DE1253840B

DE1253840B - Vorrichtung zum Schweissen mittels Schmelzung durch Elektronenbeschuss

Info

Publication number: DE1253840B
Application number: DE1962E0023195
Authority: DE
Inventors: Derek Wiliam Surge
Original assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Current assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Priority date: 1961-07-13
Filing date: 1962-07-12
Publication date: 1967-11-09
Also published as: BE619978A; NL280865A; GB998060A; CH395378A

Description

DEUTSCHES #f# PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKI.: 21h-32/20

Nummer: 1 253 840

Aktenzeichen: E 23195 VIII d/21 h

1 253 840 Anmeldetag: 12.Juli 1962

Auslegetag: 9. November 1967

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schweißen mittels Schmelzung durch Elektronenbeschuß mit einem die beiden miteinander zu verbindenden Teile aufnehmenden gasdichten, evakuierbaren Behälter.

Es sind bereits zwei Verfahren bzw. Vorrichtungen zu deren Durchführung zum Schweißen von Metallen und Legierungen mit hohem Schmelzpunkt vorgeschlagen worden. Nach dem einen dieser Verfahren wird die Schweißwärme durch einen Elektronenstrahl freigesetzt, der von einem elektrischen Glühdraht emittiert und durch ein elektromagnetisches System auf das zu behandelnde Teil fokussiert wird. Das andere Verfahren benutzt einen Plasmaerzeuger zum Hervorbringen einer Plasmaflamme, die ähnlich einer Sauerstoff-Azethylen-Flamme verwendbar ist.

Das Heizen durch einen Elektronenstrahl bedingt ein hohes Vakuum, und die Herabsetzung des Druckes in dem Umschließungsraum des Werkstücks auf einen Druck in der Größenordnung von 10^_r> Torr erfordert kostspielige Vakuumpumpen. Weiterhin muß zwischen dem Glühdraht und dem zu behandelnden Teil ein Fokussiersystem vorgesehen werden. Diese ganze Ausrüstung ist mit Kosten verbunden.

Das Schweißen mittels einer Plasmaflamme hat den Nachteil eines mit großer Geschwindigkeit brennenden Plasmastrahles, die groß genug ist, die Gefahr herbeizuführen, die Bestandteile des zu behandelnden Teiles in dem Maße, wie sie schmelzen, »wegzublasen«.

Es ist ferner eine Ionenquelle bekanntgeworden, bei welcher die Abtrennung des Elektronenstromes aus dem Plasma durch eine anodisch geschaltete Elektrode erfolgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schweißvorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der mit einem weniger hochgetriebenen Vakuum, als bei sonstigen mit Elektronenbeschuß arbeitenden Schweißvorrichtungen üblich, gearbeitet werden kann, bei der ein »Auseinanderblasen« des Schweißgutes vermieden wird und die einen einfachen Aufbau aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß ein an sich bekannter Plasmagenerator mit anschließendem Unterdruckraum und dort angeordneter anodisch geschalteter Elektrode zur Abtrennung des Elektronenstromes aus dem Plasma vorgesehen ist und daß an der Stelle der anodisch geschalteten Elektrode die zu verbindenden Teile angeordnet sind.

Vorrichtung zum Schweißen mittels Schmelzung
durch Elektronenbeschuß

Anmelder:

Europäische Atomgemeinschaft (EURATOM).
Brüssel

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Müller-Börner

und Dipl.-Ing. H.-H. Wey, Patentanwälte.

Berlin 33, Podbielskiallee 68

Als Erfinder benannt:

Derek WiIiam Surge,

Dorchester, Dorset (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 13. Juli 1961 (25 485)

Die Zeichnung zeigt zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes.

F i g. 1 zeigt die Schweißvorrichtung zur Verbindung von Thermoelementdrähten, während

F i g. 2 die dichte Verbindung eines Stopfens mit der feuerfesten Hülle eines Kernbrennstoffelements mittels der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung veranschaulicht.

Bei dem Beispiel der F i g. 1 besteht das zu behandelnde Teil aus zwei Drähten 1 und 2, die in einem evakuierten Behälter 4 zueinander parallel angeordnet sind und an ihren Enden bei 3 miteinander in Berührung stehen. Der Behälter 4 hat eine rohrförmige Wand 4 a, deren beide Enden durch Ver-Schlüsse 5 und 6 geschlossen sind. Ein Plasmagenerator 7, der in dem Verschluß 5 angeordnet ist, weist eine zentrale Elektrode 8 auf, welche im Inneren einer Außenelektrode 9 angeordnet ist, die aus zwei Teilen 9 a und 9 b besteht, die die Anode bzw. die Kathode des Plasmagenerators bilden. Eine Quelle zur Zufuhr eines Gases, welches geeignet ist, ein Plasma zu liefern, ist an den ringförmigen Zwischenraum, der zwischen den Elektroden 8 und 9 vorhanden ist, angeschlossen. In das Teil 9 b ist eine konvergierende Leitung eingearbeitet, die den ringförmigen Zwischenraum mit dem Inneren eines aus Quarz bestehenden Rohres 10 verbindet, in welches

709 687/332

Claims

die Leitung durch einen düsenartigen Rohransatz 9 c ausmündet. Das aus Quarz bestehende RohrlO ist axial zu dem Behälter 4 angeordnet.

Das von dem Plasmagenerator 7 am weitesten entfernt liegende Ende des Rohres 10 durchquert den Verschluß 6 und ist durch einen Rohrstutzen 11 an eine rotierende Vakuumpumpe angeschlossen.

