DE1953687B2

DE1953687B2 - Verfahren zum reproduzieren von elektronenstrahlschweissungen mit gleichen eigenschaften

Info

Publication number: DE1953687B2
Application number: DE19691953687
Authority: DE
Inventors: Marcel Rapin Michel Paris Marhic Jean Yves Fresnes (Frank reich) Boncoeur
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1968-10-25
Filing date: 1969-10-24
Publication date: 1973-06-14
Also published as: DE1953687A1; GB1246528A; DE1953686B2; NL6915990A; FR1593088A; DE1953686A1; US3626144A; NL6915989A; BE740163A; GB1259146A; FR2050701A6; LU59685A1; BE740164A; CH514391A; US3627971A; DE1953687C3; LU59665A1; FR1588067A; CH514390A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reproduzieren von Elektronenstrahlschweißungen mit gleichen Eigenschaften unter Messung von beim Schweißvorgang entstellenden Eiektronenströmen.

Die Messung von EleVtronenströmen ist eine beim Einsatz von Elektronenstrahlen zur Materialprüfung oder Materialbearbeitung übliche Maßnahme. Sie wird beispielsweise bei Vorrichtungen in Anwendung gebracht, wie sie in der USA.-Patentschrift 3 223 837, der französischen Patentschrift 1 464 629 oder dem DVS-Bereicht 1 »Elektronenstrahlschweißen«, Deutscher Verlag für Schweißtechnik GmbH, Düsseldorf 1967, S. 124 und 125, beschrieben sind.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das, aufbauend auf solchen Elektronenstrommessungen, die Möglichkeit bietet, zwei zu verschiedenen Zeiten vorgenommene Elektronenstrahlschweißungen zu gleichen Ergebnissen ?u führen.

Dieses Ziel gleicher Eigenschaften für zu verschiedenen Zeitpunkten vorgenommene Elcktroncnstrahlschwcißungen ist nämlich bisher selbst unter großen Schwierigkeiten nur unbefriedigend zu erreichen.

Um zwei identische Schweißungen an zwei etwas·¹ auseinanderliegenden Tagen mit ein und demselben Elektronenstrahlerzeuger auszuführen, muß man die verschiedenen Schweißparameter genau reproduzieren. Insbesondere ist es unbedingt erforderlich, daß der Einschnürungsquerschnitt oder Hals des Elektronenbündels wieder genau die gleiche Lage bezüglich der Oberfläche des zu behandelnden Werkslücks oder Auffängers einnimmt. Andererseits aber verändern sich die Kenneigenschaften des Elektronenstrahlerzeugers im zeitlichen Verlauf rasch, so daß die Gefahr besteht, daß für einen gleichen durch die elektromagnetische Fokussierungsspule gehenden Fokussierungsstrom der Einschnürungsquerschnitt des Bündels nicht mehr die gleiche Stellung einnimmt, so daß die erhaltenen Schweißnähte verschieden sind. Man kann sich daher nicht damit zufrieden geben, dem Elektronenstrahlerzeuger die gleiche Stellung bezüglich des Auffängers zu geben, und es ist erforderlich, die Lage des Einschnürungsquerschnitts genau zu orten. Nach dem bisherigen Verfahren versucht man, durch Experimente und empirisch den Einschnürungsquerschnitt auf die Oberfläche des zu schweißenden Werkstücks oder Auffängers einzustellen. Zu diesem Zweck stellt der Experimentator eine Schmelzlinie auf einem Auffänger gleicher Zusammensetzung wie das zu schweißende Stück her. Die vom geschmolzenen Metall ausgesandten Dämpfe werden im Elektronenstrahlbündel ionisiert, das sich färbt und sichtbar wird. Der Experimentator stellt den Fokussierungsstrom so ein, daß der Einschnürungspunkt des Bündels auf die Oberfläche des Auffängers eingestellt wird.

Ein solches Verfahren ist empirisch, und seine Genauigkeit hängt von der Geschicklichkeil und dem Können des Experimentators, der Art des zu schweidenden Metalls, der für das Schweißen eingesetzten Leistung usw. ab, so daß die Reproduzierbarkeit der Schweißungen nicht gegeben, sondern vom Zufall abhängig ist.

Erfindungsgemäß wird die oben gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß bei festgelegten Schweißparametern, wie Elektronenstrahlstrom, Elektronenbeschleunigungsspannung, Schweißabstand und Schweißgeschwindigkeit, unter Variation des Fokussierungsstromes // mit konstanter Geschwindigkeit die Kurve h ~ f(If) fü^f den Zusammenhang zwischen dem das Werkstück durchfließenden Strom /„ einerseits und dem Fokussierungsstrom // andererseits registriert wird, daß mit den festgelegten Schweißparametern eine erste Schweißung vorgenommen und dabei der Fokussierungsstrom // zum einen für einen charakteristischen Scheitelwert der Kurve I_v = /(//) und zum anderen für die erste Schweißung markiert wird, daß die Kurve I₁, = /(//) mit den gleichen Schweißparametern wie bei der ersten Registrierung ein zweites Mal registriert wird und daß der Fokussierungsstrom If für den ausgewählten Scheitelwert der Kurve I₁, - f {!/) markiert und eine zweite Schweißung mit einem Fokussierungsstrom // vorgenommen wird, der von dem für die erste Schweißung markierten Wert die gleiche Differenz aufweist, wie sie zwischen den Fokussierungsströmen // für den ausgewählten Scheitelwert bei den beiden registrierten Kurven i_v ---/(//) besteht.

Das erfindungsgemäßc Verfahren beruht auf der

neuen Erkenntnis der Anmeldcrin. ilaß für den das Werkstück beim Schweißen durchfließenden Strom /,, einerseits und den Fokussierungsstrom // andererseits bei festgehaltenen Schweißparanietern stets ein fester Zusammenhang für jede Schweißung besieht, so daß sich die Lage des jeweiligen Arbeitspunktes für die einzelne Schweißung durch ihre Differenz von ausgezeichneten Scheitelwerten der für den oben angegebeneu Zusammenhang zu zeichnenden Kurve festlegen Hißt. Diese Festlegung bietet dann die Möglichkeit, für jede in irgendeinem beliebigen Zeitpunkt vorzunehmende Elektroncnstrahlschwcißunc jeweils die

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gleichen Verhältnisse und damit Schweißergebnisse zu gewährleisten, wenn nur dafür gesorgt wird, daß der Abstand des jeweiligen Arbeitspunktes von dem ihm nächstliegenden Scheitelwert der aufgezeichneten Kurve in der Auftragungsrichtung des Fokussierungsstromes Ty für aüc solchen Schweißungen gleich groß ist.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert; dabei zeigt in der Zeichnung

Fig. 1 und 2 schematische Darstellungen für die Verteilung der verschiedenen Elektronenströme bei nicht erwärmten bzw. unter dem Elektronenaufprall schmelzendem Auffänger,

Fig. 3 ein Blockschaltbild für eine zum Durchführen des erfindungsgemäßcn Verfahrens geeignete Vorrichtung und

Fig. 4 und 5 Kurven für die Abhängigkeit des im Auffiingcr fließenden Stromes /,, vom Fokussierungsstrom Iu wobei in Fig. 5 zusätzlich die Querschnitte der mit den verschiedenen Einstellungen erzielbaren Schweißnähte schematisch angedeutet sind.

Trifft ein Elektronenstrahlbündel, dessen sämtliche Eigenschaften bis auf die Fokussierung als unveränderlich angenommen werden, auf einen metallischen Auffänger bekannter Zusammensetzung, so kann dieser Auffanger sich erhitzen oder bei Raumtemperatur verbleibe:-., je nachdem er gekühlt wird und je nach der Grcl?c der Energiezufuhr durch die vom Elektronenstrahlerzeuger gelieferten Elektronen. Wenn die Bedingungen so sind, daß sich der Auffänger nicht erwärmt, schlagen die einfallenden Elektronen auf dem Auffänger auf und dringen in das Metall ein. Einige Elektronen bleiben dort fixiert, während andere austreten; dies sind einerseits die mit hoher Energie zurückgestreuten Elektronen und andererseits die Sekundärelektronen mit einer Energie unter 50 eV.

Fig. 1 faßt diese Bedingungen zusammen und zeigt, daß der durch das Werkstück 1 gehende Strom /,, gleich der Differenz zwischen dem vom Elektronenstrahlerzeuger 2 gelieferten auftreffenden Strom h und den auf die Sekundärelektronen e_s und die zurückgcstreutcn Elektronen e_r zurückgehenden Strömen /., und /, ist; es gilt daher

/„ Ib - (A, t /,·)·

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Die Erfahrung zeigt, daß der Strom /,, unabhängig vom Fokussierungsstrom // praktisch konstant bleibt.

