DE1515197C3 - Energiestrahl-Schweiß verfahren - Google Patents

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 »5 lungsenergie anzugeben, welches die geschilderten Schmelzen und Schweißen miteinander zu verbinden. Nachteile ausschließt und das unter Berücksichtigung Die Energieausbreitung von der Strahlauftreffs teile 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 Schweißzu 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 veraus, 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 jesind und somit zu unnötigem Mehraufwand führen weiligen Gegebenheiten an der Schweißstelle anzuwürde. 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 dosierlen, 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 Bogenschweiß-

keine 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 Tief Schweißens 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 tung 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. ao 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-

miteinander zu verschweißender Werkstücke sowie die Erhitzung der Schweißstelle und des Zusatzmaterials durch ein horizontal auftreffendes Strahlenbündel,

F i g. 6 einen Schnitt entlang des Spaltes zweier miteinander zu verschweißender Werkstücke sowie die Erhitzung der Schweißstelle und des Zusatzmaterials durch ein bewegtes Strahlenbündel, Fig.7 eine Draufsicht auf zwei miteinander zu

verschweißende Werkstücke sowie die Erhitzung der Schweißstelle und des Zusatzmaterials durch ein bewegtes Strahlenbündel,

F i g. 10 eine Draufsicht auf zwei miteinander zu verschweißende Werkstücke sowie die Zufuhr und Erhitzung des an einer Spaltwand anliegenden Zusatzmaterials,

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht zweier mit

schmolzen wird. Es ist also an der jeweiligen Verbindungsstelle stets flüssiges Zusatzmaterial vorhanden, das in alle Unebenheiten der zu verbindenden Flächen eindringen kann.

Dasselbe Ziel läßt sich erreichen, wenn das Zusatzmaterial 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 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 Fig.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 miteinander zu verschweißenden Werkstückflächen nicht ausreichende Menge des Zusatzmaterials abgeschmolzen wird und daß unter mehrmaligem Bewegen des Schweißstrahls relativ zum Zusatzmaterial der Spalt schichtweise aufgefüllt wird.

.Um das Auf fließen von Zusatzmaterial auf die Schweißstellen zu erleichtern, kann es zweckmäßig

sein, die Strahlung aus einer im wesentlichen hori- 35 einander zu verschweißender Werkstücke, die einen zontalen 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

F i g. 13 einen Schnitt entlang des Spaltes zweier miteinander zu verschweißender Werkstücke sowie das schichtweise Auffüllen des Spaltes.

In F i g. 1 ist mit 1 ein Werkstück bezeichnet, auf das eine Schicht 2 aus Zusatzmaterial aufgeschweißt werden soll. Zu diesem Zweck wird das Zusatzmaterial in Form eines Drahtes oder Bandes 3 der Schweißstelle zugeführt. Ein Strahlenbündel, bei-40 spielsweise ein Elektronenstrahl 4, erhitzt eine bestimmte Fläche des Werkstückes 1 auf Schweißtemperatur und schmilzt gleichzeitig in einem vom Schweißenergie-Zufuhrbereich verschiedenem Abschmelzbereich 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-F i g. 1 bis 13 näher erläutert. Diese Figuren zeigen 50 kes 1 bildet. Dadurch bedingt ist die Temperatur der in Form von Prinzipskizzen verschiedene Beispiele Abschmelzfläche 5 größer als die Temperatur der

daß zur Erzielung 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 in einem in der Nähe der jeweiligen Schweißstelle befindlichen, vom Zufuhrbereich der Energie des Schweißstrahls verschiedenen Bereich mittels eines zweiten Energiestrahls erfolgt.

Bei beiden Verfahren nach der Erfindung können im übrigen beispielsweise ein auf die Schweißstelle fokussierter Korpuskularstrahl, vorzugsweise ein Elektronenstrahl oder ein hochenergetischer Lichtfür die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 die Seitenansicht eines Werkstückes, auf das eine Schicht aufgeschweißt werden soll,

Fig.2 die Seitenansicht eines Werkstückes, auf das ein bandförmiges Zusatzmaterial aufgeschweißt werden soll,

Fig.3 einen Schnitt entlang des Spaltes zweier

vom Strahl getroffenen Werkstückfläche, Das hocherhitzte und geschmolzene Zusatzmaterial wird durch diese Temperaturdifferenz zum Werkstück bewegt und bildet auf diesem die Schicht 2.

