DE1294154B - Verfahren zum Schweissen von Werkstuecken mittels eines Ladungstraegerstrahls - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schwei- höchst unerwünschten konkaven Oberraupe 15 ist

ßen von Werkstücken längs einer Schweißnaht mittels also verständlich.

eines Ladungsträgerstrahls, der relativ zu den Werk- Es ist nun erfahrungsgemäß sehr schwierig, die

stücken längs der Schweißnaht im Mittelwert kon- Intensität des Ladungsträgerstrahls so einzustellen, tinuierlich bewegt wird und dieser im Mittelwert kon- 5 daß einerseits eine unvollkommene Bildung der

tinuierlichen Bewegung eine periodische sprunghafte Schweißnaht nach F i g. 2 vermieden und anderer-

Vor- und Rückbewegung des Ladungsträgerstrahls in seits das Material an der Schweißstelle nicht so stark

Richtung der Schweißnaht überlagert wird. aufgeschmolzen wird, daß die in F i g. 3 dargestellte

Es ist bereits bekannt, daß man zwei Werkstücke Unterraupe 16 zusammen mit der in hohem Maße dadurch miteinander verschweißen kann, daß man to unerwünschten Oberraupe 15 entstehen würde,
einen intensiven Elektronenstrahl auf die gewünschte Es ist ein Schweißverfahren unter Verwendung Schweißstelle richtet. Zur Herstellung einer Schweiß- eines Elektronenstrahls bekannt (Zeitschrift »Werknaht kann man beispielsweise die miteinander zu ver- Stattstechnik«, 51. Jahrgang, Heft 9, September 1961, schweißenden Werkstücke gegenüber einem räumlich Seite 448 bis 454), bei dem eine Ablenkung des Elekfeststehenden Elektronenstrahl bewegen, so daß die- 15 tronenstrahls sowohl in Richtung der Schweißnaht ser stets die Stoßstelle der beiden Werkstücke trifft als auch quer zur Schweißnaht vorgesehen ist. Die T und an dieser Stoßkante also die gewünschte Schweiß- Ablenkung quer zur Schweißnaht dient dazu, eine naht entsteht. Verbreiterung der Schweißnaht bei gleichbleibender

Es ist dabei erforderlich, die Leistung des Elek- Strahlintensität zu erreichen. Sie erfolgt deshalb perio-

tronenstrahls in einer günstig gewählten räumlichen ao disch. Eine Ablenkung des Elektronenstrahls in Rich-

und zeitlichen Verteilung der Schweißnaht zuzu- rung der Schweißnaht wird nur dann vorgenommen,

führen. wenn das Werkstück bei gleichbleibender Vorschub-

Ein typisches Beispiel für die Notwendigkeit sol- geschwindigkeit dem Elektronenstrahl intensiver oder

eher Leistungsverteilung soll an Hand der Fig. 1 weniger intensiv ausgesetzt werden soll. Wird der

bis 4 der Zeichnung erläutert werden. »5 Elektronenstrahl beispielsweise dem Werkstück nach-

In Fig. 1 ist ein quer zur Schweißnaht gelegter geführt, wobei die Ablenkgeschwindigkeit geringer Schnitt veranschaulicht, in welchem mit 10 und 11 ist als die Vorschubgeschwindigkeit des Werkdie miteinander zu verschweißenden Werkstücke be- Stücks, so ist die Relativgeschwindigkeit des Werkzeichnet sind und durch die schmale engschraffierte Stücks gegenüber dem Elektronenstrahl geringer, Fläche die Schweißnaht angedeutet ist. Es ist er- 30 als wenn der Elektronenstrahl nicht abgelenkt werwünscht, eine Schweißnaht zwischen den miteinander den würde. Diese Möglichkeit der Strahlablenkung zu verschweißenden Werkstücken 10 und 11 mit einer bei dem erwähnten bekannten Verfahren ist jedoch nach oben konvexen Raupe, d. h. einer sogenannten noch nicht dazu geeignet, die an Hand der F i g. 2 Oberraupe 12 und einer sogenannten Unterraupe 13 und 3 erwähnten Mängel beim Zusammenschweißen zu erhalten, da man bei einer derartigen Schweißnaht 35 von Werkstücken zu vermeiden,
durch einfache Nachbearbeitung leicht einen voll- Es ist ferner ein Elektronenstrahl-Schweißverfahkommen glatten Verlauf an der Schweißstelle er- ren bekannt (Aufsatz »Schweißen und Schneiden mit reichen kann, während Schweißnähte, die eine Ein- Elektronenstrahlen« in der Zeitschrift »Schweißen Senkung oder Vertiefung an der Werkstoffoberfläche und Schneiden«, Jahrgang 12,1960, Heft 3), bei dem besitzen, sehr unbefriedigend sein würden. 40 der Elektronenstrahl in Richtung der beiden Koordi-

