DE1515197B2

DE1515197B2 - Energiestrahl-Schweiß verfahren

Info

Publication number: DE1515197B2
Application number: DE1515197A
Authority: DE
Inventors: Karl Heinz Dipl.Phys. 8000 Muenchen Steigerwald
Original assignee: Steigerwald Strahltecknik GmbH
Current assignee: Steigerwald Strahltecknik GmbH
Priority date: 1964-05-06
Filing date: 1964-05-06
Publication date: 1974-01-17
Also published as: GB1114857A; JPS5318449B1; US3417223A; AT271149B; NL6505755A; BE663552A; SE322396B; DE1515197A1; CH450578A; DE1515197C3

Description

Bei großen, insbesondere bei unregelmäßigen

Spalten zwischen den zu verschweißenden Stellen ist

Es ist bekannt, mit Strahlungsenergie, insbeson- das Elektronenstrahlverfahren bisher nicht einsatzfädere Elektronenstrahlen, Werkstoffe zu erhitzen und 15 hig. Man hat versucht, Spalte z. B. durch Einlegen auf diese Weise Bohrungen, Materialabtragungen, von Blechstreifen, körnigem, pulverförmigem oder Lötungen, Schweißungen und sonstige Werkstoffbe- ähnlichem Material aufzufüllen und zu verschweißen, arbeitungen auszuführen. Bei der Herstellung von Es haben sich aber unter anderem durch die nicht zu Elektronenstrahlschweißungen, beispielsweise einer vermeidenden Hohlräume und die zu ihrer Ausfülgeradlinigen Schweißnaht, werden die miteinander zu ao lung während des schnellen Schweißvorganges erforverbindenden Teile entlang der Verbindungsfläche in derlichen Materialbewegungen unkontrollierbare möglichst enge Berührung gebracht. Sodann führt praktische Schwierigkeiten gezeigt.
man den Elektronenstrahl entlang der an der Ober- Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe fläche sichtbaren Verbindungslinie mit dem Ziel, die zugrunde, ein Verfahren zum Schweißen mit Strah-Verbindungsflächen in gewünschter Tiefe durch 25 lungsenergie anzugeben, welches die geschilderten Schmelzen und Schweißen miteinander zu verbinden. Nachteile ausschließt und das unter Berücksichtigung Die Energieausbreitung von der Strahlauftreffstelle der physikalischen Eigenschaften eines Energieaus in den Bereich der zu verschweißenden Zone Strahls und der speziellen, beim Schweißen mittels hinein wird über die Wärmeleitfähigkeit des Werk- eines solchen Energiestrahls, z. B. eines Elektronenstoffs sowie bei geeigneter Ausführung des Verfah- 30 Strahls, vorliegenden physikalischen Phänomene die rens durch die als Tiefschweißeffekt bekannte direkte Möglichkeit der Zufuhr von zusätzlichem Material Einstrahlung der Elektronenstrahlenergie bewirkt. an die jeweilige Schweißstelle bietet.

Die Erfahrung zeigt, daß die hier geschilderte Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht,

Schweißmethode in der Praxis wesentliche Nachteile daß zur Erzielung einer für die Erhaltung der

aufweist. In erster Linie ist die enge Berührung der 35 Schweißtemperatur an einer oder mehreren Schweiß-

zu verschweißenden Flächen eine Forderung, die sich stellen erforderlichen mittleren Leistungsdichte des

nur in speziellen Fällen erfüllen läßt. Grundsätzlich Schweißstrahls bei Zufuhr von zusätzlichem Material

ist die Ausbildung der Berührungszone eine Frage an die jeweilige Schweißstelle das Abschmelzen des

der Bearbeitungsgenauigkeit. In vielen Anwendungs- zusätzlichen Materials einerseits und das Zuführen

fällen schied bisher das Elektronenstrahlschweißen 40 der Energie des Schweißstrahls andererseits in ver-

aus, weil es bei der Vorbereitung und Ausbildung schiedenen, in der Nähe der jeweiligen Schweißstelle

der Schweißzone Genauigkeiten verlangt, die am befindlichen Bereichen erfolgen. Dadurch ist es mög-

Werkstück aus anderen Gründen nicht erforderlich lieh, die Zufuhr von zusätzlichem Material den je-

sind und somit zu unnötigem Mehraufwand führen weiligen Gegebenheiten an der Schweißstelle anzu-

würde. . . ■ ■ 45 passen und auf diese Art Störungen zu vermeiden, da

Die besondere Empfindlichkeit des Elektronen- der Abschmelzbereich für das Zusatzmaterial aus

Strahlschweißens auf Spalten oder sonstige Hohlstel- dem Zuführbereich der von vornherein genau dosier-

len, wie Lunker, in der Durchstrahlungszone ist ten und scharf lokalisierten Schweißenergie des

durch den bei der Werkstückerhitzung ablaufenden Energiestrahls an eine Schweißstelle herausgelegt

Energieumwandlungsprozeß bedingt. In den Hohlbe- 50 werden kann.

