DE2231528C3 - Maschine zum Verschweissen von scheibenförmigen Teilen mittels Ladungsträgerstrahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Maschine zum Verschweißen von scheibenförmigen Teilen mit hochgestelltem Rand und ringförmigen Teilen, vorzugsweise von Anlasserrädern 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 Schweißguts überragenden Wandelement einer Vakuumkammer angeordnet ist, welche mit einer Quelle für einen gebündelten Ladungsträgerstrahl in Verbindung steht.

Durch die schweizerische Patentschrift 419 378 ist eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels LadiingsträgtTstrahlen vorbekannt, bei der der für die Bearbeitung benotigte Vakuumraum minimale Abmessungen besitzt. Dies wird dadurch erreicht, daß der Ladungstnigerstrahlgenerator einseitig offen ausgebildet ist, und daß die Werkstücke selbst durch Anpressen an die öffnung die Abdichtung übernehmen. Dadurch werden jedoch während des Bestehens der Abdichtung Relativbewegungen zwischen Werkstück und Ladungsträgerstrahlgenerator verhindert. Insbesondere ist es nicht möglich, längere Schweißnähte oder gar umlaufende Schweißnähte herzustellen.

Durch die französische Patentschrift 1404 827 sind Elektronenstrahl-Schweißmaschinen vorbekannt, die mit Vakuumschleusen und durch diese Schleusen hindurchgehenden Transporteinrichtungen für die zu bearbeitenden Werkstücke ausgestattet sind. Die Vorrichtung ist daher sehr aufwendig konstruiert. Zur Verkürzung der Tsktzeiten werden die Werkstücke in der gleichen Vakuumkammer abwechselnd in zwei unterschiedlichen Positionen geschweißt. Zwar wird hierfür nur eine einzige Elektronenstrahlqueile benötigt; diese nivß jedoch verfahrbar und mit

ίο höchster Genauigkeit positionierbar ausgebildet sein. Hierdurch wird der konstruktive Aufwand weiter vergrößert. Die vorbekannte Maschine ist eine sogenannte Hochvakuum-Maschine, bei der die eigentliche Vakuumkammer zürn Zwecke einer Beschikkung nicht geflutet zu werden braucht. Dies wird

durch die aufwendige Anordnung der beschriebenen

Schleusen- und Beschickungseinrichtungen erreicht.

Durch die USA-Patentschrift 3 535487 ist es

ferner bekannt, einzelne Werkstücke in eine mit Elektronenstrahlkanonen bestückte Vakuumkammer einzufahren, die der Geometrie der Werkstücke eng angepaßt ist. Die bekannte Vorrichtung gestattet jedoch nur das Einbringen eines einzigen Werkstücks in die Vakuumkammer, so daß zwischen den Schweiß

as vorgängen an zwei Werkstücken jedesmal geflutet und evakuiert werden muß. Eine Möglichkeit zur Ausführung von Relativbewegungen zwischen Werkstück und Llcktronenstrahlkanonen ist gleichfalls nicht vorgesehen.

Line Schweißmaschine der eingangs beschriebenen Art ist beispielsweise durch den Sonderdruck aus »PRODUCTION«, November 1967, »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 Ladungsträgerstrahlquellcn bestehen. Eine quasi-kontinuierliche Betriebsweise wird durch abwechselnden Betneb beider Schweißmaschinen herbeigeführt Die bekannte Vorrichtung bedingt jedoch ein sehr großes Bauvolumen, insbesondere aber zwei I adungstragerstrahlquellen, die grundlegend für die Gestehungskosten der Anlage sind, sich jeweils aber nur maximal die Hälfte der Zeit in Betrieb befinden. Da/u 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 Arbeitsoiler Schweißkammer nur ein Vakuum in der Größenordnung von 5 ·· 10» Torr benötigt wird. In der Kammer für die Erzeugung des Ladungsträgerstrahls herrscht hingegen ein wesentlich besseres Vakuum in der Größenordnung von 10' Torr und darunter. Die Aufrechterhaltung der Druckdifferenz zwischen beiden Kammern wahrend des Betriebes wird durch ein entsprechend abgestuftes Pumpensystem und eine Druckstufung erreicht. Die eigentliche Schweißkammer hat zum Zwecke eines schnellen Evakuierens hierbei außerordentlich geringe Abmessungen, die im wesentlichen denen der zu verschweißenden Wcrkstückteile entsprechen. Ein Teil der Vakuumkommer wird dabei von einem beweglichen Wandelement gebildet, dessen Abmessungen die Projektion des Schweißguts nur geringfügig übersteigen. Das

Schweißgut wird zusammen mit dem beweglichen Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet die

Wandelement in der Weise in die Schweißkammer Durchführung eines Betriebsveriahrens, bei welchem eingeführt, daß bei Erreichen der Arbeitslage das der Ladungsträgerstrahl im wesentlichen senkrecht Wandelement vakuumdicht an den übrigen Teilen der zur zylindrischen Berührungsfläche zwischen den Vakuum-Schweißkammer anliegt. 5 Schweißgutteilen ausgerichtet und die Schweißung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den durch den hochgestellten Rand des scheibenförmigen baulichen Aufwand der vorb-.-kannten Vorrichtung so Teils hindurch ausgeführt wird. Zum Verständnis zu verringern, daß nur noch eine einzige Ladungs- dieses Vorgangs sei auf die Konstruktion des trägerstrahlquelle für die Bearbeitung von zwei Schweißguts hingewiesen, für welches die Vorrich-Werkstücken benötigt wird, wobei dit Vakuum- 10 tung vorgesehen ist. Anlasserräder werden seit einiger Schv/cißkammer geringstmögliche Abmessungen für Zeit aus zwei verschiedenen Teilen hergestellt, nämeine schnelle Evakuierung aufweisen soll. Außerdem !ich einem aus Blech gepreßten scheibenförmigen soll der Steuerungs- und Bedienungsaufwand für der- Teil mit hochgestelltem Rand sowie aus einem Zahnartige Maschinen erheblich herabgesetzt werden, wo- kranz mit einer Zahnbreite, die die Blechstärke erbei gleichreitig die Taktzeiten für die Bearbeitung 15 heblich übersteigt. Die Abmessungen des hochgestelleines Werkstückes zusätzlich verringert werden. ten Randes entsprechen dabei im wesentlichen der

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt gemäß Zahnbreite bzw. der Stärke des Zahnkranzes. Die der Erfindung dadurch, daß die Wandelemente an Berührung beider Teile erfolgt auf einer Zylinderzwei gegenüberliegenden Stellen einer gemeinsamen fläche zwischen dem hochgestellten Rand und dem Vakuumkammer angeordnet sind, daß die Drehach- 20 Innendurchmesser des Zahnkranzes. Bei den vorbesen der Halterungen bei geschlossener Vakuum- kannten Schweißverfahren erfolgte die Verschweikannmer einen Winkel zwischen 120 und 180° ein- ßung mittels eines Ladungsträgerstrahls, der parallel schließen und daß die Symmetrieachse der Ladungs- zur zylindrischen Berührungsfläche der zu verschweitragerstrahlquellc im wesentlichen symmetrisch zu ßenden Teile ausgerichtet war. Zur Ausführung der den Drehachsen der Halterungen ausgerichtet ist. as Schweißung wurde das Schweißgut in Rotation um

Durch eine solche Konstruktion der Maschine ist die Drehachse des Anlasserrades versetzt, während es möglich, die gleiche Vakuumkammer gleichzeitig der Ladungsträgerstrahl stationär festgehalten wurde. mit zwei Werkstücken zu beschicken. Auf Grund der Auf Grund der mit Ladungsträgerstrahlen möglichen räumlichen Lage der Drehachsen der Halterungen bei »Tiefschweißung« mit einem sehr günstigen Vergeschlossener Vakuumkammer nehmen 1ie zu ver- 30 hältnis von Schweißnahttiefe zu -breite erfolgte die schweißenden Teile hinsichtlich ihrer Hauplebene im Verschweißung praktisch über die gesamte Tiefe der allgemeinen eine V-förmige Stellung zueinander ein. Schweißnaht. Bei der Schlankheit des Ladungsträger-Im Grenzfall können die ^u verschweißenden Teile Strahls setzte dies aber voraus, daß an die Kreisform auch parallel zueinander ausgerichtet sein, was we- des Schweißguts äußerst hohe Anforderungen gestellt gen der leichten Ablenkbarkeit von Ladungsträger- 35 werden mußten, da ansonsten die Schweißung nicht strahlen keine Schwierigkeiten hinsichtlich der Strahl- an der Nahtstelle verlief. Diese Forderung führte auf führung verursacht Durch die symmetrische Aus- Grund der Eigenheiten bei der Massenfertigung richtung der Ladungsträgerstrahlquelle zu den Dreh- immer wieder zu Ausschuß. Mittels der erfindungsachsen der Halterungen und damit zu den Werk- gemäßen Vorrichtung kann ein solches Schweißverstücken selbst ist es möglich, den gleichen Ladungs- 40 fahren nunmehr verlassen werden. Bei dem erfinträgerstrahl abwechselnd auf die Schweißstellen bei- dungsgemäßen Betriebsverfahren wird die Lage des der Werkstücke zu richten. Zur Erfüllung dieses Ladungsträgerstrahls zur Schweißnaht um etwa 90" Zwecks wird gemäß einer Weiterbildung der Erfin- geschwenkt und die Schweißung wird durch den dung dafür Sorge getragen, daß die Halterungen für hochgestellten Rand des scheibenförmigen Tals hindas Schweißgut bei geschlossener Vakuumkammer 45 durch ausgeführt. Hierbei steht für den Angriff des einen solchen Abstand besitzen, daß die der Ein- Ladungsträgerstrahl eine wesentlich größere Breite trittsöffnunp für den Ladungsträgerstrahl jeweils ab- zur Verfügung, nämlich praktisch die gesamte Hohe gewandten Umfangsteile des Schweißguts einander des hochgestellten Randes. Toleranzen bzw Schläge so nahe gegenüberliegen, daß der Ladungsträgerstrahl im Schweißgut sind hierbei von untergeordneter Beabwechselnd auf beide Schweißstellen ablenkbar ist 50 deutung.

Die Bewegung der Wandelemente und damit des Γ in Ausführungsbeispu-I einer erfindungsgemäßen

Schweißeuts kann auf verschiedene Weise erfolgen Vorrichtung sei nachfolgend an Hand der ligur Fs ist beispielsweise denkbar, die Wandelemente an näher beschrieben, die einen Vcrtikalschnitt durch die einer Geradführung anzuordnen, auf der sie parallel gesamte Schweißmaschine /ei|,'t.
zu ihrer Ausgangslage verschiebbar sind Aus Grün 55 In der Figur ist mit 1 eine Ladiin^strägerstrahlden der Raumersparnis, einer möglichst einfachen quelle bezeichnet, die im vorliegenden lall als Hlck-Konstruktion und Zugänglichkeit der Halterung ist es tronenstrahlgencralor ausgeführt ist. In diesem wird jedoch besonders zweckmäßig, die Wandelemente ein vollbeschleunigter, schlanker Elektronenstrahl zum Zwecke der Ausführbarkeit einer Schwenkbewe- erzeugt, der über ein Süahlfuhrungsrohr 2 aus der giing an der Vakuumkammer anzulenken. Dabei ist 60 LadungsträgerstrahkiucHe austritt. Im Innern der es besonders vorteilhaft, die Schwenkachse an eine Ladungsträgerstrahiquclle, d. h. in der Umgebung Stelle unterhalb der Halterung zu verlegen. Beim der Kathode, ist ein Hochvakuum erreichbar, wel-Herausschwenken der Wandelcmente um beispiels- ches besser oder gleich 10* Torr ist. Am unteren weise 90"¹ und bei einer Anordnung in Bauchhöhe der Ende der Ladungsträgerstrahlquclle befindet sich, das Bedienungsperson ergibt sich somit eine Beschik- «5 Strahlführungsrohr 2 umgebend, eine Ablenkeinheit 3 kungsposition für die Halterung, die außerordentlich für die seitliche Ablenkung eines Ladungsträgergut zugänglich ist und eine einfache Bedienung ge- Strahls 4. Sämtliche Einzelheiten einer solchen Lastattet. dungsträgerstrahlqiielle sind jedoch Stand der Tech-

nik, so daß auf weitere Ausführungen an dieser allerdings spiegelbildlich angeordnet. Bei Schwen-

Stelle verzichtet werden kann. kung in die Betriebslage analog der Darstellung in

Der Ladungsträgerstrahl 4 tritt über eine in der der rechten Zeichnungshälfte bewegt sich der Spann-Zeichnung nicht im einzelnen dargestellte Druck- dorn 16 auf einer Kreisbahn 27 und nimmt die nur stufenstrecke 5 in die eigentliche Vakuumkammer 6 5 teilweise dargestellte Position innerhalb der Vakuumein, deren Höhenabmessungen die Breitenabmessun- kammer 6 ein. Die Schweißmaschine befindet sich gen wesentlich übersteigen. Die Vakuumkammer 6 nunmehr in Betriebsbereitschaft,
wird unter anderem von zwei seitlichen Begrenzungs- In der Figur ist zu erkennen, daß die Achsen der wänden 7 und 8 gebildet, in denen Ausschnitte 9 und beiden Halterungen IS im Betriebszustand, d. h. bei 10 von einer solchen Abmessung angeordnet sind, io allseitig geschlossener Vakuumkammer 6 unter einem daß das Schweißgut 11 und 12, im vorliegenden stumpfen Winkel von etwa 155° zueinander stehen. Falle zwei Anlasserräder, in der Arbeitslage in die Infolge dieser geometrischen Anordnung schließen Vakuumkammer 6 einführbar ist. die Hauptebenen des Schweißguts 11 bzw. 12 den

In der rechten Zeichnungshälfte ist die Schweiß- betreffenden Komplementärwinkel von etwa 25° maschine in Betriebsposition dargestellt. Der Aus- 15 zwischen sich ein, bilden also ein schwach geöffneschnitt 10 in der seitlichen Begrenzungswand 8 ist tcs V. Die Achse des nicht abgelenkten Ladungsdurch ein bewegliches Wandelement 13 vakuumdicht trägerstrahls 4, die mit der Achse der Ladungsträgerverschlossen. In dem Wandelement ist eine Halte- strahlquelle 1 identisch ist, stimmt auch mit der rung 15 angeordnet, die aus einer unter einem kleinen Symmetrieachse des Schweißguts 11 bzw. 12 überein. Winkel zur Waagerechten liegenden Drehachse mit ao Bei Beaufschlagung der Ablenkeinheit 3 mit einer einem Spanndorn 16 für das Schweißgut 12 besteht. Ablenkspannung verändert der Elektronenstrahl 4 Ein Spannzylinder 17 dient zur Ent- und Verriege- seine Lage parallel zur Zeichenebene. Durch Regelung des Schweißguts 12. Die Rotation der Halte- lung der Ablenkspannung kann der Elektronenstrahl rung 15 "wird mittels eines Elektromotors 18 unter in die beiden gestrichelt dargestellten Positionen geZwischenschaltung eines Getriebes 19 bewirkt. An »5 bracht werden, in denen die Verschweißung durch einer unter der Halterung 15 liegenden Stelle ist das den hochgestellten Rand des scheibenförmigen Teils Wandelement 13 mittels eines Gelenks 20 schwenk- des Schweißguts 11 bzw. 12 hindurch erfolgt. Da bar gelagert. Die Schwenkbewegung erfolgt durch während des Schweißvorganges die Halterungen 15 einen Hydraulikzylinder 21 über eine Schubstange 22, eine Rotation ausführen, entsteht am Schweißgut die an einem Betätigungswinkel 23 des Wandelemcnts 3<> eine umlaufende Schweißnaht. Es ist dabei möglich, 13 befestigt ist. Der Hydraulikzylinder 21 ist zwecks mit dem Elektronenstrahl zunächst die Schweißnaht Aufnahme der Reaktionskräfte an dem der Schub- an dem einen Schweißgut fertigzustellen und danach stange 22 abgewandten Ende an einem Maschinen- diejenige am anderen Schweißgut, es ist aber auch rahmen 24 befestigt. denkbar, den Elektronenstrahl mit höherer Frequenz

In der linken Zeichnungshälfte ist die Schweiß- 35 abwechselnd in die beiden gestrichelt dargestellten maschine in der Beschickungsposition dargestellt. Lagen auszulenken, so daß die Schweißung am Ein dem Wandelement 13 gegenüberliegendes Wand- Schweißgut 11 und am Schweißgut 12 quasi gleichelement 14 ist mittels eines Hydraulikzylinders 25 zeitig ausgeführt wird. In jedem Falle genügt für die um ein Gelenk 26 um 90° geschwenkt worden, so Ausführung der Schweißungen em einziger Ladungsdaß das bewegliche Wandelement 14 die Position 40 irägerstrahl und infolgedessen auch nur eine einzige einer horizontalen Tischplatte hat. Der übrige Auf- Ladungsträgerstrahlquelle. Ferner ist es für die Ausbau und die Einbauten des Wandelementr. 14 sind führung der Schweißung lediglich einmal erfordervöllig identisch mit denen des Wandelements 13, lieh, die Vakuumkammer 6 zu evakuieren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Maschine zum Verschweißen von scheibenförmigen Teilen mit hochgestelltem Rand und ringförmigen Teilen, vorzugsweise von Anlasserrädern und Zahnkränzen, entlang einer zylindrischen Berührungsfläche durch Ladungsträgeistrahlen im Vakuum, bestehend aus zwei drehbaren Hallerungen für die paarweise Aufnahme von Schweißgut, wobei jede Halterung an einem beweglichen, die Projektion des Schweißguts überragenden Wandelement einer Vakuumkammer angeordnet ist, welche mit finer Quelle für einen gebündelten Ladungsträgerstrahl in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandelemente (13, 14) an zwei gegenüberliegenden Stellen einer gemeinsamen Vakuumkammer (6) angeordnet sind, daß die Drehachsen der Halterangen (15) bei geschlossener Vakuumkammer einen Winkel zwischen 12G und 180 einschließen und daß die Symmetrieachse der Ladungsträgerstrahlquelle (1) im wesentlichen symmetrisch zu den Drehachsen der Halterungen ausgerichtet ist.

2. Schweißmaschine nach 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 Schweißguts einander so nahe gegenüberliegen, daß der Ladungsträgerstrahl abwechselnd auf beide Schweißstellen ablenkbar ist.

3. Schweißmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandelemente (13, 14) zum Zwecke der Ausführbarkeit einer Schwenkbewegung an der Vakuumkammer (6) angelenkt sind.