DE1615395A1 - Verfahren zum Schweissen von Werkstuecken mittels gebuendelter Elektronenstrahlen und Elektronenstrahlschweissmaschine zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

David SGIAKX, Chicago (ILLIiTOIS), V.St.A„

Verfahren zum Schweißen von Werkstücken mittels·gebündelter Elektronenstrahlen und Elektronen-trahlschweißinas chine zur Durchführung des Verfahrens

Vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Schweißen von Werkstücken mittels gebündelter Elektronenstrahlen sowie Elektronenstrahlschweißmaschinen zur Durchführung des Verfahrens. Verfahren und Schweißmaschine zeichnen sich durch eine Ausbildung aus, die es ermöglicht, außerordentlich gToße Werkstücke, beispielsweise vollständige Flugzeugflügel, zu verschweißen und trotzdem die verhältnismäßig kleinen Schweißstellen unter dem erforderlichen Unterdruck zu halten. Ein derartiges Schweißverfahren soll, obschon der Ausdruck nicht genau zutrifft, als Punktschweißverfahren bezeichnet werden, desgleichen die Schweißmaschine als Punktschweißmaschine.

Bisher bekannt gewordene Ausbildungen derartiger Elektronenstrahlsohweißmasehinen, in denen metallische Werkstückteile mit Hilfe gebündelter Elektronenstrahlen verschweißt werden, besitzen eine Ausbildung, die es erforderlich macht, das gesamte Werkstück innerhalb einer

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Kammer unterzubringen, die unter Hochvakuum steht, wobei die in Betracht kommende Größenordnung etwa

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durch den Wert 1 ° 10 Torr gegeben ist. Wollte man Schweißungen sehr großer Werkstücke in derartigen Hochvakuumkammern durchführen, so wurden diese außerordentlich umfangreich ausfallen;' entsprechend kostspielig werden die Einrichtungen, die zur Herstellung des Hochvakuums in Form von Hochvakuumpumpen und Hochvakuumpumpenständen erforderlich sind, von den erheblichen Kosten derartiger Kammern ganz abgesehen.

Um den dadurch entstandenen Schwierigkeiten auszuweichen, hat man-den Versuch gemacht, das Vakuum auf

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den Wert von 1 · 10 Torr zu ermäßigen, um auf diese Weise die Kosten für Pumpen und Pumpenstände auf ein erträgliches Ausmaß herabziehen zu können. Jedoch hat es sich gezeigt, daß auf diese Weise keine einwandfreien Schweißungen erzielbar sind. Damit das Elektronenstrahlgerät unter den zu stellenden Bedingungen arbeitet, ist die Einstellung des Hochvakuums auf den genannten

Unterdruckwert von 1 · 1Ü Torr unumgänglich erforderlich. Da auf diese Weise nicht weiterzukommen war, ging man dazu über, die Behandlungskammer, innerhalb deren die Schweißung durchgeführt wird, von dem Gerät zu trennen, das zur Erzeugung des gerichteten Elektronenstrahle nbünd eis dient. Das führt aber dazu, daß die Be-

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haiidlungskammer einen eigenen Vakuumpumpehsatz erfordert, um ihrerseits auf den erforderlichen Unter- . druck gebracht werden zu können. Man geht dabei so vor, daß das ElektrOnenstrahlenbündel das zur Erzeugung des-selben dienende, unter Hochvakuum stehende Gerät durch eine Öffnung in der das Werkstück, aufnehmenden Kammer verlässt, womit es möglich wircr, in dieser ebenfalls unter Unterdruck stehenden Kammer die Schweißüng des "Werkstückes durchzuführen. :

Da auch Vorschläge dieser Art Wegen der mit ihnen verbundenen, oben geschildeter Nachteile keine endgültige Losung des aufgetretenen Problems bringen konnten, hat man weitere Versuche gemacht, um desselben Herr zu werden, wobei umfangreiche Aufnahmekammern für das Werkstück und größere Vakuumpumpenanlagen in Fortfall kommen sollten. Man ging demgemäß dazu über, von einer Unterbringung des gesamten Werk-Stückes in einer evakuierten Kammer Abstand zu nehmenj man beschränkte sich vielmehr darauf, nur die für die jeweilige Schweißung in Betracht kommenden Flächenteile des Werkstückes dem Verfahren zu unterwerfen, wo-» mit es gelang, mit in dieser Beziehung räumlich begrenzbaren, lokalisierten, evakuierten Räumen auszukommen.

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Es gelang auch auf diese Weise, zufriedenstellende Ergebnisse bei bestimmten Werkstückprofilen zu erreichen. In der Mehrzahl der in Betracht kommenden Anwenduhgsfälle ergab sich jedoch eine zu geringe Arbeitsgeschwindigkeit^ außerdem machten weitere Umstände das Verfahren unwirtschaftlich.. Es liegt nämlich auf der Hand, daß es umständlicher und demgemäß zeitraubender und kostspieliger Abdichtungsarbeiten bedarf, um zu der genannten Lokalisierung zu kommen. Besteht das Werkstück, wie in den meisten Fällen, aus gegenseitig überlappten Blechen, Platten, plattenförmigen Werkstückteilen oder dergleichen, so erwies sich das Verfahren als gänzlich unbrauchbar, so daß man gezwungen war, sich mit den üblichen Punktschweißungeh zu begnügen. In vielen Fällen reichen aber derartige Punktschweißungen nicht aus, um dem Werkstück die erforderliehe Festigkeit, insbesondere Ermüdungsfestigkeit, und das notwendige Widerstandvermögen gegen hohe Beanspruchungen zu geben. Diese Eigenschaften sind praktisch nur mit Hilfe von Schweißungen mittels gebündelter Elektronenstralilen zu verwirklichen. Das scheiterte aber aus den genannten Gründen.·

Die Hauptschv/ierifckeit, die sich der Verwirklichung eines elektronischen Schweißverfahrens entgegenstellt, beruht dabei auf der Tatsache, daß es zu einem Zusammenbruch des