reichen findet keine Energieumwandlung und damit Es ist bekannt, beim Autogen- und Bogenschweißkeine Erhitzung statt. Die Gesamterwärmung des in verfahren mit kontinuierlich zugeführtem Zusatzmadiesem Augenblick geschweißten Querschnitts geht terial zu arbeiten. Die Zufuhr der Energie mit Hilfe zurück. Gleichzeitig entstehen durch die unver- der Flamme oder des Bogens unterscheidet sich jebrauchte, überschüssige Strahlenenergie besonders 55 doch ganz wesentlich von der Energiezufuhr beim im Strahlaustrittsbereich Werkstoffverluste durch Energiestrahl-Schweißverfahren. Sowohl die Flamme örtliche Überhitzung und Spritzen, die zu Kerben als auch der Bogen stellen ein heißes Medium dar, führen, sowie andere unerwünschte Erscheinungen. welches sich im wesentlichen nach den Gesetzen Ähnliche Störungen treten auf, wenn Fremdein- einer Gasströmung ausbreitet und auf diese Weise inschlüsse oder sonstige Inhomogenitäten im Bereich 60 nerhalb eines gewissen geschlossenen räumlichen Beder Schweißzone vorliegen. reiches praktisch jede hier befindliche Grenzfläche Ein weiterer Nachteil des Tiefschweißens beruht umströmt und aufheizt. Es bereitet daher keine auf den Voraussetzungen, unter welchen der Tief- Schwierigkeiten, innerhalb der heißen Zone, in welschweißeffekt selbst zustande kommt. Im Bereich der . eher die erforderliche Erhitzung der zu verschwei-Durchstrahlungszone muß ein hoher Dampfdruck er- 65 ßenden Werkstückstellen erfolgt, auch noch das Zuzeugt werden, der in den meisten Fällen Temperatu- satzmaterial abzuschmelzen und an die Schweißstelle ren weit über dem Schmelzpunkt des geschweißten zubringen.
Werkstoffs erforderlich macht. Die Folge sind Mate- Im Falle der Energiezufuhr durch Strahlung liegen

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grundsätzlich andere Verhältnisse vor. Die Strahlung satzmaterial in den Abschmelzbereich die Werkbreitet sich in von optischer Brechung freien Räumen stücke so relativ zum Schweißstrahl bewegt werden, geradlinig aus. Ihr besonderer Vorteil bei der thermi- daß der Spalt zwischen den miteinander zu verschen Materialbearbeitung, insbesondere beim schweißenden Flächen in Nahtrichtung fortschrei-Schweißen, liegt in dem Vorgang der praktisch trag- 5 tend mit Zusatzmaterial ausgefüllt wird,
heitslosen Erhitzung einer getroffenen Werkstücks- Der Schweißstrahl wird dabei so auf die Werkstelle sowie der scharfen Lokalisierbarkeit der Erhit- stücke gerichtet, daß seine Außenbereiche die Spaltzungswirkung auf diesen Bereich. Auf diese Weise wände tangential treffen und auf Schweißtemperatur werden die wichtigsten Vorzüge der Elektronen- bringen. Zur Auffüllung und zum Verschweißen des strahlschweißungen erreicht, nämlich geringer Auf- io Spaltes wird nun Zusatzmaterial so in den Spalt einwand an spezifischer Schweißwärme und die damit gebracht, daß dieses von einem Teil des Schweißverbundenen günstigen Folgen. Andererseits kann Strahls getroffen und dabei hocherhitzt wird. Dieses der Vorgang der Schweißverbindung nur in diesem hocherhitzte Material wird dann durch oder unter scharf begrenzten Bereich erfolgen. Diese Bedingung Temperatureinwirkung auf kürzestem Wege in Richstellt grundsätzliche Forderungen an die Methode der 15 rung der von der Strahlung auf Schweißtemperatur Zufuhr von Zusatzmaterial. Diese Zufuhr muß gebrachten Spaltwände und der bereits verschlossegrundsätzlich so erfolgen, daß die für die Erhaltung nen Spaltbereiche bewegt.

der Schweißtemperatur an der Schweißstelle erfor- Zu Beginn der Schweißung kann der Spalt teil-

derliche mittlere Leistungsdichte der Einstrahlung er- weise durch längs oder quer zu den zu verbindenden

halten bleibt. 20 Flächen sich erstreckende Berührungsstellen, z.B.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann durch Kanten, Bunde, Querstege oder keilförmige

das zusätzliche Material in einem Bereich abge- Ausbildung des Spaltes unterbrochen sein, muß es

schmolzen werden, der innerhalb eines nicht der Zu- aber nicht. Es ist zweckmäßig, das Zusatzmaterial in

fuhr der Energie des Schweißstrahls an die jeweilige Form eines Drahtes oder Bandes in den Abschmelz-

Schweißstelle dienenden Teilquerschnitts des as bereich einzuführen.

