61 ausgemittelt. Bei der Schweißung werden die wird geschlossen, und nach erfolgter Justierung kann Werkstücke 60 und 61 bei feststehendem Elektronen- ein neuer Schweißvorgang ablaufen, strahl 25 senkrecht zur Zeichenebene in Nahtrichtung 40 Die bearbeiteten Objekte können durch öffnen der bewegt. Tür 78 aus dem Raum 73 entnommen werden, wäh-

In Fig. 5 ist eine mittels des neuen Verfahrens her- rend die zu bearbeitenden Objekte nach öffnen der gestellte Kehlnaht im Schliffbild dargestellt. Wie aus Tür 76 in den Raum 71 eingebracht werden. Die Andieser Figur zu erkennen ist, sind durch den Schweiß- Ordnung kann auch so getroffen sein, daß in den Vorgang die beiden Werkstücke zu einem einheitlichen 45 Räumen 71 und 73 mehrere Objekte Platz haben. Werkstück 64 verschmolzen worden. Eine Nahtstelle Um Schweißungen durchführen zu können, bei

ist im Schliffbild nicht mehr zu erkennen. welchen entweder Schutzgas anwesend ist oder bei

Aus den Fig. 6 und 7 ist die Herstellung einer welchen ein gasförmiges Zusatzmaterial an die Stumpfnaht ersichtlich. Die beiden Werkstücke 65 Schweißstelle herangebracht werden soll, wird die in und 66 sollen zusammengeschweißt werden. Zu diesem 50 Fig. 9 dargestellte Vorrichtung verwendet. Wie aus Zweck werden die Werkstücke mittels der Antriebs- dieser Figur hervorgeht, ist eine elektromagnetische vorrichtung des Kreuztisches in Nahtrichtung bewegt, Linse 82 so ausgebildet, daß zwischen ihren oberen wobei gleichzeitig der Elektronenstrahl 25 mittels des Polschuhen 83 und ihren unteren Polschuhen 84 eine Ablenksystems 23 in der in Fig. 7 dargestellten Weise abgeschlossene Kammer 86 entsteht. Diese Kammer bewegt werden kann. Dies kann dadurch erreicht 55" ist mit einem Anschluß 87 versehen, an welchen eine werden, daß zwei gegenüberliegenden Spulen des nicht dargestellte Vakuumpumpe angeschlossen ist. Ablenksystems 23 eine sägezahnförmige Spannung Die unteren Polschuhe 84 tragen ein enges Röhrchen zugeführt wird. Durch die Überlagerung der Be- 85, welches durch seinen Querschnitt das Eindringen wegung des Elektronenstrahles und der Bewegung von Gas in den Raum 86 erschwert, jedoch den des Werkstückes beschreibt der Elektronenstrahl den 60 Durchtritt des Elektronenstrahles nicht behindert, in Fig. 7 mit 68 bezeichneten Weg. Mit 69 sind dabei Unterhalb des Raumes 86 ist ein weiterer Raum 88 jeweils die Auftreffstellen eines Elektronenstrahl- angeordnet, welcher über einen Anschluß 89 mit einer impulses bezeichnet. weiteren Vakuumpumpe in Verbindung steht. Ein

Durch das Auftreffen der Elektronenstrahlimpulse weiterer Raum 90, welcher über eine Anschlußleitung werden die beiderseits der Naht 70 gelegenen 65 91 ebenfalls mit einer Vakuumpumpe verbunden ist, Materialbezirke geschmolzen, wobei sich die in Fig. 6 ist unterhalb des Raumes 88 angeordnet. Unterhalb mit 67 bezeichnete Temperaturverteilungskurve er- des Raumes 90 ist ebenso, wie in Fig. 1 dargestellt, gibt. (Auch diese Kurve ist bezüglich ihrer Höhe über ein Ablenksystem 23 angeordnet.

dem Wert T₅ nicht maßstabgetreu.) Das geschmolzene Der Bearbeitungsraum 24 ist mit einem Gefäß 93

Material fließt in diesem Fall in die Schweißnaht 70 verbunden, welches über ein Nadelventil 94 dem

; 009 548/361

II

Beafbeitungsraum Gas zuführt. Das überschüssige Gas bzw. das entstehende Reaktionsprodukt /wird mittels einer an einen Anschluß 92 angeschlossenen Pumpe abgezogen. ■"'..--

Mittels der in Fig. 9 dargestellten Vorrichtung gelingt es, in an sich bekannter Weise, im Bearbeitungsraum 24 einen höheren Druck aufrechtzuerhalten; ohne daß das im. Gehäuse 11 notwendige Hochvakuum gestört wird. Zu diesem Zweck wird in den Räumen 90, 88 und 86 ein zunehmend niedrigerer Druck aufrechterhalten.