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Vakkums dann kommt, wenn das Elektronenstrahlenbündel die Berührungszone zwischen denζu versehweissenden Werkstückteilen erreicht, die zwischen letzteren, notwendigerweise ,auf tritt. Diese Berührungszone wirkt als Lecksteile, über die die Atmosphäre in das Hochvakuum einbrechen kannj das Vakuum verschlechtert sich dann, momentan und entsprechend gering ist die Wirksamkeit der gebündelten Elektronenstrahlen, da nunmehr eine starke Streuung der Elektronen einsetzt. Eine weitere Schwierigkeit beruht auf der Tatsache, daß beide Werkstückseiten örtlich begrenzt der Wirkung eines Unterdruckes ausgesetzt werden müssen,so daß mindestens zwei Vakuumkammern erforderlich werden, nämlich, eine Hochvakuumkammer zur Aufnahme des Elektronenstrahlgerätes und eine weitere Aufnahmekainmer für den Verschweissungshereieh der in Betracht kommenden Werkstückteile* Aber auch zwei Kammern reichen dann nicht mehr aus,- wenn das Werkstück eine Reihe verschiedener Wölbungen aufweist., wie das beispielsweise bei dem Flügel eines"Flugzeuges der Fall ist. Es wird dann eine noch größere Anzahl von Vakuumkammerη in -Korrespondenz mit der Verschiedenheit der Wölbungen erforderlich, die das zu schweißende Werkstück besitzt. Diese Besonderheiten haben bisher verhindert, daß sich mit der Bündelung von Elektronenstrahlen arbeitende Schweißverfahren in größerem Umfange durchsetzen konnten., was allgemein für elektronische Schweißverfahren gilt. ■ '. ■ - 6 - . .■■-■.■"■

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Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, ein elektronisches Schweißverfahren vorzuschlagen, das im Stande ist, die entstandenen Schwierigkeiten zu beseitigen

Das zur Lösung des Problems vorgeschlagene, erfindungsgemäß ausgebildete Verfahren zum Schweißen eines Werkstückes mittels gebündelter Elektronenstrahlen kennzeichnet sich dadurch, daß das zu verschweißende Werkstück zwischen rohrförmigen, die Schweißstelle einschließenden Matrizen unter einem Drück eingeklemmt wird, bei dem die Schweißstelle gegen ihre Umgebung abgedichtet ist, worauf die Matrizenhohlräume evakuiert werden und das Blektronenstrahlbündelüber die Matrizenhohlräume auf die Schweißsteile zur Wirkung gebracht wird. - ■■ . ■

Es ist erkennbar, daß ein derartiges Verfahren in der Lage ist, die dargelegten Nachteile früherer Verfahren und Schweißmaschinen zu beseitigen. Die zur Durchführung des Verfahrens dienenden Einrichtungen sind zunächst einfach und sie können wirtschaftlich hergestellt und benutzt werden. Das Elektronenstrahlgerät kann dabei in dem Hochvakuum arbeiten, bei dem die günstigsten Arbeitsbedingungen eintreten. Trotzdem macht es keinerlei Schwierigkeiten, die Matrizenhohlräume in dem Außmaß zu evakuieren, bei dem der Zusammenhang des Bündels aus Elektronenstrahlen erhalten bleibt, so daß keine Elektronenstreuung auftritt,

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"welche den Wirkungsgrad der Einrichtung wesentlich herab-

setzen würde. Die Matrizenselbst.und damit ihre Hohlräume können ohne weiteres den jeweiligen Werkstückteil— Verhältnissen angepaßt werden. Es besteht sogar die Möglichkeit, wenigstens eine der Matrizen über eine Art,Kugelgelenk mit den angrenzenden feilen der Schweißmaschine zu verbinden, so daß sich die lage der Matrize selbsttätig dem Werkstück, insbesondere seiner jeweiligen Wölbung, anpaßt. Dadurch, daß_: die Matrizen einen begrenzten Querschnitt besitzen, wenigstens auf diesem gehalten werden können, ist es möglich, sieh jeder formgebung des Werkstückes anzupassen, unabhängig davon, welchen Verlauf dieses außerhalb der unmittelbar in Betracht kommenden, Jeweiligen Schweißstelle besitzt. Da die Klemmkräfte auf jeden erforderlichen Betrag gebracht werden können, macht es keinerlei Schwierigkeiten^ sie so hoch zu bemessen, so daß sich gleichzeitig aer erforderliche Dichtungsdruck einstellt, womit ein Einbruch der Atmosphäre zur Schweißstelle hin und ein Zusammenbruch des Vakuums innerhalb der Matrizenhohlräume: mit Sicherheit zu vermeiden sind« Mit den Klemm- und Dichtungsdrücken entsteht gleichzeitig ein gegebenenfalls erwünschter Schweißdruck, der nicht nur die zu verschweißenden Werkstückteile si eher in der _: ScHwei β s teilung hait» s ond ern die Werkstückteile fest aneinander drückt, so daß eine durchgehende, einheitliche, metallische Berührung der Werkstückteile im Bereich der Schweißsteire gewährleistet ist.

Es entsteht eine Reihe weiterer Vorteile, die im Zusammenhang mit einem zeichnerisch dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel im einzelnen und näher erläutert werden sollen.

Die Erfindung gibt die weitere Möglichkeit, die lage des Elektronenstrahlbündels während der Sehweißung zu verändern* Damit kann also der Schweißnaht an jeder Schweißstelle die jeweils gewünschte Ausbildung gegeben werden, die beispielsweise darin besteht, daß sich die Schweißzone nach Art eines mehr oder weniger ausgedehnten Punktes, flächenmäßig größer oder kleiner einheitlich geschlossen und damit fleckartig, ausbreitet, wenn sie nicht in Form von Ringen, Doppelringen, Ovalen, Ogivalen usw. auftritt»

Die Erfindung gibt die weitere Möglichkeit, das Elektronenstrahlbündel mrt der Wirkung auszusteuern, daß die gebildete Schweißschmelze die zu verschweißenden Werkstückteile auf ihrer gesamten, an der Schweißstelle herrschende Dicke durchsetzt und in Form einer sichtbaren MetallanSammlung an der Fläche des in Elektronenstrahlenrichtung letzten Werkstückteiles auftritt, die entgegengesetzt zur Eintrittstelle der Elektronen in den in Elektronenstrahlrichtung ersten Werkstückteil den in Elektronenstrahlrichtung letzten Werkstückteil begrenzt. Dadurch ist es möglich, ohne werkstückzerstörenden Maßnahmen die Güte der Schweißstelle rein visuell nachzuprüfen.

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Tritt die Metallaufwerfung auf, so besteht Sicherheit dafür, daß die gewünschte' Durchschweißung an der Schweißstelle verwirklicht worden ist, so daß sich ■beispielsweise auch die Abnähme derartiger geschweißter Werkstücke schneller und einfacher als bisher zu vollziehen vermag.

Die Erfindung erstreckt sich außer auf das angegebene Elektronenstrahlschweißverfahren auf eine Schweißmaschine zur Durchführung des Verfahrens. Diese kennzeichnet sich vorzugsweise dadurch, daß die Maschine einandergegenüberliegende, evakuierbare und teilweise bewegliche Hohl-* matrizen in Verbindung mit einem Servomotor aufweist_s über den die Matrizen unter Einschließung der nach außen abgedichteten Sehweißstelle Klemm—, Abdichtungs- und gegebenenfalls Schweißdrücke auf die zu verschweißenden Werkstückteile ausüben. Damit sind nur die wesentlichen Merkmale einer derartigen Schweißmaschine gekennzeichnet. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Maschine ergeben sich aus der Beschreibung zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele.

K Die Erfindung erstreckt sich auch auf einzelen der nachstehend beschriebenen Merkmale and sie hat schließlich deren .Gresamtkombination sowie sämtliche Teilkombinationen der Merkmale zum Gegenstand _r soweit letztete technisch

) /sinnvoll und ausführbar sowie brauchbar sind, auch wenn ( im Nachfolgenden die jeweils erzielbaren, neuen technischen < Wirkungen nicht genannt, und im einzelnen beschrieben sind.

/ Ebenso werden sämtliche, in der Zeichnung dargestellten k.
\ Einzelheiten als solche und in ihrem funktionellen Zusara-

^ menhang als beschrieben vorausgesetzte

Die Zeichnung gibt die beispielsweise Ausführungsmögliehkeit einer Schweissmaschine nur Durchführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wieder»

Figur 1 stellt eine Seitenansicht einer Punktschweißmaschine mit Erzeugung eines Blektronenstrahlbündels dar, die mit den erfindungsgemäß ausgebildeten Klemmmatrizen ausgerüstet ist, um mit Hilfe derselben das erfindungsgemäß vorgeschlagene Schweißverfahren durchführen zu können; .

Figur 2 gibt teilweise eine Ansicht auf, teilweise

einen Schnitt durch das Elektronenstrahl-■bündelerzeugungsgerät, auch Elektronenstrahlkanone genannt, in Verbindung mit weiteren Teilen wieder, die zur Durchführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens erforderlich sind}

Figur 3 zeigt die Kiemmatrizen im Schnitt in einer Stellung, in der diese am Werkstück, dessen Teile überlappt sind, gegen die übrige Umgebung abgedichtet, anliegen;

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gibt eine als Punktschweißung bezeiehneije Schweißstelle mit kreisringförmiger Ausbildung der Schweißstelle wieder;

Figur 5 entspricht einem Querschnitt nach MnIe 5.-5 der Figur "4 j ' ·

Figur 6 gibt eine Seitenansicht für den Fäll wieder* daß die Punktsehweißuhg als Schweißstelle mit zwei zueinander gleichmittig ausgebildeten, : kreisringförmigen Schweißnähten ausgebildet ist j ;

Figur 7 gibt Werkstücke mit einer Reihe aufeinanderfolgender Punktschweißungen wieder, wobei kreisringförmige Schweißnähte in der Länge etwas ausgezogen auftreten, so daß praktisch zwei Halbringnähte durch zueinander parallel verlaufende Schweißnahtstücke verbunden sind.

Figur 8 entspricht einem senkrechten Querschnitt nach Linie 8 bis 8 der Figur 7· '

Figur 9 stellt anhand eines senkrechten Längsschnittes eine Abwandlung der Ausbildung nach Figur 3 der Zeichnung mit dem Unterschied dar, daß für eine Matrize eine sphärische Abstützfläche vorgesehen ist» ' '

Es ist Aufgabe der Erfindung, vorzugsweise an der Schweißstelle überlappte Bleche, Platten und plattenförmige Werkstückteile in den verschiedensten. Zusammenstellungen und Größen durch Sohweißungen miteinander zu vereinigen, wobei es darauf ankömmt, die mechanische Festigkeit des fertigen, geschweissten "Werkstückes und

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den Widerstand desselben gegen alle auftretenden Beanspruchungen dadurch auf den erforderlichen Wert zu !Dringen, daß durch die Verschweißung die erforderliche Aussteifung eintritt.

Insbesondere soll die Möglichkeit "bestehen, überlappten Blechen und Platten die verschiedenartigsten Ausbildungen, darunter auch unterschiedliche Wölbungen erteilen zu können, wobei in großen Grenzen auftretende Abweichungen ohne Einfluß zu bleiben haben. Als Werkstücke dieser Art kommen beispielsweise von der Flugzeugindustrie benötigte Teile in Betracht. Dabei eristeht die Notwendigkeit, Anforderungen der modernen Werkstofftechnik nachzukommen, die beispielsweise dahin gehen, einwandfreie Schweißungen auch,dann zu gewährleisten, wenn es sich um hochwiderstands· fähige Aluminium- oder Titanlegierungen, um nichtrostende Stähle und ähnliche Metalle und Metallegierungen handelt. Die Schweißstellen, an deren mechanische und Ermüdungsfestigkeit höchste Ansprüche gestellt werden, müssen angebracht werden können, ohne daß es zu Ver-'Ziehungen der Gesamtanordnung oder Metallkonstruktion kommen darf, die demgemäß die vorgeschriebene Formgebung völlig unabhängig davon aufweisen und auf die Dauer behalten muß, daß Schweißstellen in verhältnismäßig großer Zahl, insbesondere als Punktschweißungen anzusehende Schweißstellen auftreten.

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Eine derartige, mit einem Elektronenstrahlgerät ausgerüstete Schweißmaschine, die die erforderlichen Vakuumpumpen und die'Kiemmatrizen gemäß vorliegender Erfindung aufweist, ist in Figur 1 dargestellt, wobei ihre Ausbildung so getroffen ist, daß das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zur Durchführung zu kommen ver~

mag. ^:

Der Maschinenrahmen 10 weist" zu diesem Zwecke einen unteren, feststehenden Querarm 11 auf, der an seinem linksgelegenen Ende eine untere Matrize 12 trägt. Diese aus Figur 3> näher erkennbare Matrize tritt demgemäß In der Grundform eines Rohres auf, so daß die Matrize .von einem axial verlaufenden Hohlraum 15 durchsetzt ist, der mit einer Rohrleitung 14 in Verbindung gebracht ist, die zu einer Vakuumpumpe führt, so daß es auf diese Weise möglich wird, im Hohlraum 13 einen jeweils benötigten Unterdruck zu erzeugen. In der Leitung 14 befindet sich ein elektromagnetisch gesteuertes Ventil

Der obere Querarm 16 Ist gegen den Maschinenrahmen 14 mittels des Gelenkes 17 versohwenkbar ausgebildet. Er trägt an seinem freien Ende, wie Figur 1 erkennen läßt, das Elektronenstrahlgerät 18 und weitere Teile, die an Hand der Figur 2 noch näher beschrieben werden sollen. Der Bauteil 20 kann als Trag-* und Verbindungsstück zwischen dem Elektronenstrahlgerät 18 und den zugeord-

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neten Teilen des beweglichen Quer- und Schwenkarmes aufgefaßt werden.

An das Trag- und Verbindungsstück .20 schließt sich eine obere Klemmatrize 22 in Richtung von oben nach unten an. Auch die obere Klemmatrize 22 weist einen Hohlraum 21 auf, der sie in der Längsrichtung durchsetzt und der mit einer Leitung 25 in Verbindung steht. Die Leitung 25 führt, wie noch.zu erörtern sein wird, zu der Vakuumpumpe, die zur Evakuierung des Hohlraumes 13 der unteren Klemmatrize 12 dient. Leitung 25 enthält wieder ein elektromagnetisch gesteuertes Ventil 26. Außerdem ist ein bewegliches Kabel 27 vorhanden, das die elektrischen Versorgungsleitungen für das Elektronenstrahlgerät 18 einkapselt oder bildet« Vorhanden ist schließlich ein weiteres, aus Figur 2 ersichtliches Gehäuse 28, das das Elektronenstrahlgerät 18 umgibt» Bas Innere des Gehäuses 28 kann mittels der Leitung 30 evakuiert werden, wobei die Leitung 30 an eine noch zu erwähnende Hochvakuumpumpe angeschlossen ist. Der schwenkbare Arm 16 nimmt die Leitung 30 in seinem Hohlraum auf_β

Die Hochvakuumpumpe, die an die Leitung 30 angeschlossen ist, ist mit 50 bezeichnet» Das erforderliche Vorvakuum wird mittels der Vorvakuummpampe 31 erzeugt, die zu diesem Zwecke über die Leitung 32 mit der Hochvakuumpumpe 50 verbunden ist. Es ist; demgemäß möglich, inner-

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halb des das Elektronenstrahlgerät 18 umgebenden ■ Außengehäuses 28 das höchste Vakuum, also den niedrigsten Druck, einzustellen, der zur Erzielung einwandfreier Schweißungen, erforderlich ist. Unabhängig von dieser Hochvakuumerzeugungsanlage ist. eine Vakuumpumpe 34 an die bereits erwähnten Rohrleitungen 14» 25 angeschlossen, um unter Vermittlung der Verbindungsleitung 35 und des- T - Stückes 36 innerhalb der Klemmatrizen 12, 22 den im Betriebe benötigten Unterdrück herstellen zu können·

Innerhalb des Bereiches 37 ist die Verbindung zwischen den Rohrleitungen 25 und 35 nachgiebig ausgebildet, um die Beweglichkeit der im Schwenkarm 16 verlegten Rohrleitung 25 zu gewähTieisten. Die Pumpe 34 ist so aus*« gelegtf daß sie in der Lage ist, den. erforderlichen Unterdruck in den Hohlräumen 13,21 der Klemmatrizen 12,22 während der Schweißung zu erzeugen und aufrecht zu erhalten. ' ,"."'.".

Wie sich aus Figur 1 ergibt, stehen die Klemmatrizen 12,22 während der Schweißung mit dem Werkstück38,40 in mechanischer Verbindung,Dieses Werkstück besteht aus einem durch Z-fÖrmige- Profile 40 auszusteifenden/ ge wölbten Metallblech 38* Der Querarm 16 muß also anheb- und absenkbar ausgebildet sein, um aus der BetriebB-steliung und in sie gebracht werden zu können. Beides

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ist durch die Versohwenkbarkeit um das Gelenk 17 gewährleistet. Da Betriebs- undAußerbe'triebsstellungen mittels der Anwendung von Handkräften nicht schnell genug herbeiführbar· wären, ist ein Servomotor 41 vorgesehen, mit dessen Hilfe die Verschwendungen des Armes 16 um den Verschwenkungsbolzen des Gelenkes 17 durchgeführt werden. Zu diesem Zwecke ist an die Kolbenstange 42 des als Kolbenzylindereinheit ausgeführten Servomotors die Pleuelstange 43 angelenkt, die ihrerseits am Ausleger 44 des Armes 16 angreift. Es besteht also die Möglichkeit, die Matrize 22 mit Hilfe des Servomotors 41 in obere und untere Ste^llungen verlegen zu können* Da es dabei auf eine große Trenngeschwinüigkeit der Matrizen ankommt, ist es zweckmäßig, eine weitere Kolbenstange mit Hilfe eines zweiten Servomotors 45 an die Pleuelstange 45 so anzulenken, daß es unter der vereinigten Kraftwirkung beider Servomotoren zu der erforderlichen, hohen Trenngeschwindigkeit der Kiemmatrizen kommt; Ähnliches könnte durch einen stärker und schneller ausgelegten Servomotor 41 erreicht werden»

Das an sich bekannte Elektronenstrahlgerät 18 ist besonders deutlich und in vergrößertem Maßstab aus Figur 2 zu erkennen. Die Figur läßt erkennen, daß die Emission der Elektronen mit Hilfe der Bandkathode 46 erfolgt. Das er— ■ zeugte Elektronenstrahlenbündel tritt durch eine Ausnehmung 47 durch und gelangt über weitere Ausnehmungen 48

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und 50 in den bereits erwähnten Hohlraum 21 der oberen Matrize 22, worauf es, wie Figur 3 erkennen läßt, das Werkstück 38,4-0 erreicht. Mit Hilfe eines Kugelventiles 51 ist es möglich, in der Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schweißungen die Ausnehmung 47 völlig zu verschließen. Das ermöglicht die Abdichtung des das Hochvakuum führenden Gehäuses 28, so daß keine unnötigen Anforderun en an die Hochvakuumpumpe 50 gestellt werden.

In dem Teil 52, der an die Ausnehmung 42 angrenzt, sind Riehtspulen untergebracht, die es ermöglichen, das Elektronenstrahlbündel zu beeinflußen und genau auf die Schweißsteile am Werkstook 38,40 auszurichten»

TJer die Ausnehmung 50 bildende Teil 53 weist weitere Spülenanordnungen dieser Art auf, wobei elektromagnetisch wirksame Teile vorgesehen sind, um das Elektronenstrahlbündel in Richtung quer zu seiner Längsrichtung beliebig und wiederholbar zu versetzen. Mit Hilfe einer Reihe von Spulenanordnungen is.t es beispielsweise möglich, das Magnetfeld kreisen zu lassen, so daß das Elektronenstrahlbündel eine entsprechende, kreisförmige oder sonstwie durch die Spulenanordnüngen vorgeschriebene? geschlossene oder offene Bahn beschreibt* Auf diese Weise wird es möglieh, der Schweißnaht beispielsweise eine kreisringförmige Gestaltung zu geben, wie siein Figur 4 gezeigt lsi;» Es besteht ebenso die Möglichkeit, eineDoppelringform

der Schweißnaht zu erzeugen, wie sie in Figur 6 bei 61,62 dargestellt ist. Man kann der Schweißnaht schließlich auohdie langgezogene, geschlossene Form ge— ben, wie sie in den Figuren 7 und 8 bei 67,68 veranschaulicht worden ist, ohne daß in diesen Figuren die denkbaren Möglichkeiten erschöpfend erfaßt wären.

Eine mit Elektronenstrahlbündelung arbeitende Schweißmaschine nach Figur 1 kann selbsttätig betrieben werden. Hierzu ist es lediglich erforderlich, etwa einen Fußschalterkontakt anzuordnen, der.durch den Schweißer bedient wird, worauf eine entsprechend ausgebildete Steuerungs- und ■Relaisanordnung dafür sorgt, daß die notwendigen Arbeitsvorgänge automatisch abgewickelt werden; ein Kommandogerät kann vorgeschaltet sein, um über auswechselbare Lochstreifen oder -scheiben das selbsttätig abzuwickelnde Schweißprogramm an die jeweilige Werkstückausbildung und die Art der auszuführenden Schweißungen anpassen zu können.

Geht man davon aus, daß die an sich bekannte und daher nicht darzustellende Steuerung des Servomotors 41» die beispielsweise einen Steuerschieber für das gespannte Mittel aufweist, das zur Betätigung des Servomotors dient, den Servomotor so eingestellt hat, daß es zu einer Verschwenkung des Auslegers 44 um den Bolzen des Gelenkes 17 im Uhrzeigersinn gekommen ist, dann bedeutet das, daß sich die bewegliche

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Klemmatrize 22 anhebt, womit es möglich-wirdy die Werkstückteile 38,40 in die Sohweißlage zu bringen. Da die Hohlräume 13,21 der Matrizen" 12,22 während dieses Seiles _: des Arbeitsvorganges entlüftet sind, da die Ventile 15,26 bereits vorher geschlossen worden waren und auch das Kugelventil 51 in eine Lage gebracht worden war, in der die Kugel 51 die Ausnehmung 47 verschlossen hatte, befindet sich "die zur Emission der Elektronen dienende Bandkathode 46 unter der Einwirkung des Hochvakuums, so daß die Hochvakuumpumpe 5:0 nur in dem reduzierten Ausmaß, in Tätigkeit zu halten war, das. zur Aufrechterhaltung dieses Hochvakuums gerade ausreichte. Infolge, der Verschlußstellung der Ventile 1.5,26 gilt das Gesägte für die Matrizenhohlräume 13,21 entsprechend, so daß, von der Zeitspanne völliger Entlüftung der Räume 13 »21 abgesehen, auch die Pumpe 34- lediglich in einem Aüßmaß in Betrieb z\x halten war, das zur Auf rechterhalt üng des Betriebsvaku'ums in den Mätrizenhohlräumen erforderlich ist. "

Es bedarf daher lediglich einer Verschwenkung des Auslegers 44 um die Achse des Gelenkes in einer dem Uhrzeigersinne entgegengesetzten Richtung, um zu erreichen, daß die Matrizen 12,22 in die Klemmstellung übergehen, was dadurcn erreicht wird, daß die Steuerung den ServomOtor 41 nunmehr in der umgekehrten Richtung wie vorher betätigte

Die Matrizen 12,22 befinden sich nunmehr in der Kiemm* stellung und das Werkstüok in der einander überlappenden

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Lage der Werkstückteile 38,40, wobei die erforderlichen Klemm-, Abdichtkräfte und der erforderliche Schweißdruck vom Servomotor 4-1 geliefert werden. Der Servomotor übt alos einerseits die Klemmkräfte aus, andererseits sorgt er für die erforderlichen Abdichtungen der Hohlmatrizenränder an den Oberflächen der Werkstücksteile, an die die Matrizen zur Anlage gebracht sind, und dafür, daß die Werkzeugteile 38,40 innerhalb des Klemmbereiches dichtend aneinander anliegen (siehe Figur 3)· Die Querschnitte der Matrizen und ihrer Hohlräume sind dabei so bestimmt, daß die jeweilige Schweißstelle völlig zwischen den Hohlmatrizenrändern eingeschlossen ist, unabhängig davon, welche Ausbildung die zu erzeugende Schweißnaht im Einzelnen haben soll, die an der Schweißstelle auftritt. Geht man beisspielsweise davon aus, daß bei einer Punktschweißung der Durchmesser der annnähernd als Kreisfläche auftretenden Schweißstelle 13 mm beträgt, dann wird man die Matrizen 12,22 zweckmäßig mit einem Außendurchmesser von 18 mm und einem Innendurchmesser von 11 mm ausführen. Das bedeutet, daß die Matrizen aus einem Werkstoff entsprechender Festigkeit und vor allem Härte bestehen müssen. Geht man von einem Anpressdruck von 3500 Kilopond/cm , absolut gesehen, aus, so entsteht ein spezifischer Klemmdruck von 460 Kilopond/cm als Voraussetzung dafür, daß der abgedichtete Abschluß zwischen den Matrizen einerseits, den Werkstücken andererseits den auftretenden Forderungen entspricht.

