DE1298851B

DE1298851B - Verfahren zur Materialbearbeitung mittels Strahlungsenergie

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Publication number: DE1298851B
Application number: DEST21397A
Authority: DE
Original assignee: KARL HEINZ DIPL PHYS; STEIGERWALD
Current assignee: KARL HEINZ DIPL PHYS; STEIGERWALD
Priority date: 1963-12-02
Filing date: 1963-12-02
Publication date: 1969-07-03
Also published as: CH428978A; US3303319A; NL6413679A; AT265457B; BE656489A; SE337519B; GB1072570A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Material- Verfahren zur Materialbearbeitung mittels eines aus bearbeitung mittels eines aus mindestens zwei ver- mindestens zwei verschiedenen Komponenten beschiedenen Komponenten' bestehenden, mit strahl- stehenden, mit strahloptischen Mitteln steuerbaren optischen Mitteln steuerbaren Strahls. Strahls gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß

Bei bekannten Verfahren dieser Art übernehmen 5 eine oder mehrere erste Strahlkomponenten im wedie Strahlkomponenten bestimmte Teile der für die sentlichen der Energiezufuhr zur Bearbeitungsstelle Bearbeitung insgesamt erforderlichen Energieliefe- dienen und daß eine oder mehrere zweite Strahlrung. Beispielsweise wird bei einem-bekannten Ver- komponenten aus neutralen Korpuskeln und/oder fahren ein aus zwei verschieden fokussierten Korn- Ionen bestehen, die derart ausgewählt sind, daß die ponenten bestehender Elektronenstrahl verwendet, io chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften bei dem die eine, unscharf fokussierte Komponente des Materials an der Auftreffstelle in gewünschter zur Erwärmung oder zum Vorwärmen des Bearbei- Weise veränderbar sind.

tungsbereichs dient, während die andere, scharf fokus- Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß

sierte Komponente den infolge der Vorwärmung er- sich bei der thermischen Materialbearbeitung mit leichterten eigentlichen Bearbeitungsvorgang aus- 15 Strahlungsenergie die für das Bearbeitungsergebnis führt. Es ist auch im Rahmen eines bekannten Ver- entscheidenden Vorgänge in einer sehr dünnen Schicht fahrens zum Bohren feiner Löcher mit Hilfe eines im Bereich des Einstrahlungsquerschnitts sowie an Ladungsträgerstrahls bereits darauf hingewiesen wor- dessen unmittelbarer Oberfläche abspielen, so daß es den, daß man einen Ladungsträgerstrahl verwenden genügt, während der eigentlichen Bearbeitungszeit die kann, der sowohl Elektronen als auch negative Ionen 20 chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften enthält. Auch hier werden offensichtlich beide Strahl- des Materials in dieser dünnen Schicht in einem gekomponenten als Bearbeitungswerkzeug angesehen. wünschten Sinn zu verändern, um den Ablauf des