Die in Fig. 10. dargestellte Vorrichtung dient demselben Zweck wie die Vorrichtung der Fig. 9.. In diesem Fall ist zwischen dem Bearbeitungsraum 24 und dem Strahlerzeugungsraum 11 eine Zwischendruckkammer 95 angeordnet, die über einen hohen Anschluß 97 mit einer Vakuumpumpe verbunden ist. Die Kammer 95 enthält eine Scheibenblende 96, welche mittels eines Elektromotors 98 um eine Achse

99 gedreht wird. Die Scheibe 96 ist mit einem Kranz

100 versehen, der Löcher 101 enthält. Diese Löcher

101 werden so zwischen den Öffnungen 102 und 103 bewegt, daß die Zeit, welche vom Raum 24 aus in eine der Öffnungen 101 eintretende Gasmoleküle brauchen, um die Öffnung 102 zu erreichen, länger ist als die Zeit, während der die Öffnungen 101, 102, 103 miteinander verbunden sind. Das in die Öffnungen 101 eingedrungene Gas wird jeweils beim Schließen der Verbindung 101, 102, 103 durch 97 abgesaugt.

Es ist ferner eine hier nicht dargestellte Steuervorrichtung vorgesehen, welche den Ladungsträgerstrahl einschaltet, sobald die Verbindung 101, 102, 103 hergestellt ist, und die den Strahl .abschaltet, sobald diese Verbindung unterbrochen wird.

Das neue Gerät zum Schweißen oder Löten wurde im Zusammenhang mit der Verwendung von Elektronenstrahlen beschrieben. Es ist jedoch auch möglich, an Stelle von Elektronenstrahlen andere Ladungsträgerstrahlen, wie z. B. Ionenstrahlen, zu verwenden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Schweißen und Löten im Vakuum mit einem fokussierten Ladungsträgerstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgerstrahl (15) in an sich bekannter Weise impulsartig zur Wirkung gebracht wird bei einstellbarer Impulsfrequenz und Impuls- bzw. Impulspausendauer und daß die Abstimmung der Strahlintensität und der Impuls- und der Impulspausendauer aufeinander derart getroffen wird, daß die Schmelzbadoberfläche so weit — vorzugsweise auf die drei bis vierfache Höhe der Schmelztemperatur — erhitzt wird, daß eine — jedoch nur geringe — Verdampfung des flüssigen Materials eintritt. ^J ,."-^ =

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung des Ladungsträgerstrahles 50 bis 200 kV und die Stromstärke 0,2 bis 10 mA beträgt, vorzugsweise bei einem Strahldurchmesser von 20 bis 30 μ.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißverbindung zweier übereinanderliegender Werkstücke dadurch vor-

genommen wird, daßr-ihtl iHilfe.;:eines sehr-intertsitätsreichen Strahles..eine durchgehende .Bohrung unter Entwicklung, einer solchen Menge Schmelzfluß erzeugt wird, daß ,-dieser nach dem Erstarren eine Verbindung ■: zwischen' beiden Werkstücken herstellt. - . - -J-. . ,-"

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißverbindung zweier durch eine V-förmige Naht getrennter Werkstücke dadurch vorgenommen wird, daß der !Ladungsträgerstrahl unter entsprechender Änderung der Fokussierung und/oder seiner Ablenkung senkrecht. zur. Nahtrichtung mehrmals über die Naht geführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Raum um die Werkstücke ein Schutzgas eingebracht wird.

6. Verfahren nach· Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,, daß,:,ein Zusatzmaterial in Form von Draht, Pulver, Gas usw. in an sich bekannter Weise durch Zubringervorrichtungen :-an/ die Schweißstelle gebracht wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch ί ■ bis 4, enthaltend ein Strahlerzeugungssystem und Mittel zur Formung und Fokussierung des Ladungsträgerstrahles auf die Schweißstelle, gekennzeichnet durch ein hinter der Fokussierungslinse angeordnetes elektromagnetisches Ablenksystem (23) sowie durch eine zwischen der Fokussier.ungslinse und dem Strahlerzeugungssystem angeordnete mikroskopische Beobachtungseinrichtung (16, 17, 18, 49) zur Beobachtung der Bearbeitungsstelle (26, 27).

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Bearbeitungsraum (24) und dem Strahlerzeugungsraum (11) eine an sich bekannte, mit: einer Vakuumpumpe verbundene Zwischendruckkammer (95) angeordnet ist und daß in der Zwischendruckkammer sich eine zwischen den Öffnungen der beiden Räume (24 und 11) bewegte, mit Durchbohrungen versehene rotierende Scheibenblende (96) befindet.

9. Vorrichtung nach' Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß .die Rotationsgeschwindigkeit der Blende (96) derart hoch ist, daß im Zeitraum der Verbindung der beiden Öffnungen (22, 103 in Fig. 10) durch die Blendenbohrung (101) den Gasmolekülen keine Zeit zum Durchtritt gegeben ist, und daß eine bei Herstellung dieser Verbindung zwischen den beiden Räumen (11 und 24) den Ladungsträgerstrahl (25). synchron einschaltende Steuervorrichtung vorgesehen ist.

_... In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 293 239, 659 092, 058;

französische Patentschrift Nr. 1 056 930;
USA.-Patentschriften Nr, 2 267 752, 2 793 281;
Zeitschrift »Optik«, 1949, S. 469;

Zeitschrift »Nuclear Power«, Juni 1958, S. 272 bis 274;

Buch »Schweißtechnik« von Sudasch, 1950, S. 121, 122, 295.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen