DE2121406C3 - Vorrichtung zum Elektronenstrahlschweißen - Google Patents

Description

)ie Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstelvon Nahtschweißverbindungen durch Elektronenihlschweißen in einer evakuierten Schweißkammer, an einer mit einer Elektronenstrahlkanone versehei Strahlcrzeugungskammer gasdicht anliegt, mit 2r Pumpeinrichtung zum Evakuieren der Slrahlcrgungskammer auf einen Druck, der niedriger als der kr Schweißkammer erforderliche Druck ist, sowie einer flexiblen Sperre, die eine langgestreckte Öffig in einer Wandung zwischen den beiden Kammern rdeckt und auf einem die Öffnung umgebenden ndungsteil abgestützt ist, wobei die Elektronenstrahlkanone gemeinsam mit der Sperre in Längsrich tung der Öffnung verschiebbar ist und das Sperrenma terial vor und hinter der Elektronenstrahlkanone min destens so lang ist, daß sich die Sperre über die volle Länge der Öffnung erstreckt, wenn die Elektronen Strahlkanone in den Endstellungen ihrer Verschiebebe wegung steht.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DT-A5 12 69 750) ist die Strahlerzeugungskammer gemeinsarr mit der Elektronenstrahlkanone und der Sperre ir Längsrichtung der Schweißkammeröffnung verstellbar Die Sperre verläuft über einen größeren Teil ihrer Län ge außerhalb der Strahlerzeugungskammer und muC dort für eine Abdichtung zwischen der freien Atmo Sphäre und dem innerhalb der Schweißkammer herr sehenden Unterdruck sorgen. Der Differenzdruck ar der Sperre ist daher groß. Dies führt zu erheblicher Dichtungsproblemen, zumal die Abdichtung zwischer gegeneinander beweglichen Teilen hergestellt und auf rechterhalten werden muß. Entsprechende Schwierigkeiten hinsichtlich der Abdichtung ergeben sich bei bekannten Elektronenstrahlschweißvorrichtunger (US-PS 34 35 185 und DT-AS 12 57 999), bei denen dii Elektronenstrahlkanone in einer Strahler.'eugungskam mer angeo^rdnet ist, die mit der Schweißkammer fesi verbunden ist. Die Schweißkammer ist dabei an der dei Strahlerzeugungskammer gegenüberliegenden Seite offen; sie wird dort im Betrieb vom Werkstück abge schlossen. Die beiden Kammern werden zum Schwel· ßen gemeinsam mit Bezug auf das Werkstück verfah ren, wobei Dichtungen an den auf dem Werkstück auf sitzenden und gegenüber diesen bewegbaren Flächer der Schweißkammer den Zutritt von Luft in die Schweißkammer verhindern sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elek tronenstrahlschweißvorrichtung zu schaffen, bei der die Abdichtung der Schweißkammer wesentlich einfachei und weniger kritisch ist. Diese Aufgabe wird erfin dungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektronenstrahl kanone in einer an sich bekannten Weise an dei Schweißkammer befestigbaren Strahlerzeugungskam mer bewegbar angeordnet ist und durch eine Sperre hindurchreicht, die in allen Positionen der Elektronen strahlkanone völlig innerhalb dieser Kammer bleibt.

An der ständig innerhalb der Strahlerzeugungskam mer bleibenden mitbewegbaren flexiblen Sperre lieg nur eine verhältnismäßig kleine Druckdifferenz an, wei im Betrieb auch in der Schweißkammer nur ein niedri ger Druck herrscht. Daher bleibt bei Vorhandenseir kleiner Leckwege die Funktion der Schweißvorrich tung unbeeinträchtigt. Die Abdichtung kann ohne gro ßen Aufwand und ohne besondere Wartung für lange Zeiträume sichergestellt werden. Im Bedarfsfall kanr die Strahlerzeugungskammer zusammen mit der flexib len Sperre abgenommen und über eine Öffnung ar einer der anderen Wände der Schweißkammer mon tiert werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist di< flexible Sperre einen oder mehrere in Längsrichtung verlaufende Schlitze auf. die in der Verschieberichtunj der Elektronenstrahlkanone vor und hinter dieser lie gen. Auf Grund solcher Schlitze wirkt die flexible Sper re als Ventil, über das Gas in die Strahlerzeugungskam mer ein- bzw. aus dieser herausströmen kann und da:

einen halb abgedichteten Zustand herbeiführt, wenn die Drücke auf beiden Seiten der Sperre näherungsweise im Gleichgewicht sind. Beim Leerpumpen kann dahei der Druck in der Slrahlerzeugungskammer zunächs

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von der Schweißkammer zugeordneten mechanischen Pumpen mit abgesenkt werden. Derartige Pumpen haben eine vergleichsweise hohe Pumpleistung im viskosen Bereich bis ungefähr 5 Mikron Quecksilbersäule. Der für die Strahlerzeugungskammer erforderliche, noch niedrigere Druck, bei dem Gasbewegung in eine molekulare Strömung übergeht, läßt sich dann mittels Diffusionspumpen auf wirtschaftliche Weise herstellen und aufrechterhalten.

Der oder die Schlitze können zu Dichtzwecken vorteilhaft mit sich überlappenden Seiten versehen sein, obwohl oft auch aneinander anstoßende Lippen oder selbst Lippen ausreichen, die kleine Öffnungen bilden.

Eine bequeme Verstellbarkeit der Elektronenstrahlkanone in der Strahlerzeugungskammer wird gewährleistet, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die flexible Sperre von dem unteren Abschnia einer aus Sperrenmaterial bestehenden geschlossenen Schleife gebildet ist, die an beiden Enden über eine Rolle läuft, und wenn der obere Abschnitt der Schleife mit einem Schlitz versehen ist, dessen Seiten mit der Elektronenstrahlkanone in Gleiteingriff stehen, während sich der untere Abschnitt und die Elektronenstrahlkanone hin- und herbewegen.

Entsprechend einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung kann die flexible Sperre die Form eines Bandes haben, das an beiden Enden mit einer unter Federspannung stehenden Rolle verbunden ist.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer Elektronenstrahlschweißvorrichtung,

F i g. 2 eine Seitenansicht der innerhalb der Vorrichtung angeordneten Elektronenstrahlkanone.

Fig. 3a, 3b und 3c Querschnittsansichten, die die Ventilwirkung einer mit einem Mittelschlitz versehenen flexiblen Sperre unter verschiedenen Druckbedingungen erkennen lassen,

Fi g. 4 einen Frontaufriß einer Anordnung mit einer zusätzlichen Verlängerung für die Elektronenstrahlkanone, teilweise im Schnitt,

F i g. 5a, 5b und 5c Querschnittsansichten, die die Ventilwirkung einer ununterbrochenen flexiblen Sperre mit frei aufliegenden Seitenflächen unter verschiedenen Druckbedingungen erkennen lassen, und

F i g. 6 einen Querschnitt einer Ausführungsform, bei der die flexible Sperre die Form eines Bandes hat, dessen Enden nicht miteinander in Verbindung stehen und dessen Seitenkanten frei aufliegen.

In einer Schweißkammer C(F i g. 1) befindet sich ein Schweißtisch Γ mit Schienen und Antriebsgliedern, die eine Bewegung entlang einer Achse erlauben. Auf der Schweißkammer Γ sitzt eine Strahlerzeugungskammer G. Innerhalb der Strahlerzeugungskammer G befindet sich eine Elektronenstrahlkanone E, die auf Schienen R mittels eines Wagens B verschiebbar ist, der über eine Kugelmutter und eine Spindel S angetrieben wird. Die Strahlerzeugungskammer G und die Schweißkammer C stehen über eine langgestreckte Öffnung O miteinander in Verbindung. In einer lotrechten Wand der Schweißkammer C kann eine zweite öffnung vorgesehen sein, um die Strahlerzeugungskammer G in lotrechter Lage anzuordnen. Innerhalb der Strahlerzeugungskammer G befindet sich eine flexible Sperre M. die von Rollen 1 geführt ist, die innerhalb der Kammer G gelagert sind. Bei der Sperre M handelt es sich um pin PL-schlitztes endloses Band, das einen oberen Abschnitt 3 und einen unteren Abschnitt 5 aufweist. Der untere Abschnitt 5 überdeckt die öffnung O und ist auf dem umgebenden Wandungsteil oder Flansch F der Strahlerzeugungskammer G abgestützt. Der obere Abschnitt 3 besitzt einen Mittelschlitz, durch den die Elektronenstrahlkanone E hindurchgeschoben werden kann. Der untere Abschnitt 5, der die eigentliche Sperre bildet, besitzt ein Loch zur Aufnahme des vorderen Endes der Elektronenstrahlkanone £ Er ist um die Elektronenstrahlkanone E herum festgelegt, um für eine Niederdruckabdichtung zwischen der Schweißkammer Cund der Strahlerzeugungskammer C zu sorgen. Die Sperre M ist also an der Elektronenstrahlkanone angebracht und bewegt sich bei einer Verschiebung der Kanone zusammen mit dieser. Die von der Sperre M gebildete Dichtanordnung erlaubt eine Verschiebung der Elektronenstrahlkanone E in der Strahlerzeugungskammer G, während gleichzeitig die Strahlerzeugungskammer G von der Schweißkammer C abgetrennt wird. Der Unterdruck in der Strahlerzeugungskammer C kann beispielsweise 0,1 Mikron Quecksilbersäule betragen, während die Hauptkammer auf einem etwas höheren Druck, beispielsweise 5 Mikron Quecksilbersäule oder mehr, gehalten werden ksnn. Die Abdichtung selbst braucht nicht vollkommen dicht zu sein. Es können ohne weiteres kleine Leckwege vorhanden sein, weil die Druckdifferenz, der gegenüber mittels der Sperre eine Abdichtung erfolgt, klein oder vernachlässigbar ist.

