DE19729083C1 - Verfahren zur Herstellung mehrerer Schweißnähte mit einem Elektronenstrahl und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit welchem quasi gleichzeitig mehrere Schweißnähte an mehre­ ren Werkstücken mit einem Elektronenstrahl, vorzugsweise an rotationssymmetrischen Werkstücken, im Vakuum hergestellt werden. Gegenstand der Erfindung ist weiterhin die Einrichtung, mit der das Verfahren ausgeführt wird.

Die Einrichtung und das Verfahren sind außer zum Elektronenstrahlschweißen auch zum Elektronen­ strahl-Umschmelzhärten verwendbar. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Schweißen von Zahnrädern, d. h. Aufschweißen der Zahnkränze auf den Grundkörper oder das Umschmelzhärten von Nocken auf Nockenwellen, d. h. die Erzeugung von Härtebahnen.

Es ist allgemein bekannt, um die Produktivität von Elektronenstrahl-Bearbeitungsanlagen zu erhöhen, mehrere zu bearbeitende Teile in den Rezipienten einzubringen und in einem Vakuumprozeß zu bear­ beiten. Dazu werden die Teile in Magazinen eingebracht und nacheinander in das Bearbeitungsfeld des Elektronenstrahls bewegt und bearbeitet. Dazu sind eine Vielzahl von Ausgestaltungen der Maga­ zine und Bewegungseinrichtungen bekannt. So können die Magazine auch derart ausgeführt sein, daß sie als Drehteller ausgebildet sind, so daß die darauf positionierten Teile nacheinander durch das Energieübertragungsfeld des Elektronenstrahls bewegt werden. Alle bekannten Einrichtungen arbeiten nach dem Prinzip, daß jedes Teil nacheinander in das Bearbeitungsfeld gelangt und in einem durch den Elektronenstrahl bestimmten Prozeß vollständig bearbeitet wird.

Diese Einrichtungen und damit ausgeübten Verfahren haben den Nachteil, daß immer nur ein Teil bearbeitet wird, bis der gesamte Arbeitsprozeß abgeschlossen ist. Bei relativ kurzer Bearbeitungszeit, d. h. Einwirkzeit des Elektronenstrahls, ist die Nebenzeit für den Transport eines zu bearbeitenden Teils in den Einwirkungsbereich - das Energieübertragungsfeld - und der Transport aus diesem heraus sehr hoch. Daraus wird die Produktivität des Verfahrens bestimmt. Selbst bei großen Magazinen zur Aufnahme vieler Teile ist keine wesentlich bessere Produktivität erreichbar.

Es sind auch zur Bearbeitung großer Stückzahlen von Teilen Durchlaufanlagen bekannt, bei denen kontinuierlich die zu bearbeitenden Teile in den Rezipienten ein- und ausgeschleust werden. Außer dem Nachteil, daß der apperative Aufwand der Anlage durch die Schleusen und Vakuumerzeugung sehr hoch ist, besteht auch der Nachteil, daß die Nebenzeiten sehr hoch sind. Außerdem ist auch das Rezipientenvolumen sehr groß, was eine hohe Evakuierungsleistung erfordert.

Es ist weiterhin bekannt, die Produktivität beim Elektronenstrahlbearbeiten großer Stückzahlen von gleichen Teilen, an den Strahlerzeuger eine sogenannte Elektronenstrahlweiche anzuordnen, die den Elektronenstrahl im Wechsel in zwei Rezipienten lenkt. In einem Rezipienten wird bearbeitet, während der andere entstückt, bestückt und evakuiert wird (DE 44 22 751, DD 214 717). Diese Einrichtungen haben den Nachteil, daß eine relativ hohe Produktivität nur erreichbar ist, wenn die Bearbeitungs- und Nebenzeiten annähernd gleich sind und dies erfordert auch ein geringes Rezipientenvolumen, den sogenannten Nullrezipienten, da die Evakuierungszeit die Nebenzeit entscheidend bestimmt. Weiterhin besteht der Nachteil, daß das Rezipientenvolumen bzw. seine Geometrie an das zu bearbeitende Teil angepaßt sein muß. Damit ist eine Grenze für den universellen Einsatz gegeben. Auch der vakuum­ technische Aufwand ist sehr hoch.

Es ist weiterhin bekannt, mit einem zweidimensional ablenkbaren Elektronenstrahl quasi gleichzeitig mehrere Bahnen auf einem Werkstück zu erzeugen, wobei diese letztendlich nacheinander erzeugt werden, jedoch das fast trägheitslose Arbeiten des Elektronenstrahls läßt annähernd gleichzeitiges Bearbeiten erkennen (DE 41 30 462 C1). Das Verfahren wird vorteilhaft beim Umschmelzhärten von Nocken angewendet.

Aber auch bei diesem Verfahren besteht der Mangel, daß hohe Nebenzeiten des Be- und Entstücken und Evakuieren die Produktivität bestimmen. Es wird jeweils ein Teil, d. h. ein Nocken fertig bearbeitet, bis der Nächste in das Energieübertragungsfeld gebracht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und die zugehörige Einrichtung zu schaffen, um mehrere Schweißnähte oder Umschmelzbahnen an mehreren Werkstücken quasi gleichzeitig mit einem Elektronenstrahl sehr hoher Energiedichte auszuführen. Es sollen in einem Prozeß eine Vielzahl von vorzugsweise rotationssymmetrischen Werkstücken bearbeitet werden, so daß eine hohe Produktivität erreich­ bar ist. Es soll weiterhin mit einem Elektronenstrahl mit kleinstem Fokus gearbeitet werden und alle Störfelder im Strahlengang sollen eliminiert werden. Nach dem Verfahren sollen endlos umlaufende Schweißnähte oder Härtebahnen durch Umschmelzen mit hoher Qualität erzeugt werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen der Ansprüche 1 und 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Einrichtung sind in den Ansprüchen 2 und 3 sowie 5 und 6 beschrieben.

Das Wesentliche der Erfindung besteht darin, daß in der Bearbeitungskammer mehrere zu bearbei­ tende Werkstücke, die vorzugsweise geschweißt werden, quasi gleichzeitig vom Elektronenstrahl be­ aufschlagt werden. Diese Werkstücke werden mit konstanter Geschwindigkeit um ihre Achse, es sind vorzugsweise Rotationskörper, in Aufnahmevorrichtungen derart bewegt, daß sie sich stets mit dem momentan vom Elektronenstrahl zu beaufschlagenden Bereich im Energieübertragungsfeld des Elek­ tronenstrahls befinden. Dadurch, daß der Elektronenstrahl mit hoher Geschwindigkeit fast trägheitslos ablenkbar ist, wird er derart gesteuert, daß er von einem Werkstück zum anderen springt und auf je­ dem Werkstück nur einen punktförmigen Energieeintrag vornimmt. Dadurch wird eine Kapillare geöff­ net. Durch die hohe Sprungfrequenz in Abstimmung mit der Bewegungsgeschwindigkeit der Werk­ stücke reihen sich die Punkte zu einer geschlossenen Linie aneinander, ohne daß sich die Kapillare des vorangegangenen punktförmigen Energieeintrags schließt.

Dieser Energieeintrag auf das Werkstück erfolgt derart, daß die Sprungfunktion zur Strahlauslenkung eine Rechteckfunktion hat, wobei der Anstieg zum Maximalwert und sein Abstieg von dem Plateau etwa 1% der Haltezeit beträgt. Der Strahlfokus wird dabei konstant sehr klein gehalten.

Es wird jeder Punkt der herzustellenden Schweißnaht oder Umschmelzzone mit einer konstanten Energiemenge beaufschlagt, die annähernd der Energiemenge entspricht, wie sie beim Herstellen einer optimalen Schmelzzone als Einzelschmelzzone erforderlich und verwendet wird. Es wird ein Elektronenstrahl höchster Energiedichte eingesetzt, der bei einer Strahlstromerhöhung nur die Ener­ giedichte und nicht dessen Querschnitt, d. h. Fokus, verändert.

Die Sprungfrequenz des Elektronenstrahls vom 1. Schmelzpunkt über alle anderen hinweg bis zur Rückkehr zum 1. Schmelzpunkt, d. h. vom Auftreffort eines Werkstückes zum nächsten wird vor­ teilhafterweise auf < 200 Hz bis 2,5 kHz festgelegt. Durch diese extrem kurzen Zeiten bleibt die ent­ standene Kapillare offen, bis der Elektronenstrahl wieder an diese Stelle zurückgeführt ist und den nächsten punktförmigen Eintrag unmittelbar an die vorher erzeugte Kapillare erzeugt, um die Naht fortzusetzen. Dabei wird die Energiespeicherfähigkeit des Werkstoffes am Auftreffort und seiner un­ mittelbaren Umgebung mit wirksam.

Die Kombination dieser wesentlichen Merkmale bewirkt, daß auf mehreren Werkstücken zu fast glei­ cher Zeit die Bearbeitung mit dem Elektronenstrahl erfolgt und eine in sich endliche Bahn, das ist eine Schweißnaht oder eine oder mehrere Umschmelzbahnen hoher Qualität, entsteht. Damit wird eine bisher unerreichte Produktivität erzielt.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zei­ gen in

Fig. 1: das Prinzip der Strahlführung auf den Werkstücken als Draufsicht

Fig. 2: eine Einrichtung zur Bearbeitung mehrerer Werkstücke.

In Fig. 1 sind sechs Werkstücke 1 (Zahnräder) dargestellt, auf deren Umfang mit einer Schweißnaht der Zahnkranz (nicht dargestellt) angeschweißt wird. Die Werkstücke 1 drehen sich um ihre Achse. Sie sind, wie in Fig. 2 näher beschrieben und dargestellt, auf einer Wechselpalette 2 so angeordnet, daß sich stets ein Bereich im Energieübertragungsfeld 3 des Elektronenstrahls 4 befindet. Der Elektronen­ strahl 4 wird im Umlauf von Werkstück zu Werkstück 1 mit hoher Geschwindigkeit mittels bekannter Strahlablenkmittel sprungartig gelenkt. Er trifft kurzzeitig auf und erzeugt eine Kapillare 5. Durch den ständigen Umlauf des Elektronenstrahls 4 mit einer Sprungfrequenz von < 250 Hz in Verbin­ dung mit der Rotation der Werkstücke 1 entsteht durch das Aneinanderreihen der Punkte durch die hohe Geschwindigkeit auf jedem Werkstück 1 quasi gleichzeitig die Schweißnaht.

Die Einrichtung nach Fig. 2 besteht aus einer Elektronenkanone 6, die an eine Vorkammer 7 an­ geflanscht ist. Die Elektronenkanone 6 und die Vorkammer 7 werden in üblicher Weise evakuiert. An die Vorkammer 7 schließen sich über Querventile 8 Bearbeitungskammern 9 an (eine davon nur ge­ zeichnet). Die Bearbeitungskammer 9 schließt mit einem Flansch ab, der zugleich als Wechselplatte 10 ausgebildet ist. Auf dieser sind Wechselplatten und Aufnahmeelemente 11 für die Werkstücke 1, das sind Zahnräder, deren Zahnkränze aufgeschweißt werden, angeordnet. Diese Aufnahmeelemente 11 werden über ein bekanntes Planetengetriebe mittels eines zentralen Antriebes 12 gleichzeitig gedreht. An den Wechselplatten 10 ist ein Arm 13 angeordnet, der mit einer Hub-Drehvorrichtung 14 derart ver­ bunden ist, daß die gleichzeitig als Flansch wirkenden Wechselplatten 10 nach dem Belüften der Bear­ beitungskammer 9 abgesenkt und zur Seite gedreht werden können. Die Bearbeitungskammer 9 wird in bekannter Weise evakuiert.

Der in der Elektronenkanone 6 erzeugte Elektronenstrahl 4 wird durch bekannte elektronenoptische Bauelemente 16 geknickt und mit der erforderlichen Sprungfrequenz von Werkstück zu Werkstück 1 abgelenkt und dort punktförmig zur Einwirkung gebracht. Während dem Wechseln der Platten 10 ist das Querventil 8 geschlossen und der Elektronenstrahl 4 wird in einer anderen Bearbeitungskammer 9 zur Einwirkung gebracht. Die Wechselpalette 2 ist mit ihren Aufnahmeelementen 11 der jeweiligen Bearbeitungsaufgabe und den zu bearbeitenden Werkstücken 1 angepaßt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von mehreren Schweißnähten mit einem Elektronenstrahl an mehreren Werkstücken, indem der Elektronenstrahl hochfrequent dreidimensional abgelenkt und punktförmig auf dem Werkstück zur Einwirkung gebracht wird und daß die Werkstücke in sich bewegenden Aufnahmeelementen im Energieübertragungsfeld des Elektronenstrahls bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß alle in jeweils einer Bearbeitungskammer befindlichen Werkstücke gleichzei­ tig mit einer konstanten Geschwindigkeit derart bewegt werden, daß von jedem Werkstück minde­ stens der momentan vom Elektronenstrahl zu beaufschlagende Bereich sich im Energieübertra­ gungsfeld des Elektronenstrahls befindet, daß der Elektronenstrahl mit höchster Energiedichte mit konstantem Strahlfo­ kus von einem Werkstück zum nächsten sprungartig abgelenkt wird und dabei einen punktförmigen Energieeintrag vornimmt, daß die Zeit des Energieeintrages derart gewählt wird, daß eine Kapillare entsteht und daß die Zeit des Weiterspringens zum nächsten Werkstück und damit die Zeit bis zum Auftreffen des Elektronenstrahls auf den Ausgangsort des ersten Werkstückes als ein Umlauf so kurz gewählt wird, daß sich die vorher erzeugte Kapillare noch nicht wieder geschlossen hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkung des Elektronenstrahls nach einer Rechteckfunktion gesteuert wird und dabei die Anstiegs- und Abstiegszeit < 5% der Haltezeit beträgt und daß der Strahlfokus in seinem Durchmesser konstant gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprungfrequenz des Elek­ tronenstrahls von Werkstück zu Werkstück < 250 Hz und die Einwirkzeit auf dem Werkstück zwi­ schen 1 ms und 3 µs eingestellt wird.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Elektronen­ kanone mit Strahlerzeugungssystem, elektronenoptischen Bauelementen zur Führung und Ablen­ kung des Elektronenstrahls auf die zu bearbeitenden Werkstücke, mindestens einer Bearbeitungs­ kammer mit mindestens einer Werkstückaufnahme und Transporteinrichtung, einer Evakuierungs­ einrichtung, einer Vorkammer, die zwischen der Elektronenkanone und der Bearbeitungskammer angeordnet ist und einem zwischen jeder Bearbeitungskammer und Vorkammer angeordeten Querventil zur vakuummäßigen Trennung jeder Bearbeitungskammer von der Elektronenkanone, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Bearbeitungskammer (9) eine Wechselpalette (2) angeordnet ist, die mehrere durch einen zentralen Antrieb (12) angetriebene Aufnahmeelemente (11) und die Werkstücke (1), die sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegen, besitzt, daß die Aufnahmeele­ mente (11) so angeordnet sind, daß jedes zu bearbeitende Werkstück (1) sich ständig mit minde­ stens einem Punkt seines zu bearbeitenden Bereiches im Energieübertragungsfeld (3) des auftref­ fenden Elektronenstrahls (15) befindet.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselplatte (10) derart ausge­ bildet ist, daß sie gleichzeitig der die Bearbeitungskammer (9) vakuumdicht verschließende Flansch ist und mindestens 2 Wechselpaletten (2) und deren Antrieb (12) trägt.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die als Flansch wirkende Wechselplatte (10) über einen Arm (13) mit einer Hub-Dreheinrichtung (14) derart verbunden ist, daß die Wechselpalette (2) zum Entstücken der Werkstücke (1) von der Wechselplatte (10) trennbar und eine andere Wechselpalette (2) mit neuen Werkstücken (1) aufsetzbar ist.