Ein anderes, koaxial zu dem Rohr 10 angeordnetes Rohr 12 durchquert den Verschluß 6 und bietet sein offenes Ende dem Plasmagenerator 7 dar. Das Rohr 12 spielt die Rolle eines Auflagers für das zu behandelnde, aus den Drähten 1 und 2 bestehende Teil, welches elektrisch so angeschlossen ist, daß es in bezug auf das Teil 9 b der Außenelektrode, welches die Kathode des eigentlichen Schweißsystems darstellt, eine Anode bildet.

Vor dem Inbetriebsetzen der Vorrichtung wird die Vakuumkammer mit Hilfe eines inerten Gases, wie Argon, gereinigt und dann auf ein Vakuum in der Größenordnung von 100 Torr gebracht. Alsdann wird der Plasmagenerator unter Spannung gesetzt und mit Argon versorgt. Die Speisung des Generators 7 geschieht mit 300 W bei 20 V, wobei die Teile 9 ei und 9 b die Kathode und Anode bilden. Aus dem düsenartigen Rohransatz 9 c tritt ein gasartiger, wie eine intensive Elektronenquelle wirkender Plasmastrahl aus. Um das Schweißen der Thermoelementdrähte 1 und 2 zu bewirken, genügt es, diesem Teil eine positive Spannung aufzuerlegen, welche ausreicht, zwischen dem Punkt 3 der Drähte und dem Teil 9 b der Außenelektrode eine ständige Potentialdifferenz von etwa 120 V aufrechtzuerhalten. Die Dauer der Anwendung der Potentialdifferenz hängt von der Abmessung und der Schmelztemperatur der Drähte 1 und 2 ab.

Das von dem Plasmagenerator kommende Plasma oder stark ionisierte Gas und die Potentialdifferenz zwischen dem zu behandelnden Teil und der Elektrode 9 b bewirken einen Elektronenbeschuß des zu behandelnden Teiles und die Schweißung durch Verschmelzen der miteinander in Berührung stehenden Enden 3 der Drähte 1 und 2.

Diejenigen Teile der F i g. 2, welche Teilen der Fig. 1 gleichartig sind, tragen die gleiche Bezugszahl. Das zu behandelnde Teil ist eine zylindrische Hülse 13, die durch einen Stopfen 14 verschlossen ist, der bei 15 durch eine ringförmige Schweißung in dichtender Weise mit der Hülse verbunden werden soll.

Die Hülse 13 ist in der Weise auf einen nicht dargestellten drehbaren Dorn aufgesetzt, daß die angrenzenden Teile der ringförmigen Zone 15 nacheinander dem offenen, einen geringen Durchmesser

aufweisenden Ende eines aus Quarz bestehenden Rohres 17, welches das RohrlO der Fig. 1 ersetzt, gegenübertreten. Wenn der Plasmagenerator 7 unter Spannung gesetzt und die Hülse 13 in bezug auf das

9 b polarisiert ist, um die Anode zu bilden, bewirkt die Fokussierung der Elektronen, welche aus dem Plasma des ionisierten Gases herrühren, auf diese Anode das Schweißen durch Verschmelzen des Stopfens 14 mit der Hülse 13. Diejenige Partie des zu verschweißenden Teiles, welche dem offenen Ende 16 des Rohres 17 genau frontal gegenübersteht, sammelt die freien Elektronen in besonderer Weise. Indem man das zu behandelnde Teil dreht, so daß die aufeinanderfolgenden Partien des zu behandelnden Teiles in diese Gegenüberstellung übergeführt werden, verwirklicht man eine dichte ringförmige Schweißung.

Der für die Verschweißung mit der beschriebenen Vorrichtung erforderliche Leistungsaufwand liegt um ein gutes Teil unterhalb von jenem, der von einer üblichen Drahtkathode gebildet wird, wozu

10 bis 30 kV erforderlich sind. Herkömmliche Verfahren zum Schweißen mit eines Elektronenstrahls erlauben es nur schwerlich, den Elektronenstrahl bis auf die Abmessung eines Millimeters zu fokussieren. Dahingegen ist durch den Erfindungsgegenstand beispielsweise das Schweißen von Thermoelementdrähten ermöglicht, die in einem Behälter von 1 mm Durchmesser eingeschlossen sind.

Patentanspruch:

Vorrichtung zum Schweißen mittels Schmelzung durch Elektronenbeschuß mit einem die beiden miteinander zu verbindenden Teile aufnehmenden gasdichten, evakuierbaren Behälter, dadurch gekennzeichnet, daß ein an sich bekannter Plasmagenerator (7) mit anschließendem Unterdruckraum (10, 17) und dort angeordneter anodisch geschalteter Elektrode (12, 13) zur Abtrennung des Elektrodenstromes aus dem Plasma vorgesehen ist und daß an der Stelle der anodisch geschalteten Elektrode die zu verbindenden Teile (1, 2; 14, 15) angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1001429;

Μ. v. Ardenne, »Tabellen der Elektronenphysik, Ionenphysik und Übermikroskopie«, Bd. II (1956); »Die Umschau«, 1960, H. 20, S. 631;

Prospektblatt aus dem Heraeus-Katalog, »Technik des Hochvakuums«, 2. Ausgabe, Mai 1958, über den Elektronen-Generator.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 687/332 10.67 Q Bundesdruckerei Berlin