DE2122059A1

DE2122059A1 - Verfahren zum Schweißen mittels Elektronenstrahlbeschuß

Info

Publication number: DE2122059A1
Application number: DE19712122059
Authority: DE
Inventors: Jacques-Andre Bures Sur Yvette Stohr (Frankreich)
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1970-05-06
Filing date: 1971-05-04
Publication date: 1971-11-18
Also published as: BE766104A; CH533487A; LU63092A1; NL7106133A; CA936923A; ES390928A1; JPS5630117B1; DE2122059C3; US3763345A; DE2122059B2; GB1339052A

Description

PATENTANWALT
DR. HANS ULRICH MAY 2122059

D 8 MÜNCHEN 2, OTTOSTRASSE 1 a TELEGRAMME! MAYPATENT MÜNCHEN TELEFON CO8113 ββ3β82 B 4181.3 PG MUnchen, 4. Mai 1971

— Dr.M./fca

CP 387/969

Commissariat a I¹Energie Atonique in Paris, Prankreich

Verfahren sum Schweißen mittels BlektronenstranlbeschluS

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung des Ve: fahrens zum Schweißen mittels Elektronenstrahlbeschuss und ermöglicht durch Anwendung einer in einer vorbestimmten Art im Inneren der Auftreffläche des Elektronenstrahlbiindels veränderten spezifischen Leistung eine gleichmäßigere Schweißung, ein verbessertes Fließen des Metalls in dem vom Elektronenstoß erzeugten Kohlraum und insgesamt eine Verringerung des Schrumpfung und der Schweißraupe sovie die Beseitigung von Mikro-Hohlräumen, welche in Abhängigkeit von den Schweißbedingungen in Schweidbereich auftreten können» wenn man einen Elektronenstrahlerzeuger mit axialer Symmetrie» d. h. praktisch homogener Verteilung der Leistung auf der Auftreffläche verwendet.

kann bei der StoSverschweißung von Metallstttcken die Anwen dung von Elektronenstrahlbeschuß insbesondere_}wenn die Werkstücke an eines Montageplatz (Baustelle, Werft und dergleichen) zusammen gesetzt werden, nach den gegenwärtig bekannten Methoden schwierig oder sogar unmöglich sein, wenn die einander gegenüberliegenden

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©berflachen zu mrjollkommen angelegt find. Unvollkommenheiten d-jg

htung d©r Schnitts und im Fall beispielsweise des Anfügens Sotoen, unterschiedliche Durchmesser, Fehler der ovalen Gestal ? Exzentrizität, können bei der Bildung von VorSprüngen, örtlichen Stellen zu geringer oder zu großer Dicke usw. ztiäamm^&wib?- iken, welche mit der Ausführung einer feinen Schweißnahe kaum --'e;-Ment verträglich sind, wie sie nach den bisher angewandten Mailioien die Anwendung von Elektronenstrehlbeschuß (axiale Symmetrie) ermöglicht.

der wachsenden industriellen Bedeutung dieses Problems verschiedene Lösungen vorgeschlagen vor den ϊ beispielsweise das Zuführen ims Bist all vor der Ausführung der eigentlichen vid^pstaads=· fähigen SctoeiSmigg' die aufeinanderfolgenden Anwendung siae^ 1--LeIm^

mit oder ohne Schutzgasatmosphäre, mit ®€tm <?^].ng ©ines» Schweißung durch Elektronenst2s_iIkä^-ieM.aS

e jedoch keines der anwendbaren Verfahree die ? vJirtscMaftlichkeit eiaes in einem einzig@£ Dare'igasg SchweiSung» bei der nicht dl© Eindringtie£^ w&a 2sMw@i einen zu starken EinfliiS laabenj da öiess beides a mit der Qualität eier SeM-i/eißung und übt Su.T©r—■ b Ergebnisses die technischen Hauptvorteile des liierbetrachteten Elektronenstr&hlbesclrasses sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bisherigen Verfahren auszuaeMaltga oam> aiaäaBtens auf eia Mindestüsaß herabausets©», ind®m eia Elektronenstrahl ^!mit einer bis €iö instiiamentell bedingten Abweicfeuagen vollständigen

mindestens einen St^aiil ersetzt wird^

in <Min& ¥©rb©stii!mäam Waise längs der

fläche des Elektronenstrahls verändert ist.

Es ist bekannt, daß beim Elektronenstrahlschweißverfahren der ^; Elektronenstrahl mit der spezifischen Leistung |r an der Verblndungs· stelle der zu verschweißenden Stücke ein Loch bohrt, dessen Tieft;

w van der Art des Materials,der spezifischen Leistung ·*·, der Scirweißgeschwindigkeit v_s abhängt. Es ist ebenfalls bekannt, daß dieses Loch im Maß der Verschiebung des Strahls durch das von seinen tfänden fließende Metall gefüllt wird.

Das Vorhandensein diese Loches wurde experimentell gezeigt, indeu ohne Verschiebung des Elektronenstrahls und während einer sehr kurzen Zeit ein Elektronenstrahl hoher spezifischer Leistung angewandt wurde, der tatsächlich ein praktisch zylindrisches Loch erzeugte. Beim Schweißvorgang bewirkt die Verschiebung des SV-'aöis, daß das Loch sich verschiebt und kontinuierlich durch das von den Wänden fließende Metall aufgefüllt wird. Die Form der Schmelz3one, die durch ihren Querschnitt in der zu der entsprechenden Sc*n, >!/?*-

entspricht

linie senkrechten Ebene gekennzeichnet ist/ wenn alle anderen Bedingungen gleich bleiben, der des Loches, das ein wie eben angegeben wirkender feststehender Strahl von der Leistung |r erzeugen würde. Jedoch gelangt nicht das gesamte, durch den Aufprall der Elektronen und den durch die Verdampfung der Metallatome erzeugten Druck aus dem Loch herausgedrückte Metall wieder in den erzeugten Hohlraum, da das Metall praktisch sofort wieder erstarrt. Daraus ergeben sich für die Qualität der Schweißung Nachteile, wie Schrumpfung und, entsprechend den Schweißbedingungen, Mikrchchlräume im geschmolzenen Bereich.

Die Erfindung besteht darin, mindestens ein Elektronenstrahlbündel •unter solchen Bec1ir.*nragen zu verwenden, daß info Ig s ©inar in geeig-

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neter Weise zwischen der Angriffsfront bis zum anderen Ende der Auftrefflache veränderten spezifischen Leistung, die Schmelzzone nicht mehr die geometrischen und metallurgischen Merkmale aufweist', welche durch die bisher benutzten zylindrischen Elektronenstrahlbündel geliefert wurden.

WeitereEigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenen Beschreibung einer Ausftihrungsform und aus den beigefügten Zeichnungen. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung des durch plötzliches Anhalten des Elektronenstrahlbescirasses erhaltenen Schweißhohlraums;

Fig. 2 schematised den Schweißvorgang„ wobei sich öea* -äurch das Auftreffen der Elektronen erzeugte Hohlraum in der Vorschubrichtung des Elektronenstrahls verschiebt und sich durch Fließen des geschmolzenen Metalls im gleichen Maße füllt;

7ig. 2a den typischen Querschnitt einer üblichen Schweißnaht in ä&? zur Schweißrieiitung XX¹ senkrechten Ebene YY¹ - ZZ* j

Fig* 3a drei Fo^meß. von Schmelzzonen, die mit drei abnehmenden ) gpesifischen Leistungen

(I) a > (I) b > (I) c

aräalten wurden und alle drei zylindrischen Bündeln entsprechen, &i die Figuren 3b und 3c die Überlagerung zweier Schmelzzonen *

rs&is in der sur Schweißrichtung sesikrechten Ebene YY¹ - ZZ¹ zeigen;

Die Figuren 4a_s 4b₉ 5a_e 6a_# 6b jeweils die Raumformen von Schmelzzonen, welche verschiedenen spezifischen Leistungen entsprechen, zwischen den Grenzwerten a und b der Aufprallzone, und zwar ©nt- ·

und . anschließend abnehmend (Fig« 6);