Die Erfahrung zeigt nun, daß diese Form der naten des Werkstückverschiebetisches gewedelt wer-

Schweißnaht häufig nicht ohne weiteres erreichbar ist. den soll. Die Wedelbewegung soll durch einen trapez-

Wenn man die Intensität zu gering wählt, so wer- förmigen Strom für die Strahlablenkung erreicht werden die miteinander zu verschweißenden Werkstücke den, so daß die Ablenkung sprunghaft erfolgt. Auch 10 und 11 nicht vollständig miteinander verbunden, 45 diese Vorschrift der Strahlablenkung ist noch nicht sondern es zeigt sich im Querschnitt, welcher in geeignet, die erwähnten Schwierigkeiten bei dem Zu-Fig. 2 dargestellt ist, zwischen den beiden Werk- sammenschweißen von Werkstücken zu überwinden, stücken nur über einen Bruchteil der gesamten Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Dicke D eine Verschweißung, während unterhalb die- Verschweißen von Werkstücken mittels eines Laser Schweißstelle die beiden Werkstücke überhaupt 50 dungsträgerstrahls anzugeben, bei dem zu beiden nicht zusammengeheftet werden. An der Oberseite Seiten der zusammengeschweißten Werkstücke eine der Schweißstelle bildet sich unter diesen Verhältnissen konvexe Schweißraupe gebildet wird,
eine Oberraupe 14. Die Aufgabe ist dadurch gelöst, daß die Periode

Wählt man andererseits die Intensität des Ladungs- der Vor- und Rückbewegung des Ladungsträgerträgerstrahls zu hoch, so ergeben sich die im Schnitt- 55 Strahls in Bezug zu seiner im Mittelwert kontinuierbild nach F i g. 3 dargestellten Verhältnisse. Die bei- liehen Bewegung so bemessen wird, daß er stets nach den Werkstücke werden zwar über die ganze Dicke D seiner Rückbewegung auf eine Stelle trifft, die er vormiteinander verschweißt, jedoch zeigt sich an der dem nach seiner Vorbewegung getroffen hatte.
Oberseite im Gegensatz zu der in F i g. 2 dargestell- Wenn man annimmt, daß diese periodische Abten nach oben konvexen Raupe 14 eine konkave 60 lenkung mittels eines trapezförmigen Stroms mit gleich Oberraupe 15, d. h. eine Einsenkung oder Vertiefung langen oberen und unteren Balken erzeugt wird, so an der Schweißstelle. Diese ist so zu erklären, daß bei würden sich die in F i g. 4 dargestellten Verhältnisse vollkommener Aufschmelzung des Materials an der ergeben. Die Fig. 4 zeigt einen in der Ebene der Berührungsstelle der beiden Werkstücke das aufge- Schweißnaht geführten Schnitt und läßt erkennen, daß schmolzene Material nach unten aus der Schweißstelle 65 der Ladungsträgerstrahl entsprechend seiner Trapezinnerhalb gewisser Grenzen herausfließen kann, so ablenkung an zwei verschiedenen in Richtung der daß sich dabei die in F i g. 3 dargestellte nach unten Schweißnaht hintereinander liegenden Stellen in das konvexe Unterraupe 16 bildet. Die Entstehung der Material eindringt. Wenn die beiden miteinander zu

