DE2122059C3 - ElektronenstrahlschweiBverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektronenstrahlschweißverfahren, bei dem ein oder mehrere Elektronenstrahlen mit ungleichförmiger Verteilung der Strahlenergie über den Strahlquerschnitt in eine Vorschubbewegung entlang einer vorgebbaren Schweißlinie versetzt werden.

Bei den bisher üblichen Elektronenstrahlschweißverfahren geht das Bestreben stets dahin, dem Elektronenstrahl eine möglichst weitgehende axiale Symmetrie zu geben, d. h. eine praktisch homogene Verteilung der Strahlleistung über die Auftfefffläche der Elektronen auf dem Werkstück zu erreichen. Diese bekannten Elektronenslrahlschweißverfahren zeigen jedoch den Nachteil, daß in Abhängigkeit von den Schweißbedingungen in dem Schweißbereich mehr oder weniger ausgeprägte Mikrohohlräume entstehen, die der Festigkeit der erzielten Schweißverbindung abträglich sind. Außerdem ergeben sich bei diesen bekannten Elektronenstrahlschweißverfahren dann Schwierigkeiten für die Ausführung einer zufriedenstellenden Schweißnaht, wenn die einander zugeandten Oberflächen der miteinander zu verschweißenden Werkstückteile nur unvollkommen aneinandei anliegen. Derartige Unvolikommenheiten in der gegenseitigen Anlage der miteinander zu verschweißenden Werkstückteile sind aber etwa beim Aneinanderfügen von Rohren durch unvermeidliche Umvollkommenheiten in der ebenen Ausbildung von deren Stoßflächen, durch geringfügig unterschiedliche Rohrdurchmesser und durch Abweichungen von der genauen Kreisform oder einer genau zentrischen Lage der miteinander zu verschweißenden Rohrabschnitte in der Praxis unvermeidlich. Dies gilt insbesondere dann, wenn es sich um Rohre von größerem Durchmesser handelt, die unmittelbar auf einem Montageplatz wie einer Baustelle, einer Werft oder einer ähnlichen Arbeitsstätte mir relativ rohen Arbeitsbedingungen miteinander verbunden werden sollen.

Zur Abhilfe ist bereits vorgeschlagen worden, der Elektronenstrablschweißung für die Herstellung der endgültigen und beständigen Schweißnaht ein Vorverfahren vorzuschalten, bei dem beispeilsweise mit Hilfe von Lichtbogenschweißung mit oder ohne Schutzgasatmosphäre zusätzliches Material in die Schweißnaht eingebracht werden kann. Eine derartige zweistufige Arbeitsweise ist jedoch wesentlich unwirtschaftlicher als ein in einem einzigen Arbeitsgang durchführbares Elektronenstrahlschweißverfahren, und außerdem lassen sich bei einer solchen zweistufigen Arbeitsweise die dem Elektronenstrahtschweißverfahren eigenen Vorteile einer Schweißnaht hoher Qualität und Zuverlässigkeit nicht mit der wünschenswerten Sicherheit gewährleisten.

Aus der DT-AS 1 100 835 ist weiter eine Einrichtung zum Fräsen von Profilen, zum Schneiden von Schablonen oder zum Bohren von Düsenkanälen mittels eines Ladungsträgerstrahles bekannt, bei dem

ein Ladungsträgerstrahl längs einer vorgegebenen Profillinie über das zu bearbeitende Werkstück geführt wird und dabei eine nach einem festen Vorbild über die Werkstücktiefe variierende Strahlquerschnittsform aufgeprägt erhält. Mit Hilfe von Blenden, die vom Ladungsträgerstrahl zu durchlaufen sind, kann dabei eine Intensitätsvertei'ung an der Bearbeitungsstelle am Werkstück erzielt werden, die über die Werkstücktiefe ungleichförmig gehalten ist, um eine gleichförmige Bearbeitungstemperatur über die gesamte Ik rbeitungsfläche zu erhalten.

Bekannt ist weiter eine Vorrichtung (DT-AS 1 043 527) zur Erzeugung einer geforderten, insbesondere homogenen Intensitätsverteilung einer Strahlung von Ladungsträgern, bei der mit einer Intensitätsbeeinflussung für einen Ladungsträgerstrahl gearbeitet wird. In diesem Falle geht es jedoch darum, eine homogene Intensitätsverteilung mit einem vorgegebenen zeitlichen Mittelwert zu erreichen, wozu mit Hilfe einer magnetischen Ladungsträgerauslenkung als Ersatz für eine mechanische Bewegung von Strahlungsquelle oder Bestrahlungsobjekt relativ zueinander die Ladungsträgerenergie auf einer vorgegebenen Fläche zeitlich variiert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektronenstrahlschweißverfahren der eingangs erwähnten Art in der Weise auszubilden, daß ein gleichmäßiger Materialfluß in die Schweißfuge hinein erreicht werden kann und sich insgesamt eine verringerte Schrumpfung der Schweißraupe und eine Beseitigung von die Festigkeit der Schweißnaht beeinträchtigenden Mikrohohlräumen erzielen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für mindestens einen Elektronenstrahl die Verteilung der Strahlenergie über den Strahlquerschnilt während des Schweißvorgangs zeitlich konstant, aber räumlich in Richtung der Vorschubbewegung für den Elektronenstrahl unterschiedlich gehalten wird.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Änderung der Verteilung der Strahlenergie über den Strahlquerschnitt in Vorschubriehtung für den Elektronenstrahl gibt der Schmelzzone an der Schweißstelle eine solche Form, daß das gesamte durch den Aufprall der Elektronen und den durch die Verdampfung der Metallatome erzeugten Druck aus dem durch den Elektronenstrahl erzeugten Loch herausgedrückte Metall wieder in den entstandenen Hohlraum einfließen und diesen vollständig erfüllen kann, so daß sich eine Schweißnaht von hoher Qualität ohne die Neigung zu späterer Schrumpfung oder der Ausbildung von Mikrohohlräumen erhallen läßt.

Das erfindungsgemäß ausgebildete Elektronenstrahlschweißverfahren führt also im Vergleich zu den bisher bekannten Elektronenstrahlschweißverfahren mit axialsymmetrischer Verteilung der Elek-Ironenstrahlenergie über den Strahlquerschniti zu Schweißnähten, die sich durch eine gesteigerte Haltbarkeit und Dichtigkeit auszeichnen.

Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildiir.-cn des erfindungsgeniäßen Verfahrens sind im einzelnen in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Für die weitere Erläuterung der Erfindung und ihrer Vorteile wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen, in der in schematisch gehaltener Darstellung zum einen das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens und zum anderen vorteilhafte Ausgestaltungen und Vorrichtungen für keine Durchführung veranschaulicht sind; dabei zeigt in der Zeichnung

F i g. 1 eine Darstellung des durch plötzliches Anhalten des Elektronenstrahlbeschusses erhaltenen Schweißhohlraums,

F i g. 2 schematisch den Schweißvorgang, wobei sich der durch das Auftreffen der Elektronen erzeugte Hohlraum in der Vorschubriehtung des Elektronenstrahl verschiebt und sich durch Fließen des ίο geschmolzenen Metalls im gleichen Maße füllt,

F i g. 2 a den typischen Querschnitt einer üblichen Schweißnaht in der zur Schweißrichtung XX' senkrechten Ebene YY'-ZZ',

F i g. 3 a drei Formen von Schmelzzonen, die mit drei abnehmenden spezifischen Leistungen

a> ( — 1 b> s

erhalten wurden und alle drei zylindrischen Bündeln entsprechen, wobei die F i g. 3 b und 3 c die Überlagerung zweier Schmelzzonen jeweils in der zur Schweißrichtung senkrechten Ebene YY'-ZZ' zeigen, Fig. 4a, 4b, 5a, 5b, 6a, 6b jeweils die Raumformen von Schmelzzonen, welche verschiedenen spezifischen Leistungen entsprechen, zwischen den Grenzwerten α und b der Aufprallzone, und zwar entweder abnehmend (F i g. 4), oder zunehmend (F i g. 5) oder zunehmend und anschließend abnehmend (F i g. 6),

F i g. 7 a und 7 b die Entsprechung zwischen einer kontinuierlichen und einer stufenweisen Verringerung der spezifischen Leistung im Inneren einer rechteckig angenommenen Aufprallzone,

Fig. 8,9, 10 und 11 eine besondere Anwendung der Erfindung beim Stoßschweißen zweier Rohre, welche Anlegfehler aufweisen,

Fi g. 12, 13 und 14 wie oben eine Anwendung der Erfindung beim Stoßschweißen zweier Rohre mit solchen Anlegfehlern, daß ein Metallauftrag erforderlich ist,

Fig. 15a, 15b und 15c schematisch eine mögliche Übergangsweise zwischen zwei getrennten Brennflecken und einem einzigen Brennfleck, der entweder den gleichen Typ von Veränderung der spezifischen Leistung oder eine kompliziertere Veränderung dieser Leistung aufweist,

F i g. 16 bis 19 als Beispiele vereinfachte Schemata im Grundriß und Schnitt von Modellen von Elektronenkanonen, welche die Erzeugung von Elektronenstrahlbündel entsprechend einer Durchführung des Verfahrens ermöglichen.

Aus den Fig.3,4 und7 ist ersichtlich, daß die entweder kontinuierliche oder stufenweise Verringerung der spezifischen Leistung im Inneren der Fläche des Elektronenaufpralls erheblich den Fluß des Metalls in den vom Aufprall der Elektronen, welchci der maximalen spezifischen Leistung entspricht, er zeugten Hohlraum begünstigt. Dieser Vorteil zeig sich konkret in einer sehr wesentlichen Verringerunj und sogar Ausschaltung der geometrischen oder me tallurgischen Fehler der Schweißnaht, wie Schweiß wulst, Schrumpfung oder Mikrohohlräume.

Die Verbesserung der Füllbedingungen des Hohl raums in Verbindung mit der neuen Form desselbei und infolgedessen der Schmelzzonc in Richtung de Verschiebung des Elektronenstrahls ist insbesonder günstig für die Qualität durchdringender Schweißur

gen, die mit hohen Schweißgeschwindigkeiten ausgeführt werden, welche bei einer industriellen Produktion erforderlich sein können.

Ferner zeigen die F i g. 5 und 6, daß der Anstieg der spezifischen Leistung von einem Mindestwert, welcher einer minimalen Eindringtiefe, jedoch einer verhältnismäßig großen Schmelzzone entspricht, zu einem Maximalwert, welcher dem gewünschten maximalen Eindringen entspricht, gefolgt von beispielsweise einer geregelten Verringerung, wie oben in den F i g. 3,4 oder 7 gezeigt, die Behebung der Anlegfehler zwischen den zu schweißenden Werkstücken ermöglicht. In dieser Hinsicht ist in den F i g. 8 und 9 nur als Beispiel die Anwendung der Erfindung zum stoßweisen Verschweißen von zwei Rohren 1,2 gezeigt, welche Anlegefehler infolge Unregelmäßigkeit der Schnitte und diametraler Abstände aufweisen.