Die Fig. 7a und 7b die Entsprechung ssvischen einer kontinuierlichen und einer stufenveisen Verringerung der spezifischen Leistung im Inneren einer rechteckig angenommenen Aufprallzone;

Die Figuren 8, 9, 10 und 11 eine besondere Anwendung der Erfindung beim Stoßschweißen zveier Bohre» velche Anlegfehler aufveisen;

Die Figuren 12» 13 und 14 vie oben eine Anwendung der Erfinjäung beim Stoßschweißen zveier Rohre mit solchen Anlegfehlern» daß ein Metallauftrag erforderlich ist;

Die Figuren 15a, 15b und 15c schematisch eine mögliche Übergangsweise zwischen zvei getrennten Brennflecken unc einem einzigen Brennfleck» der entveder den gleichen Typ von Veränderung der spe-~ zifischen Leistung oder eine kompliziertere Veränderung dieser Leistung aufweist;

Die Figuren 16 bis 19 als Beispiele vereinfachte Schemata im Grundriß und Schnitt von Modellen von Elektronenkanone!!, velche die Er-. zeugung von Elektronenstrahlbündeln entsprechend einer Durchführung des Verfahrens ermöglichen.

Aus den Figuren 3, 4 und 7 ist ersichtlich, daß die entveder kontinuierliche oder stufenveise Verringerung der spezifischen Leistung im Inneren der Fläche des Elektronenaufpralls erheblich den FIuS des Metalls in den vom Aufprall der Elektronen, welcher der maximalen spezifischen Leistung entspricht, erzeugten Hohlraum begünstigt· Dieser Vorteil zeigt sich konkret in einer sehr wesentlichen Verringerung und sogar Ausschaltung der geometrischen oder metallurgischen Fehler der Schweißnaht, vie Schweißwulst, Schrumpfung oder Mikrohohlräume,

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Din V©rb<gss^ung der Fiillbedingu&gisa des Hohlraums in mit d®r meuea Form desselben und infolgedessen der Ssfemelssone lieiitmig der Verschiebung des Elektronenstrahls ist insbesosiu® günstig für die Qualität durchdringender Schweißungen, die alt hohen Schweißgeschwindigkeiten ausgeführt werden, welche ©@i m industriellen Produktion erforderlich sein können.

Ferner zeigen die Figuren 5 und 6, daß der Anstieg der spezifiscfes Leistung von einem Mindestwert, welcher einer minimalen Eindring«= tiefe, jedoch einer verhältnismäßig großen Schmelzzoia© entspricht ₉ zu einem Maximalwert, welcher dem. gewünschten maximalen Eindringen entspricht, gefolxftvon beispielsweise einer geregelten Verriß« gerung, wie oben in den Figuren 3, 4 oder 7 gezeigt, die der Anlegfehler zwischen den zu schweiß-enden Werkstücken licht. In dieser Hinsicht ist in den Figuren 8 und 9 nur als Beispiel die Anwendung dei¹ Erfindung zum stoßweisen Versehweisen von zwei Rohren 1, 2 gezeigt, welche Anlegefehler infolge ÖTi^egelmäßig» keit der Schnitte und diametraler Abstände aufweisen.

IJm derartige Rohre durch Blektronensteahlverschweißung zu verbinden, hat man in Betracht gezogen, das die Erhöhung der spezifischen Leistung durch Anpassung zweier, von zwei gesonderten Elektronenkanonen ausgesandten Strahlenbündeln oder vorteilhafterweise durch eine Bifokus-Elektronenkanone erhalten würde* Das erste Bündel mit der geringsten spezifischen Leistung gibt eine Aufprallzone 3, die in der Verschiebungsrichtung vor der Äufprallzone 4 des zweiten Bündels mit höherer Leistung gelegen ist (Fig. 8). Diese beiden Zonen können sich im übrigen überdecken (Fig. 9), und dies© über-. deskusig kann'auch sowohl mit swei getrennten Elektroneakan©sissi wie mit visier" einzigen Bifokus-Kanone erhalten werden. Di© mates⁹ de®

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des ersten. Bündels geschma'i.sene Zone 3 (Fir· 10) dringt nicht tief ein, ist jedoch verhältnismäßig groß, wodurch, di« Schweißverbindung der beiden Rohre 1 und 2 eingeleitet wer des? k zwischen denen geometrische unvollkonaaenheites einen erljeblicte Zwischenraum 5 bestehen lassen, des? örtlich beispielsweise 1,5 bis 2 mm bei Wandstärken des Rohrs von etwa 10 iroa erreichen Die anschließend durch das zweite» Qine höhere Leistung .aufweisende·" Strahlenbündel erzeugte Schweißung ist begünstigt durch das Vorhandensein des vom ersten Strahlenbündel geschmolzenen Metalls 3 «And ermöglicht die gewünschte Eindringtiefe (Fig. 11)· Is sei au3sl£*ie£> lieh bemerkt, daß die Begrenzung der kennzeichnenden Werte der spezifischen Leistungen auf zwei nur sur Erleichterung des Verständnisses des Verfahrens dient und daß der anstieg zwischen den mi betrachtenden Mindest- und Höchstwerten entweder kontinuierlich odm iii mehreren Stufen erfolgen kann.

Falls der Spielraum zu groß ist, als daß er ©haie A'siftragsmetall ims» gefüllt werden könnte, ermöglicht ein einfacher, ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen umgelegter Streifen .6 (fig» IS), durch. Anwendung des gleichen Verfahrens gesunde Schweißungen trotz Spielrü«- man zu erhalten» welche beispielsweise örtlich 3 bis 4 ram für Wandstärken von einigen 10 mm erreichen können. Das erste Strahlenbündel von geringer spezifischer Leistung bewirkt über eine ausgeaehnti Fläche das Schweißen mit einer geringen Senkung 7 des Streifens auf den beiden gegenüberliegenden Kanten (ufern) (Pig. 13). Der zweite Elektronenstrahl vervollständigt durch eine eindringende SchweiSung β die vorangehende oberflächliche Schweißung (Fig. 14).

Befriedigende Ergebnisse werden durch das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls erhalten bei Kohl en mit UnvolSJEestmeiikeitSä ü<ssp Anlage,

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die mit Unterschieden des Durchmessers in der Größenordnung von : 2 mm für die bereits beispielsweise erwähnte Wandstärke von 10 rom zusammenhängen.

Es sei ebenfalls darauf hingewiesen, daß die Veränderung der spezifischen Leistung des Elektronenstrahls mit den bekannten Verfahren der seitlichen Verschiebung der Elektronenaufprallzonen kombiniert werden kann und daß außerdem die Mittellinie oder Kennlinie' dieser Zonen in einem Winkel bezüglich der Anlegerichtung oder Schweißrichtung der Werkstücke versetzt sein kann, wenn es beispiels weise notwendig erscheint, ein Schmelzen der obersten Kante der Ver-), bindung zu begünstigen. Die Veränderung der spezifischen Leistung im Inneren einer oder mehrerer Aufprallflächen gestattet im Fall zusammenwirkender Kanonen, einer Bi- oder Multifofcus-Kanone oder '

w von Kanonen mit variablem <g eine sehr große Anpassungsfähigkeit, um ein und denselben Gerätetyp der Ausführung von Schweißverbindungen mit sehr verschiedenen Merkmalen anzupassen.

Beispielsweise ist in den Figuren 15a, 15b, 15c (bezüglich der Anwendung vergleiche die Figuren 8 und 9) eine Möglichkeit des Obergangs zwischen zwei getrennten Brennflecken 9 und 10 von \ im wesentlichen ovaler Gestalt gezeigt, in denen die jeweiligen spezifischen Leistungen (^)₁ und (|)₂ in der zur Verschiebungsrichtung F der Strahlen entgegengesetzten Richtung ansteigen. Ei-ne Annäherung dieser Flecken, beispielsweise durch Verlängerung des einen oder anderen von ihnen, führt zu einer einzigen Aufprallfläche (Fig. 15b), welche im Inneren der Bereiche 9A und 10A eine ähnliche Verteilung der spezifischen Leistungen aufweistί (JjJ)₁ < (S)₂ ^ Eine Betonung der überdeckung kann dazu führen, eine diabolo-föraige Aufprallfläche zu erhalten, die zwischen den Bereichen 9# und 1O&

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einen Mittelabschnitt 11 aufweist» in dem die spezifische Leistung maximal ist. Man findet hier eine besondere Art der Leistungsveränderung wieder, die in Pig» 6b gezeigt ist, wobei die sowohl für den Angriffsbereich oder die Angriffsfront wie für den Anstieg» das Maximum und die Abnahme bis zur Endfront zu wählenden Werte ftir die gewünschte Schweißgeschwindigkeit von der Art der Materialien und den geometrischen Eigenschaften der einander gegenüberliegenden Flächen abhängen und eine einzige Regelung des strahlenaussendenden Systems so das Einleiten, Bindringen und Beenden der Schweißung gewährleistet.

Die Veränderung der spezifischen Leistung kann entweder durch bekannte elektrostatische oder elektromagnetische Mittel der Elek~~ tronenopfik oder durch Anwendung von Multifokus-Elektronenkanonen erhalten werden, deren Aufbau aus den folgenden Schemata leicht abzuleiten ist.

Die Figuren 16 bis 19 zeigen als Beispiel im Grundriß (Fig. 17 und 19) und im Schnitt (Fig. 16 und 18) das Schema von.Konzentra- ' tions- oder Venheltstücken (12, 14)» welche die Erzeugung von Elektronenbündeln und infolgedessen Aufprallzonen entsprechend der Erfindung mit swei verschiedenen Kathodenanordnungen ermöglichen (selbstverständlich ohne daß damit irgendeine Beschränkung gegeben sei) und von denen die eine (Fig. 16 und 17) nur eine einzige Kathode 13 und die andere (Fig· 18 und 19) zwei Kathoden 15 und 16 benutzt.

Schließlich sei bemerkt, daß die Veränderung der spezifischen Leistung auch njit der Form der Aufprallfläche zusammenhängen kann· Beispielsweise führt die Verteilung eines Elektronenstrahlbündels, das in einem rechteckigen Querschnitt eine homogene spezifische

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Leistung aufweist, auf eine trapezförmige Oberfläche zu einem allmählichen Anstieg oder einer allmählichen Verringerung der spezifischen Leistung auf der Aufprallzone je nach der Anordnung der Grundlinien des Trapezes bezüglich der Verschiebungsrichtung.

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Claims

Patentansprüche

rerfahren zum Schweißen durch Elektronenstrahlbeschuß, dadurch 'gekennzeichnet, daß mindestens ein Elektronenstrahlbündel benutzt wird, dessen spezifische Leistung, gemessen in der zur Verschiebung dieses Elektronenstrahlbündels entgegengesetzten Richtung, im Inneren der Fläche des Elektronenaufpralls zwischen vorbestimmten Werten verschieden ist.
2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verringerung der spezifischen Leistung von einem Höchstwert auf einen Mindestvert bewirkt wird.
3.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erhöhung der spezifischen Leistung von einem Mindestwert auf einen Höchstwert bewirkt wird.
4«) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine Erhöhung der spezifischen Leistung von einem Mindestwert bis auf einen Höchstwert und anschließend eine Verringerung dieser spezifischen Leistung bis auf einen neuen Mindestwert, der gleich oder verschieden von dem Anfangswert ist, bewirkt wird.
5.) Verfahren nach einem der Ansp~rüche 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der spezifischen Leistung kontinuierlich oder diskontinuierlich ist.
6.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der spezifischen Leistung mittels einer

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einzigen Elektronenkanone, die ein oder mehrere getrennte Bündel liefert, oder mit mehreren getrennten Elektronenkanonen, die jede . ein verschiedenes Bündel liefern, erhalten wird.
7.) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufprallzonen der Elektronenstrahlbündel getrennt sein oder sich teilweise überdecken können.
8.) Verfahren naq.E einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittellinie der Aufprallzonen in einem Winkel bezüglich der Schweißrichtung verschoben ist.

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