DE2204295A1

DE2204295A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen mit Elektronenstrahlen bei höheren Geschwindigkeiten

Info

Publication number: DE2204295A1
Application number: DE19722204295
Authority: DE
Inventors: David Chicago 111. Sciaky (V.St.A.)
Original assignee: Sciaky Brothers Inc
Current assignee: Sciaky Brothers Inc
Priority date: 1971-03-29
Filing date: 1972-01-29
Publication date: 1972-10-12
Also published as: CA937998A; BR7200796D0; JPS4894646A; AU456321B2; BE777668A; US3746831A; AU3776472A; IT948840B; JPS5241737B2; FR2131303A5

Description

Dr.W.P.Radt
Dipl.-Ing. E. E. Finkener

Dipl.-Ing. W. Ernesti Patentanwälte	Sciaky Bros., Inc. Chicago, Illinois 60638
463 Bochum Heinrich-König-Strafie 12 Fernspredier 415 SO, 4 23 27 Telegrammadresse: Radipatent Bochum	USA
71 195 EEF/US

Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen mit Elektronenstrahlen bei höheren Geschwindigkeiten

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen mit großer Geschwindigkeit mittels Elektronenstrahlen hoher Leistungsdichte, die mit einer Elektronenkanone erzeugt, beschleunigt und fokussiert werden.

Die Verwendung von Elektronenstrahlen mit hoher Leistungsdichte erlaubt das Schweißen mit sehr hohen Geschwindigkeiten; es wurde ,jedoch beobachtet, daß beim Erreichen einer bestimmten Schweißgeschwindigkeit mit einer entsprechenden Leistungsdichte geschmolzenes Metall von der Zone, in der der Elektronenstrahl auf das Werkstück auftrifft, wegfließt, was zu einer Schweißnaht führt, die nicht vollständig gefüllt ist und in der Hohlräume festgestellt wurden. Beispielsweise hat man beim Nahtschweißen von 2,28 cm dickem, ferritischem, rostfreiem Stahl festgestellt, daß eine gute Schweißung nur unterhalb einer Schweißgeschwindigkeit von 482 cm/min, erzielt wird, wenn die Stromstärke in dem Elektronenstrahl 300 mA bei einer Spannung von 55 kV beträgt und der runde Strahl so fokussiert ist, daß seine schmälste Stelle in der Ebene der Oberfläche des Metalls liegt. Wenn die Geschwindigkeit über 4-82 cm/min, hinaus erhöht wird, erscheinen zunächst Kugeln an der oberen Fläche des Schweißbettes und, wenn die Geschwindigkeit

209342/0612

noch mehr gesteigert wird, vereinigen sich die Kugeln und bilden eine Wulst entlang der Oberfläche, während die untere Seite des Schweißbettes zurückgesaugt und eine Sicke an der unteren Fläche der Schweißzone gebildet wird.

Um diese Nachteile zu vermeiden, ist man gezwungen, die Schweißgeschwindigkeit zu reduzieren. Da dies einen Nachteil darstellt, könnte man die Möglichkeit in Erwägung ziehen, mit größeren Geschwindigkeiten unter Verwendung eines Elektronenstrahls besonderer heterogener Art zu schweißen, der unterschiedliche Leistungsdichten an verschiedenen, im Innern des Elektronenstrahls liegenden Punkten hat. Man kann beispielsweise einem Elektronenstrahl eine höhere Leistungsdichte im Bereich der vorauslaufenden Kante als im Bereich der ablaufenden Kante des Strahls geben.

Um dieses Verfahren praktisch durchzuführen, ist es notwendig, spezielle Elektronenstrahlkanonen zu entwickeln und herzustellen, da derartige Maschinen zur Zeit nicht auf dem Markt sind. Darüber hinaus würde die Verwendung einer Elektronenkanone dieser Art schwierig und heikel sein, da sie keine Flexibilität hat und die Herstellungskosten außerordentlich hoch wären. Selbst wenn eine solche Kanone angeschafft werden könnte, wäre die Verwendung eines Elektronenstrahls dieser Art aus den im folgenden dargelegten Gründen außerordentlich schwierig.

Ein Elektronenstrahl, der zum Schweißen benutzt wird, muß fokussiert werden, um ihn Änderungen der Entfernung zwischen der Kanone und dem Werkstück anpassen zu können; ferner hängt die Stromstärke, die für die Fokussierspule erforderlich ist, um den Strahl zu bündeln, auch von dem Beschleunigungspotential ab. Wenn die Stromstärke für die

209842/0812

Fokussierspule verändert wird, wird der Elektronenstrahl um die Längsachse des Elektronenstrahlweges gedreht. Wenn der Strahl rund und in axialer Richtung symmetrisch ist, ruft eine Änderung der Fokussierung keine merkliche Änderung der Symmetrie und keine wesentliche Änderung der Schweißeigenschaften des Strahls hervor. Hat der Strahl jedoch eine ungleichmäßige Leistungsdichte, wenn sein Querschnitt beispielsweise birnenförmig ist, so würde eine Änderung der Fokussierung die Orientierung des Elektronenstrahls in bezug auf die Naht, die geschweißt werden soll, verändern. Der oben erwähnte Strahl, der bei einer bestimmten Entfernung zwischen Kanone und Werkstück und einer bestimmten Beschleunigungsspannung eine höhere Leistungsdichte an der vorauslaufenden Kante und eine Zone geringerer Leistungsdichte an der rückwärtigen Kante hat, könnte, wenn die Stromstärke der Fokussierspule verändert wird, um sich einer Änderung der Entfernung des Strahls oder der Beschleunigungsspannung anzupassen, so gedreht werden, daß seine vorauslaufende Kante eine geringere Leistungsdichte hätte, während die ablaufende Kante eine Zone höherer Leistungsdichte aufwiese. Es würde also genau das Gegenteil von dem eintreten, was beabsichtigt ist. Um dies wieder zu korrigieren, müßte die Elektronenkanone gedreht werden, damit der Elektronenstrahl wieder richtig auf die Naht gelenkt wird. Dies ist natürlich außerordentlich unpraktisch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden; sie bezieht sich auf ein Verfahren, mit dem es möglich ist, Schweißnähte bei hohen Geschwindigkeiten mit sehr hohen Leistungsdichten zu erzeugen, ohne daß die Gefahr besteht, daß innerhalb der Schweißzone Fehler auftreten oder sich die Teile, die an ihrer Verbindungslinie geschweißt werden, deformieren.

209842/0612

Bei Durchführung des bekannten Verfahrens zum Schweißen mit Elektronenstrahlen stellt man fest, daß das Auftreten einer Schweißraupe oder Wulst auf der Oberfläche und einer Sicke an der Unterseite darauf zurückzuführen ist, daß beim Schweißen mit hoher Energiedichte als Folge des schnellen Schmelzens und einer leichten Verdampfung des Materials auf der Bahn des Elektronenstrahls ein Loch entsteht. Das geschmolzene Material wird in die Spur der Schweißnaht zurückgedrückt, kühlt sich ab und verfestigt sich sehr schnell, bevor alles zurückfließen und das gebildete Loch wieder füllen kann. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, durch Verzögerung der Abkühlgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls infolge eines Nacherhitzungseffektes, im Bereich der nachlaufenden Kante des oszillierenden Strahlenwegs die Hohlräume wieder zu füllen, die durch den Strahl mit hoher Energiedichte erzeugt werden, wodurch eine einwandfreie Schweißnaht über die gesamte Stärke der zu schweißenden Werkstücke erzeugt wird, die völlig frei ist von Blasen, Poren, Rissen oder anderen Fehlern, die durch eine zu schnelle Abkühlung in der Schweißzone entstehen. Durch die Anwendung des Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung hat es sich als möglich erwiesen, einwandfreie Schweißnähte an dicken Werkstücken bei Schweißgeschwindigkeiten von 875 bis 1250 cm/min_o herzustellen.