Um derartige Rohre durch Elektronenstrahlverschweißung zu verbinden, hat man in Betracht gezogen, daß 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 Aufprallzone 4 des zweiten Bündels mit höherer Leistung gelegen ist (F i g. 8). Diese beiden Zonen können sich im übrigen überdecken (Fig.9), und diese Überdeckung kann auch sowohl mit zwei getrennten Elektronenkanonen wie mit einer einzigen Bifokus-Kanone erhalten werden. Die unter dem Elektronenaufprall des ersten Bündel geschmolzene Zone 3 (F i g. 10) dringt nicht tief ein, ist jedoch verhältnismäßig groß, wodurch die Schweißverbindung der beiden Rohre 1 und 2 eingeleitet werden kann,, zwischen denen geometrische Unvollkommenheiten einen erheblichen Zwischenraum 5 bestehen lassen, der örtlich beispielsweise 1,5 bis 2 mm bei Wandstärken des Rohrs von etwa 10 mm erreichen kann. Die anschließend durch das zweite, eine höhere Leistung aufweisende Strahlenbündel erzeugte Schweißung ist begünstigt durch das Vorhandensein des vom ersten Strahlenbündel geschmolzenen Metalls 3 und ermöglicht die gewünschte Eindringtiefe (Fig. 11). Es sei ausdrücklich bemerkt, daß die Begrenzung der kennzeichnenden Werte der spezifischen Leistungen auf zwei nur zur Erleichterung des Verständnisses des Verfahrens dient und daß der Anstieg zwischen den zu betrachtenden Mindest- und Höchstwerten entweder kontinuierlich oder in mehreren Stufen erfolgen kann.

Falls der Spielraum zu groß ist, als daß er ohne AuftragsmetaU ausgefüllt werden könnte, ermöglicht ein einfacher, ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen umgelegter Streifen 6 (F i g. 12), durch Anwendung des gleichen Verfahrens gesunde Schweißungen trotz Spielräumen zu erhalten, welche beispeilsweise örtlich 3 bis 4 mm für Wandstärken von einigen 10 mm erreichen können. Das erste Strahlenbündel von geringer spezifischer Leistung bewirkt über eine ausgedehnte Fläche das Schweißen mit einer geringen Senkung 7 des Streifens auf den beiden gegenüberliegenden Kanten (Fig. 13). Der zweite Elektronenstrahl vervollständigt durch eine eindringende Scbweißune 8 die vorangehende oberflächliche Schweißung (Fi p. 14).

Befriedigende Ergebnisse werden durch das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls erhalten bei Rohren mit Unvollkommenheiten der Anlage, die mit Unterschieden des Durchmessers in der Größenordnung von 2 mm für die bereits beispeilsweise erwähnte Wandstärke von 10 mm 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 Anlegerrichtung oder Schweißrichtung der Werkstücke versetzt sein kann, wenn es beispielsweise notwenig erscheint, ein Schmelzen der obersten Kante dci Verbindung zu begünstigen. Die Veränderung der spezifischen Leistung im Inneren einer oder mehrerer Aufprallflächen gestattet im Fall zusammenwirkender Kanonen, einer Bi- oder Multifokus-

Kanone oder von Kanonen mit variablem — eine

sehr große Anpassungsfähigkeit, um ein und denselben Gerätetyp der Ausführung von Schweißverbindungen mit sehr verschiedenen Merkmalen anzupassen.

Beispielsweise ist in den Fig. 15 a, 15 b_; 15c (bezüglich der Anwendung vgl. die F i g. 8 und 9) eine Möglichkeit des Übergangs zwischen zwei getrennten Brennflecken 9 und 10 von im wesentlichen ovaler Gestalt gezeigt, in denen die jeweiligen spezifischen Leistungen

w \ 1 w

— 1 und I —

•Wl

in der zur Verschiebungsrichtung F der Strahlen entgegengesetzten Richtung ansteigen. Eine Annäherung dieser Flecken, beispielsweise durch Verlängerung des einen oder anderen von ihnen, führt zu einer einzigen Aufpralluäche (F i g. 15 b), welche im Inneren der Bereiche 9 A und 10 A eine ähnliche Verteilung der spezifischen Leistungen aufweist:

s /1

S h

Eine Betonung der überdeckung kann dazu führen, eine diabolo-förmige Aufprallfläche zu erhalten, die zwischen den Bereichen 9 B und 1OB einen Mittelabschnitt 11 aufweist, in dem die spezifische Leistung maximal ist. Man findet hier eine besondere Art der Leistungsveränderung wieder, die in F i g. 61 gezeigt ist, wobei die sowohl für den Angriffsbereict oder die Angriffsfront wie für den Anstieg, das Maximum und die Abnahme bis zur Endfront zu wählenden Werte für die gewünschte Schweißgeschwindigker von der Art der Materialien und den geometrischer Eigenschaften der einander gegenüberliegenden Flächen abhängen und eine einzige Regelung des strahlenaussendenden Systems so das Einleiten, Eindrin gen und Beenden der Schweißung gewähneistet.

Die Veränderung der spezifischen Leistung kam entweder durch bekannte elektrostatische oder elek tromagnetische Mittel der Elektronenoptik ode durch Anwendung von Multifokus-Elektronenkano nen erhalten werden, deren Aufbau aus den folgen den Schemata leicht ;ib7iileiien i=t

Die Γ ig. 16 bis 19 zeigen ah Beispiel im Gnindril

(Fig. 17 und 19) und im Schnitt (Fig. 16 und 18) das Schema von Konzentrations- oder Wehneltstükken (12,14), welche die Erzeugung von Elektronenbündeln und infolgedessen Aufprallzonen entsprechend der Erfindung mit zwei verschiedenen Kathodenanordnungen ermöglichen 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 mit der Form der Aufprallfläche zusammenhängen kann. Beispielsweise führt die Verteilung eines Elektronenstrahlbündels, das in einem rechteckigen Querschnitt eine homogene spezifische 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 ίο Verschiebungsrichtung.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Elektronenstrahlschweißverfahren, bei dem ein oder mehrere Elektronenstrahlen mit ungleichförmiger Verteilung der Stralilenergie über den Strahlquerschnitt in eine Vorschubbewegung entlang einer vorgebbaren Schweißlinie versetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß für mindestens einen Elektronenstrahl die Vertei- xo lung der Strahlenergie über den Sfrahlquerschnitt während des Schweißvorgangs zeitlich konstant, aber räumlich in Richtung tier Vorschubbewegung für den Elektronenstrahl unterschiedlich gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Strahlenergie über den Strahlquerschnitt in Vorschubrichtung für den Elektronenstrahl zunächst einen Höchstwert und sodann einen Mindesweii aufweist (F i g. 4).

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Strahlenergie über den Strahlquerschnitt in Vorschubrichtung für den Elektronenstrahl zunächst einen Mindestwert und sodann einen Höchstwert aufweist (F i g. 5).

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Strahlenergie über den Strahlquerschnitt in Vorschubrich- 3» tung für den Elektronenstrahl zunächst einen Mindestwert, sodann einen Höchstwert und schließlich wieder einen Mindestwert aufweist, der gleich oder verschieden vom ersien Mindestwert ist (F i g. 6).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Strahlenergie über den Strahlquerschnitt in Vorschubrichtung für den Elektronenstrahl einer stetigen Kurve folgt (F i g. 7 a). *o

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Strahlenergie über den Strahlquerschnitt in Vorschubrichtung für den Elektronenstrahl einer unstetigen Kurve folgt (F i g. 7 b).

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Verteilung der Stralilenergie über den Strahlquerschnitt unterschiedlich gehaltene Elektronenstrahl von einer einzigen Elektronenkanone geliufert wird, die ein oder mehrere getrennte Bündel abgibt (F ig. 16, 17).

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Verteilung der Strahlenergie über den Strahlquerschnitt unterschiedlich gehaltene Elektronenstrahl von mehreren Elektronenkanonen geliefert wird, die jede ein eigenes Bündel abgeben (Fig. 18, 19).

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufprallzonen der Elektronenstrahlbündel voneinander getrennt sind (Fig. 15 a).

10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufprallzonen H.cr Elektronenstrahlbündel sich teilweise überdecKcn (Fig. 15b, c).

11. Verfahren nach einem der Ansprüche I

bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel linie der Aufprallzonen der Elektronenstrahl bündel mit der Vorschubrichtung für den Elek tronenstrahl einen Winkel einschließt