DE1292996B

DE1292996B - Verfahren zur Materialbearbeitung mittels gebuendelter Energiestrahlen

Info

Publication number: DE1292996B
Application number: DEST23591A
Authority: DE
Inventors: Dr Edgar; Meyer
Original assignee: Steigerwald Strahltecknik GmbH
Current assignee: Messer Griesheim GmbH
Priority date: 1965-03-30
Filing date: 1965-03-30
Publication date: 1969-04-17
Also published as: DE1565864B1

Description

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Mit Hilfe von gebündelten Strahlen, wie z. B. Kor- geübt. Aber auch beim Schweißen mit Strahlungspuskularstrahlen oder elektromagnetischen Strahlen, energie können wegen der nur indirekt durch den lassen sich außerordentlich hohe Leistungsdichten er- Dampfdruck möglichen mechanischen Wirkungen auf zielen. Es ist bekannt, derartige Strahlen als tech- das Schmelzgut Schwierigkeiten auftreten. So ist z. B. nische Wärmequellen zu verwenden. Mit ihrer Hilfe 5 die beim Schweißen dicker Werkstücke erforderliche ist es möglich, nahezu alle bekannten Arten von Ma- Leistungsdichte für den eigentlichen Schweißvorgang terialbearbeitungen und Behandlungen auszuführen, gar nicht nötig und unter Umständen sogar schädwie z. B-. Bohren, Schneiden, Trennen, Anlassen, Här- lieh; sie wird nur gebraucht, um über den Dampften, Löten, Schweißen, Auftragsschweißen, Sintern druck das Eindringen des Strahls in die tieferen usw. Der für den gewünschten Materialbearbeitungs- io Werkstoffschichten zu ermöglichen. Vorgang erforderliche Effekt wird durch Bestrahlen Die Erfindung geht deshalb von der Aufgabe aus,

eines Werkstückbereichs mit einem geeignet geform- die bei der Materialbearbeitung mittels gebündelter ten und gesteuerten Strahl erreicht. Die Absorption Energiestrahlen infolge deren fehlender Kraftwirkung der Strahlungsenergie im Werkstoff führt zu einer gegebenen Beschränkungen zu beseitigen und daintensiven Erhitzung der getroffenen Bereiche. Mit 15 durch sowohl die Wirtschaftlichkeit derartiger VerHilfe eines bestimmten räumlichen und zeitlichen fahren zu steigern als auch ihren Anwendungsbereich Temperaturverlaufs werden z. B. Abtragungseffekt, erheblich zu erweitern.

Tiefschweißeffekt u. ä. hervorgerufen. Dabei ist man Nach der Erfindung wird die gestellte Aufgabe

an gewisse, durch Strahlungsart und -eigenschaften durch ein Verfahren zur Materialbearbeitung mittels gegebene Grenzen gebunden. Will man z. B. Material ao gebündelter Energiestrahlen gelöst, das dadurch geabtragen, so bemüht man sich, dies durch möglichst kennzeichnet ist, daß auf das von dem bearbeitenden hohe Aufheizung und eine dadurch hervorgerufene Strahl in seinem Aggregatzustand veränderte, ins-Verdampfung zu erreichen. Dies wird im allgemeinen besondere geschmolzene Material zusätzliche, vom dadurch begünstigt, daß die Energieabsorption aus bearbeitenden Strahl und von gegebenenfalls vorhander Strahlung in dünnen Oberflächenbereichen des 25 denen Einspannkräften unabhängige Kräfte ausgeübt Werkstoffs erfolgt, so daß bei der gegebenen hohen werden.

Leistungsdichte diese Bereiche schnell auf hohe Tem- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dient somit

peraturen kommen. Die Strahlung kann tiefere Be- die Strahlungsenergie grundsätzlich nur noch einer reiche erreichen, wenn die oberen Schichten durch reinen Heizwirkung, und es ist nicht mehr erforder-Verdampfungseffekte abgetragen sind. Dabei wird 30 lieh, einen Teil der teuren Strahlungsenergie mit sehr die Abtragungsleistung, abgesehen von der für eine geringem Wirkungsgrad, beispielsweise auf dem Umvollständige Verdampfung erforderlichen Energie, weg über den Dampfdruck des betroffenen Materials, durch die vorhandene Leistungsdichte begrenzt. in mechanische Arbeit zu verwandeln. Anders ge-

Beim Schweißen mittels gebündelter Energiestrah- sagt, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren len kann man tiefere Schichten in der Weise er- 35 die thermischen und mechanischen Wirkungen durch reichen, daß Leistung und Leistungsdichte der Be- voneinander unabhängige Vorgänge erzeugt, die bestrahlung auf Werte eingestellt werden, bei denen der liebig gesteuert werden können. Diese Eigenart ist für Werkstoff über den Schmelzpunkt hinaus auf so hohe die Materialbearbeitung neuartig und von grundsätz-Temperaturen erhitzt wird, daß die entstehenden licher Bedeutung.