Das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung erlaubt es ferner, die obigen Ergebnisse in außerordentlich einfacher Weise zu erzielen und dabei gleichzeitig eine große Flexibilität der Regulierung zu erhalten.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Schweißen mit Elektronenstrahlen, bei dem ein Elektronenstrahl mit rundem Querschnitt entsprechend der gewünschten Schweiß-

209842/0612

naht an den stumpf aneinanderstoßenden oder sich überlappenden Werkstücken, die geschweißt werden sollen, verschoben wird und "bei dem der Elektronenstrahl entlang der Schweißlinie eine Hin- und Herbewegung ausführt, wobei von dem Strahl eine Zone "bestrichen wird, die eine ablaufende Kante oder eine Hinterflanke an einem Ende, das in Richtung der relativen Verschiebung der Werkstücke in "bezug auf die Elektronenkanone liegt und eine voreilende Kante oder Vorderflanke am anderen Ende hat, das in entgegengesetzter Richtung liegt, wodurch eine Änderung in der Leistungsdichte des Elektronenstrahls in der Weise erhalten wird, daß diese am meisten an der Hinterflanke der vom Strahl bestrichenen Zone verringert wird und an der Vorderflanke am größten ist»

Die Durchschnittsgeschwindigkeit jeder Schwingung soll wenigstens zehn mal so groß sein wie die Geschwindigkeit, mit der sich das Werkstück in bezug auf die Elektronenkanone bewegt, so daß eine Energieverteilung auf das Werkstück über eine vorbestinmte Länge entlang der geidmschten Schweißnaht erreicht wird, die an dem Werkstück entlanggeführt wird, wenn es in bezug auf die Elektronenkanone bewegt wird, derart, daß dem gerade geschmolzenen Material Energie zugeführt xvird, um dessen Zusammenballung zu verzögern, so daß es den Hohlraum infolge der gleichseitigen Wirkung der Schwerkraft und der Oberflächenspannung wieder ausfüllen kann.

Als Beispiel kann eine Schweißung betrachtet x^erden, die mit einer Geschwindigkeit von 720 cm/min, oder 120 mm/sec» mit einem Elektronenstrahl, dessen Durchmesser 1 mm beträgt, durchgeführt wird. Es stellt sich dabei heraus, daß sich der Elektronenstrahl ₉ xfazm er mit einer Frequenz vor, 60 Hz schwingt, in 1_ see» um 1 mm (der Dauer einer

120

2098A2/0812

halten Schwingungsperiode) ir. einer Sichtung verschiebt und in der zweiten halben Schwingungsperiode zurückkehrt. Die mittlere Geschwindigkeit des Ausschlages in beiden Eichtungen beträgt daher 120 mm/sec, Die Wirkung, die dadurch erzielt wird, besteht darin, daß während des Ausschlages in Richtung der Bewegung des Werkstückes die Geschwindigkeit des Strahls an dem Werkstück im Mittel Null ist, während sie während des Ausschlages in der entgegengesetzten Eichtimg 240 sin/sec. beträgt, so daß sich eine Skala von intensiv heißen Punkten in einem Abstand von 2Mi auf dem Werkstück ergibt. Der Ausschlag xvürde bei dem vorliegenden Beispiel auf eine mittlere Ausschlaggeschwindigkeit von wenigstens 1200 mm/sec» dann erhöht, wenn eine Frequenz; von wenigstens 600 Hz benutzt wird. Dies würde dazu führen, daß alle Abschnitte der Schweißnaht wenigstens zehn mal überquert wurden.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zum Schweißen mit Elektronenstrahlen, die sur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.