verschweißenden Werkstücke in der Richtung des stellung von sogenannten V-förmigen Schweißnähten, Pfeiles P gegenüber einem von oben auf die Werk- d. h. um die Schweißverbindung zweier Werkstücke, stücke auffallenden Ladungsträgerstrahl bewegt wer- deren Ebenen senkrecht aufeinanderstehen und die in den mögen, so wird bei der richtigen Strahlintensität der Schnittlinie der beiden Ebenen miteinander verwährend der vorderen Lage des Strahls (in F i g. 4 5 schweißt werden sollen. In diesem Falle ist es berechts) keine vollkommene Durchschweißung erreicht, kannt, an der Berührungsstelle der beiden Werksondern nur eine Verschweißung über einen Bruch- stücke zunächst mit einem scharf fokussierten Elekteil der gesamten Dicke D und es bildet sich dabei tronenstrahl eine Schweißnaht zu erzeugen und anwieder eine Oberraupe 14, da ja während dieser Phase schließend mit einem einer periodischen Querablendes Verschweißvorgangs dieselben Verhältnisse vor- io kung unterworfenen Elektronenstrahl die Schweißliegen wie in Fig. 2. In der hinteren Lage (Fig. 4 naht nochmals abzufahren. Auf diese Weise sollte links) trifft der Strahl dann auf eine Stelle der Schweiß- erreicht werden, daß eine solche Schweißnaht vollnaht auf, die noch unvollkommen durchgeschweißt kommen mit geschmolzenem und dann wieder erist, d. h., wo der Strahl die beiden miteinander zu ver- starrtem Material ausgefüllt wird,
bindenden Werkstücke nicht über die gesamte Dicke D 15 Im zweiten Fall handelt es sich um die Vererfaßt hat. Die Energie des Ladungsträgerstrahls schweißung von zwei Werkstücken, die durch eine braucht in dieser hinteren Lage nicht größer zu sein, parallelwandige Nahtfuge mit gleicher oder größerer als in der vorderen Lage, um die während der vor- Querausdehnung als der Querschnitt des Elektronenderen Lage erzeugte unvollkommene Schweißstelle Strahls voneinander getrennt sind. In diesem Fall völlig durchzuschweißen, d. h., über den Rest der 30 wurde der Elektronenstrahl ebenfalls einer periogesamten Dicke D die beiden Werkstücke miteinander dischen Querablenkung unterworfen, so daß er einen zu verbinden. Dabei bildet sich dann zunächst eine schmalen Randbereich der Nahtfuge erfaßte. Dabei Unterraupe 16 aus den an Hand der F i g. 3 erläuter- wird dann eine schmale Randzone beider Werkstücke ten Gründen, und ferner fließt das in der Oberraupe verflüssigt und das verflüssigte Material läuft unter 14 der F i g. 4 vorhandene Material in die am oberen 95 Bildung einer einwandfreien Schweißnaht beim Ende der Schweißnaht entstehende Einsenkung hin- Weiterbewegen des Elektronenstrahls zusammen,
ein, so daß bei geeigneter Arbeitsweise jedenfalls Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann keine Einsenkung an der Oberseite der beiden Werk- eine Anordnung zur Ausübung des Verfahrens dastücke zu befürchten ist, sondern vielmehr eine Ober- durch gekennzeichnet sein, daß die zur Strahlablenraupe 17 auftritt, die gewissermaßen den Rest der 30 kung in der Richtung der Schweißnaht dienende früher gebildeten Oberraupe 14 darstellt. Stromquelle die zur Strahlablenkung quer zur Schweiß-

Die Erfahrung hat gezeigt, daß man auf diese Weise naht dienende Stromquelle über einen Frequenzteiler

die höchst unangenehme Erscheinung einer konkaven synchronisiert.

Oberraupe 15 nach F i g. 3 vermeiden kann. Eine Einrichtung, mit der das erfindungsgemäße

Eine weitere Verbesserung dieses erfindungsgemä- 35 Verfahren ausgeübt werden kann, ist in der F i g. 5 ßen Schweißverfahrens besteht, wie bekannt, darin, schematisch dargestellt und soll im folgenden bein Verbindung mit der vorstehend beschriebenen schrieben werden.

periodischen Ablenkung des Ladungsträgerstrahls in Mit 18 ist ein Metallgehäuse bezeichnet, in weider Längsrichtung der Schweißnaht auch quer zur chem die Mittel zur Erzeugung, zur Fokussierung und Richtung der Schweißnaht den Ladungsträgerstrahl 40 zur Ablenkung eines Elektronenstrahls untergebracht periodisch hin- und herzubewegen. sind und welches oberhalb eines Bearbeitungsgehäu-

Es kann nämlich bei Materialien, die an ihrem ses 19 angebracht ist. Die Gehäuse 18 und 19 sind im Schmelzpunkt einen hohen Dampfdruck aufweisen, Schnitt dargestellt. An der Oberseite des Gehäuses 18 vorkommen, daß beim Schweißvorgang der Ladungs- befindet sich ein Einführungsisolator 20, innerhalb trägerstrahl in das zu verschweißende Material ein- 45 dieses Gehäuses eine Anodenblende 21 sowie eine dringt und eine verhältnismäßig große Materialmenge elektronenoptische magnetische Linse in Form einer verdampft, ohne gleichzeitig genügend viel des an- Spule 22 und ein elektromagnetisches Ablenksystem, grenzenden Materials aufzuschmelzen, was ja deshalb welches ein in der Zeichenebene liegendes Ablenkfeld unbedingt notwendig ist, damit durch ein Zusammen- mittels zweier Spulen 23 und 24 erzeugt und ein senkfließen des aufgeschmolzenen Materials der nötige 50 recht zur Zeichenebene stehendes Ablenkfeld eben-Zusammenhalt der beiden miteinander zu verbinden- falls mittels zweier Spulen hervorruft, von denen jeden Werkstücke geschaffen werden kann. In diesem doch nur die Polschuhfläche 25 der einen Spule dar-Falle müssen die Randbezirke der Naht zusätzlich gestellt ist. Im Bearbeitungsgehäuse 19 sind die beierhitzt werden. den miteinander zu verschweißenden Werkstücke 26

