DE2634833A1

DE2634833A1 - Verfahren zum verschweissen von werkstueckteilen mittels eines energiestrahles

Info

Publication number: DE2634833A1
Application number: DE19762634833
Authority: DE
Inventors: Johannes Koy; Wilhelm Dipl Phys Dr Scheffels
Original assignee: Steigerwald Strahltecknik GmbH
Current assignee: Messer Griesheim GmbH
Priority date: 1976-08-03
Filing date: 1976-08-03
Publication date: 1978-02-09
Also published as: FR2360375A1; FR2360375B1; JPS5318446A; US4164641A; CH622731A5; GB1590850A; FR2360374A1; JPS5318445A; FR2360374B3; GB1590849A; US4160149A

Description

Verfahren zum Verschweißen von Werkstückteilen mittels eines Energiestrahles

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von Werkstückteilen, deren Dicke mehr als 5mm, insbesondere mehr als 20 mm, beträgt, mittels eines Energiestrahles, insbesondere eines Elektronenstrahles, bei welchem der Energiestrahl unter Erzeugung eines Schweißkanals, der geschmolzenes Werkstückmaterial enthält längs einer zu verschweißenden Fuge relativ zu den die Fuge bildenden Werkstückteilen bewegt und Zusatzmaterial, zum Beispiel in Form eines länglichen Körpers, wie eines Drahtes, Stabes oder Bandes, oder in Form eines Pulvers oder Granulates, zur Ausfüllung der Stoßfuge in den Schweißbereich eingeführt wird.

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Das Elektronenstrahlschweißen mit Zuführung von Zusatzmaterial ist bekannt. Das Zusatzmaterial wird dabei "vor" dem Strahl, d.h. auf der noch nicht verschweißten Seite der Stoßoder Trennfuge oberhalb der zu verschweißenden Werkstückteile zugeführt, da hier ein einwandfreies Abschmelzen des Zusatzmaterials, das gewöhnlich die Form eines Drahtes, Stabes oder Bandes hat, durch den auf es zuwandernden Elektronenstrahl gewährleistet ist.

Beim Verschweißen relativ dicker Werkstückteile, wie Stahlplatten, mit Dicken über 20 mm, insbesondere über 40 oder 50 mm, treten jedoch neue Probleme auf. Werkstücke mit solchen Dicken haben im allgemeinen auch entsprechend große Abmessungen und es müssen dann meist relativ große Toleranzen hinsichtlich der Form und/oder Abmessungen zugelassen werden, da sonst die Bearbeitungskosten eine prohibitive Höhe annehmen. Die größeren Toleranzen haben einerseits zur Folge, daß die Breite der zu verschweißenden Fuge ungleichmäßig ist und relativ große Werte annehmen kann, und daß andererseits die zu verschweißenden Werkstückteile an der Stoßfuge in Abständen miteinander provisorisch verbunden.("geheftet") werden müssen.

Beim Verschweißen breiter Trennfugen mittels eines Energiestrahles besteht die Gefahr, daß das durch den Energiestrahl im Schweißbereich auf relativ hohe Temperaturen erhitzte und daher relativ dünnflüssige Werkstückmaterial aus dem Schweißbereich herausfließt, wodurch fehlerhafte Schweißnähte mit Lunkern entstehen können. Das geschmolzene Werkstückmaterial im Schweißbereich, für das im folgenden auch die Begriffe "Schweiß- oder Schmelzbad" verwendet werden, steht nämlich nicht nur unter dem Einfluß der Schwerkraft, sondern auch von beträchtlichen dynamischen Kräften, da in der Schmelze starke Strömungen auftreten. Beim konventionellen Schweißen mit der Flamme oder dem elektrischen Lichtbogen sind diese Probleme

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nicht oder nur in wesentlich geringem Ausmaß vorhanden, da die Wärme langsamer und bei weitem nicht so konzentriert zugeführt wird, wie durch einen Energiestrahl, und die Schmelze daher nicht so heiß und dünnflüssig ist, wie beim Energiestrahlschweißen. Die die Werkstückteile provisorisch verbindenden Heftstellen-behindern andererseits die Einführung des Zusatzmaterials.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben geschilderten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zum Versehweißen relativ dicker und großer Werkstückteile mittels eines Energiestrahles, vorzugsweise Elektronenstrahles, anzugeben, das einwandfreie Schweißnähte auch bei dicken Werkstücken mit stark schwankender und relativ großer Breite der Trennfuge und trotz des Vorhandenseins von Heftstellen, die die Trennfuge überbrücken, gewährleistet.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die. Neigung des Schmelzbades, aus der Fuge herauszufließen durch die Übertragung von Kräften vom Zusatzmaterial auf das Schmelzbad und/oder durch Übertragung von Wärme vom Schmelzbad auf das Zusatzmaterial (und damit Erniedrigung der Temperatur des Schmelzbades) beseitigt oder zumindest erheblich verringert wird. Bei den bekannten Energxestrahlschwexßverfahren wird das Zusatzmaterial dagegen oberhalb des Schwexßberexches in den Energiestrahl eingeführt und von einem Teil des Strahlquerschnitts im wesentlichen außerhalb des Schmelzbades geschmolzen, so daß praktisch das ganze Zusatzmaterial bereits verflüssigt ist, wenn es sich mit dem Schmelzbad vereinigt. Das Zusatzmaterial wird dabei vorzugsweise mit solcher Orien-Das Zusatzmaterial wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung vorzugsweise mit solcher Orientierung und Geschwindigkeit in das Schmelzbad eingeführt, daß mindestens ein Teil des Zusatzmaterials im Schmelzbad geschmolzen wird, ohne den Strahlbereich des Energiestrahls erreicht zu haben. Vorzugsweise sollen bei.Verwendung kom-

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pakten Zusatzmaterials (Draht, Stab, Band usw.) mindestens 40%, insbesondere mehr als 50%, z.B. 70% und mehr, des Zusatzmaterials geschmolzen sein, wenn der noch feste Rest den vom Energiestrahl getroffenen Bereich erreicht. Der Bereich, in dem das kompakte Zusatzmaterial in die Schmelze eintritt, kann sich teilweise oder ganz außerhalb des Strahlauftreffbereichs der Schmelze befinden, dabei soll vorzugsweise der Strahl das Zusatzmaterial außerhalb der Schmelze nicht oder nur relativ wenig (z.B. weniger als 50%) schmelzen.

Vorzugsweise wird das Zusatzmaterial, in Richtung der Bewegung der Energxestrahlachse bezüglich der Fuge zwischen den Werkst+ckteilen gesehen, hinter dem Energiestrahl eingeführt.

Das Zusatzmaterial kann auf der vom Energiestrahl getroffenen Seite der Werkstückteile oder auf der dem Energiestrahl abgewandten Seite der Werkstückteile zugeführt werden. Man kann auch körnchen- oder pulverförmiges Zusatzmaterial mit erheblicher Geschwindigkeit gegen die Oberfläche des Schmelzbades schleudern und dadurch auf die Oberfläche einen entsprechenden, in das Innere des Schmelzbades gerichteten Bewegungsimpuls ausüben, gleichzeitig wird die Oberfläche des Schmelzbades durch die Schmelzwärme gekühlt.

Dadurch, daß bei dem.Verfahren gemäß der Erfindung Zusatzmaterial, das sich noch im festen Aggregatzustand befindet, in das Schmelzbad eingeführt wird, ergeben sich mehrere vorteilhafte Wirkungen: Die Schmelze wird durch As eingeführte Zusatzmaterial gekühlt und kann daher nicht mehr so leicht aus dem Schweißkanal herausfließen. Die Gefahr des HerausfHeßens der Schmelze aus dem Schweißbereich wird bei Benutzung eines festen Zusatzmaterialkörpers ferner durch die Oberflächenkr#fte verringert, die die Schmelze an dem noch festen Teil des Zusatzmaterialkörpers zu halten streben.

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Insbesondere läßt sich durch die Übertragung der Bewegungsenergie des Zusatzmaterials auf das Schweißbad das Fließverhalten der Schmelze beeinflussen. Z.B. wenn das Zusatzmaterial in Form von Pulver oder Granulat gezielt gegen die Oberfläche des Schweißbades geschleudert wird, kann dadurch ein Herausfließen der Schmelze aus dem Schweißbereich vermieden werden. Auch Heftstellen können offensichtlich nicht mehr stören, da sie dort, wo das Zusatzmaterial in den Schweißbereich eingeführt wird, durch den Energiestrahl bereits geschmolzen worden sind.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird ein länglicher Zusatzmaterialkörper bei seiner Einführung in die Schmelze in Längs- und/oder Querrichtung der Fuge (Naht) bewegt. Die Bewegung kann so erfolgen, daß die Achse des Zusatzmaterialkörpers bei der Bewegung parallel zu einer vorgegebenen Richtung bleibt oder die Achse des Zusatzmaterialkörpers kann während der Bewegung geschwenkt werden. Durch diese gezielte Beeinflussung der Fließrichtung und Bewegungsform des Schmelzbades kann die Gleichmäßigkeit der Schweißnaht verbessert werden und z.B. die Bildung von Lunkern vermieden werden.

Bei sehr dicken Werkstückteilen und relativ breiter Fuge wird vorzugsweise jeweils auf beiden Seiten der Naht Zusatzmaterial in die Schmelze eingeführt.

Das Zusatzmaterial muß selbstverständlich mit dem gewöhnlich metallischen Werkstückmaterial so verschmelzbar bzw. verschweißbar sein, daß die sich ergebende Schweißnaht den an sie gestellten Anforderungen genügt. Das Zusatzmaterial kann dabei mit dem Werkstückmaterial übereinstimmen oder auch eine etwas andere Zusammensetzung wie diese haben, z.B. um die Festigkeit der Schweißnaht zu verbessern. Dem Zusatzmaterialkörper kann auch ein Flußmittel beigegeben werden.

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Das Verfahren gemäß der Erfindung soll im folgenden anhand von Ausführungöbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert werden, es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht in der Mittelebene einer Stoßfuge zwischen zwei Werkstückteilen, die durch ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbexspiel der Erfindung verschweißt werden;

Fig. 2 eine vergrößerte Draufsicht auf zwei Werkstückteile während des Verschweißens, und

Fig. 3 eine Schnittansicht in der Mittelebene einer Trennfuge zwischen zwei Werkstückteilen, die nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung verschweißt werden.

In den Figuren 1 und 2 sind zwei Werkstückteile 10a und lob während des Verschweißens mittels eines energiereichen Elektronenstrahls 12 dargestellt, der in bekannter Weise erzeugt und beim.Verschweißen der beiden Werkstückteile periodisch quer zur Längsrichtung einer Trennfuge 14 zwischen den Werkstückteilen.bewegt ("gewedelt") werden kann. Die Werkstückteile 10a, lob werden bezüglich des Elektronenstrahls 12 in Richtung eines Pfeiles 16 bewegt. Auf der linken Seite in Fig. 1 und 2 ist die Trennfuge 14 bereits durch geschmolzenes und wieder erstarrtes Material 18 ausgefüllt, das die gewünschte Sehweißnaht bildet. Der Energiestrahl 12 erzeugt einen Schweißkanal, der einen mit geschmolzenem Werkstückmaterial und Zusatzmaterial gefüllten Bereich 20 (Schweißbad) enthält.

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In Fig. 1 ist noch eine Heftstelle 22 dargestellt, durch die Werkstückteile 10a und 10b vor dem eigentlichen Verschweißen vorläufig miteinander verbunden worden sind.

In den das geschmolzene Material enthaltenden Bereich 20 (Schmelzbad) wird Zusatzmaterial 24 z.B. in Form eines Drahtes, Stabes oder Bandes, eingeführt und zwar bei dem dargestellten bevorzugten Beispiel "hinter" dem Elektronenstrahl. Das drahtförmige Zusatzmaterial taucht z.B. mit 45° Neigung zur Strahlachse einige Millimeter hinter dem Strahl so in die Schmelze ein, daß die sich bereits verfestigende Zone der Naht nicht mehr getroffen wird. Die Drahtspitze kann z.B. bei etwa 2/3 der Nahttiefe den Strahl 12 erreichen. Das Zusatzmaterial 24 schmilzt bereits zu einem wesentlichen Tei, z.B. mehr als 50%, in der Schmelze im Sdmelzbad 20 ab und nur der verbliebene Rest wird durch die direkte Einwirkung des Elektronenstrahls 12 verflüssigt. Durch die beschriebene tiefe Einführung des Zusatzmaterials in die Schmelze wird der beim Schweißen mit senkrecht verlaufendem Energiestrahl mit Zusatzmaterial zufuhr beobachteten Neigung entgegengewirkt, daß sich der von den Werkstückteilen abgeschmolzene Grundwerkstoff bevorzugt im unteren Teil der Naht und des Zusatzmaterials darüber absetzt, ohne daß die oft aus metallurgischen Gründen gewünschte Durchmischung der beiden Materialien erreicht wird. Durch die Einführung des Zusatzmaterials wird außerdem die Schmelze abgekühlt, wie z.B. durch die Isothermen 26 in Fig. 2 dargestellt ist; hierdurch wird die Neigung des Zusatzmaterials, aus dem Nahtbereich herauszufließen, erheblich vermindert .