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Ma.oh.dt.em auf die Weise die zu versehweißenden Werkstückteile 58,40 zwischen den Matrizen 12,22 eingeklemmt worden sind, werden die Ventile 15,26 geöffnet und es wird die Kugel des Kugelventiles 51 in eine Stellung gebracht, in der die Ausnehmung47 freigelegt ist* Es bildet sich demgemäß in den Matrizenhohlräumen 13,21 ein Unterdruck aus, der Voraussetzung dafür ist, daß das Elektronenstrahlenbündel an der;Schweißstelle unter den Sohweißbedingungen steht« Das Elektronenstrahlbündel ist demgemäß in der Lage, die Sehweißung durchzuführen, zumal auch die ' Arbeitsbedingungen erfüllt sind, unter denen die Elektronenstrahlbündelung und Konzentrierung auf die Schweißstelle vor sich gehen. Gleichzeitig oder unmittelbar vor der einsetzenden Wirkung des ElektrOnenstrahlerzeugungssystemes sind im Teil 52 der Schweißmaschine, die Bedingungen verwirklicht worden, unter denen die notwendige Ausrichtung des Bündels auf/die Schweißstelleι eintritt. Das Gleiche gilt für den Teil 53, der, wie bereits oben erwähnt, Mittel in Form entsprechend ausgebildeter SpulenahOrdnungen enthält,. die dafür sorgen, daß mit Hilfe eines kreisenden oder mit abweichender Form umlaufenden und/oder radial erweiterten "Magnetfeldes der Elektronenstrahl derselben Gesetzmäßigkeit gehorcht, womit es möglich wird, dem Elektronenstrahlbündel ein bestimmtes Bewegungsgesetz quer zu seiner Längsrichtung aufzuzwingen, das dazu führt, daß'beispielsweise das Eiektronenstrahlbündel kreist, die' langer -gosireokte einer geschlossenen Kurve oder sogar eine offene Kurve,

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in Form etwa einer Spirale, beschreibt, deren Begrenzung naturgemäß vorbestimmt ist.

Es ist dabei in keiner Weise wesensbedingt, daß es sich um Feldbewegungen handelt, die kurvenförmig verlaufene Bs besteht auch die Möglichkeit, lineare Bewegungen rechtwinkelig oder in beliebig spitzen oder stumpfen Winkeln abzuknicken, entsprechend der Art der Aufeinanderfolge der einzelnen Schweißstellen, die wiederum durch die Formgebung der Werkstücke und durch die jeweils vorgesehene Ausbildung der Schweißverbindungen vorbestimmt ist« Figur 9 zeigt eine Abwandlung der Figur 3, bei der die-obere Hohl-.matrize 22 eine obere, sphärische, nach, außen konvexjausgebildete Begrenzungsfläche 64 besitzt. Diese Fläche liegt an einer reziproken, also nach unten konkaven, im übrigen kongruent ausgebildeten G-egenflache des die Evakuierun£'sleitung 25 enthaltenden Schweißmaschinenteiles an.Außerdem können in dem erwähnten Teil Ringdichtungen 65 vorgesehen sein. Eine überwurfkappe 66 hält die genannten Teile dichtend zusammen. Es besteht infolgedessen die Möglichkeit, die Matrizen 2> einer Bewegung des Werkstückes'automatisch folgen zu lassen, etwa einer rotierenden Bewegung desselben. Trotzdem bleiben die Anforderungen an ausreichendem Klemmdruck, gegebenenfalls Schweißdruck und an die Dichtigkeit der Verbindung erfüllt, wobei der Vorteil der Anordnung darin besteht, daß es einer besonderen Steuerung der Bewegung der Matrize 22 nicht bedarf; sie macht die Bewegung des Werkstückes völlig selbstätig mit.

■Die Figuren 4 und 5 lassen beispielsweise erkennen, wie die Schweißstellen aussehen, die mit Hilfe der Erfindung verwirklicht werden können. Pie Schweißnaht tritt hier in Form eines geschlossenen, einzigen Ringes auf, wobei, um praktisch auftretende Verhältnisse zu nennen, der Außendurchmesser einer Naht 13 mm und der Innendurchmesser etwa 8 mm betragen kann«, Die Breite der SchweißzOne ist demgemäß rund 2,5 mm und der gesamte Schweißzonenbereich beträgt etwa 60 °/o der durch denvAußendurchmesser der Schweißnaht bestimmten Fläche» Während einer derartigen; Schweißung wird die Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung so gesteuert und gegebenenfalls geregelt, daß es zu einer Tiefe der Metallschmelzzone kommt, die der gesamten Werkstückdicke an der Schweißstelle entspricht. Infolge der völligen Ab— dichtung der Schweißstelle gegen die Umgebung vermag es auch nicht zu einem Luft- bzw. Sauerstoffzutritt zur Schweißstelle zu kommen. Damit fallen Qxydatiönszonen weg, die bisher die Güte derartiger Schweißungen stark beeiiiträchtigt haben. Man kann von einer geradezu vollkommenen Schweißung sprechen. '

Es gibt eine Reihe von Gründen, beispielsweise metallurgischer Art, die es wünschenswerterscheinen lassen, mit außerordentlich kleinen und trotzdem festen Schweißstellen auszukommen. In diesem Falle kann es vorteilhaft sein, die Schweißzonen nach Figur 6 auszubilden, in; der zwei ring-

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förmige und gleichmittig zueinander angeordnete Schweißnähte 'auftreten. Der äußeren Schweißringzone kann man einen Außendurchme'sser von 13 nun und einen Innendurchmesser von 8 mm, der inneren Schweißraupe einen Außendurchmesser von 6 mm und einen Innendurchmesser von nur 3 mm geben. Die Breite "beider ringförmigen Schweißzonen "beträgt dabei jeweils rund; 1,6 mm und der gegenseitige Abstand der beiden Ringzonen 1,6 mm, Trotzdem kommt es wieder dazu, daß die gesamte Schweißzonenfläche etwa 60 io der Fläche entspricht₉ die vom Außenumfang der größeren Ringzone mit einem Durchmesser von rund 13 mm eingeschlossen ist»

Um die Wirksamkeit der Abdichtung zwischen den Werkstüekteilen, durchweg Blechen oder Platten, an der Schweißstelle zu erhöhen, kann es. zweckmäßig sein_r zwischen die Bleche oder Platten eine Aluminiumfolie einzulegen, soweit nicht andere Werkstoffe infolge Yorliegens besonderer Verhältnisse zu bevorzugen Bind. In -jedem Falle soll der Folienwerkstoff so bestimmt sein, daß bei der Uiederschmelzung der folie gegebenenfalls entstehende Beimischungen, Legierungsbildungen, feste lösungen üsw. nichts an den günstigen Eigenschaften, insbesondere ah der Festigkeit der die Schweiße bildenden Metalle, ändern. In den Fällen, in denen es unmöglich ist, irgendwelche zusätzlichen Stoffe

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innerhalb der Schweißzone auftreten zu lassen, besteht ctte Möglichkeit, einen geschlossenen Ring, beispielsweise aus Indiumdraht oder auch einem anderen geeigneten Werkstoff, so anzuordnen, daß die Schweißzone von diesem Ring völlig umgeben ist, wobei derselbe wieder zwischen den zu verschweißenden Werkstückteilen, Blechen, Platten oder dergleichen angeordnet wird¹. Wenn der Klemmdruck auf die Kiemmatrizen ausgeübt wird, dichtet der unter dem hohen Klemmungsdruck nachgebende, dünne Draht die Schweißzone nach außen völlig ab, so daß beim Durchtritt des Elektronenstralilbündels der Luft -keine Gelegenheit gegeben ist, an der Verbindungsstelle der Werkstückteile einzudringen. Mit Folien der angegebenen Art könnten auch die Werkstücfcoberflachen im Klemmbereich abgeicleidet oder beschichtet s/ein, um' auch hier die Abdichtwirkung zu erhöhen. Durch mehr oder weniger scharfe Kantenausbildung an den MatrizenhOhlraummündungen kann das Gleiche erreicht werden. ■ .'■■"." : . V'

Werden Werkstückteile etwa im Wege der WiderstandschWeißung verschweißt, so'*gibt es keine zerstörungsfreien Malnahmen, mit deren Hilfe'^: man in der Lage wäre, die Art der Ausbildung so zustandegekommener Schweißverbindungen nachzuprüfen. In der Praxis werden Versüchsstäbe entnommen, die in Festigkeits— Prüfmaschinen eingeführt werden und nach Durchführung* der Untersuchung durch Zerreissen, Zerschlagen, Kugeleindrücke usw. unbrauchbar sind. Wird festgestellt, daß eine Schweißung gut ausgefallen ist oder wird mit gleichem Ergebnis von einer Reihe regellos entnommener Versuchstäbe ausgegangen,

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so nimmt man an, daß die .getroffene Feststellung für alle Schweißstellen gilt, ohne daß die Annahme zuzutreffen "braucht. Es gibt auch zerstörungsfreie Verfahren, beispielsweise Röntgenaufnahmen oder Dehnungsmessungen an den Schweißstellen. Aber die erzielten Ergebnisse können nach verschiedenen Gesichtspunkten ausgewertet werden, sie sind demgemäß aualegbar und außerdem sind derartige Untersuchungen äußerst kostspielig,

Demgegenüber gibt die Erfindung die Möglichkeit, mittels einer einfachen, visuellen Untersuchung der Werkstücke auszukommen und prüfen zu können, ob allen Voraussetzungen des Entstehens nur optimaler Schweißstellenlnachgekommen worden ist.

Wie die Figuren 5 und 8 zeigen, führt die "Schweißung mit Hilfe eines Elektronenstrahlenbündels zu einer vollständigen Durohdringung der zu verbindenden Werkstückteile, die sich dadurch anzeigt, daß an einandergegenüberliegenden Stellen jeder Schweißstelle bzw. jedes Schweißpunktes wulstförmige Metallaufwerfungen auftreten. Eine derartige Aufwerfung 68 tritt an der in Figur 1 untenliegenden Begrenzungsfläche des Werkstückteiles 40 auf, während eine etwas größere Metallwulstaufwerfung - 67 auch an der oberen Begrenzungsfläche des oberen Werkstückteiles 38 festzustellen ist. Wird eine derartige Wuletaufwerfung 68 gemäß Figur 55 oder 74 gemäß Figur 8 an der unteren Begrenzungsfläche des unteren

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Werkstückteiles 60 nach'Figur 5" öder 75 nach. Figur 8 ' " festgestU't, so besteht Gewissheit darüber, daß es\ zur Bildung einer das gesamte Werkstück durchsetzenden Schweißschmelzzone gekommen ist, womit Gewissheit darüber "besteht, daß jedeSchweißstelleeiner derartigen Ausbildung allen auftretenden Bedingungen und Beanspruchungen genügtο

Eine derartige vollständige Durchdringung der zu versehweißenden Werkstückteile mit Hilfe eines Elektrönenstrahlenbühdels und demgemäß zu erwartende, sichtbare Metallwulstaufwerfungen 68,74 usw. ah unteren Begrenzungsflächen unterer Werkstück— teile_; werden insbesondere dadurch'gesichert, daß die Energie des Elektronenstrahlenbündels entsprechend hoch eingesteilt wird. Es ist lediglich, erförderlich, diese Energie auf einen bestimmten Mindestwert anzuheben, damitjes dazu kommt, daß sich die Schweißstelle durch die Gesamtdieke der'zu verschweißenden Werkstückteile hindurch erstreckt. -

Bei der Herstellung kreisritigfb'rmiger Schweißstellen hat es Sich als vorteilhaft erwiesj?ii^ diese Energie während der Sehweißperiode in bestimmter Weise äudosieren,_;uDas kann dadurch geschehen, daß die Ijnergie zuiiächst nur allmählich gesteigert wird, um siewährei^ieiiier darauf folgendöia Zeti-tspanne im weseBtliClieii .konstant"'^U-"JialtlH und anöciilijeßend wieder allmäklicli - abfallen zu lässssenv mn;Är bevor es, zum Sahließen de^s, kreisringförmigen .Terlgtiifes; der Schweilnaiit koiiimt, womit

zu verhüten ist, daß CaVitationerscheinungen innerhalb der Schweiße auftreten. Die Anwendung einer derartigen Gestaltung des Schweißverfahrens ist aber auch dann vorteilhaft, wenn es sich nicht um ringförmig geschlossene, sondern punktbezw. flächenförmige Schweißstellen mehr oder weniger großer Ausdehnung handelt.

Es wurde oben angegeben, daß die absolute Große der Klemmkraft, mit der die Matrizen an. die Werkstückverbindung im allgemeinen angelegt werden* etwa 3 500 Kilopond/cm beträgt* Dieser Viert ist keine Konstante, sondern vorteilhaft eine Funktion der Härte und der Festigkeit des Werkstoffes, aus dem die zu verschweißenden Werkstückteile bestehen; außerdem von Einfluß sind die Dicke der Bleche^ Platten oder sonstwie ausgebildeten Werkstückteile an der Schweißstelle einerseits, schließlich die Ausbildung der Oberfläche an der Schweißstelle andererseits* So hat es sich herausgestellt * daß langgestreökte Söhweißsteilenj wie in den Figuren 7 und 8 gezeigt sind* die Festigkeit der Verbindung erhöhen. Gleicherweise sind solche Schweißungen geeignet, im Inneren von Bauteilversehweißungen auftretende Spannungen gleichmäßiger zu verteilen. Dabei ist man gedoch nicht auf die geometrische Form von Schweißnähtaüsbildungen naoh den Figuren 7 und 8

in/ festgelegt, sondern es können* insbesondere Abhängigkeit von auftretenden Sonderzweokenji andere Formgebungen der Schweißhahtausbild.ung ebenso Vorteilhaft sein»

Hinsichtlich, der Möglichkeit, die Dichtheit im Bereiche der Berührungszone zwischen zu verschweißenden Werkstuerteilen zu erhöhen, ist darauf hinzuweisen, daß an der Kontaktstelle der Werkstückteile abdichtende Schichten angebracht sein können', die beispielsweise mittels einer Bürste in entsprechender Verteilung anzubringen sind. Eine andere Verfahrensmögliehkeit besteht darin, die· Matrizen mit der Sekundärseite eines Schweißtransformators zu verbinden, womit es möglich sein wird, kurze, kräftige Stromimpulse auszuüben, mittels derer erreichbar ist, im Bereich der Berührungsstelle der Werkstückteile auftretendes Metall im Sinne der Erzielung einer Aufweichung desselben zu beeinflussen, so daß es in Verbindung mit der gleichzeitigen Ausübung eines Klemmdruckes zu einem dichten Abschluß der Werkstückteile in Bereichen derer gegenseitiger Berührung der Atmosphäre gegenüber kommt. ■

Es liegt im Wesen der Erfindung, daß sie'öich nicht in der nur beispielsweise gewählten, gezeichneten und beschriebenen Ausführungsform erschöpft, sondern daß mannigfach abweichende Verwirkliohungsformen der Erfindung denkbar.sind, ohne daß deren Wesen verlassen wird. "."''■■

Claims (4)

Patentansprüche

1). Verfahren zum Schweißen von Werkstücken mittels gebündelter Elektronenstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß zu verschweißende Werkstückteile zwischen rohrförmigen, die Schweißstelle einschließenden Matrizen unter einem Druck eingeklemmt werden, bei dem die Schweißstelle gegen ihre Umgebung ab-· gedichtet ist, worauf die Matrizenhohlräume evakuiert werden und das Elektronenstrahlenbündel über die evakuierten Matrizenhohlräume" auf die Schweißstelle zur Wirkung gebracht wird,

2). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß die Lage des Elektronenstrahlenbündel s im Verhältnis zum Werkstück wahrend der Schweißung verändert wird»

3)β Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß. das Elektronenstrahlenbündel mit der Wirkung ausgesteuert wird, daß die gebildete Schweißschmelze die zu verschweißenden Werkstückteile auf ihrer gesamten, an der Schweißstelle auftretenden Dicke durchsetzt und in Form eines sichtbaren Metallaufwurfes an der Fläche des in

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Elektronenstrahlrichtung letzten Werkstückteiles auftritt j die entgegengesetzt zur Eintrittsstelle der Elektronen in den in Elektronenstrahlriehtung liegen— ■ den ersten Werkstüokteil den in Elektronenstraiilricntung letzten Werkstüekteil begrenzt*

4)» Verfahren nach einem der Ansprüche 1 "bis 5$ d a -

durch ge k e flii ze ic h η e t _f daß mindestens innerhalb des Klemiübereiches der Matrizen liegende Begrenzungsflächen der Werkstückteile einer Vor— behandlungj etwa durch Beschichtung öder Abkleidung von WerkstUckteilbegrenzungsflachen iiiit M&tallfolien, unterwoifen wferdenj die die Abdichtung der Matrizen ah d§h Weikstüöktiileh uiid/oter^ deren gegenseitige begühsfigts

EiektröhöhstrählsöhWe'iSmäsöhihe zur Dliröhführung von Verfahren hatjh einem der" Ahs|3riishg 1 - 4 ι d ä d ώ r ö h g e te e h h ζ e^v ie ■% ή e t ^ daß die S'öhweißmaschine eihähdea? gegehübeäiliegenaej evakuier- ham üM. teilwiise beWegli-öhö Höhltoätrizeh in Verbindung äiij öihem auf' die ;beweglic>e^r Höhlmatrize ziir Wirkung zti bringenden BervömötcSr (4-jJ äüfweistj über*%eh die Matrizen unter Einschließung der iiäöh äüßeii abge·-

SchWeißsteile- der" 'zu v§rsohweißendeh Werk-

(3S^40) Klimni^i Äbdißhtuhgs- ürad gegebenen*- fälls Behweißdiücke auf das Woaflstück ausüben*

I ^ ι.

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