Beim Schweißvorgang wird das Werkstück 1 in Richtung des Pfeiles bewegt, das Zusatzmaterial wird in Richtung des Doppelpfeiles laufend zugeführt, und der Strahl 4 bleibt stehen. Dadurch bildet sich auf

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

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

mit einer Schicht 2 bedeckt werden, so empfiehlt es sich, das Zusatzmaterial in Form eines Bandes zuzuführen, das so breit ist wie das Werkstück. Der

rials durch zwei voneinander unabhängige Strahlenbündel,

Fig.4 einen Schnitt entlang des Spaltes zweier
miteinander zu verschweißender Werkstücke sowie 65 Strahl 4 führt in diesem Fall eine oszillierende Bewedie Erhitzung der Schweißstelle und des Zusatzmate- gung senkrecht zur Papierebene aus.

In Fig.2 soll auf ein Werkstück 1 ebenfalls eine Schicht aus Zusatzmaterial aufgeschweißt werden.

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rials durch ein Strahlenbündel,
Fig.5 einen Schnitt entlang des Spaltes zweier

9 10

Das Zusatzmaterial liegt hier als biegsames Band 7 bei geeigneter Ausbildung der elektronenoptischen vor. Dieses Band wird durch eine Walze 8 auf das Bedingungen möglich, z. B. einen Spalt von 1 mm Werkstück 1 niedergerollt. Dabei wird die jeweilige Breite und 50 mm Tiefe mit einem Strahl von einigen Berührungsstelle zwischen Band 7 und Werkstück 1 kW Leistung zu durchstrahlen. Die Außenbereiche von einem Strahl 9 getroffen. Dieser bringt die ge- 5 des Strahls treffen dabei die Spaltwände tangential troffene Schicht des Zusatzmaterials 7 in einem vom und bringen sie auf Schweißtemperatur. Zugleich Schweißenergie-Zufuhrbereich verschiedenen Ab- wird durch andere Strahlbereiche das Zusatzmaterial schmelzbereich und die Werkstückoberfläche auf abgeschmolzen und durch oder unter Temperaturein-Schweißtemperatur, so daß beim Niederrollen des wirkung in Richtung der vom Strahl auf Schweißtem-Bandes laufend eine einwandfreie Verschweißung er- io peratur gebrachten Spaltwände und bereits verfolgt, schlossenen Spaltbereiche bewegt.

Der Winkel α kann größer, gleich oder auch klei- Diese Verhältnisse lassen sich auch gut an Hand

ner sein als der Winkelß. Dies hängt nur davon ab, der Fig.7 erkennen. In dieser Figur ist auch das an-

wie gut die getroffenen Schichten gekühlt werden. dere Werkstück 17 zu sehen, das mit dem Werkstück

Wird beispielsweise ein Elektronenstrahl 9 verwen- 15 10 verschweißt werden soll. Ferner erkennt man, daß

det und läuft das Schweißverfahren im Vakuum ab, das Zusatzmaterial 15 etwa in Spaltmitte zugeführt

so wird normalerweise die Kühlung der getroffenen wird. Schließlich ist auch die Lage des Strahles 16

Werkstückschicht durch das Abfließen der Wärme in bezüglich des Zusatzmaterials und der Werkstücke

andere, nicht direkt erhitzte Materialbereiche intensi- zu erkennen.

ver sein als die Kühlung des Bandes 7. Man wird in ao Das verflüssigte Zusatzmaterial wird in Form von

diesem Fall also den Winkel β größer machen als den Tröpfchen oder Dampf durch den Strahl hindurch

Winkel α, d. h., man wird dem Werkstück 1 mehr zur Schweißstelle bewegt. Um diese Bewegung

Energie zuführen als dem Band 7. Trotzdem bleiben schneller zu gestalten, kann es zweckmäßig sein, zwi-

die Temperaturverhältnisse ungeändert, d. h., die ge- sehen Zusatzmaterial 15 und den Werkstücken 10

troffene Schicht des Bandes 7 wird heißer als die as und 17 ein elektrisches Feld anzulegen. Unter der

Werkstückschicht. Einwirkung dieses Feldes wird dann das Zusatzmate-

In Fig. 3 ist mit 10 die Spaltfläche eines Werk- rial zur Schweißstelle bewegt.