Dampfdrücke in der Lage sind, eine Kapillare im 40 Es ist zwar schon ein Verfahren und eine Vorgeschmolzenen Material zu öffnen, so daß der Strahl richtung zum dichten Verschließen von Hülsen bedurch diese Kapillare hindurch tiefere Schichten er- kannt, bei denen zwei ineinandergefügte Hülsenteile reichen kann. von ihrer gemeinsamen Stirnseite her mit Hilfe eines

Die hier geschilderten Verdampfungsvorgänge sind Elektronenstrahls verschweißt werden und gleichzeiim wesentlichen deshalb notwendig, weil die Strah- 45 tig auf den vom eindringenden Strahl abgewandten lung zwar im allgemeinen einen intensiven Heizeffekt Teil der beiden Hülsen eine radiale Zusammendrückliefert, jedoch praktisch keine mechanische Kraft- kraft ausgeübt wird; dabei werden jedoch im Gegenwirkung auf das von der Strahlung getroffene Ma- satz zur vorliegenden Erfindung die durch mechaterial auszuüben vermag. Diese Eigentümlichkeit bie- nische Mittel ausgeübten radialen Zusammendrücktet wesentliche Vorteile, kann aber in manchenFäl- 50 kräfte gerade nur,auf diejenigen Teile der Werklen auch erhebliche Nachteile mit sich bringen. stücke ausgeübt, die nicht im Schmelzbereich liegen,

Als Gegenbeispiel sei die Wirkungsweise eines und als Zweck der radialen Zusammendrückkraft ist Plasma - Jetbrenners betrachtet. Hier wird-ein-mit ausdrücklich angegeben, Diffusionsvorgänge im nicht hoher Geschwindigkeit strömendes und hoch erhitz- vom Strahl getroffenen Bereich der Kontaktflächen tes Gas als Wärmequelle benutzte Der Plasmasträhl 55 zu ermöglichen. Eine Ähnlichkeit mit der vorliegenübt sowohl eine starke Heizwirkung als auch eine den Erfindung ist somit nicht vorhanden, starke mechanische Kraft auf den Werkstoff aus. Da- Eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemä-

durch läßt er sich besonders gut für Brennschneid- ßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß vom verfahren einsetzen, bei welchen das Material ge- Strahl getroffenes, in seinem Aggregatzustand verschmolzen und durch den Druck des Gasstroms aus 60 ändertes Material unter die Einwirkung eines außerder Schnittfuge entfernt wird. Die Ausführung eines halb des Querschnitts der bearbeitenden Strah-Schweißvorgangs macht dagegen wegen der Kraft, lung angeordneten mechanischen Werkzeugs gebracht die auf das geschmolzene Schweißgut einwirkt, große wird.

Schwierigkeiten. Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen

Man erkennt somit, daß sich die Strahlungsver- 65 Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der vom fahren besser zum Schweißen als zum Schneiden eig- Strahl getroffene Materialbereich einem elektrischen nen, denn bei ihnen wird durch die Strahlung prak- Strom und einem mit diesem zusammenwirkenden tisch keine Kraft auf das geschmolzene Material aus- Magnetfeld ausgesetzt wird, wobei Strom und Ma-

gnetfeld derart orientiert sind, daß sich eine gewünschte Richtung der zusätzlichen Kraft ergibt. Dabei kann es vorteilhaft sein, daß der Strom und/oder das Magnetfeld zeitlich verändert werden, und dies wiederum kann mit Vorteil so vor sich gehen, daß der Strom von dem Magnetfeld induziert wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß das zu bearbeitende Werkstück so bewegt wird, daß auf den vom Strahl zu bearbeitenden Bereich Trägheitskräfte ausgeübt werden, und daß das Werkstück zumindest während eines Teils dieser Bewegung vom Strahl bearbeitet wird, wobei das Werkstück und die Bewegung so orientiert sind, daß das vom Strahl getroffene Material von den während der Bewegung auftretenden Trägheitskräften in einer gewünschten Richtung beaufschlagt wird. Dabei wird vorzugsweise als Bewegung eine Dreh- oder Umlaufbewegung angewendet.

Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße Ver- so fahren so ausgeführt, daß, je nachdem, ob eine trennende oder eine verbindende Bearbeitung vorliegt, die zusätzlichen Kräfte in einer vom Bearbeitungsbereich weg- bzw. zum Bearbeitungsbereich hinführenden Richtung angewendet werden.

Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen näher erläutert.

