DE2634342C2

DE2634342C2 - Verfahren und Einrichtung zum Steuern von Verfahrensparametern beim Energiestrahlschweißen

Info

Publication number: DE2634342C2
Application number: DE19762634342
Authority: DE
Inventors: Peter Ing.(grad.) 8000 München Anderl; Johannes 8034 Germering Koy; Dieter Dipl.-Phys. Dr. 8000 München König; Clauspeter Dipl.-Phys. 8000 München Mönch; Wilhelm Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.Dr. 8031 Puchheim Scheffels; Karl Heinz Dipl.-Phys. Dr. 8130 Starnberg Steigerwald
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Messer Griesheim GmbH
Priority date: 1976-07-30
Filing date: 1976-07-30
Publication date: 1987-02-05
Also published as: DE2634342A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Energiestrahlschweißen zweier Werkstückteile entlang einer durch diese Werkstückteile gebildeten Schweißfuge, wobei Querschnittsänderungen entlang der Längsrichtung der Fuge gemessen und in Abhängigkeit davon Verfahrensparameter gesteuert werden, die das eingebrachte Zusatzmaterial-Volumen verändern und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Beim Zusammenschweißen großer und dicker Werkstückteile, also von Werkstücken, deren Dicke mehr als 5 mm, insbesondere mehr als 10 oder 20 oder sogar mehr als 30 mm beträgt, kann die Breite der Stoß- oder Trennfuge von Null bis z. B. 3 mm oder mehr schwanken, da sich kleinere Toleranzen nur mit unverhältnismäßig gesteigertem Aufwand erreichen lassen. Zum Ausfüllen der Trennfuge muß daher auch gewöhnlich Zusatzmaterial in den Schweißbereich eingeführt werden. Die Einführung von Zusatzmaterial kann außerdem aus metallurgischen Gründen zweckmäßig sein.
Aus der DE-AS 12 70 708 ist es bekannt, die Änderung der Spaltbreite mit einem mechanischen Tastfühler zu erfassen. Durch eine Änderung der Spaltbreite erfolgt eine Lageänderung des mechanischen Tastfühlers. Diese Lageänderung wird in ein elektrisches Signal zur Steuerung des Fördermotores des Fülldrahtes umgewandelt. Mechanische Tastfühler liegen beim Schweißen in oder an dem Schweißspalt an, so daß deren Funktion durch die beim Schweißen auftretende Wärme sowie die Spritzerbildung beeinflußt wird. Sie unterliegen einem hohen Verschleiß und können erst ab bestimmten Spaltbreiten eingesetzt werden.
Mit den bisherigen Energiestrahlschweißverfahren lassen sich Schweißungen der oben erwähnten Art nicht zufriedenstellend durchführen.
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Energiestrahlschweißverfahren anzugeben, das einwandfreie Schweißnähte liefert, wenn der Querschnitt der Fuge zwischen den zu verschweißenden Werkstückteilen längs der Schweißnaht in einem erheblichen Bereich schwankt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Querschnittsfläche der Fuge durch Strahlung bestimmt wird.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Bestimmung der Querschnittsfläche des Schweißspaltes berührungslos mittels Strahlung erfolgt. Zur Messung der Querschnittsfläche der Fuge werden vorteilhaft diffuses Licht bzw. Röntgen- oder Gammastrahlung benutzt.
Durch die Bestimmung der Querschnittsfläche des Schweißspaltes durch Strahlung beim Energiestrahlschweißen, insbesondere Elektronenstrahlschweißen, ist die Herstellung einwandfreier Schweißnähte auch bei sehr dicken Werkstücken und sehr stark schwankender und ungleichmäßiger Spaltbreite in einfacher Art und Weise wartungsfrei und mit ausreichender Genauigkeit möglich. Vorteilhaft können auch kleinste Spaltbreiten durch Strahlung bestimmt werden.
Vorzugsweise werden die Verfahrensparameter, insbesondere die Menge des pro Zeiteinheit in den Schweißbereich eingeführten Zusatzmaterials und/oder der Strahlenenergie und/ oder die Querwedelungsamplitude des Strahls und/oder die Vorschubgeschwindigkeit von Werkstück bezüglich Strahl in Abhängigkeit von der ermittelten Querschnittsfläche gesteuert.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, wobei hinsichtlich eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung auf die einzige Figur der Zeichnung Bezug genommen wird.
Die Zeichnung zeigt schematisch das Verschweißen zweier dicker Platten 10 a, 10 b mittels eines Ernergiestrahles, insbesondere eines Elektronenstrahles 12, in bekannter Weise erzeugt und auf eine zu verschweißende Trennfuge 14 zwischen den beiden Werkstückteilen fokussiert ist. Die Werkstückteile 10 a, 10 b werden auf nicht dargestellte Weise in Richtung eines Teiles 16 bezüglich des Elektrodenstrahls 12 bewegt. Selbstverständlich können auch die Werkstückteile ruhen und der Elektrodenstrahl längs der Trennfuge 14 bewegt werden. Vor dem Strahl 12 (in der Zeichnung rechts) ist die Trennfuge 14 noch offen, im Einwirkungsbereich des Strahles, der vorzugsweise quer zur Längsrichtung der Trennfuge hin- und herbewegt wird (Doppelpfeil 17) ist die Trennfuge mit einer Schmelze ausgefüllt und im Anschluß an die Schmelze hinter dem Strahl sind die Werkstückteile durch eine Schweißnaht 18 verbunden. Zum Auffüllen der Trennfuge 14 wird in die Schmelze 20 ein Zusatzmaterial 24 eingeführt, das vorzugsweise aus einem langgestreckten Körper, wie einem Draht, Stab oder Band besteht. Das Zusatzmaterial wird durch eine Vorschubeinrichtung 25 "hinter" dem Strahl in die Schmelze eingeführt. Es kann außer der Vorschubbewegung auch eine oszillierende Querbewegung, Längsbewegung oder Schwenkbewegung bzw. eine kreisende Bewegung ausführen.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Querschnitt der Trennfuge 14 in einem vorgegebenen Abstand A vor dem Schweißbereich bestimmt und die Vorschubgeschwindigkeit des Zusatzmaterials wird etwa proportional zur ermittelten Qerschnittsfläche gesteuert. Man kann auch die Zufuhrgeschwindigkeit des Zusatzmaterials konstant halten und die Vorschubgeschwindigkeit der Werkstückteile umgekehrt proportional zur ermittelten Querschnittsfläche steuern.
Weitere Verfahrensparameter, die in Abhängigkeit, insbesondere im wesentlichen proportional zur Querschnittsfläche gesteuert werden können, sind die Leistung des Elektronenstrahls 12 und die Amplitude der Querbewegung 17 (Wedelamplitude). Die Querschnittsfläche der Trennfuge läßt sich auf verschiedene Weise ermitteln, z. B. mittels eines bandförmigen Gammastrahlungsbündels 27, das z. B. mittels eines geeignetes radioaktiven Isotops erzeugt wird, welches sich in einem Abschirmbehälter 29 mit schlitzförmiger Austrittsöffnung 31 befindet. Die Gammastrahlungsquelle wird auf der einen Seite der Werkstückteile angeordnet und die Intensität des Gammastrahls wird auf der anderen Seite mittels eines Detektors 33, z. B. eines Zählrohrs oder dgl., gemessen. Sie ist in erster Näherung proportional zur Querschnittsfläche.
Die Querschnittsfläche kann ferner optisch gemessen werden, z. B. indem auf der einen Seite der Trennfuge eine diffus strahlende Lichtquelle und auf der anderen Seite eine Photozelle angeordnet werden. Auch mittels Korpuskularstrahlung läßt sich die Querschnittsfläche mit ausreichender Genauigkeit ermitteln.
Das der Querschnittsfläche proportionale Signal vom Detektor 33 wird in einer Verzögerungseinrichtung 35 solange verzögert, wie der gemessene Querschnittsbereich braucht, um in den Einflußbereich des Energiestrahles zu gelangen, also um eine Zeitspanne entsprechend der für das Durchlaufen der Strecke A benötigten Zeit. Die Verzögerung kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß man das Detektorausgangssignal 33 digitalisiert und in ein Schieberegister einspeist, dessen Verschiebegeschwindigkeit mit der Relativgeschwindigkeit zwischen den Werkstückteilen 10 a, 10 b und dem Elektronenstrahl 12 proportional ist. Das verzögerte Signal steuert dann die Vorschubeinrichtung 25, so daß die Menge des dem Schweißbereich zugeführten Zusatzmaterials dann genau auf den Querschnitt des sich im Einflußbereich des Elektrodenstrahls befindlichen Teiles der Trennfuge 14 abgestimmt ist.
In entsprechender Weise können dann auch die anderen Verfahrensparameter gesteuert werden.

Claims

1. Verfahren zum Energiestrahlschweißen zweier Werkstückteile entlang einer durch diese Werkstückteile gebildeten Schweißfuge, wobei Querschnittsänderungen entlang der Längsrichtung der Fuge gemessen und in Abhängigkeit davon Verfahrensparameter gesteuert werden, die das eingebrachte Zusatzmaterial-Volumen verändern, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Fuge (14) durch Strahlungen (27) bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche in einem vorgegebenen Abstand (A) vor dem Einflußbereich des Energiestrahls (12) bestimmt wird und daß die Steuerung solange verzögert wird, bis jeweils der Teil der Fuge (14), dessen Querschnitt bestimmt worden war, in den Einflußbereich des Energiestrahles (12) gelangt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die pro Zeiteinheit zugeführte Menge des Zusatzmaterials wenigstens annähernd proportional zur Querschnittsfläche der Schweißfuge (14) gesteuert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie des Energiestrahles (12) wenigstens annähernd proportional zur ermittelten Querschnittsfläche gesteuert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen den zu verschweißenden Werkstückteilen (10 a, 10 b) und dem Energiestrahl (12) wenigstens annähernd entsprechend dem Reziprokwerk der ermittelten Querschnittsfläche gesteuert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem der Energiestrahl periodisch quer zur Grenzfuge gewedelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Wedelbewegung (17) im wesentlichen proportional zur ermittelten Querschnittsfläche gesteuert wird.

7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlungserzeuger (29) auf der einen Seite der Werkstückteile (10 a, 10 b) in einem Bereich der noch nicht verschweißten Fuge (14) angeordnet ist und auf der anderen Seite der Werkstückteile (10 a, 10 b) ein Strahlungsempfänger (33) zur Messung der Intensität der Strahlung vertikal über dem Strahlungserzeuger (29) angeordnet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung (31) des Strahlungserzeugers (29) schlitzförmig ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein von Strahlungserzeuger und -empfänger (29, 33) erzeugtes, der Querschnittsfläche der Fuge (14) annähernd proportionales Signal einer ersten Einrichtung zum Steuern einer das Zusatzmaterial-Volumen beeinflussenden Anordnung zuführbar ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Einrichtung zur Verzögerung der Einflußnahme des Querschnittssignals auf den Verfahrensparameter vorgesehen ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsempfänger (33) auf durch den Spalt hindurchtretendes diffuses Licht anspricht.

12. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsempfänger (33) auf durch den Spalt hindurchtretende Röntgen- oder Gamma-Strahlung anspricht.