Eine gezielte Beeinflussung der Bewegung des Schmelzbades kann durch bestimmte Querschnittsformen des Zusatzmaterials (z.B: Band) und/oder eine mechanische Bewegung des Zusatzmaterials erfolgen. Die Bewegung kann quer zur Nahtebene

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und/oder senkrecht zu dieser erfolgen und/oder auch in einer kreisförmigen Vibration des eintauchenden, langgestreckten Zusatzmaterialkörpers geschehen, wie in Fig. 2 durch die ausgezogen und gestrichelt dargestellte Lage des Zusatzmaterialstabes 24' bzw. 24" angedeutet ist. Durch das tiefe Eintauchen des Zusatzmaterials in das Sdmelzbad der Naht und das endgültige Schmelzen des Zusatzmaterials tief im Inneren des Schmelzbades unterscheidet sich das Verfahren gemäß der Erfindung grundsätzlich von den beim Autogen-Schweißen praktizierten Bewegungen des Schweißdrahtes. Selbstverständlich kann man bei dem vorliegenden Verfahren mit dem Zusatzmaterial auch die Geometrie der sich verfestigenden Ober- bzw. Unterraupe der Schweißnaht gestalten.

Fig. 3 zeigt entsprechend Fig. 1 die Verhältnisse beim Schweißen mit waagerechtem Strahl. Auch hier lassen sich die Werkstoff- und Temperaturverteilung in der oben erläuterten Weise mittels des Zusatzmaterials beeinflussen.

Um das Ausfließen der Schmelze aus dem Nahtbereich zu verhindern, wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung auch an der dem Strahl abgewandten Seite der Naht Zusatzmaterial in die Schmelze eingeführt. Dies ist in Fig. 1 durch einen Zusatzmaterialdraht 24a dargestellt. Dieser von der dem Strahl abgewandten Seite in die Schmelze eingeführte Zusatzmaterialdraht wirkt infolge der Benetzung durch die Schmelze und die Oberflächenspannung sowie einfach durch die Blockierung eines Teiles des Querschnittes der Oberfläche der Schmelze eine Stauwirkung auf diese aus. Auch hier können bestimmte Querschnittsformen des Zusatzmaterials nützlich sein, um die Kräfte, die zwischen der Schmelze und dem festen Zusatzmaterial wirken, zu vergrößern. Diese Stauwirkung auf die Schmelze wird auch erreicht, wenn das Zusatzmaterial in Form

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von Pulver oder Granulat gegen die Oberfläche der Schmelze geschleudert wird, wie in Fig. 3 durch einen Granulatstrahl 24b dargestellt ist.

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Claims

Patentansprüche

i 1. Verfahren zum Verschweißen von relativ dicken Werkstücken mittels eines Energiestrahls, insbesondere eines Elektronenstrahls, bei welchem der Energiestrahl unter Erzeugung eines geschmoleznes Material enthaltenden Schweißbades längs einer zu verschweißenden Fuge relativ zu den Werkstückteilen bewegt und Zusatzmaterial zur Ausfüllung der Stoßfuge in den Schweißbereich eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Zusatzmaterial Kräfte derart auf das Schmelzbad zur Einwirkung gebracht und/oder Wärme derart aus dem Schmelzbad auf das Zusatzmaterial übertragen wird, daß sich die Neigung des durch den Energiestrahl hoch erhitzten Schmelzbades, aus der Fuge herauszufließen, verringert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmaterial in Form eines langgestreckten Körpers mit solcher Orientierung und Geschwindigkeit.in das Schweißbad eingeführt wird, daß mindestens ein Teil des Zusatzmaterialkörpers bereits im Schweißbad abgeschmolzen.wird, bevor der Rest des Zusatzmaterxalkörpers vom Energiestrahl direkt getroffen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmaterial in Form von Pulver oder Granulat gegen die Oberfläche des Schweißbades geschleudert wird.

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4. Verfahren nach Anspruch l_f 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmaterial, in der Richtung der Bewegung der Energiestrahlachse bezüglich der Fuge zwischen den Werkstücken gesehen, hinter dem Energiestrahl in das Schweißbad eingeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzmaterialkörper unter einem Winkel zwischen etwa 15 und 45° bezüglich der Strahlachse zugeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Zusatzmaterial sowohl auf der Seite des Schweißkanals, wo der Energiestrahl in diesen eintritt, als auch auf der dieser Seite abgewandten Seite des Schweißkanals, in das geschmolzene Werkstückmaterial eingeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, 2 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzmaterialkörper bei seiner Einführung in die Schmelze in Längsund /oder Querrichtung der Naht bewegt wird.

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