Schweißstrahls liegt. Hierbei wird also zur Erhitzung Es gibt verschiedene Möglichkeiten, das Zusatz-

der Schweißstelle und des Zusatzmaterials dieselbe material in den Abschmelzbereich einzuführen. So ist

Strahlung verwendet. es beispielsweise möglich, das Zusatzmaterial so ein-

Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, das zusatz- zuführen, daß es die jeweilige Verbindungsstelle

liehe Material und den Schweißstrahl in der Weise 30 nicht berührt. In diesem Fall wird der Schweißstrahl

relativ zueinander zu bewegen, daß der Schweiß- so gesteuert, daß er die von ihm angeschmolzene

strahl mindestens mit einem Teilquerschnitt vorüber- Fläche des Zusatzmaterials höher erhitzt als die

gehend oder in Intervallen den Abschmelzbereich Schweißstelle. Das hocherhitzte Zusatzmaterial wird

des zusätzlichen Materials erfaßt. dann durch die Temperatureinwirkung zur Schweiß-

Wird insbesondere bei dem erfindungsgemäßen 35 stelle bewegt, und bei der Relativbewegung zwischen

Verfahren das zusätzliche Material in fester Form Schweißstrahl und Werkstück wird der Spalt aufge-

zugeführt, so wird die Erhitzung so ausgeführt, daß füllt.

die Temperatur im Abschmelzbereich des zusätzli- Die erforderliche Temperaturdifferenz kann dachen Materials höher gehalten wird als die Tempera- durch hergestellt werden, daß der Schweißstrahl relatur an den Schweißstellen. 40 tiv zum Zusatzmaterial so bewegt wird, daß der

Es ist z.B. auch möglich, durch entsprechende Schweißstrahl den Abschmelzbereich langsamer

Wahl der Zuführungsgeschwindigkeit des zusätzli- überstreicht als die Schweißstelle,

chen Materials zu bewirken, daß die Leistungsdichte Es ist auch möglich, das Zusatzmaterial in der

der Energieeinstrahlung im Abschmelzbereich den Mitte des Spaltes einzuführen und den Schweißstrahl

erforderlichen Wert erreicht. 45 periodisch so zu bewegen, daß unter gleichzeitiger

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es Aufschmelzung von Zusatzmaterial und Werkstückbeispielsweise möglich, auf ein Werkstück eine material abwechselnd je ein Abschmelzbereich zu Schicht des Zusatzmaterials aufzuschweißen. Dazu beiden Seiten des Zusatzmaterials gebildet wird. Das ist es erforderlich, das Werkstück und den Schweiß- Zusatzmaterial wird hier aufgeschmolzen und fließt strahl unter laufender Zufuhr von Zusatzmaterial re- 50 im wesentlichen um die Strahlung herum auf die zu lativ zueinander zu bewegen. Dabei wird jeweils nur verschweißenden Flächen auf. Diese Maßnahme eine dünne Schicht des Werkstücks auf Schweißtem- empfiehlt sich besonders dann, wenn die zu verbinperatur gebracht, und es wird stets nur so viel Zusatz- denden Flächen stark unregelmäßig ausgebildet sind, material verflüssigt, wie an der Schweißstelle benö- Ferner ist es möglich, das Zusatzmaterial so in den tigtwird. 55 Abschmelzbereich einzuführen, daß es wenigstens

Es ist auch möglich, das Aufschweißen einer eine der miteinander zu verschweißenden Werkstück-Schicht aus Zusatzmaterial in der Weise vorzuneh- flächen berührt. Die Leistungsdichte der Strahlung men, daß biegsames Zusatzmaterial auf ein Werk- wird hier so hoch gewählt, daß das zusätzliche Mastück niedergerollt und dabei an der fortschreitenden terial aufgeschmolzen und gleichzeitig das Material Berührungsstelle zwischen Werkstück und Zusatzma- 60 an der Schweißstelle auf Schweißtemperatur gebracht terial kontinuierlich in den Abschmelzbereich hinein- wird. Auch hier fließt das aufgeschmolzene Zusatzgebracht wird. material auf die Schweißstelle auf.

Das erfindungsgemäße Verfahren findet besonders Weiterhin kann das Zusatzmaterial so in den Abvorteilhafte Anwendung zum Verschweißen zweier schmelzbereich eingeführt werden, daß es die mitein-Werkstücke entlang einer Naht. Dazu werden die 65 ander zu verschweißenden Flächen der Werkstücke Werkstücke einander so weit genähert, daß sich die berührt. Die Leistungsdichte der Strahlung wird hier miteinander zu verschweißenden Flächen nicht be- so hoch gewählt, daß das zusätzliche Material und rühren und daß bei kontinuierlicher Zufuhr von Zu- gleichzeitig das Material an der Schweißstelle aufge-

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schmolzen wird. Es ist also an der jeweiligen Verbin- miteinander zu verschweißender Werkstücke sowie

dungsstelle stets flüssiges Zusatzmaterial vorhanden, die Erhitzung der Schweißstelle und des Zusatzmate-

das in alle Unebenheiten der zu verbindenden Flä- rials durch ein horizontal auftreffendes Strahlenbün-

chen eindringen kann. del,

Dasselbe Ziel läßt sich erreichen, wenn das Zu- 5 F i g. 6 einen Schnitt entlang des Spaltes zweier

satzmaterial so schnell in den Abschmelzbereich ein- miteinander zu verschweißender Werkstücke sowie

geführt wird, daß an der Schweißstelle eine den Spalt die Erhitzung der Schweißstelle und des Zusatzmate-

zwischen den miteinander zu verschweißenden Werk- rials durch ein bewegtes Strahlenbündel,

stückflächen stets ausfüllende Schicht geschmolzenen F i g. 7 eine Draufsicht auf zwei miteinander zu