Es kann ferner vorkommen, daß die beiden mit- ₅₅ und 27 im Schnitt dargestellt. Die Schweißnaht soll einander zu verschweißenden Werkstücke gegen an der Stoßkante dieser beiden Werkstücke entstehen, lokale Überhitzungen verhältnismäßig empfindlich Beide Werkstücke befinden sich auf einem Tisch 28, sind, wie es beispielsweise bei härtbaren Stählen, aber der mittels einer nicht dargestellten Einrichtung senkauch bei Molybdän und Wolfram der Fall ist. Es recht zur Zeichenebene innerhalb des Bearbeitungskönnen sich daher während des Schweißens unter 60 gehäuses 19 verschiebbar sein soll,
ungünstigen Umständen Risse im Material bilden. Durch ein Rechteck 29 ist ein Gerät zur Erzeugung Auch diese Gefahren kann man durch eine Ab- einer Hochspannung von beispielsweise 150 kV darlenkung des Ladungsträgerstrahls quer zur Längsrich- gestellt, welches über eine Leitung 30 mit einem Getung der Schweißnaht vermindern. häuse31 verbunden ist, das ein Gerät 32 zur Er-

Eine periodische Ablenkung eines Elektronen- 65 zeugung eines Heizstroms für die Kathode, ein Gerät Strahls quer zu einer Schweißnaht ist in den beiden 33 zur Erzeugung von Steuerimpulsen für den Steuerfolgenden Anwendungsfällen bereits bekannt. zylinder des Elektronenstrahlerzeugers und ein Gerät

Im ersten dieser Fälle handelt es sich um die Her- 34 zur Erzeugung einer regelbaren Vorspannung für

diesen Steuerzylinder umfaßt. Das Gerät 31 ist über ein Kabel 35 mit einer geerdeten Hülle mit den im Isolator 20 liegenden Anschlußleitungen für die Kathode und den Steuerzylinder verbunden.

Die Spule 22 wird von einer Gleichspannungsquelle 36, die mit den Klemmen der Elektronenlinse über einen Durchführungsisolator 37 verbunden ist, gespeist.

Die beiden Ablenkspulenpaare in dem Ablenkspulensystem 23 bis 25 werden von einer Stromquelle 38, welche gemäß den noch folgenden Erläuterungen verschiedene Formen annehmen kann, über den Durchführungsisolator 39 gespeist.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens sei zunächst angenommen, daß der Tisch 28 sich senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 5 in der Richtung von vorn nach hinten bewegen möge.

Den Ablenkspulen 23 und 24 wird nun beispielsweise ein trapezförmig verlaufender Wechselstrom ao mit gleich langen horizontalen Balken gemäß F i g. 6 über eine Wechselstromkopplung zugeführt. Es werden also dann die beiden miteinander zu verschweißenden Werkstücke 26 und 27 durch den Elektronenstrahl zunächst, während der obere Balken des Tra- as pezstroms durchlaufen wird, an einer Stelle getroffen, die räumlich vor derjenigen Stelle liegt, an der die Werkstücke während des unteren horizontalen Balkens des Trapezstroms getroffen werden. Man sieht also, daß die Schweißnaht bei der Einrichtung nach F i g. 5 und bei einem Betrieb gemäß F i g. 6 tatsächlich unter Vermeidung der eingangs geschilderten Schwierigkeiten hergestellt werden kann. Während des oberen Balkens der trapezförmigen Stromkurve nach F i g. 6 entsteht nämlich das in F i g. 4 rechts dargestellte schraffierte Gebiet, das einer unvollständigen Verschweißung der beiden Werkstücke miteinander entspricht und während des unteren Balkens der Trapezkurve entsteht das in Fig. 4 links dargestellte schraffierte Gebiet vollständiger Verschwelßung.

Die Spule 25 und die zugehörige gleichachsig liegende Ablenkspule in F i g. 5 sind bei diesem Verfahren noch stromlos.