F i g. 1 bis 3 erläutern herkömmliche Energiestrahl-Bearbeitungsverfahren;

F i g. 4 a, 4 b und 5 erläutern Möglichkeiten für die Ausübung mechanischer Kräfte;

F i g. 6 und 7 erläutern Möglichkeiten für die Ausübung von Zentrifugalkräften;

F i g. 8 erläutert eine Möglichkeit der Ausübung einer elektromagnetischen Kraft.

Zunächst wird zum Verständnis die übliche Wechselwirkung eines Strahls mit dem getroffenen Material erläutert. In F i g. 1 ist gezeigt, wie beim Auftreffen des von oben kommenden Strahls 1 auf das Werkstück 2 bei hinreichender Leistung und Leistungsdichte des Strahls dieser durch eine vom Dampfdruck im Bestrahlungszentrum erzeugte Kapillare 3 mehr oder weniger tief in das geschmolzene Material 4 eindringt. Das aus der Kapillare verdrängte Material bildet an der Oberfläche des Werk-Stücks einen Wulst 5.

Bewegt man nach Fig.2 das Werkstück2 quer zum Strahl 1 (z. B. nach rechts in Pfeilrichtung), so wird das an der linken Seite in den Strahlbereich eintretende Material durch Verdampfen oder Umfließen der Kapillare nach rechts befördert, kühlt sich ab und erstarrt in einiger Entfernung vom Strahl. Diese Vorgänge sind unabhängig davon, ob zum Zweck des Verschweißens eine in der Zeichenebene liegende Stoßfuge zweier Werkstücke durch den Strahlbereich gefahren wird, oder ob es sich um eine geschlossene Platte handelt, in welcher dann ohne zusätzliche Maßnahmen einfach eine Blindnaht entsteht. Da das den Wulst 5 in F i g. 1 bildende Material beim seitlichen Verfahren des Werkstücks nicht oder nur zu einem Bruchteil in die erstarrende Schmelze zurückgeht, verbleibt in der Ebene AA ein Schweißquerschnitt nach F i g. 3 mit überhöhten Raupen 6 und 7. Das in den Raupen befindliche Material fehlt in dem erstarrten Schweißquerschnitt 8, was sich als Querkontraktion der Naht bemerkbar macht. Diese Querschrumpfung ist zwar schon wesentlich geringer als bei anderen Schweißverfahren, stört aber immer noch in allen Fällen, wo man fertig bearbeitete Teile maßhaltig miteinander verschweißen will.

Im folgenden werden einige Anwendungsbeispiele für zusätzliche Kräfte erläutert.

1. Mechanisch erzeugte Zusatzkräfte

1.1 Anwendung beim Schweißen

Die Unterdrückung der soeben besprochenen Querkontraktion läßt sich nach Fig.4a dadurch erreichen, daß in geeigneter Entfernung vom Strahl 1 Druckrollen 9 und 10 angeordnet werden, die das noch flüssige, teigige oder zumindest plastisch noch gut verformbare Schweißgut wieder zwischen die zu verschweißenden Flächen drücken. Die gleiche Wirkung läßt sich nach Fig,4b durch rasch schwingende Hämmerchen 11 und 12 erzielen.

1.2 Anwendung beim Trennen

1.2.1 Kraftausübung durch mechanische Werkzeuge

Soll Material entfernt werden (Schneiden, Trennen), so ist es, etwa beim Schneiden einer Platte, nach F i g. 5 möglich, das Material wie beim Legen einer Blindnaht aufzuschmelzen und in geeigneter Entfernung vom Strahl das noch hinreichend erhitzte und daher wenig feste Material mittels eines Werkzeugs, z. B. eines rotierenden Messers oder Schlagwerkzeugs 13, zu entfernen. Die gute Verformbarkeit bzw. geringe Festigkeit des zu entfernenden Materials ermöglicht einen hohen Vorschub und damit ein wirtschaftlich interessantes Trennverfahren.

1.2.2 Kraftwirkung von Trägheitskräften

Bei geeigneter Form des Werkstücks (insbesondere auch bei Rotationssymmetrie) ist es möglich, Abtragung von Material dadurch zu erreichen, daß das Werkstück in rasche Rotation versetzt wird und daß der Strahl das zu entfernende Material auf Schmelztemperatur erhitzt. Durch die Zentrifugalkraft wird dieses Material dann vom Werkstück weggeschleudert.

Will man Stücke 14 aus Vollmaterial durchtrennen, so wird man diese nach Fig. 6 außerhalb der Rotationsachse anordnen, weil auf dieser die Zentrifugalkraft verschwindet. Der Strahl 1 trifft dann nacheinander auf die Werkstücke, schmilzt diese an der Auftreffstelle und kann so wegen des Wegfliegens des geschmolzenen Materials IS die Schnittfugen 16, falls gewünscht, bis zur völligen Durchtrennung der Werkstücke 14 vertiefen. Bei Hohlkörpern kann zum Trennen die Formachse mit der Rotationsachse übereinstimmen (F i g. 7).