Auf der Zeichnung sind Ausführuiigsbeispiele der Erfindung dargestellt« Es zeigen?

llgur 1 eine schematische Darstellung einer Maschine zum Schweißen mit Rlektr-onenstrahlen,

igur 2 eine Draufsicht auf die Zone;, die von einem Elektronenstrahl bestrichen wird, der von der Maschine gemäß Figur 1 erzeugt wird,

Figuren graphische Darstellungen von. praktischen Bei- 4^ ~^s spielen des Verfahrens -re?:._äf' ~ro:-:·!.⁵ "gander- Erfindung, böi dw::?----- cüe -τ-..-.ι de:·? I \i rii:<ν,ι-:--,.te■-■x.-au:C ciis Werki'i-iicke gelief^rte Leis'jung 'während

208842/0812

jeder Schwingung des Elektronenstrahls verändert wird,

Figuren

graphische Darstellungen einer Ausführungsform des Verfahrens, bei der die Konzentration des Elektronenstrahls während der Schwingung des Strahls verändert wird,

Figuren graphische Darstellungen eines Ausführungsbei-5a "bis gpiels des Verfahrens, bei dem die Geschwindigkeit, mit der der Elektronenstrahl hin- und herbewegt wird, während jeder Schwingung des Strahls verändert wird,

Figur 6 eine schematische Darstellung der Steuerelemente einer Schweißmaschine, bei der die Stromstärke des Elektronenstrahls, die von der Kanone geliefert wird, in Abhängigkeit von der Zeit verändert wird, so daß sich eine Arbeitsweise entsprechend den Figuren 3a bis 3<1 ergibt,

Figur 7 eine schematische Darstellung der Steuerelemente für eine Schweißmaschine in Blockform, bei der die Konzentration des Elektronenstrahls sich entsprechend der graphischen Darstellung der Figuren 4a bis 4d ändert,

Figur 8 eine schematische Darstellung der Steuerteile einer Schweißmaschine, bei der die Geschwindigkeit des Ausschlages des Elektronenstrahls während jeder Schwingung des Strahls entsprechend den auf den Figuren 5a bis 5g dargestellten Beispielen verändert wird und

Figur 9 eine schematische Darstellung der Steuereinrichtungen einer Schweißmaschine, bei der die Kon-

209842/061 2

zentration des Elektronenstrahls, die Ablenkgeschwindigkeit xind die Strahlstromstärke der Maschine einzeln oder gleichzeitig während jeder Schwingung verändert werden können.

Mit dem Verfahren gemäß vorliegender Erfindung gelingt es, eine wirksame Veränderung der Leistungsdichte, die auf die zu schweißenden Werkstücke einwirkt, bei Verwendung eines homogenen Elektronenstrahls zu erhalten. Diese .Änderung der Leistungsdichte, die tatsächlich die Energie des Elektronenstrahls darstellt, die auf die Werkstücke über den Bereich einwirkt, der von dem Elektronenstrahl in der Zeiteinheit bestrichen wird, erhält man dadurch, daß der Elektronenstrahl eine Hin- und Zurückbewegung entlang der Naht ausführt und durch Veränderung eines oder mehrerer Parameter, die diese Leistungsdichte bestimmen, wie z.B. der Leistung des Elektronenstrahls, der Beschleunigungsspannung, der Konzentration des Strahls oder der Geschwindigkeit der Verschiebung des Strahls während des Schwingzyklus.

Auf Figur 1 ist eine Schweißmaschine dargestellt, bei der die Elektronenkanone 1 einen Elektronenstrahl erzeugt, der auf den Schweißstoß, an dem die Werkstücke 3 aneinanderliegen, gerichtet ist. Die zu schweißenden Werkstücke werden in Eichtung des Pfeiles B¹ mit einer Relativgeschwindigkeit ν in bezug auf die Elektronenkanone 1 verschoben. Bei der praktischen Durchführung des Verfahrens kann die Elektronenkanone 1 fest angeordnet werden, während sich die Werkstücke 3 in Richtung des Pfeiles I? bewegen.

Der Elektronenstrahl führt entlang der Schweißnaht eine Winkelbewegung zwischen den Grenzkanten 4- und 5, die die Scheitel des Winkels Theta darstellen, aus.

2098A2/0S12

Die Schwingung des Elektronenstrahls um den Winkel Theta (θ) kann mit bekannten elektronischen Vorrichtungen erhalten werden; die Größe des Winkels Theta bestimmt sich als !Funktion der Art der Stärke-der Werkstücke, die geschweißt werden sollen und als !Punktion der Leistungsdichte des Elektronenstrahls, wenn dieser sich nicht bewegt .

Figur 2 ist eine Draufsicht auf die Fläche, die von einem Elektronenstrahl auf den zu schweißenden Werkstücken, die einen quadratischen Querschnitt mit der Seitenlange haben, bestrichen wird. Der Elektronenstrahl überfährt während seiner Winkelverschiebung eine Zone, bei der die voreilende Kante an den Werkstücken durch die Kante 4 des Strahls gebildet wird, die in entgegengesetzter Sichtung zur Verschiebung der Werkstücke 3 verläuft und bei der die ablaufende Kante 5 i^· Richtung der Verschiebung der Werkstücke 3 liegt.

Gemäß der Erfindung wird die Leistungsdichte des Elektronenstrahls während der zyklischen Verschiebung dadurch verändert, daß man die augenblickliche Geschwindigkeit des Strahls, seinen !Fokus (Konzentration), seine Intensität (Stromstärke) oder die Beschleunigungsspannung während jeder Periode derart ändert, daß die tatsächliche Leistungsdichte einen maximalen Wert an der voreilenden Kante 4· der Schwingzone und einen Tiefstwert an der ablaufenden Kante 5 hat.

Die Änderung der Leistungsdichte von der voreilenden Kante zur ablaufenden Kante kann linear oder nicht linear je nach der Art der Schweißung, die durchgeführt werden soll, erfolgen.

Wenn man mit "p" die Leistung des Elektronenstrahls be-

209842/0612

- ίο -

zeichnet, die eine Punktion von θ sain kann, mit ^!le" die Breite eines (aus Gründen der Vereinfachung) quadratischen Elektronenstrahls mit gleichmäßiger Leistungsdichte, mit

"V" die Schwinggeschwindigkeit des Strahls, die sich ebenfalls in Abhängigkeit von θ verändern kenn und mit "T" die Dauer der Schwingung,

so ergibt sich für die Leistungsdichte P die folgende Formelϊ

Dieser" Vert ist eine Funktion von Θ.

Wenn die Parameter in dieser Formel konstant sind, so ist das Produkt ViD ·* a (siehe Figur 2) und der Nenner entspricht der auf Figur 2 gestrichelt dargestellten Fläche.

Es ist Jedoch festzustellen, daß für ,jeden Punkt an den zu schweißenden Werkstücken, der der Einwirkung des Elektronenstrahls unterliegt, die Leistungsdichte nicht konstant ist, weil ein oder mehrere Parameter während jeder Schwingbewegung des Elektronenstrahls geändert werden. Da aber die Frequenz der Schwingung viel größer ist als die thermische Trägheit des zu schweißenden Materials, kann man die mittlere Leistungsdichte an jedem Punkt, der dem schwingenden Elektronenstrahl ausgesetzt ist, rechnerisch ermitteln.

Bei dem auf den Figuren 3a bis 3d und 6 dargestellten Beispiel wird die Ablenkung des Strahls mit konstanter Geschwindigkeit vorgenommen und die l-aistungsai ehte dadurch. verändert, daß man die Leistung der iianone ändert"«, So kann man aus Figur 3 a ersehen, daß die .änderung der Lage

209842/0612

des Strahls einer Sägezahnschwingung entspricht -und daß die Geschwindigkeit der Verschiebung cL0 des Elektronenstrahls konstant ist. In obiger Formel sind daher das Produkt ViE und die Länge der Schwingzone konstant.

Um das gewünschte Ergebnis zu erhalten, kann man die Leistung der Kanone in der aus der graphischen Darstellung gemäß Figur 3b ersichtlichen Weise ändern. Die Leistungsdichte (Figur 3c) ändert sich daher ebenfalls und folgt einer ähnlichen Kurve. Schließlich ist auf Figured über den Bereich, der während jeder Schwingung des Strahls bestrichen wird, die Kurve der mittleren Leistungsdichte dargestellt, die von der Kanone während einer Zeit erzeugt wird, die verglichen mit der Dauer jeder Schwingung lang ist.

Bei diesem Beispiel ändert sich die Leistung der Elektronenstrahlkanone in gesetzmäßiger Abhängigkeit von der Winkelablenkung des Strahls und in der Weise, daß die maximale Leistung (Punkt 6 auf Figur 3b) da auftritt, wo der Elektronenstrahl in Höhe der vorauseilenden Kante 4 (Figur 1) ist und die geringste Leistung (Punkt 7 der Figur 3) an der Stelle vorliegt, an der der Elektronenstrahl in Höhe der nachlaufenden Kante 5 der Schwingzone ist (Figur 1).

Diese Änderung in der Leistung, die von der Kanone geliefert wird, kann man auf verschiedene Weise erhalten, beispielsweise mit einer Triodenkanone durch Einwirkung auf das Potential der Steuerelektrode, wodurch die Stromstärke des Strahls verändert wird.

Erfindungsgemäß kann dieses Ergebnis auch erzielt werden, ) indem man nicht auf die Leistung des Elektronenstrahls einwirkt, sondern auf die Konzentration (Fokussierung) des

2098A2/0S12

Strahls in Abhängigkeit von der Ablenkung (Figur 4b). In diesem Fall erhält man unter Aufrechterhaltung einer Sägezahnschwingung (Figur 4a) ebenfalls eine Änderung der Leistungsdichte in Abhängigkeit von der Ablenkung des Strahls oder als Funktion der Lage des Strahls auf den zu schweißenden Werkstücken (siehe auch die Figuren 4c und 4d).

Eine Schweißmaschine, mit der die vorstehenden Verfahren durchgeführt werden können, ist auf den Figuren 6, 7? 8 und 9 dargestellt, auf denen mit 1 die Elektronenkanone, mit 3 die zu schweißenden Werkstücke, mit 8 der Wagen, der die Werkstücke hält und transportiert, mit 9 die Fokussierspule und mit 10 die Ablenkungsspule bezeichnet sind.

Bei dem auf Figur 8 dargestellten Beispiel, dessen Funktion in Zusammenhang mit den Figuren 5a bis 5g erläutert wird, ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Leistung der Elektronenkanone konstant gehalten wird, während man die Geschwindigkeit der Schwingung verändert, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Figur 5a zeigt die Kurve der Winke!verschiebung des Strahls als Funktion der Zeit, während Figur 5b die Geschwindigkeit, mit der sich der Elektronenstrahl auf den Werkstücken verschiebt, als Funktion der Zeit zeigt; auf Figur 5c ist die Geschwindigkeit der Verschiebung des Strahls als Funktion der Ablenkung des Strahls dargestellt. In diesem Fall erhält der Elektronenstrahl eine oszillierende Bewegung, die einer parabolischen Kurve folgt. Dabei erhält man eine Änderung der Leistungsdichte in Abhängigkeit von der Winkelverschiebung und als Funktion des Auftreffpunktes des Strahls auf die Werkstücke, wie es auf den Figuren 5d und 5e dargestellt ist.

Es ist möglich, joden gewünschten Wert der Leistungsdichte

2098^2/0612

als Funktion des Auftreffpünktes des Strahls zu erhalten, in dem man auf die Parameter) wie oben erwähnt, einwirkt, um sich den Eigenschaften des sehr verschiedenartigen zu schweißenden Materials anzupassen. Beispielsweise kann ein Bereich niedriger Leistungsdichte an der voreilenden Kante, auf die eine Zone mit hoher Leistungsdichte folgt, eingestellt werden, an die sich dann eine Zone geringer Leistungsdichte an der ablaufenden Kante anschließt.

Die Figuren 5ΐ und 5s sind graphische Darstellungen, die die Wirkung der Beeinflussung der Schwingung des Strahls zeigen, derart, daß ein vorerhitzter Bereich am Beginn der Schweißung und eine Macherhitzung hinter der Schweißnaht erzielt wird, wie es beim Schweißen bestimmter Stoffe erforderlich ist. Figur ^f zeigt die augenblickliche Geschwindigkeit des oszillierenden Strahls, Figur 5 die .Änderung der Leistungsdichte des Strahls entlang des Weges, der von dem Strahl auf dem Werkstück zurückgelegt wird. Die Kurve von O bis 1 auf Figur 5f verdeutlicht die Änderung der Geschwindigkeit, wenn der Strahl sich entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des Werkstückes, bezogen auf die Elektronenkanone, bewegt. Der Abschnitt zwischen 1 und 2 zeigt die Änderung der Geschwindigkeit, während der schwingende Strahl in der gleichen Richtung wie sich das Werkstück bewegt, zurückkehrt und der Abschnitt zwischen 2 und 3 wieder die Änderung der Geschwindigkeit während sich der Strahl entgegengesetzt der Bewegung des Werkstückes verschiebt.

Figur 5g zeigt die sich ergebende Leistungsdichte an dem Werkstück über den von dem Strahl zurückgelegten Weg. Die Kurve von O bis 1 läßt die Änderung der Leistungsdichte während der Zeit O bis 1 erkennen, wenn der Strahl sich entgegengesetzt der Bewegungsrichtung des Werkstückes bewegt} die Kurve 1, 2 zeigt die Änderung oder Leistungs-

20 9 8 4 2 /ÖS12

dichte, wenn der Strahl in Sichtung der Bewegung des Werkstückes zurückkehrt und die Kurve 2-3 zeigt die Änderung der Leistungsdichte während der dritten Schwingung des Strahls entlang dem Werkstück.

Bei den auf den Figuren 6, 7, 8 und 9 dargestellten Beispielen sind schematisch die Einrichtungen zur Änderung der Leistung des Strahls, der Konzentration (Fokussierung) des Strahls und der Geschwindigkeit der Schwingungsbewegung dargestellt. Mit A ist eine Einrichtung zum Steuern der Strahlstromstärke, mit B eine Einrichtung zum Steuern der Ablenkung des Strahls und mit G eine Steuereinrichtung für die Fokkusierung des Strahls bezeichnet. Selbstverständlich können zwei oder drei dieser Parameter gleichzeitig geändert werden, wenn es sich als notwendig erweist. Hierzu benutzt man die auf Figur 9 dargestellte Einrichtung, bei der die Werkstücke 3 auf dem beweglichen Wagen 8 angeordnet sind, der unterhalb der Elektronenkanone 1 bewegt wird.

Längs der Achse der Elektronenstrahlkanone sind eine Fokussierspule 9 und eine Ablenkungsspule 10 dargestellt, so daß man je nach der Art des ausgewählten Verfahrens die Fokussierung, die Geschwindigkeit der Ablenkung oder die Stromstärke der Elektronenstrahlkanone oder aber gleichzeitig mehrere dieser Parameter ändern kann.

ORIGINAL INSPECTED

Pat ent ans prüc he

09S42/0612

Claims

- 15 -

tentansprüche

Verfahren zum Schweißen von Werkstücken entlang einer estimmten Schweißnaht mit Hilfe eines Elektronenstrahls, der mit einer Elektronenstrahlkanone erzeugt, beschleunigt und fokussiert wird und den man auf das zu schweißende Werkstück richtet, wobei das Werkstück sich in bezug auf die Elektronenkanone bewegt, dadurch gekennzeichnet , daß der Elektronenstrahl mit einer vorgegebenen Amplitude entlang der Schweißnaht oszilliert und auf das Werkstück entlang seines Weges pro Querschnittseinheit eine Energie abgibt, die sich bei jeder Schwingbewegung so ändert, daß der Elektronenstrahl eine vorauseilende Kante mit hoher Energiedichte hat, die sich zu einer ablaufenden Kante mit reduzierter Energiedichte erniedrigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingung mit einer Frequenz erfolgt, die so hoch ist, daß die mittlere Geschwindigkeit, mit der sich der Strahl in bezug auf das Werkstück bewegt, wenigstens eine Größenordnung höher ist als die Geschwindigkeit, mit der die Wärme von dem Auftreffpunkt des Strahls abgeleitet wird.
3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingung mit einer Frequenz erfolgt, die so hoch ist, daß die mittlere Geschwindigkeit, mit der sich der Strahl in bezug auf das Werkstück bewegt, wenigstens eine Größenordnung größer ist als die Geschwindigkeit des Werkstückes in bezug auf die Kanone.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, daß die Änderung der Energie pro Querschnittseinheit durch ÄndoruiVT der augenblicklichen Geschwindigkeit des Strahls wührend ,jeder Schwingungsperiode erzielt wird.

209842/061 2
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Energie pro Querschnittseinheit durch Änderung der Stromstärke des Elektronenstrahls während jeder Schwingung erzielt wird, wobei alle übrigen Parameter konstant gehalten werden.
6o Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Energie pro Querschnittseinheit durch Änderung der Leistung des Elektronenstrahls während jeder Schwingung durch Änderung der Stromstärke des Strahls erzielt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Energie pro Querschnittseinheit durch Änderung des Beschleunigungspotentials der Elektronenstrahlkanone während jeder Schwingung erzielt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Energie pro Querschnittseinheit durch Änderung der Stromstärke des Elektronenstrahls erzielt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Energie pro Querschnittseinheit durch Änderung der Konzentration des Elektronenstrahls während jeder Schwingung erzielt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 4·, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Strahls von 0 auf einen maximalen Wert vergrößert wird, wenn er in einer Richtung ausschwingt, die der Bewegungsrichtung des Werkstückes in bezug auf die Elektronenstrahlkanone entgegengesetzt ist und bis auf 0 abnimmt, wenn er sich in der gleichen Richtung wie das Werkstück bewegt.

209842/0612
11. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des schwingenden Strahls von einem maximalen Wert auf O abnimmt und den maximalen Wert wieder erreicht, während er sich in "beiden Eichtungen in bezug auf die Bewegungsrichtung des Werkstückes "bewegt.

12_ö Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 11, bestehend aus einer Elektronenkanone mit Einrichtungen zum Erzeugen, Beschleunigen und Fokussieren eines Elektronenstrahls, Mitteln, mit denen der Elektronenstrahl auf das zu schweißende. Werkstück gerichtet wird, Einrichtungen zum Bewegen des Werkstückes in bezug auf die Elektronenstrahlkanone entlang eines gegebenen Weges, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlkanone Einrichtungen, mit denen dem Strahl in Längsrichtung des Weges Schwingungen mit einer bestimmten Amplitude aufgegeben werden und Mittel zum Verändern der Strahlgeschwindigkeit, der Konzentration des Strahls, der Beschleunigungsspannung und der Strahlstromstärke enthält, die einzeln oder gemeinsam während jeder Schwingung des Strahls eingesetzt werden.

209842/0612

Leerseite