Im Betrieb arbeitet der untere Abschnitt 5 der Sperre M bei verschiedenen Drücken in der aus den F i g. 3a. 3b und 3c ersichtlichen Weise. Wenn die Vorpumpen die Schweißkammer C evakuieren, nehmen die sich überlappenden Teile 7 und 9 des Schlitzes oder der Schlitze auf der Vorder- und Rückseite der Elektronenstrahlkanone die in Fig. 3a veranschaulichte Lage ein, so daß in der Strahlerzeugungskammer ein Vorvakuum hergestellt werden kann. Wenn Vakuumbedingungen erreicht sind, befinden sich die überlappenden Teile 7. 9 in der in Fig. 3b gezeigten Normalstellung. Wenn sich die Elektronenstrahlkanone in Schweißrichtung bewegt, bewegt sich der untere Abschnitt 5 der Sperre zusammen mit der Kanone, während der obere Abschnitt 3 in entgegengesetzter Richtung läuft, wobei ein in diesem Abscnnitt befindlicher Schlitz von der Kanone während ihrer Verschiebebewegung geöffnet wird. Nachdem die Schweißung fertiggestellt ist. wird in die Schweißkammer wieder Luft eingelassen, so daß die Teile 7, 9 die in F i g. 3c veranschaulichte Lage einnehmen, in der in der Schweißkammer befindliche Luft auch in die Strahlerzeugungskammer gelangen kann.

Die flexible Sperre arbeitet in entsprechender Weise auch dann, wenn die Elektronenstrahlkanone E auf einer Verlängerung 11 montiert wird (Fig.4), um den Abstand der Elektronenstrahlkanone vom Werkstück in lotrechter Richtung zu ändern. Dabei kann ein Balg H zwischen die Elektronenstrahlkanone E und die Verlängerung 11 eingefügt werden, um bei einer Winkeleinstellung der Achse der Elekironensirylilkanone /:' das Vakuum innerhalb der Kanone aufrechtzuerhalten.

Für eine wirksame Ventilwirkung kann auch mit Hilfe des unteren Abschnittes 5 der Sperre ohne einen Schlitz gesorgt werden, wenn sich die abgestützten Seitenteile der Sperre in Richtung der .Strahlerzeugungskammer G frei bewegen können. Dies ist in den F i g. 5a, 5b und 5c veranschaulicht, die die Form erkennen lassen, die eine nicht unterbrochene Sperre bei Druckbedingungen einnimmt, die den Drücken ent-

sprechen, denen die Sperre in den F i g. 3a, 3b und 3c ausgesetzt ist.

An Stelle einer geschlossenen Schleife kann die Sperre auch in Form eines flexiblen Bandes ausgebildet sein, dessen Enden auf- oder abgewickelt werden können, wenn das Band der Bewegung der Elektrorien-• strahlkanone folgt. So können die Enden des Bandes an unter Federvorspannung stehenden Rollen derart angebracht sein, daß bei einer Verschiebung der Elektronenstrahlkanone nach rechts die flexible Sperre auf der linken Seite von der Rolle abgewickelt und auf der rechten Seite von der durch eine Feder angetriebenen Rolle aufgewickelt wird. Bei langen flexiblen Sperren können die Rollen mittels eines Motors angetrieben oder über eine Kette miteinander gekuppelt sein. Für das automatische Auf- oder Abwickeln der Sperre können auch Ausgleichsgewichte vorgesehen sein.

Statt dessen kann die flexible Sperre selbst auch aus halbstarrem Federmetall gefertigt sein, das sich auf Grund der eigenen Federspannung selbsttätig aufwikkelt. Eine Anordnung dieser Art ist in F i g. 6 dargestellt. Die Elektronenstrahlkanone E reicht durch eine Sperre M' hindurch, die aus einem einzigen Band aus flexiblem Material besteht, das entlang seinen Seiten von Flanschen Fabgestützt ist. die die Öffnung der unteren Kammer umgeben. Eine derartige Sperre kann mit oder ohne Schütze ausgeführt werden, je nachdem, ob eine Ventilwirkung erwünscht ist und ob sich die Seiten der Sperre in Richtung der Strahlerzeugungskammer G frei bewegen können, wie dies in Verbindung mit dem unteren Abschnitt der aus einer geschlossenen Schleife bestehenden Sperre beschrieben ist.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 6 ist die Strahlerzeugungskammer G mit Außenflanschen K. L und einem umlaufenden Dichtring / versehen, so daß die Kammer mit einer damit zusammenwirkenden Kammer / gasdicht zusammengeklemmt werden kann. Bei der Kammer / kann es sich um ein hohles Werkstück handeln, das selbst als evakuierbare Schweißkammer dient. Die Kammer / kann aber auch eine Zwischendruckkammer sein, die zwischen der Strahlerzeugungskammer G und der Schweißkammer angeordnet ist.

Die Druckdifferenz, bei der die Sperre wirksam ist. ist relativ; es können sowohl höhere als auch niedrigere Drücke vorhanden sein, wenn die Größe der um die Sperre herumführenden Leckstellen klein im Vergleich zur mittleren freien Weglänge der Gasmoleküle bei der jeweiligen Außentemperatur und den gewählten Drükken ist. Die Funktionsfähigkeit der Anordnung wird nur durch die Pumpleistung der Pumpen auf beiden Seiten der Sperre begrenzt.

Die Funktion der Anordnung beruht darauf, daß sich bei den betrachteten Druckwerten Gasmoleküle in ungeordneter Verteilung durch Abprallen von den Wandungen von einem Bereich in den anderen bewegen. Die Richtung dieser Abprallvorgänge ist wegen der Rauhigkeit der Wandungen in atomarem Maßstab statistisch willkürlich. Dennoch erfolgt eine resultierende Gasbewegung von einem Bereich höherer Dichte (Druck) zu einem Bereich niedrigerer Dichte, weil sich in ersterem mehr Moleküle befinden. Tritt umgekehrt keine Bewegung zwischen den beiden Bereichen ein, muß ein Druckgradient vorhanden sein. Die Gasströmung erfolgt entsprechend der Gleichung Q = (P2 - Pi)C. Dabei ist Q die Menge des Gasstromes; P2 - Pi stellt den Druckgradienten an der Sperre dar; C gibt die Leitfähigkeit der Leckstellen zwischen den beiden Bereichen an. P2 und Pi sind durch das betreffende Pumpsystem auf jeder der beiden Seiten der Sperre vorgegeben.

Patentschutz wird nur begehrt jeweils für die Gesamtheit der Merkmale eines jeden Anspruchs, also einschließlich seiner Rückbeziehung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Herstellen von Nahtschweißverbindungen durch Elektronenstrahlschweißen in einer evakuierten Schweißkammer, die an einer mit einer Elektronenstrahlkanone versehenen Strahlerzeugungskammer gasdicht anliegt, mit einer Pumpeinrichtung zum Evakuieren der Strahlerzeugungskammer auf einen Druck, der niedriger als der in der Schweißkammer erforderliche Druck ist, sowie mit einer flexiblen Sperre, die eine langgestreckte Öffnung in einer Wandung zwischen den beiden Kammern überdeckt und auf einem die Öffnung umgebenden Wandungsteil abgestützt ist, wobei die Elektronenstrahlkanone gemeinsam mit der Sperre in Längsrichtung der Öffnung verschiebbar ist und das Sperrenmateriai vor und hinter der Elektronenstrahlkanone mindestens so lang ist, daß sich die Sperre über die volle Länge der Öffnung erstreckt, wenn die Elektronenstrahlkanone in den Endstellungen ihrer Verschiebebewegung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlkanone (E) in einer in an sich bekannter Weise an der Schweißkammer (C) befestigbaren Strahlerzeugungskammer (G) bewegbar angeordnet ist und durch eine Sperre (M, M) hindurchreicht, die in allen Positionen der Elektronenstrahlkanone (E) völlig innerhalb dieser Kammer (G)b\e\bl.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Sperre (M) einen oder mehrere in Längsrichtung verlaufende Schlitze aufweist, die in der Verschieberichtung der Elektronenstrahlkanone (E) vor und hinter dieser liegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Schlitze mit sich überlappenden Seiten (7,9) versehen ist bzw. sind

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Sperre (M) von dem unteren Abschnitt (5) einer aus Sperrenmaterial bestehenden geschlossenen Schleife gebildet ist, die an beiden Enden über eine Rolle (1) läuft, und daß der obere Abschnitt (3) der Schleife mit einem Schlitz versehen ist, dessen Seiten mit der Elektronenstrahlkanone (E) in Gleiteingriff stehen, während sich der untere Abschnitt und die Elektronenstrahlkanone hin- und herbewegen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Sperre (M) die Form eines Bandes hat, das an beiden Enden mit einer unter Federspannung stehenden Rolle verbunden ist.