Wenn dagegen die Bedingungen so sind, daß sich der Auffänger erhitzt und unter dem Aufprall der vom Elektronenstrahlerzeuger kommenden Elektronen schmilzt, wird dieser Auffänger zu einem Thermoelektroncnstrahler und sendet thermische Elektronen ei von geringer Energie aus, die aus dem Metall austreten (Fig. 2). Der Strom im Werkstück 1 hat daher den Wert

/,, -■■ //, - (Ir ί As- I It).

wobei /f der von den thermischen Elektronen gelieferte Strom und l_r gleich <//;, ist, worin // den Rückstreuungsfaktor für das betrachtete Metall bedeutet.

Die Thcrmoelektronenemission unterliegt dem Gesetz von Richardson-Dushmann. wonach für ein gegebenes Metall der Strom thermischer Elektronen sich mit der Temperatur und der Oberfläche des abstrahlenden Auffängers verändert. Andererseits verändern sich bekanntlich die Tiefe und Breite der geschmolzenen Zone und damit die abstrahlende Oberfläche sowie die Temperatur des flüssigen Bades mit der Fokussierung des Elektronenstrahlbündels. Infolgedessen hängt Λ von dieser Fokussierung ab.

Außerdem verändern sich die Siröme /_r und /_s mit der Form, dem Zustand der Oberfläche des Auffangers und dem Einfall der Elektronen, und da die Oberfläche des Auffängers unter dem Aufprall der Elektronen dauernd und in einem von der Fokussierung des Bündels abhängenden Wert deformiert wird, folgt, daß h und Ir ebenfalls von der Fokussierung abhängen.

Schließlich muß die Stromstärke I_p vom Fokussierungsstrom // abhängen, was durch die Erfahrung bestätigt wird.

Die Erfindung bedient sich der Aufzeichnung der Kurve I_p =/(//). .

In Fig. 3 besitzt eine zum Elektronenstrahlschweißen verwendete Vorrichtung bekannter Art ein Registriergerät 5 zur Aufzeichnung der Kurve von /„ in Abhängigkeit von //. Die Vorrichtung besitzt in bekannter Weise eine Fokussierungsspule 3, während mit 4 ein Isolator bezeichnet ist. Als Elektronenstrahlerzeuger wird ein solcher nach Pierce verwendet.

Man hält konstant den Beschießungsstrom h. die Elektronenbeschleunigungsspannung U, den Abstand H zwischen dem Werkstück 1 und dem Elektronenstrahlerzeuger 2 swoie die Schweißgeschwindigkeit V₁,. Verändert wird mit konstanter Geschwindigkeit der Fokussierungsstrom //. und man registriert die Kurve /„ = /(Z₇) am Registriergerät 5. Fig. 4 zeigt, daß sich der Strom /_); kontinuierlich in Abhängigkeit von I₁ verändert.

Die Kurve der Fig. 4 wurde für folgende Werte der verschiedenen Parameter erhalten: /„ - ICO mA, U = 26,5 kV, V₁, - 36 mm/min, und H = 9,5 cm; das behandelte Stück bestand aus Flußstahl.

Für einen Auffänger von gegebener Art und Form und für. abgesehen von der Fokussierung, konstante Werte der Parameter, des Elektronenstrahlbündels ist die am Registriergerät 5 erhaltene Kurve stets bis auf einige Prozent die gleiche, und die den Extremwerten der Spitzen entsprechenden Werte sind praktisch feststehend und kennzeichnend für den Fokussierungsstrom //, wobei dei Schwankungen der Abszissen-Werte unter den Bedingungen der durchgeführten Untersuchungen und nach der gewonnenen Erfahrung stets unter 1 % lagen.

Die Untersuchungen haben gezeigt, daß eine Beziehung zwischen den Abmessungen der Schweißnähte und den am Registriergerät 5 erhaltenen Kurven besteht.

Die Kurve l_p = /'(//) wurde für eine Geschwindigkeit 0 der Veränderung von //, d. h. Punkt für Punkt aufgezeichnet. Man führt Schmelzlinien für verschiedene Werte dieses Fokussierungsstroms aus, wobei alle anderen Schweißparameter konstant bleiben.

Die durchgeführten Versuche zeigen, daß die Maxima und Minima der Kurven charakteristischen Abmessungen der Schweißnähte entsprechen. Es sei bemerkt, daß die Punkt für Punkt aufgezeichnete Kurve /,. = / Uf) praktisch mit der durch kontinuierliche Veränderung von // erhaltenen Kurve zusammenfällt, wenn die Geschwindigkeit der Veränderung des Fokussierungsstroms gering ist.

Fie. 5 zeigt die im Fall einer kontinuierlichen und langsamen Veränderung des Fokussierungsstroms erhaltene Kurve /„ - /'(Ζ/); wobei der Auffänger aus Flußstahl bestand. In dieser Figur sind schematisch

Jie Querschnitte der bei verschiedenen hokussierungen ;rhaltenen Schweißnähte angegeben.

In erster Annäherung erhält man die folgenden Ergebnisse:

1. Auf den Zweigen AB und DE der Kurve erfolgt das Schmelzen des Metalls des Auffängers durch Leitung, und die geschmolzene Zone ist ebenso breit wie tief. Auf den Zweigen BC und CD ist die geschmolzene Zone nageiförmig; außerhalb A und E ist die Tiefe der geschmolzene Zone zu vernachlässigen.

2. Die tiefste Schweißung wird für die dem Punkt C entsprechende Fokussierung erhalten (das ist beispielsweise der Fall einer Zapfenschweißung).

3. Auf dem Zweig CD verändert sich die Tiefe der Schweißnähte erheblich, und es erscheinen Lunker. Die regelmäßigsten Schweißnähte werden auf dem Zweig BC erhalten.

4. Die Gestalt der Kurven verändert sich mit der Atomzahl des Auffängers, so daß die Kurven und Formen der Schweißnähte mindestens einmal für jedes Metall oder jede Legierung verglichen werden müssen, womit die Beziehungen dann festliegen.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, daß es sich unmittelbar und unabhängig von der Geschicklichkeit des Ausführenden und den Schweißparametern durchführen läßt. Die Meßgenauigkeit ist stets besser als ± I %.

Die verschiedenen Parameter des Elcktronenstrahlbündeis, wie die Intensität des Beschüsses, die Elektronenbeschleunigungsspannung und die Abslände zwischen dem Elektronenstrahlerzeuger und dem Auffänger usw., haben einen Einfluß auf die Form der vom Registriergerät 5 gelieferten Kurve oder die Lage

ίο der Spitzen, jedoch zeigt sich praktisch uie Auswirkung dieser Parameter nur bei erheblichen Veränderungen (zufälligen Irrtümern, Zwischenfällen beim Betrieb usw.).
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die unmittelbare Feststellung von zufälligen und wesentlichen Veränderungen eines Schweißparameters, da sich dann die Spitzen bei den verschiedenen vorgenommenen Registrierungen verschieben oder die Form der Kurve sich verändert.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ferner die unmittelbare Feststellung der Bereiche des Fokussierungsstroms, die eine bestimmte Form der Schweißnaht liefern, die unmittelbare Bestimmung der Fokussierung, welche für die gewählten Schweißparameter die tiefste Schweißung liefert, und die unmittelbare Feststellung des Bereichs des Fokussierungsstromes, der Schweißnähte mit dem Minimum an Fehlern und einer regelmäßigen Tiefe liefert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Reproduzieren von Elektronenstrahlschweißungen mit gleichen Eigenschaften unter Messung von beim Schweißvorgang entstehenden Elektronenströmen, dadurch gekennzeichnet, daß bei festgelegten Schweißparametern, wie Elektronenstrahlstrom, Elektronenbeschleunigungsspannung. Schweißabstand und Schweißgeschwindigkeit, unter Variation des Fokussierungsstromes // mit konstanter Geschwindigkeit die Kurve I_p = / (//) für den Zusammenhang zwischen dem das Werkstück durchfließenden Strom Ip einerseits und dem Fokussierungsstrom // andererseits registriert wird, daß mit den festgelegten Schweißparametern eine erste Schweißung vorgenommen und dabei der Fokussierungsstrom f/ zum einen für einen charakteristischen Scheitelwert der Kurve /„ = / (//) und zum anderen für die erste Schweißung markiert wird, daß die Kurve I₁, — f (//) mit den gleichen Schweißparametern wie bei der ersten Registrierung ein zweites Mal registriert wird und daß der Fokussierungsstrom I/ für den ausgewählten Scheitelwert der Kurve I,, — /(//) markiert und eine zweite Schweißung mit einem Fokussierungsstrom // vorgenommen wird, der von dem für die erste Schweißung markierten Wert die gleiche Differenz aufweist, wie sie zwischen den Fokussierungsströmen // für den ausgewählten Scheitelwert bei den beiden registrierten Kurven /,, =/(//) besteht.