Materials entsteht, wobei die Leistungsdichte des io verschweißende Werkstücke und die Zuführung des

Schweißstrahls so hoch gewählt wird, daß er in das Zusatzmaterials,

bereits verflüssigte Zusatzmaterial eindringt. F i g. 8 eine Draufsicht auf zwei miteinander zu

Unter Umständen und insbesondere dann, wenn verschweißende Werkstücke und die Zuführung des

sehr dicke Werkstücke zu verschweißen sind, ist es Zusatzmaterials in einer anderen Art wie in F i g. 7

vorteilhaft, das Zuführen und Abschmelzen des Zu- 15 dargestellt,

satzmaterials so zu steuern, daß jeweils nur eine zum F i g. 9 eine Draufsicht auf zwei miteinander zu

vollständigen Ausfüllen des Spaltes zwischen den verschweißende Werkstücke sowie die Erhitzung der

miteinander zu verschweißenden Werkstückflächen Schweißstelle und des Zusatzmaterials durch ein be-

nicht ausreichende Menge des Zusatzmaterials abge- wegtes Strahlenbündel,

schmolzen wird und daß unter mehrmaligem Bewe- 20 Fig. 10 eine Draufsicht auf zwei miteinander zu

gen des Schweißstrahls relativ zum Zusatzmaterial verschweißende Werkstücke sowie die Zufuhr und

der Spalt schichtweise aufgefüllt wird. Erhitzung des an einer Spaltwand anliegenden Zu-

Um das Auffließen von Zusatzmaterial auf die satzmaterials,

Schweißstellen zu erleichtern, kann es zweckmäßig Fig. 11 eine perspektivische Ansicht zweier mitsein, die Strahlung aus einer im wesentlichen hori- 25 einander zu verschweißender Werkstücke, die einen zpntalen Richtung auf die jeweilige Schweißstelle V-förmigen Spalt bilden,

bzw. in den Abschmelzbereich für das zusätzliche F i g. 12 einen Schnitt entlang des Spaltes zweier

Material zu schicken, wobei die Werkstücke in verti- miteinander zu verschweißender Werkstücke sowie

kaier Richtung bewegt werden. die Erhitzung eines zu verschiedenen Zeitpunkten an

Ein weiteres Energiestrahl-Schweißverfahren im 30 verschiedene Punkte der Schweißstelle gelangenden

Rahmen der vorliegenden Erfindung besteht darin, Zusatzmaterials und

daß zur Erzielung einer für die Erhaltung der Fig. 13 einen Schnitt entlang des Spaltes zweier Schweißtemperatur an einer oder mehreren Schweiß- miteinander zu verschweißender Werkstücke sowie stellen erforderlichen mittleren Leistungsdichte des das schichtweise Auffüllen des Spaltes. Schweißstrahls bei Zufuhr von zusätzlichem Material 35 In F i g. 1 ist mit 1 ein Werkstück bezeichnet, auf an die jeweiüge Schweißstelle das Abschmelzen des das eine Schicht 2 aus Zusatzmaterial aufgeschweißt zusätzlichen Materials in einem in der Nähe der je- werden soll. Zu diesem Zweck wird das Zusatzmateweiligen Schweißstelle befindlichen, vom Zufuhrbe- rial in Form eines Drahtes oder Bandes 3 der reich der Energie des Schweißstrahls verschiedenen Schweißstelle zugeführt. Ein Strahlenbündel, beiBereich mittels eines zweiten Energiestrahls erfolgt. 40 spielsweise ein Elektronenstrahl 4, erhitzt eine be-Bei beiden Verfahren nach der Erfindung können stimmte Fläche des Werkstückes 1 auf Schweißtemim übrigen beispielsweise ein auf die Schweißstelle peratur und schmilzt gleichzeitig in einem vom fokussierter Korpuskularstrahl, vorzugsweise ein Schweißenergie-Zufuhrbereich verschiedenem Ab-Elektronenstrahl oder ein hochenergetischer Licht- schmelzbereich die direkt getroffene Schicht des Zustrahl (Laser-Strahl), als Schweißstrahl verwendet 45 satzmaterials 3 ab. Die Einstrahlungsrichtung des werden. Dies kann in gleicher Weise auch für den · Strahls 4 ist so gewählt, daß die Strahlachse 6 mit der zweiten, zum Abschmelzen des zusätzlichen Mate- Abschmelzfläche 5 des Zusatzmaterials 3 einen Winrials dienenden Energiestrahl zutreffen. kel α bildet, welcher größer ist als der Winkel ß, den Die Erfindung wird im folgenden an Hand der die Strahlachse 6 mit der Oberfläche des Werkstük-Fig. 1 bis 13 näher erläutert. Diese Figuren zeigen 50 kesl bildet. Dadurch bedingt ist die Temperatur der in Form von Prinzipskizzen verschiedene Beispiele Abschmelzfläche 5 größer als die Temperatur der für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfah- vom Strahl getroffenen Werkstückfläche. Das hochrens. Im einzelnen zeigt erhitzte und geschmolzene Zusatzmaterial wird durch F i g. 1 die Seitenansicht eines Werkstückes, auf diese Temperaturdifferenz zum Werkstück bewegt das eine Schicht aufgeschweißt werden soll, 55 und bildet auf diesem die Schicht 2.