Die bereits eingangs erwähnte Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch periodische Ablenkung des Elektronenstrahls quer zur Schweißnaht kann beispielsweise mit einem sinusförmigen Strom durchgeführt werden. Bei Benutzung eines solchen sinusförmigen Stroms ist die über die ganze Breite der vom Elektronenstrahl bestrichenen Fläche zugeführte Energie nicht genau gleichmäßig verteilt, sondern es empfangen die Randzonen dieser Fläche einen größeren Energiebetrag als die Flächenmitte.

Eine gleichmäßige Verteilung läßt sich jedoch durch Speisung der Ablenkspule 25 und der zugehörigen gleichachsig liegenden Ablenkspule mit einem Strom von satteldachförmigem oder sägezahnf örmigem Verlauf ebenfalls erzielen.

Eine andere Anordnung zur Erzeugung einer Ablenkung quer zur Schweißnaht sei noch an Hand der F i g. 7 beschrieben. In dieser ist 40 ein schematisch gezeichneter Generator, welcher eine sinusförmige Kurvenform zur Speisung der Spulen 23 und 24 in F i g. 5 liefern möge. In der Richtung der Schweißnaht wird der Strahl also ähnlich abgelenkt wie durch den Strom nach F i g. 6. An den Stromerzeuger 40 ist ein Frequenzteiler 41, der die Frequenz des Erzeugers 40 im Verhältnis 5:1 teilen möge, angeschlossen und an den Frequenzteiler 41 ein Impulsgenerator 42, der bei jedem Ausgangsimpuls des Frequenzteilers 41 einen kurzen negativen und anschließend einen kurzen positiven Impuls liefern möge. Die Ausgangsimpulse des Impulsgenerators 42 durchfließen die Ablenkspule 25 und die zugehörige gleichachsige Ablenkspule und der Elektronenstrahl wird also bei Benutzung einer Schaltung nach F i g. 7 nicht nur in der Richtung der Schweißnaht sinusförmig abgelenkt, sondern in regelmäßigen Abständen von fünf Periodenlängen der Sinuskurve auch noch kurzzeitig quer zur Schweißnaht in beiden Richtungen abgelenkt, so daß also das Material beiderseits der Schweißnaht zusätzlich aufgeschmolzen bzw, vorgewärmt wird. Durch Wahl des Frequenzteilungsverhältnisses des Teilers 41 und durch Wahl der Kurvenform des Impulsgenerators 42 hat man es in der Hand, die Größe dieser Effekte zu beeinflussen.

An Hand der F i g. 8 soll eine sehr einfache Schaltungsanordnung besprochen werden, mit deren Hilfe man den Elektronenstrahl zu einer kreisförmigen oder elliptischen Bewegung veranlassen kann.

Ein Erzeuger 43 für sinusförmigen Strom von beispielsweise 50 Hz liefert an seinen beiden Ausgangsklemmen 44 und 45 zwei Ausgangsströme, die um 90° gegeneinander versetzt sind. An die Klemme 44 sind die Ablenkspulen 23 und 24 angeschlossen und an die Klemme 45 die Ablenkspule 25 und die zugehörige gleichachsig liegende Ablenkspule. Die Amplitude der in der Richtung der Schweißnaht und quer zur Richtung der Schweißnaht liegenden Ablenkung ist bei der Schaltung nach F i g. 8 gleich groß, wenn die Spannung an den Ausgangsklemmen 44 und 45 gleich groß ist, anderenfalls durchläuft der Strahl eine elliptische Bahn.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Schweißen von Werkstücken längs einer Schweißnaht mittels eines Ladungsträgerstrahls, der relativ zu den Werkstücken längs der Schweißnaht im Mittelwert kontinuierlich bewegt wird und dieser im Mittelwert kontinuierlichen Bewegung eine periodische sprunghafte Vor- und Rückbewegung des Ladungsträgerstrahls in Richtung der Schweißnaht überlagert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Periode seiner Vor- und Rückbewegung in Bezug zu seiner im Mittelwert kontinuierlichen Bewegung so bemessen wird, daß er stets nach seiner Rückbewegung auf eine Stelle trifft, die er vordem nach seiner Vorbewegung getroffen hatte.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgerstrahl —■ wie an sich bekannt — überdies quer zur Schweißnaht periodisch hin- und herbewegt wird.

3. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Strahlablenkung in der Richtung der Schweißnaht dienende Stromquelle die zur Strahlablenkung quer zur Schweißnaht dienende Stromquelle über einen Frequenzteiler synchronisiert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen