DE2231528A1 - Maschine zum verschweissen von scheibenfoermigen teilen mittels ladungstraegerstrahlen - Google Patents

Description

Hanau, den 12. Juni 1972

ZE3-Zap/Han·

725o4

LEYBOLD-HERAEUS-GinbH & Co. KG. 5ooo K Ö L Μ 51 Bonner Straße 5o4

Patent- und Gebrauchsmuster-Hilfsanmeldung

"Maschine zum Versclrweissen von scheibenförmigen Teilen mittels Ladungsträgerstrahlen."

Die Erfindung bezieht sich auf eine Maschine zum Verschweissen von scheibenförmigen .'feilen mit hochgestelltem Rand und ringförmigen Teilen, vorzugsweise· von Anlassei-rädern und Zahnkränzen, entlang einer zylindrischen Berührungsfläche durch Ladungsträgerstrahlen im Vakuum, bestehend aus zwei drehbaren Halterungen für die paarweise Aufnahme von Schweißgut, wobei jede Halterung an einem beweglichen, die Projektion des Schweißgutes überragenden Wandelement einer Vakuumkammer angeordnet ist, welche mit einer Quelle für einen gebündelten Ladungsträgerstrahl in Verbindung steht.

Eine Schweißmaschine der vorstehend beschriebenen Art

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1st beispielsweise durch den Sonderdruck "Electron Beam Welding Goes Mass Production" von Vearl A. Williams, vorbekannt. Die dort beschriebene Maschine ist eine Tandemanordnung von zwei vollständigen Schweißmaschinen, die jeweils aus drehbaren Halterungen und Ladungsträgerstrahlquellen bestehen. Eine quasi-kontinuierliche Betriebsweise wird durch abwechselnden Betrieb beider Schweißmaschinen herbeigeführt. Die bekannte Vorrichtung bedingt jedoch ein sehr großes Bauvolumen, insbesondere aber zwei Ladungsträgerstrahlquellen, die grundlegend für die Gestehungskosten der Anlage sind, sich jeweils aber nur maximal die Hälfte der Zeit in Betrieb befindet. Dazu benötigen solche Anlagen eine Reihe von zusätzlichen Steuerungen und Regelungen, die den unabhängigen Betrieb beider Maschinenteile gewährleisten.

Maschinen der vorstehend beschriebenen Art werden auch als "Halbvakuum-Maschinen" bezeichnet. Die Bezeichnung rührt daher, daß zur Ausführung des Bearbeitungsvorgangs in der eigentlichen Arbeite- oder Schweißkamraer nur ein Vakuum

-2 in der Größenordnung von 5 χ Io Torr benötigt wird. In der Kammer für die Erzeugung des Ladungsträgerstrahles herrscht hingegen ein wesentlich besseres Vakuum in der Größenordnung von Io Torr und darunter. Die Aufrechterhaltung der Druckdifferenz zwischen beiden Kammern während des Betriebes wird durch ein entsprechend abgestuftes Pumpensystem und eine Druckstufung erreicht. Die eigentliche Schweißkamraer hat zum Zwecke eines schnellen Evakuierens hierbei außerordentlich geringe Abmessungen, die im wesentlichen denen der zu verschweißenden Werkstückteile entsprechen. Ein Teil der Vakuumkammer wird dabei von einem beweglichen Wandelement gebildet, dessen Abmessungen die Projektion des Schweißguts nur geringfügig übersteigen. Das Schweißgut wird zusammen mit dem beweglichen Wandelement in der Weise in d^e Schweißkammer eingeführt, daß bei Erreichen der

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Arbeitslage das Wandelement vakuumdicht an den übrigen Teilen der Vakuum-Schweißkammer anliegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den baulichen Aufwand der vorbekannten Vorrichtung so zu verringern, daß. nur noch eine einzige Ladungsträgerstrahlquelle für die Bearbeitung von zwei Werkstücken benötigt wird, wobei die' Vakuum-Schweißkammer geringst-inögliche Abmessungen für eine schnelle Evakuierung aufweisen soll. Außerdem soll der Steuerungs- und Bedienungsaufwand für derartige Maschinen erheblich herabgesetzt werden, wobei gleichzeitig die Taktzeiten ,für die Bearbeitung ' eines Werkstückes zusätzlich verringert werden.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß die Wandelemente an zwei gegenüberliegenden Stellen einer gemeinsamen Vakuumkammer angeordnet sind, daß die Drehachsen der Halterungen bei geschlossener Vakuumkammer einen Winkel zwischen 12o und 18o Grad einschliessen und daß die Symmetrieachse der Ladungsträgerstrahlquelle im wesentlichen symmetrisch zu den Drehachsen der .Halterungen ausge-r richtet ist.

Durch eine solche Konstruktion der Maschine ist es möglich, die gleiche Vakuumkammer gleichzeitig mit zwei Werkstücken zu beschicken. Aufgrund der räumlichen Lage der Drehachsen der Halterungen bei geschlossener Vakuumkammer nehmen die zu verschweissenden Teile hinsichtlich ihrer Hauptebene im allgemeinen eine V-förmige Stellung zueinander ein. Im Grenzfall können die zu verschweissenden Teile auch parallel zueinander ausgerichtet sein, was wegen der leichten Ablenkbarkeit von Ladungsträgerstrahlen keine Schwierigkeiten hinsichtlich der Strahlführung verur- 309883/^0736

sacht. Durch die symmetrische Ausrichtung der Ladungsträgerstrahlquelle zu den Drehachsen der Halterungen und damit zu den Werkstücken selbst ist es möglich, den gleichen Ladungsträgerstrahl abwechselnd auf die Schweißstellen beider Werkstücke zu richten. Zur Erfüllung dieses Zwecks wird gemäß der weiteren Erfindung dafür Sorge getragen, daß die Halterungen für das Schweißgut bei geschlossener Vakuumkammer einen solchen Abstand besitzen, daß die der Eintrittsöffnung für den Ladrmgstr'igerstralil .jeweils abgewandten Umfangs-■ tnile des Schweißgvites einander so nahe gegenüberliegen, daß der Ladungsträgerstrahl abwechselnd ax\£ beide Schweißstellen ablenkbar ist.

Die Bevegir" ς der -:-'':>.·;,"'elemente und damit des Schweißf-if-,3 kanr; ?„-rf ^γ.:"¹ ~ :\-ϊ -:'-3Πί? freise erfolgen. Es ist '.'■e;'.spielsvi.3j'se denkb: ^:z_s die Yandelemente an einer (";^-':ad:i:ührii;-.f; ani-uor^Jis auf dor sie parallel zu ihrer Au.3^:u?-_;sli.^e. v-y.vt-ehiebbar sind. Aus Gründen '.s:r K,^:u:5uer·- -am' >~.. ·.; ^; -..^v möglichst einfachen rv.-jiKti'ukti·.--.! unci "\is^:i-Wslictikeit der Halterung ist ; .=· jp-doelt Iv-τ-soiic:-":-■■:■- av&cl'inäßig, die Wandelemente : !p^: Zwecke C^v Au-o^;v" rbarkeit einer Schwenkbev/egung

Eülenken. Dabei ist es becie Schwenkachse an eine Stelle uig zu verlegen. Beim Herauson.eate uin beispielsweise 9o Grad !.nig in Bauchhöhe der Bedienungs-, ^Λ 'vT t-r^"; -rc β; i; rjoznit-eine Beschickungsposition f ir tile !ai^eru¹:;; die außerordentlich gut zugänglich Ist χΐάά ir'ihc eiTiui-.I-.e Bedienung gestattet.

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"DU- f rf ind^Tr'SS?^>'^:- ^r - Vorrichtung gestattet die Durch-

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BAD ORIGINAL

führung eines -Betriebsverfahrens, das gemäß der weiteren Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß der Ladungsträgerstrahl im wesentlichen senkrecht zur zylinderischen Berührungsfläche zwischen den Schweißgutteilen ausgerichtet und die Schweißung durch den hochgestellten Rand des scheibenförmigen Teils hindurch ausgeführt wird. Zum Verständnis dieses Vorgangs sei auf die Konstruktion des Schweißguts hingewiesen, für welches die Vorrichtung vorgesehen ist. Anlasserräder v/erden seit einiger Zeit aus zwei verschiedenen Teilen hergestellt, nämlich einem aus Blech gepreßten scheibenförmigen Teil mit 'hochgestelltem Band sowie aus-einem Zahnkranz mit einer Zahnbreite, die die Blechstärke erheblich übersteigt. Die Abmessungen des hochgestellten Randes entsprechen dabei im wesentlichen der Zahnbreite bzw. der Stärke des Zahnkranzes. Die Berührung beider Teile erfolgt auf einer Zylinderfläche zwischen dem hochgestellten Rand und dem Innendurchmesser des Zahnkranzes..Bei den vorbekannten Schweißverfahren erfolgte die Verschweißung mittels eines Ladungsträgerstrahls, der parallel zur zylindrischen Berührungsfläche der zu verschweissenden Teile ausgerichtet war. Zur Ausführung der Schweißung wurde das Schweißgut in Rotation um die Drehachse des Anlasserrades versetzt, während der Ladungsträgerstrahl stationär festgehalten wurde. Aufgrund der mit Ladungsträgerstrahlen möglichen "Tiefschweißung" mit einem sehr günstigen Verhältnis von Schweißnahttiefe zu - breite erfolgte die Verschweißung praktisch über die gesamte Tiefe der Schweißnaht. Bei der Schlankheit des' Ladungstragerstrahls setzte, dies aber voraus, daß an die Kreisform des Schweißguts äußerst hohe Anforderungen gestellt werden mußten

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da ansonsten die Schweißimg nicht an der Nahtstelle verlief. Diese Forderung führte aufgrund der Eigenheiten bei der Massenfertigung immer wieder zu Ausschuß. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein solches SclraeiSverfahren nunmehr verlassen werden. Bei dem erfindungsgeiaäßen Betriebsverfahren wird die Lage des Ladungsträgerstrahls zur Schweißnaht um etwa 3o Grad geschwenkt und die Schweißung wird durch den hochgestellten Rand des scheibenförmigen Teils hindurch ausgeführt. Hierbei steht für den Angriff des Ladungsträgerstrahl eine wesentlich größere Ereile zu Verfügung, nämlich praktisch die gesamte Köae des hochgestellten Randes. Toleranzen bzw. Schläge i:a Schweißgut sind hierbei von untergeordneter Bedeutung.

Ein AusführuTtgsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und das darin ausgeübte Betriebsverfahren seien nachfolgend anhand der Figur näher beschrieben, die einen Vertikalschnitt durch die gesamte Schweißmaschine zeigt.

In der Figur ist mit 1 eine Ladungsträgerstrahlquelle bezeichnet, die im vorliegenden Fall als Elektronenstrahlgenerator ausgeführt ist. In diesem wird ein vollbeschleunigter, schlanker Elektronenstrahl erzeugt, der über ein Strahlführungsrohr 2 aus der Ladungsträgerstrahlquelle austritt. Im Innern der Ladungsträgerstrahlquelle, d.h. in der Umgebung der Kathode ist ein Hochvakuum erreichbar, welches besser

-4 oder gleich Io Torr ist. Am unteren Ende der

Ladungsträgerstrahlquelle befindet sich, das Strahlführungsrohr 2.umgebend, eine Ablenkeinheit 3 für die seitliche Ablenkung eines Ladungsträgerstrahls 4. Sämtliche Einzelheiten einer solchen Ladungsträger-30988^/0736

strahlquelle sind jedoch Stand der Technik , so daß auf weitere Ausführungen an dieser Stelle verzichtet werden kann. ·

Der Ladungsträgerstrahl 4 tritt über eine in der Zeichnung nicht im einzelnen dargestellte Druckstufenstrecke 5 in die eigentliche Vakuumkammer 6 ein, deren Höhenabmessungen die Breitenabmessungcn wesentlich übersteigen. Die Vakuumkammer 6 wird unter anderem von zwei seitliche« Begrenzungswänden 7 und 8 gebildet, in denen Ausschnitte 9 und Io von einer solcher Abmessung angeordnet sind, daß das Schweißgut 11 und 12, im vorliegenden Falle zwei' Anlasserräder, in der Arbeitslage in die Vakuumkammer 6 einführbar ist.

In der rechten Zt Iclinungshälfte ist die Schweißmaschin in Betriebspositicn dargestellt. Der Ausschnitt Io in der seitlichen Begrenzungswartd 8 ist durch ein bewegliches Wandelement 13 vakuumdicht verschlossen. In dem Wandelement ist eine Halterung 15 angeordnet, die aus einer unter einem kleinen. Winkel zur Waagrechten liegenden Drehachse mit einem Spanndorn 16 für das Schveißgut 12 besteht» Ein Spannzylinder 17 dient zur Ent- und Verriegelung des Schweißguts 12. Die Rotation der Halterung 15 wird mittels eines Elektromotors 13 unter Zwischenschaltung eines Getriebes 19 bewirkt. An einen: unter der Halterung liegenden Stelle ist das Wandelement 13 mittels eines Gelenks 2o schwenkbar gelagert. Die Schwenkbewegung erfolgt durch einen Hydraulikzylinder. 21 über eine Schubstange 22, die an einem Betätigungswinkel 23 des V/andelements 13 befestigt ist. Der Hydraulikzylinder 21 ist zwecks Aufnahme der Reaktionskräfte

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BAD ORfGINAL

an dem der Schubstange 22 abgewandten Ende an einem Maschinenrahmen 24 bsfesti^iu

In der linken 2eicImingsbs.Afta ist die Schweißmaschine in der Ee&oMckimgspesition dargestellt. Ein den Wandelement 13 gegenüberliegendes Wandelement 14 is:*· mittels eJDei; Hydrauliksylinders 25 um ein Gele&ls 26 um 9o Crsd gescävmki worden, so daß das bewegliche Wan^-'lsiseni 14. die I-o-sition einer horizontalen r-'sdjpla+.i'i hot, Der übrige Aufbau und die Einbau-«.! les Wai'I&.lur'ciits Ii ?vir;a völlig identisch mit denen ties. Wände laments 13_f a?i.lerdings spiegelbildlich angeordnet» Bai Sciiwsnkung In die Betriebslage analog der Darstellung ir· der rechten Zeichnungshälfte bewegt sich ά?.ν Spanr,dci?ii 16 a«i - in er Kreisbahn 27 und nimmt die nur teilwei?· s 'argestcllte Position innerhalb der Vakuumkammer 6'ein, Die Schweißmaschine befindet sich nunmehr in B

In. der Figur ίεΐ *:λ\ ^rhemvm._s- daß die Achsen der beide:i Halterunger IS im Betriebszustand, d.h. bei allseitig - geschlossener Vakuumkammer 6 unter einem stumpfen Winkel von ea. 155 Grad zueinander stehen.

Infolge dieser-geoTftiitrischen Anordnung schliessen die HauptebtHian -Ιάά Schweißguts 11 bzw. 12 den betreffenden K»--;npl-;."i,:-':ntSrwinkel von ca. 25 Grad zwischen sich «?jn_; !><!·.." dtia al--> ein schwach geöffnetes V. Die Achse iss nicht abgelenkten Ladungsträgerstrahls 4, die mit der Achse der Ladungsträgerstrahlquelle 1 identisch ist, stimmt auch mit der Symmetrieachse des Schweißguts 11 hzv, 12 übesfoin. Bei Beaufschlagung der Ablenkeinheit 3 JBi t eitiQt Ablenkspannung verändert der Elektronenstrahl 4 seine Lage parallel zur Zeichen-

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ebene. Durch Regelung der Ablenkspannung kann der Elektronenstrahl in die beiden gestrichelt dargestellten Positionen gebracht v/erden, in denen die Verschweißung durch den hochgestellten Rand des scheibenförmigen Teils des Schweißguts 11 bzw. 12 hindurch erfolgt. Da während des Schweißvorgaiiges die Halterungen 15 eine Rotation ausführen, entsteht am Schweißgut eine umlaufende Schweißnaht. Es ist dabei möglich, mit dem Elektronenstrahl zunächst die Schweißnaht an dem einen Schweißgat fertig-zu—stellen und danach diejenige am anderen-Schweißgut, es ist aber auch denkbar, den Elektronenstrahl mit höherer Frequenz abwechselnd in-die beiden gestrichelt dargestellten Lagen auszulenken, so daß die Schweißung am Schweißgut 11 und am Schweißgut quasi gleichzeitig ausgeführt wird. In jedem Falle genügt für die Ausführung der Sehweissimgen ein einziger Ladungsträgerstrahl und infolge-dessen auch nur eine einzige Ladungsträgerstrahlquelle. Ferner ist es für die Ausführung der Schweißung lediglich einmal erforderlieh, die Vakuumkammer 6 zu evakuieren.

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Claims (4)

1. ANSPRÜCHEj

   1» Maschine zum Vej?s<.:h.v3if:-en -mn scheibenförmigen Teilen mit hochgestelltem Rand und ringförmigen Teilen, vorzugsweise von Anlasserrädern und Zahnkränzen, entlarv; e.l'er zx Ixndrisehen Berührungsfläche durch LaduriA-eträgeratrahlen ira Vakuum, bestehend aus zwei drehbarer Halterungen für die paarweise Aufnahme ^r;■si-, Scav:eißgut, wobei jede Halterung an eiiieü --eye^iiiclien, die Projektion des Sehwex&gats ütereaaenuen V/andeleiaent einer Vakuurii.kawr.ifir angeordnet ist, welche mit einer Quelle S.üv einen gebündelc-en Ladungsträgerstrahl in Verbrbidnng stelrü - dadurch gekennzeichnet, daß die Wändelereente (I-:i.l4) an zwei gegenüberliegenden Bteilen :?:.ner g:e;ieinsa.men Vakuumkamraer (6) angeordnet sin;', daß die Drehachsen der Halterungen (15) bei geschlossener Vakuumkammer einen Wankel sswisciien X2o drad und 18o Grad einschllessen und daß die Symmetrieachse der Ladungsträgerstrahlquelle (1) in wesentlichen symmetrisch zu den Drehachsen der Halterungen ausgerichtet ist.
2. 2. Schweißmaschine nae'i Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungen (15) bei geschlossener Vakuumkammer (6) einen solchen Abstand besitzen, daß die der Eintrittsöffnung für den Ladungsträgerstrahl jeweils abgewandten Umfangsteile des Schweißgut einander so nahe gegenüberliegen, daß der Ladungsträgerstrahl abwechselnd auf beide Schweißstellen ablenkbar ist.
3. 3. Schweißmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandelemente (13,14) zum Zweck© der Ausführbarkeit einer Schwenkbe-

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   wegung an der Vakuumkammer (6) angelenk^ sind.
4. 4. Betriebsverfahren für Schweißmaschine nach Anspruch 1, £ νΛϊύ 3_:, dadj-jggjl,BaiseBaaeieliiiet_t daß der LadiHJ.g£'fe?ägerstralii (4) iiü ivesentlielien senkrecht 2ur zyiijidriseiiön Berüiir^agsfläclis swisehen den Schweißs':rfctei'i.ea ausgsricätet und'die. Selriveißuiig durch dz?, liocligsstslltsn ΙΙντΛ des selÄsiwe«- förmigea Teils iiiaöiirsli aasgOfim^i v/ird,

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   L e e r s e ί t e