Fig.2 die Seitenansicht eines Werkstückes, auf Beim Schweißvorgang wird das Werkstück 1 in

das ein bandförmiges Zusatzmaterial aufgeschweißt Richtung des Pfeiles bewegt, das Zusatzmaterial wird

werden soll, in Richtung des Doppelpfeiles laufend zugeführt, und

Fig.3 einen Schnitt entlang des Spaltes zweier der Strahl4 bleibt stehen. Dadurch bildet sich auf

miteinander zu verschweißender Werkstücke sowie 60 dem Werkstück 1 fortlaufend die Schicht 2.

die Erhitzung der Schweißstelle und des Zusatzmate- Ist das Werkstück 1 sehr breit und soll vollständig

rials durch zwei voneinander unabhängige Strahlen- mit einer Schicht 2 bedeckt werden, so empfiehlt es

bündel, sich, das Zusatzmaterial in Form eines Bandes zuzu-

F i g. 4 einen Schnitt entlang des Spaltes zweier führen, das so breit ist wie das Werkstück. Der

miteinander zu verschweißender Werkstücke sowie 65 Strahl 4 führt in diesem Fall eine oszillierende Bewe-

die Erhitzung der Schweißstelle und des Zusatzmate- gung senkrecht zur Papierebene aus.

rials durch ein Strahlenbündel, In F i g. 2 soll auf ein Werkstück 1 ebenfalls eine

F i g. 5 einen Schnitt entlang des Spaltes zweier Schicht aus Zusatzmaterial aufgeschweißt werden.

Das Zusatzmaterial liegt hier als biegsames Band 7 vor. Dieses Band wird durch eine Walze 8 auf das Werkstück 1 niedergerollt. Dabei wird die jeweilige Berührungsstelle zwischen Band 7 und Werkstück 1 von einem Strahl 9 getroffen. Dieser bringt die getroffene Schicht des Zusatzmaterials 7 in einem vom Schweißenergie-Zufuhrbereich verschiedenen Abschmelzbereich und die Werkstückoberfläche auf Schweißtemperatur,: so daß beim Niederrollen des Bandes laufend eine einwandfreie Verschweißung erfolgt.

Der Winkel α kann größer, gleich oder auch kleiner sein als der Winkel ß. Dies hängt nur davon ab, wie gut die getroffeneri Schichten gekühlt werden.

Wird beispielsweise ein Elektronenstrahl 9 verwendet und läuft das Schweißverfahren im Vakuum ab, so wird normalerweise die Kühlung der getroffenen Werkstückschicht durch das Abfließen der Wärme in andere, nicht direkt erhitzte Materialbereiche intensiver sein als die Kühlung des Bandes 7. Man wird in 'diesem Fall also den Winkel β größer machen als den Winkel α, d. h., man' wird dem Werkstück 1 mehr Energie zuführen als dem Band 7. Trotzdem bleiben die Temperaturverhälinisse ungeändert, d. h., die getroffene Schicht des'Bandes7 wird heißer als die Werkstückschicht.

In Fig.3 ist mit 10 die Spaltfläche eines Werkstückes bezeichnet, die der Spaltfläche eines anderen, hier infolge der Schnittführung nicht sichtbaren Werkstückes gegenüborsteht und mit dieser verbunden werden soll. Mit ,11 ist der bereits durch verfestigtes Zusatzmaterial, geschlossene Teil des Spaltes zwischen den Werkstücken bezeichnet. In den offenen Spalt wird Zusatzmaterial in Form eines Drahtes oder Bandes 12 eingeführt. Dieses Zusatzmaterial wird durch einen von unten kommenden zweiten Energiestrahl 14 aufgeschmolzen. Ein von oben kommender Energiestrahl 13 (der Schweißstrahl) dient zur Erhitzung der Schweißstelle, d.h. eines an der jeweiligen Schweißstelle gelegenen Bereiches der zu verbindenden Werkstücke. Wie man ohne weiteres erkennt, wird die Abschmelzschicht des Zusatzmaterials 12 höher erhitzt als die Schweißstelle. Bedingt durch die entstehende Temperaturdifferenz gelangt das flüssige Zusatzmaterial beispielsweise durch Spritzen zur Schweißstelle und lagert sich dort an.

Werden nun die Werkstücke in Pfeilrichtung bewegt und wird dabei bei stillstehenden Strahlen 14 und 13 das Zusatzmaterial 12 laufend in Richtung des Doppelpfeiles zugeführt, so wird der Spalt laufend mit Zusatzmaterial ausgefüllt.

Der Schweißvorgang soll so ablaufen, daß an der Ober- und Unterseite der Werkstücke eine Schweißraupe gewünschter Dicke entsteht.

In F i g. 4 wird zur Erhitzung des in den Spalt eingeführten Zusatzmaterials 15 nur ein Strahl 16 verwendet. Dabei wird das Zusatzmaterial durch Bereiche des Strahles 16 aufgeschmolzen, die nicht zur Erhitzung der Schweißstelle beitragen. Die Winkel α und β sind auch hier so gewählt, daß das Zusatzmaterial höher erhitzt wird als die Schweißstelle. Durch die Temperaturdifferenz wird das verflüssigte Zusatzmaterial auf kürzestem Wege zur Schweißstelle bewegt. Werden die Werkstücke unter laufender Zufuhr von Zusatzmaterial in Pfeilrichtung bewegt, so wird der Spalt vollständig mit Zusatzmaterial ausgefüllt. ^: . . ;;■· .-

Wird ein Elektronenstrahl 16 verwendet, so ist es bei geeigneter Ausbildung der elektronenoptischen Bedingungen möglich, z. B. einen Spalt von 1 mm Breite und 50 mm Tiefe mit einem Strahl von einigen kW Leistung zu durchstrahlen. Die Außenbereiche des Strahls treffen dabei die Spaltwände langential und bringen sie auf Schweißtemperatur. Zugleich wird durch andere Strahlbereiche das Zusatzmaterial abgeschmolzen und durch oder unter Temperaturein-. wirkung in Richtung der vom Strahl auf Schweißtemperatur gebrachten Spaltwände und bereits verschlossenen Spaltbereiche bewegt.

Diese Verhältnisse lassen sich auch gut an Hand der F i g. 7 erkennen. In dieser Figur ist auch das an_T dere Werkstück 17 zu sehen, das mit dem Werkstück 10 verschweißt werden soll. Ferner erkennt man, daß das Zusatzmaterial 15 etwa in Spaltmitte zugeführt wird. Schließlich ist auch die Lage des Strahles 16 bezüglich des Zusatzmaterials und der Werkstücke zu erkennen.

Das verflüssigte Zusatzmaterial wird in Form von Tröpfchen oder Dampf durch den Strahl hindurch zur Schweißstelle bewegt. Um diese Bewegung schneller zu gestalten, kann es zweckmäßig sein, zwischen Zusatzmaterial 15 und den Werkstücken 10 und 17 ein elektrisches Feld anzulegen. Unter der Einwirkung dieses Feldes wird dann das Zusatzmaterial zur Schweißstelle bewegt.

Es soll hier darauf hingewiesen werden, daß in den Zeichnungen alle Winkel stark vergrößert dargestellt sind. In Wirklichkeit sind diese Winkel und auch der Strahldurchmesser sehr viel kleiner.

In der Darstellung der F i g. 5 werden die Werkstücke vertikal bewegt und der Strahl 16 verläuft horizontal. Das Zusatzmaterial 15 wird im Spalt zugeführt. Im übrigen liegen dieselben Verhältnisse vor wie in F i g. 4, lediglich mit dem Unterschied, daß in der Anordnung nach F i g. 5 die Schwerkraft in gewissem Maße den Transport des flüssigen Zusatzmaterials zur Schweißstelle begünstigt.
In der Anordnung nach F i g. 6 wird das Zusatzmaterial 18 von oben in den Spalt eingeführt. Der Strahl 19 führt eine Pendelbewegung in der Art aus, daß er abwechselnd die Lage 19" und 19' einnimmt. In der Lage 19' erhitzt der Strahl die Schweißstelle 21 über die Schweißtemperatur, während er in der Lage 19" die Abschmelzfläche 20 des Zusatzmaterials 18 trifft. Die Bewegung des Strahls wird so gesteuert, daß er das Zusatzmaterial 20 langer trifft als die Schweißstelle, so daß das Zusatzmaterial höher erhitzt wird als die Schweißstelle. Durch die Temperaturdifferenz, die hier durch die Schwerkraft unterstützt wird, gelangt das Zusatzmaterial zur Schweißstelle. ■·■ ,· ;., ·■■·'·

Die dargestellte Pendelbewegung des Strahls wird zweckmäßig durch eine bekannte Strahlablenkung in zwei Ebenen erzeugt. · . _:

Die F i g. 7 bis 10 zeigen verschiedene Möglichkeiten der Zuführung von Zusatzmaterial.

In F i g. 7 berührt, wie schon besprochen, das Zusatzmaterial 15 die Werkstücke 10 und 17 nicht; und das erhitzte Zusatzmaterial wird in Form von Tröpfchen oder Dampf durch den Strahl hindurch zur Schweißstelle bewegt.

In der Darstellung der F i g. 8 wird das Zusatzmaterial 15 so in den Spalt eingeführt, daß es den bereits verschlossenen Spaltbereich berührt. Der Strahl 16 muß hier eine solche Leistungsdichte aufweisen, daß er durch das Zusatzmaterial durchdringt und da-

bei auch eine Schicht der Spaltwände und des bereits verschlossenen Spaltbereiches ausreichend erhitzt. Es ist hier also an der Schweißstelle stets flüssiges Zusatzmaterial vorhanden.

Bei der Anordnung nach F i g. 9 wird das Zusatzmaterial in Spaltmitte eingeführt. Der Strahl 16 wird so bewegt, daß er abwechselnd die Lagen 16' und 16" einnimmt und in jeder dieser Lagen eine Zeit verweilt, die ausreicht, um die getroffene Schicht des Zusatzmaterials aufzuschmelzen und zugleich die getroffenen Bereiche der Werkstücke auf Schweißtemperatur zu bringen. Das verflüssigte Zusatzmaterial fließt dann um den Strahl 16 herum auf die Schweißstelle auf.

In der Anordnung nach F i g. 10 wird das Zusatzmaterial 15 so zugeführt, daß es die Spaltfläche des Werkstücks 17 berührt. Der Strahl 16 trifft so auf, daß er die Schweißstelle erhitzt, das Zusatzmaterial verflüssigt und zugleich den an das Zusatzmaterial angrenzenden Spaltflächenbereich auf Schweißtemperatur bringt. Das verflüssigte Zusatzmaterial fließt um den Strahl 16 herum auf die Schweißstelle auf.

Fig. 11 zeigt zwei Werkstücke 22 und 23, die einen V-förmigen Spalt 24 bilden. In diesem Spalt wird das Zusatzmaterial 26 eingeführt. Der Strahl 25 erhitzt die Spaltwände und verflüssigt das Zusatzmaterial. Dieses fließt in den Spalt ein, wobei hier gewährleistet ist, daß an der Unterseite des Spaltes kein flüssiges Material ausfließt.

F i g. 12 zeigt wieder einen Schnitt durch den Spalt zweier miteinander zu verschweißender Werkstücke 10 und 17. Das Zusatzmaterial wird hier in Form eines Drahtes 28 in den Spalt eingeführt. Der Strahl 27 erhitzt die Schweißstelle auf Schweißtemperatur und verflüssigt in einem vom Schweißenergie-Zufuhrbereich verschiedenen Abschmelzbereich den Draht 28. Dieser wird während des Schweißvorganges in Richtung des Doppelpfeiles bewegt. Dadurch gelangt das Zusatzmaterial nacheinander zu verschiedenen Bereichen der Schweißstelle 29. Der Spalt wird also von unten nach oben ausgefüllt, wobei in jedem Moment nur eine geringe Menge verflüssigtes Zusatzmaterial vorhanden ist. Diese Art der Schweißung empfiehlt sich vor allem bei breiten und tiefen Spalten.

F i g. 13 zeigt einen Schnitt durch den Spalt zweier zu verschweißender Werkstücke 10 und 17. Das Zusatzmaterial ist hier mit 30 bezeichnet. Der Strahl oszilliert schnell um einen Drehpunkt in der Ablenkfläche 35 und nimmt nacheinander die Lagen 31'

ίο und 31" ein. In der Lage 3Γ trifft der Strahl auf das Zusatzmaterial 30 und schmilzt dort Material ab. Die abgeschmolzene Materialmenge reicht nicht aus, den Spalt ganz aufzufüllen. Vielmehr wird nur eine Schicht des Zusatzmaterials im Spalt verfestigt. Eine solche Schicht ist mit 32 bezeichnet.

In der Lage 31" trifft der Strahl auf die Schweißstelle 34 und erhitzt dort das Material auf Schweißtemperatur. Die Oszillation des Strahles wird so gesteuert, daß seine Verweilzeit auf dem Zusatzmate-

ao rial größer ist als auf der Schweißstelle. Damit wird soviel Material aufgeschmolzen, daß im Spalt eine Schicht gewünschter Dicke entsteht. Das flüssige Zusatzmaterial wird durch die Schwerkraft zur Schweißstelle bewegt.

In der Darstellung der Fig. 13 ist in einem ersten Durchgang eine Schicht 32 im Spalt erzeugt worden. Im dargestellten zweiten Durchgang, bei welchem die Werkstücke und das Zusatzmaterial in Richtung der Pfeile bewegt werden, wird eine weitere Schicht 33 erzeugt. Es folgen so viele Durchgänge, bis der Spalt vollständig mit Zusatzmaterial ausgefüllt ist.

Derselbe Effekt, welcher durch die Steuerung der Verweilzeiten des Strahles auf der Schweißstelle und dem Zusatzmaterial erzeugt wird, kann auch hervorgerufen werden, wenn die Verweilzeiten gleich sind, jedoch die Leistung oder der Fokussierungszustand des Strahles in den beiden Lagen verschieden groß gewählt wird. Es ist auch möglich, mit einem intermittierend gesteuerten Strahl zu arbeiten und die Dauer der Strahlimpulse in den beiden Strahllagen verschieden groß zu wählen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Energiestrahl-Schweißverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzie- lung einer für die Erhaltung der Schweißtemperatur an einer oder mehreren Schweißstellen erforderlichen mittleren Leistungsdichte des Schweißstrahls bei Zufuhr von zusätzlichem Material an die jeweilige Schweißstelle das Abschmelzen des zusätzlichen Materials (3; 7; 15; 18; 26; 28; 30) einerseits und das Zuführen der Energie des Schweißstrahls (4; 9; 16; 19; 25; 27; 31") an die jeweilige Schweißstelle andererseits in verschiedenen, in der Nähe; der jeweiligen Schweißstelle befindlichen Bereichen erfolgen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ₍das zusätzliche Material (3) in einem Bereich abgeschmolzen wird, der innerhalb eines nicht der Zufuhr der Energie des Schweißstrahls an die jeweilige Schweißstelle dienenden Teilquerschnitts des Schweißstrahls (4) liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Material (18; 30) und der Schweißstrahl (19', 19"; 31'; 31") in der Weise relativ zueinander bewegt werden, daß der Schweißstrahl wenigstens mit einem Teilquerschnitt vorübergehend bzw. in Intervallen den Abschmelzbereich des zusätzlichen Materials erfaßt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur im Abschmelzbereich höher als die Schweißtemperatur gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß biegsames Zusatzmaterial (7) auf ein Werkstück (1) niedergerollt und dabei an der fortschreitenden Berührungsstelle zwischen Werkstücksoberfläche und Zusatzmaterial kontinuierlich in den Abschmelzbereich hinein gebracht wird (F i g. 2).