Stückes bezeichnet, die der Spaltfläche eines anderen, Es soll hier darauf hingewiesen werden, daß in den hier infolge der Schnittführung nicht sichtbaren Zeichnungen alle Winkel stark vergrößert dargestellt Werkstückes gegenübersteht und mit dieser verbun- 3° sind. In Wirklichkeit sind diese Winkel und auch der den werden soll. Mit 11 ist der bereits durch verfe- Strahldurchmesser sehr viel kleinen stigtes Zusatzmaterial geschlossene Teil des Spaltes In der Darstellung der Fig.5 werden die Werkzwischen den Werkstücken bezeichnet. In den offe- stücke vertikal bewegt und der Strahl 16 verläuft honen Spalt wird Zusatzmaterial in Form eines Drahtes rizontal. Das Zusatzmaterial 15 wird im Spalt zuge- oder Bandes 12 eingeführt. Dieses Zusatzmaterial 35 führt. Im übrigen liegen dieselben Verhältnisse vor wird durch einen von unten kommenden zweiten wie in F i g. 4, lediglich mit dem Unterschied, daß in Energiestrahl 14 aufgeschmolzen. Ein von oben der Anordnung nach F i g. 5 die Schwerkraft in gekommender Energiestrahl 13 (der Schweißstrahl) wissem Maße den Transport des flüssigen Zusatzmadient zur Erhitzung der Schweißstelle, d. h. eines an terials zur Schweißstelle begünstigt, der jeweiligen Schweißstelle gelegenen Bereiches der 4° In der Anordnung nach F i g. 6 wird das Zusatzzu verbindenden Werkstücke. Wie man ohne weite- material 18 von oben in den Spalt eingeführt. Der res erkennt, wird die Abschmelzschicht des Zusatz- Strahl 19 führt eine Pendelbewegung in der Art aus, materials 12 höher erhitzt als die Schweißstelle. Be- daß er abwechselnd die Lage 19" und 19' einnimmt, dingt durch die entstehende Temperaturdifferenz ge- In der Lage 19' erhitzt der Strahl die Schweißstelle langt das flüssige Zusatzmaterial beispielsweise durch 45 21 über die Schweißtemperatur, während er in der Spritzen zur Schweißstelle und lagert sich dort an. Lage 19" die Abschmelzfläche 20 des Zusatzmate-Werden nun die Werkstücke in Pfeilrichtung be- rials 18 trifft. Die Bewegung des Strahls wird so gewegt und wird dabei bei stillstehenden Strahlen 14 steuert, daß er das Zusatzmaterial 20 langer trifft als und 13 das Zusatzmaterial 12 laufend in Richtung die Schweißstelle, so daß das Zusatzmaterial höher des Doppelpfeiles zugeführt, so wird der Spalt lau- 50 erhitzt wird als die Schweißstelle. Durch die Tempefend mit Zusatzmaterial ausgefüllt. raturdifferenz, die hier durch die Schwerkraft unter-Der Schweißvorgang soll so ablaufen, daß an der stützt wird, gelangt das Zusatzmaterial zur Schweiß-Ober- und Unterseite der Werkstücke eine Schweiß- stelle.

raupe gewünschter Dicke entsteht. Die dargestellte Pendelbewegung des Strahls wird In F i g. 4 wird zur Erhitzung des in den Spalt ein- 55 zweckmäßig durch eine bekannte Strahlablenkung in

geführten Zusatzmaterials 15 nur ein Strahl 16 ver- zwei Ebenen erzeugt.

wendet. Dabei wird das Zusatzmaterial durch Be- Die Fig.7 bis 10 zeigen verschiedene Möglichkei-

reiche des Strahles 16 aufgeschmolzen, die nicht zur ten der Zuführung von Zusatzmaterial.

Erhitzung der Schweißstelle beitragen. Die Winkel α In F i g. 7 berührt, wie schon besprochen, das Zu- und β sind auch hier so gewählt, daß das Zusatzma- 60 satzmaterial 15 die Werkstücke 10 und 17 nicht, und

terial höher erhitzt wird als die Schweißstelle. Durch das erhitzte Zusatzmaterial wird in Form von Tröpf-

die Temperaturdifferenz wird das verflüssigte Zu- chen oder Dampf durch den Strahl hindurch zur

satzmaterial auf kürzestem Wege zur Schweißstelle Schweißstelle bewegt.

bewegt. Werden die Werkstücke unter laufender Zu- In der Darstellung der F i g. 8 wird das Zusatzmafuhr von Zusatzmaterial in Pfeilrichtung bewegt, so 65 terial 15 so in den Spalt eingeführt, daß es den bewird der Spalt vollständig mit Zusatzmaterial ausge- reits verschlossenen Spaltbereich berührt. Der Strahl füllt. 16 muß hier eine solche Leistungsdichte aufweisen, Wird ein Elektronenstrahl 16 verwendet, so ist es 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 ge- ίο troffenen 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 Fig. 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.

Fig. 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' 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 Zusatzmaterial 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 F i g. 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 (20)

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 (Fig. 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 Ansprüche oder7, 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 Schweißtemperarur 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, Lunkennzeichnet, daß als zweiter Energiestrahl (14) kerbildung und Materialveränderung. Weiter wird ein in den Abschmelzbereich gerichteter, fokus- dadurch eine relativ hohe Mindestgeschwindigkeit ersierter 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 Beobkennzeichnet, 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 außerordent

lich.