Bei diesen und anderen bekannten Verfahren zur Bearbeitungsvorgangs günstig zu beeinflussen. Dies Materialbearbeitung mittels Strahlungsenergie wird gilt besonders bei Bearbeitungen mit Materialabtrader Bearbeitungsvorgang, beispielsweise eine Ma- 35 gung und beim Schweißen, da bei derartigen Vorterialabtragung oder -auftragung, die Herstellung gangen das Material an der Bearbeitungsstelle in den einer Verbindung durch Schweißen oder Löten, das flüssigen und/oder dampfförmigen Aggregatzustand Trennen von Werkstücken durch Schneiden, das Tem- übergeht. Es genügt hier bereits die Zufuhr von Spupern von Werkstoffen oder die Verformung fester ren geeigneter Substanzen, um die in den Übergangs-Körper, durch geeignete Wahl des Strahlquerschnitts, 30 zonen zwischen den verschiedenen Aggregatzuständer Strahlintensität und des örtlichen und zeitlichen den ablaufenden Prozesse wesentlich zu verändern, Behandlungsablaufs beeinflußt. Andererseits ist der und nach der Erfindung werden derartige Substanzen Ablauf des Bearbeitungsvorgangs von den Eigenschaf- in Form von aus neutralen Korpuskehl und/oder ten des zu bearbeitenden Materials abhängig. Neben Ionen bestehenden Strahlkomponenten zugeführt, den thermischen Eigenschaften spielen hierbei auch 35 Es ist zwar bei der Materialbearbeitung mit einem Eigenschaften wie Zähigkeit, Oberflächenspannung, Plasmabrenner schon bekannt, in das Plasma zusätzelektrische Leitfähigkeit und andere eine Rolle. liehe Stoffe, beispielsweise als Pulverstrahl, einzu-Hierdurch ergeben sich bei den verschiedenen Ma- leiten, die dann zum Schmelzen und zum Verdampfen terialien starke Unterschiede in bezug auf Bearbei- kommen und dann natürlich auch Wirkungen auf das tungsfähigkeit und Bearbeitungsergebnis. Ähnlich wie 40 bearbeitete Material ausüben, doch handelt es sich bei mechanischen Bearbeitungsverfahren zeigte sich bei einem Plasma wegen der darin vorliegenden sehr daher auch bei der Bearbeitung mit einem Energie- hohen Ladungsträgerdichte nicht um einen mit strahlstrahl, daß sich verschiedene Materialien je nach optischen Mitteln steuerbaren und hoch fokussierihren Eigenschaften mehr oder weniger gut bearbeiten baren Energiestrahl, und die in das Plasma eingeführlassen. Da einige der für die Bearbeitbarkeit maß- 45 ten zusätzlichen Substanzen werden mehr oder wegebenden Werkstoffeigenschaften bereits von geringen niger breit versprüht und verdampft, so daß der-Veränderungen der Zusammensetzung des Werkstoffs artige Verfahren hauptsächlich zur Herstellung von stark abhängig sind, können durch geringfügige Überzügen, beispielsweise aus keramischen Stoffen, Schwankungen der Werkstoffzusammensetzung un- verwendet werden.

kontrollierbare Veränderungen des Bearbeitungs- 50 Es ist ferner ein Verfahren bekannt, bei dem eine ergebnisses auftreten. zu einer elektrisch leitenden Substanz reduzierbare

Durch geeignete Wahl der Betriebswerte des vom Oberflächenschicht eines Werkstücks durch Bestrah-Strahl ausgeführten Bearbeitungsvorgangs lassen sich len mit einem Elektronenstrahl und gleichzeitige Zudie verschiedenen Materialeigenschaften in gewissen fuhr eines Reduktionsmittels in Form eines Pulver-Grenzen berücksichtigen. Es hat sich jedoch gezeigt, 55 oder Gasstroms reduziert wird. Dieses bekannte Verdaß diese Grenzen verhältnismäßig eng gesteckt sind fahren beschäftigt sich jedoch nicht mit der Aufgabe, und daß sowohl die Bearbeitungsfähigkeit als auch die durch das Werkstückmaterial gegebenen Bedie Gleichmäßigkeit des Bearbeitungsergebnisses in schränkungen der Bearbeitung mit Energiestrahlen vielen Fällen unzureichend sind, so daß eine tech- zu überwinden, und die in dieser Hinsicht bestehennische Anwendung der Bearbeitung mit Strahlungs- 60 den Möglichkeiten bei Verwendung eines echten energie erschwert ist oder überhaupt nicht in Frage Mehrkomponentenstrahls werden durch dieses bekommt, kannte Verfahren weder offenbart noch nahegelegt.

Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe Bei einem anderen bekannten Verfahren wird beim

aus, die durch die Materialeigenschaften gegebenen Bearbeiten von Gegenständen oder Materialien mit Beschränkungen der Anwendbarkeit von Strahlungs- 65 Ladungsträgerstrahlen der Strahl über ein Druckenergie für Bearbeitungszwecke möglichst weitgehend Stufensystem in einen unter höherem Druck stehenden zu überwinden. Bearbeitungsraum ausgeschleust, und im Bearbei-

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe mit einem tungsraum sind Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten vor-

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handen, die mit dem durch den Ladungsträgerstrahl deren Wände aus geschmolzenem Material gebildet erhitzten Material eine chemische Verbindung ein- werden. Maßgebend für die Ausbildung des Tiefgehen. Bei diesem bekannten Verfahren ist demnach schweißvorgangs ist dabei ganz besonders die Obereine gezielte, genau dosierte Zufuhr einer reagieren- flächenspannung des geschmolzenen Materials. Eine den Substanz zur Bearbeitungsstelle grundsätzlich 5 hohe Oberflächenspannung erfordert einen entnicht möglich. sprechend hohen Dampfdruck in der Tiefschweiß-

Vorzugsweise sind bei dem erfindungsgemäßen kapillare zur Aufrechterhaltung des für den Durchlaß Verfahren eine oder mehrere zweite Strahlkomponen- der Strahlung notwendigen freien Kapillarraums. Daten so ausgewählt, daß die Materialeigenschaften an durch ist es notwendig, die eingestrahlte Leistungsder Auftreffstelle so veränderbar sind, daß der durch io dichte so hoch zu wählen, daß im Kapillarraum die die erste Strahlkomponente ausgelöste Bearbeitungs- hierfür erforderliche Temperatur erreicht wird, effekt in gewünschter Weise während der Bearbeitung Der Wert der in der Kapillare wirksamen Oberbeeinflußt wird. Man kann aber auch eine oder meh- flächenspannung hängt praktisch nur von der Subrere der zweiten Strahlkomponenten so auswählen, stanz ab, welche die Innenfläche der Kapillare selbst daß die Materialeigenschaften im Bereich der Auf- 15 bildet. Im allgemeinen herrschen hier also die Eigentreffstelle des Strahls bleibend verändert werden, bei- schäften des geschweißten Werkstoffs vor. Wird die spielsweise so, daß die bei der Bearbeitung durch die Innenfläche jedoch von einer nur eine oder wenige zur Energiezufuhr dienende erste Strahlkomponente Atomlagen dicken Schicht einer Fremdsubstanz beauftretenden unerwünschten Materialveränderungen deckt, so herrscht deren Eigenschaft vor und verkompensiert werden. 20 ändert die wirksame Oberflächenspannung in ihrem Beim Verschweißen zweier Werkstücke können Sinne. Verwendet man also zur Tiefschweißung nicht, mittels mindestens einer der zweiten Strahlkomponen- wie das bisher üblich war, eine reine Elektronenstrahten Substanzen an die Schweißstelle gebracht werden, lung, sondern eine aus Elektronen und einem Anteil welche die Oberflächenspannung des verflüssigten geeigneter Atome bzw. Ionen kombinierte Strahlung, Materials herabsetzen. Dies führt, wie weiter unten 25 so werden die Atome bzw. Ionen die Wände der Kanoch erläutert wird, zu einer merklichen Herabset- pillaren erreichen und, falls ihre Konzentration in der zung der zur Bearbeitung erforderlichen Energie- Strahlung einen geeigneten Wert besitzt, hier eine zufuhr. die Oberflächenspannung wesentlich beeinflussende Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfah- Schicht bilden. Die notwendige Konzentration der rens zum Verschweißen zweier Werkstücke aus Stahl 30 Atomstrahlung hängt im wesentlichen von der Verkönnen mittels mindestens einer der zweiten Strahl- weilzeit der Atome in der Oberfläche der Kapillare komponenten Substanzen an die Schweißstelle heran- und der während des Schweißvorgangs folgenden Begebracht werden, beispielsweise Niobatome und/oder wegung der Kapillare durch das Material ab. Da nur -ionen, die den in der Schweißzone vorhandenen eine oder wenige Atomlagen für den gewünschten Kohlenstoff binden. 35 Effekt erforderlich sind, wird nur eine außerordentlich Eine weitere vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit geringe Substanzmenge durch die Strahlung zugedes erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch ge- führt, die in den meisten Fällen keine merkbare perkennzeichnet, daß zum Rückgängigmachen einer vor- manente Veränderung der Eigenschaften des gehandenen Karbidbildung in Stahl die betreffende Ma- schweißten Materials erzeugt.

terialstelle mittels eines Strahls aufgeschmolzen wird, 40 Die Verbesserung des Bearbeitungsablaufs kann der mindestens eine den Kohlenstoff bindende zweite vorwiegend in zweierlei Hinsicht erfolgen. Einmal Strahlkomponente enthält. kann mit einer Verringerung der Oberflächenspan-

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfin- nung eine wesentliche Verringerung der für den Tiefdungsgemäßen Verfahrens besteht bei Anwendung schweißvorgang notwendigen Verdampfungstemperazum Verschweißen zweier Werkstücke aus austeniti- 45 tür und damit der erforderlichen Leistungsdichte bzw. schem Stahl darin, daß mittels mindestens einer Gesamtleistung der Energieeinstrahlung einhergehen, zweiten Strahlkomponente der Schweißzone Kohlen- Dies bedeutet andererseits insbesondere höhere mögstoffatome und/oder -ionen zugeführt werden. liehe Eindringtiefe bzw. höhere Schweißgeschwindig-

AIs zur Energiezufuhr dienende erste Strahlkompo- keit sowie weitere Herabsetzung der pro Schweißnente können beispielsweise Elektronen oder elektro- 50 fläche erforderlichen Energie. Eine zweite technisch magnetische Strahlung, z. B. Lichtstrahlung, verwen- sehr wichtige Wirkung ist die Ausschaltung der det werden. Schwankungen der Werkstoffzusammensetzung und

Die Erfindung wird im folgenden an Hand einiger der dadurch hervorgerufenen Instabilität des Schweiß-Ausführungsbeispiele näher erläutert. Vorganges und seines Ergebnisses.

Als erstes Beispiel wird die Ausführung einer 55 Aus den hier erwähnten Wirkungen geht aber auch sogenannten Tiefschweißung betrachtet. Beim Tief- hervor, daß sich beispielsweise die Eindringtiefe durch schweißen wird ein Ladungsträgerstrahl, Vorzugs- Veränderung der Strahlungszusammensetzung ebenweise ein Elektronenstrahl auf die Schweißstelle falls beeinflussen läßt. Man erkennt also, daß der fokussiert, und seine Leistungsdichte wird so groß kombinierte Strahl eine Fülle von Möglichkeiten biegewählt, daß der Strahl unter Bilden einer schmalen 60 tet, den Bearbeitungsvorgang optimal zu gestalten und hocherhitzten Zone tief in das Material eindringt und ihn in weiten Grenzen auch unabhängig von den dabei seine Energie über die gesamte Eindringtiefe Eigenschaften des bearbeiteten Materials zu machen, direkt an das Material abgibt. Es entsteht dabei eine Damit bietet das neue Verfahren die notwendigen Schweißzone, deren Verhältnis Eindringtiefe/Breite Voraussetzungen zur weitgehenden technischen Begroß, insbesondere größer als 3 : 1 ist. Beim Eindrin- 65 herrschung des Bearbeitungsvorgangs, welche dem gen des Ladungsträgerstrahls in das Material wird das Elektronenstrahl- bzw. Ladungsträgerstrahlverfah-Material in der Eindringzone verdampft, d. h., es ren allein fehlen, bildet sich eine mit Materialdampf erfüllte Kapillare, Als zweites Beispiel wird die Schweißung eines

Chrom-Nickel-Stahles 18/8 betrachtet, wobei die Gefahr interkristalliner Korrosion vermieden werden soll. Zu diesem Zweck wird eine Strahlung verwendet, die neben dem Energieträger einen ausreichenden Anteil an Nb-Atomen bzw. -Ionen enthält. Die Be-Strahlung wird dabei so geführt, daß die Nb-Einstrahlung den in der Schweißzone vorhandenen Kohlenstoff erreicht und bindet, bevor es zur Bildung von Chromkarbiden kommt. Mit der gleichen Methode kann eine schon vorhandene Chrom-Karbid-Bildung rückgängig gemacht werden. Zu diesem Zweck wird die betreffende Stelle des Werkstücks mit einer Tiefschweißung mit einem nach der Erfindung aufgebauten Strahl durchsetzt, der einen genügenden Anteil unschädlicher, kohlenstoff bindender Strahlung besitzt. Größere Flächen lassen sich auf diese Weise in geeigneter Folge abtasten und so behandeln.

Als drittes Beispiel wird der Härteabfall bei Schweißungen austenitischer Stähle betrachtet. Dieser wird im allgemeinen durch eine Auflösung von Karbiden während des Schweißvorgangs hervorgerufen. In diesem Fall wird ein ausreichender Strahlungsanteil an C-Atomen vorgesehen, der durch C-Anreicherung zu einer Neubildung von Karbiden in der Schweißzone führt und so den Karbidverlust kompensiert. Damit wird ein Härteabfall und die damit einhergehende Schwächung des Materials in der Schweißzone vermieden.

Umgekehrt läßt sich ein Härteanstieg in der Schweißzone, wie er beim Schweißen eines härtbaren Stahls zu erwarten ist, durch eine Strahlung mit einer kohlenstoffbindenden bzw. -beseitigenden Wirkung vermeiden.

Das neue Verfahren kann auch zur Lösung einer Vielzahl von anderen, bei der Materialbearbeitung mittels Strahlungsenergie auftretenden Problemen Anwendung rinden.

Claims

Patentansprücher

1. Verfahren zur Materialbearbeitung mittels eines aus mindestens zwei verschiedenen Komponenten bestehenden, mit strahloptischen Mitteln steuerbaren Strahls, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere erste Strahlkomponenten im wesentlichen der Energiezufuhr zur Bearbeitungsstelle dienen und daß eine oder mehrere zweite Strahlkomponenten aus neutralen Korpuskehl und/oder Ionen bestehen, die derart ausgewählt sind, daß die chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften des Materials an der Auftreffstelle in gewünschter Weise veränderbar sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere zweite Strahlkomponenten so ausgewählt sind, daß die Materialeigenschaften an der Auftreffstelle so veränderbar sind, daß der durch die erste Strahlkomponente ausgelöste Bearbeitungseffekt in gewünschter Weise während der Bearbeitung beeinflußt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere der zweiten Strahlkomponenten so ausgewählt sind, daß die Materialeigenschaften im Bereich der Auftreffstelle des Strahls bleibend verändert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere der zweiten Strahlkomponenten die Materialeigenschaften so verändern, daß die bei der Bearbeitung durch die zur Energiezufuhr dienende erste Strahlkomponete auftretenden unerwünschten Materialveränderungen mindestens teilweise kompensiert werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 bei Anwendung zum Verschweißen zweier Werkstücke, dadurch gekennzeichnet, daß mittels mindestens einer der zweiten Strahlkomponenten Substanzen an die Schweißstelle gebracht werden, welche die Oberflächenspannung des verflüssigten Materials herabsetzen.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 3 und 4 bei Anwendung zum Verschweißen zweier Werkstücke aus Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß mittels mindestens einer der zweiten Strahlkomponenten Substanzen an die Schweißstelle herangebracht werden, die den in der Schweißzone vorhandenen Kohlenstoff binden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der zweiten Strahlkomponenten aus Niobatomen und/oder -ionen besteht.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Rückgängigmachen einer vorhandenen Karbidbildung in Stahl die betreffende Materialstelle mittels eines Strahls aufgeschmolzen wird, der mindestens eine den Kohlenstoff bindende zweite Strahlkomponente enthält.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 3 und 4 bei Anwendung zum Verschweißen zweier Werkstücke aus austenitischem Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß mittels mindestens einer zweiten Strahlkomponente der Schweißzone Kohlenstoffatome und/oder -ionen zugeführt werden.