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Verschweißen zweier Werkstücke entlang einer Naht, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke einander so weit genähert werden, daß sich die miteinander zu verschweißenden Flächen nicht berühren und daß bei kontinuierlicher Zufuhr. von Zusatzmaterial in den Abschmelzbereich die Werkstücke so relativ zum Schweißstrahl bewegt werden, daß der Spalt zwischen den miteinander zu verschweißenden Flächen in· Nahtrichtung fortschreitend mit Zusatzmaterial ausgefüllt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmaterial in Form eines Drahtes oder Bandes in den Abschmelzbereich eingeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmaterial so in den Abschmelzbereich eingeführt wird, daß es die miteinander zu verschweißenden Flächen der Werkstücke nicht berührt.

9. Verfahren nach Anspruch 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißstrahl relativ zum Zusatzmaterial so bewegt wird, daß der Schweißstrahl den Abschmelzbereich langsamer überstreicht als die Schweißstelle.

10. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Material in der Mitte des Spaltes zwischen den miteinander zu verschweißenden Flächen eingeführt und der Schweißstrahl periodisch so bewegt wird, daß abwechselnd je ein Abschmelzbereich zu beiden Seiten des Zusatzmaterials gebildet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Material so in den Abschmelzbereich eingeführt wird, daß es wenigstens eine der miteinander zu verschweißenden Werkstückflächen berührt.

12. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Material so in den Abschmelzbereich eingeführt wird, daß es die miteinander zu verschweißenden Flächen der Werkstücke berührt.

13. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Material so schnell in den Abschmelzbereich eingeführt wird, daß an der Schweißstelle eine den Spalt zwischen den miteinander zu verschweißenden Werkstückflächen stets ausfüllende Schicht geschmolzenen Materials entsteht, wobei die Leistungsdichte des Schweißstrahls so hoch gewählt wird, daß er in das bereits verflüssigte Zusatzmaterial eindringt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführen und Abschmelzen des Zusatzmaterials so gesteuert wird, daß jeweils nur eine zum vollständigen Ausfüllen des Spaltes zwischen den miteinander zu verschweißenden Werkstücksflächen nicht ausreichende Menge des Zusatzmaterials abgeschmolzen wird und daß unter mehrmaligem Bewegen des Schweißstrahls relativ zum Zusatzmaterial der Spalt schichtweise aufgefüllt wird (F ig. 13).

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißstrahl (16) aus einer im wesentlichen horizontalliegenden Richtung auf die jeweilige Schweißstelle bzw. in den Abschmelzbereich für das zusätzliche Material (15) geschickt wird, wobei die Werkstücke in vertikaler Richtung bewegt werden (F i g. 5).

16. Energiestrahl-Schweißverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer für die Erhaltung der Schweißtemperatur an einer oder mehreren Schweißstellen erforderlichen mittleren Leistungsdichte des Schweißstrahls (13) bei Zufuhr von zusätzlichem Material an die jeweilige Schweißstelle das Abschmelzen des zusätzlichen Materials (12) in einem in der Nähe der jeweiligen Schweißstelle befindlichen, vom Zuführbereich der Energie des Schweißstrahls (13) verschiedenen Bereich mittels eines zweiten Energiestrahls (14) erfolgt (F i g. 3).

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Schweißstrahl ein auf die Schweißstelle fokussierter Korpuskularstrahl, vorzugsweise ein Elektronenstrahl verwendet wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Schweißstrahl ein hochenergetischer Lichtstrahl verwendet wird.

19. Verfahren nach den Ansprüchen 16 und 17

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oder den Ansprüchen 16 und 18, dadurch ge- rialverluste durch Dampfaustritt und Spritzen, Lun-

kennzeichnet, daß als zweiter Energiestrahl (14) kerbildung und Materialveränderung. Weiter wird

ein in den Abschmelzbereich gerichteter, fokus- dadurch eine relativ hohe Mindestgeschwindigkeit er-

sierter Korpuskularstrahl, vorzugsweise ein Elek- forderlich, die zu fehlerhaften Schweißnähten führt,

tronenstrahl verwendet wird. 5 falls sich z. B. durch Ungenauigkeit oder Gasbildung

20. Verfahren nach den Ansprüchen 16 und 17 Störungen einstellen, die sich in der Kürze der Zeit

oder den Ansprüchen 16 und 18, dadurch ge- nicht ausgleichen können oder für die keine Beob-

kennzeichnet, daß als zweiter Energiestrahl (14) achtungs- und Korrekturmöglichkeit besteht. Gerade

. ein in den Abschmelzbereich gerichteter, hoch- dieser Umstand beeinträchtigt den praktischen Wert

energetischer Lichtstrahl verwendet wird. io der Elektronenstrahl-Schweißverfahren außerordentlich.