Will man nur an bestimmten Stellen eines Werkstücks Material entfernen, so ist es möglich, den Strahl im Rhythmus der Rotationsfrequenz jeweils nur zeitweilig einzuschalten. Mit einer solchen Strahlsteuerung, die den Strahl mit an die Rotationsfrequenz angepaßten Frequenzen an- und ausschaltet und die mit bekannten Mitteln leicht zu realisieren ist, lassen sich bezüglich Azimutlage und Abtragtiefe sehr vielfältige Formen der Abtragung erreichen.

2. Magnetisch erzeugte Kräfte

Es ist möglich, im Auftreffbereich des Strahls elektrische Ströme zu erzeugen, die im Zusammenwirken mit äußeren Magnetfeldern eine gewünschte zusätzliche Kraftwirkung auf das Material der Bearbeitungszone hervorrufen. Bei getrennter Erzeugung von Strömen und Magnetfeldern können diese zeitlich konstant oder veränderlich sein. Erzeugt man die Ströme im Werkstück durch Induktion mittels des äußeren Magnetfeldes, wird man jeweils die für den gewünschten Effekt optimale Frequenz auswählen, die nach den bekannten Gesetzmäßigkeiten von Werkstückgeometrie, Materialeigenschaften und Anordnung des äußeren Magnetfeldes abhängt. J-5

2.1 Anwendung beim Schweißen

Um das Herausquellen oder gelegentlich auch auftretende Herausschleudern von Schweißgut aus der Bearbeitungszone zu verhindern, kann man nach F i g. 8 je eine Spule 17 und 18 ober- ^ao und unterhalb der Schweißstelle so anordnen, daß beide Spulen gleichsinnig und gleichphasig von einem Wechselstrom geeigneter Frequenz durchflossen werden. Im Bearbeitungsbereich wird dann ein entgegengesetzter Strom indu- ^a5 ziert, dessen Magnetfeld in Wechselwirkung mit dem Primärfeld die Schmelze in Richtung auf die Mittelebene MM drückt, also eine Kraftwirkung ausübt, die dem Heraustreten der Schmelze nach unten und oben entgegenwirkt.

2.2 Anwendung beim Trennen

Läßt man in der Anordnung nach F i g. 8 eine (z. B. die untere) Spule weg, so verbleibt nur noch eine Krafiwirkung nach unten, die ein Herausschleudern des Schmelzgutes in diese Richtung bewirkt oder verstärkt, so daß eine Bohrung erzeugt oder bei seitlicher Bewegung des Werkstücks ein Schnitt gelegt werden kann.

Die genannten Beispiele sollen nur einige der Möglichkeiten aufzeigen, wie die Anwendung von Zusatzkräften praktisch zu realisieren ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Materialbearbeitung mittels gebündelter Energiestrahlen, dadurch ge kennzeichnet, daß auf das von dem bearbeitenden Strahl in seinem Aggregatzustand veränderte, insbesondere geschmolzene Material zusätzliche, vom bearbeitenden Strahl und von gegebenenfalls vorhandenen Einspannkräften unabhängige Kräfte ausgeübt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vom Strahl getroffenes, in seinem Aggregatzustand verändertes Material unter die Einwirkung eines außerhalb des Querschnitts der bearbeitenden Strahlung angeordneten mechanischen Werkzeugs gebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Strahl getroffene Materialbereich einem elektrischen Strom und einem mit diesem zusammenwirkenden Magnetfeld ausgesetzt wird, wobei Strom und Magnetfeld derart orientiert sind, daß sich eine gewünschte Richtung der zusätzlichen Kraft ergibt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom und/oder das Magnetfeld zeitlich verändert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom von dem Magnetfeld induziert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu bearbeitende Werkstück so bewegt wird, daß auf den vom Strahl zu bearbeitenden Bereich Trägheitskräfte ausgeübt werden, und daß das Werkstück zumindest während eines Teils dieser Bewegung vom Strahl bearbeitet wird, wobei das Werkstück und die Bewegung so orientiert sind, daß das vom Strahl getroffene Material von den während der Bewegung auftretenden Trägheitskräften in einer gewünschten Richtung beaufschlagt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Bewegung eine Dreh- oder Umlauf bewegung angewendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß, je nachdem, ob eine trennende oder eine verbindende Bearbeitung vorliegt, die zusätzlichen Kräfte in einer vom Bearbeitungsbereich weg- bzw. zum Bearbeitungsbereich hinführenden Richtung angewendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen