DE2811773C2 - Verfahren und Anlage zum Elektronenstrahlschweißen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Elektronenstrahlschweißen von großen und/oder schweren Werkstücken, bei welchem ein einziger Elektronenstrahlerzeuger und eine Vielzahl von sich in jeweils unterschiedlichen Betriebszuständen befindenden evakuierbaren Schweißkammern verwendet werden, und sie bezieht sich auf eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens mit einem Elektronenstrahlerzeuger sowie einer Vielzahl von mittels einer Evakuierungseinrichtung evakuierbaren Schweißkammern.

Auf dem Gebiet der Schweißtechnik wurde erkannt, daß eine Elektronenstrahlschweißung gegenüber allen bekannten Schweißverfahren hinsichtlich der Schweißgeschwindigkeit und -zuverlässigkeit von Vorteil ist Das Problem bei der Elektronenstrahlschweißung liegt nun darin, daß die Elektronenstrahlquelle in einer Niederdruck- oder Hochvakuumumgebung angeordnet wird, weshalb auch das zu schweißende Werkstück in einem Raum untergebracht werden muß, der möglichst weit evakuiert ist um eine Zerstreuung des Elektronenstrahls zu verhindern bevor er das Werkstück erreicht Die Zeit, die zur Evakuierung des das Werkstück aufnehmenden Raumes bzw. zum Ein- und Ausbringen von zu verschweißenden Teilen und verschweißten Werkstücken notwendig ist, ist für den Elektronenstrahlerzeuger eine Totzeit die aufgrund der Kosten für einen solchen Elektronenstrahlerzeuger vom Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit nicht zu verantworten ist

Um den Elektronenstrahlerzeuger besser auszunutzen, d. h, um seine Totzeit möglichst gering zu halten, wurden ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt (US-PS 37 42 365'/, denen ein ortsfester Elektronenstrahlerzeuger sowie eine Mehrzahl von bewegbaren Schweißkammern zur Anwendung kommen, die in einem Drehtisch angeordnet sind und bei dessen Drehung nacheinander unter eine Dichtungsplatte gelangen, die ein Evakuieren der Kammern möglich macht. Zu diesem Zweck ist eine einzelne, ortsfeste Evakuierungseinrichtung vorgesehen, die nach Maßgabe der Drehstellung des Drehtisches mit zumindest einer der Schweißkammern in Wirkverbindung gelangt

Eine im wesentlichen gleichartige Vorrichtung, bei der jedoch mehrere Evakuierungseinrichtungen verwendet werden, ist Gegenstand der US-PS 37 31 052.

Die bekannten Vorrichtungen erlauben lediglich ein Schweißen von kleinen, leichten Werkstücken mit Hilfe von Elektronenstrahlen; sie sind für Elektronenstrahlschweißungen an großen und/oder schweren Werkstükken nicht geeignet, da hierzu große Schweißkammern benötigt werden, deren Beschickung und Entleerung mit bzw. von den Werkstücken längere Zeit bean-

spracht wie auch der Zeilaufwand für den Evakuierungsvorgang der Schweißkammern recht groß ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Elektronenstrahlschweißen von großen und/oder schweren Werkstücken sowie eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, womit das Verschweißen dieser Werkstücke mit einem einzigen Elektronenstrahlerzeuger in äußerst wirtschaftlicher Weise bewerkstelligt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Gattung durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 bzw. 5 gelöst

Hiernach werden den ortsfesten Schweißkammern die großen und/oder schweren Werkstücke zugeführt, in einem phasenverschobenen Betrieb werden die Schweißkammern beschickt, evakuiert und nach dem Schweißvorgang wieder belüftet sowie entleert, wobei der einzige Elektronenstrahlerzeuger jeweils zu derjenigen Schweißkanuner bewegt wird, die für den Schweißvorgang vorbereitet worden ist Der einzige Elektronenstrahlerzeuger wird somit intensiv ausgenutzt, und die Schweißvorgänge an den Wiikstücken werden in ökonomisch vorteilhafter Weise ausgeführt

Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 4 bzw. 6 bis 11.

Durch die Erfindung wird erreicht, den Elektronenstrahlerzeuger ständig im Einsatz zu halten, in dem einem einzigen Elektronenstrahlerzeuger mehrere Schweißkammern zugeordnet werden. Insofern ist der Erfindungsgegenstand insbesondere für Schweißvorgänge geeignet, bei denen eine große Anzahl von gleichen oder ähnlichen Werkstücken herzustellen ist Die Schweißkammern können ein großes Volumen aufweisen, so daß sie Werkstücke verschiedenartiger Abmessungen aufnehmen können, und es kann ein beträchtlicher Zeitraum nicht nur für das Evakuieren der Kammern, sondern auch für den Transport der Werkstücke in die Kammern und aus diesen sowie zum Aufheben des Vakuums in den Kammern aufgewendet werden, da mehrere Kammern in verschiedenen Betriebsstadien gehalten werden, wobei der einzige Elektronenstrahlerzeuger in Bezug zu den Kammern in Aufeinanderfolge eingesetzt wird, um eine hohe Produktionsleistung für die gesamte Anlage zu erzielen.

Der Erfindungsgegenstand wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand von zwei bevorzugten Ausführungsformen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer Elektronenstrahl-Schweißanlage gemäß der Erfindung;

F i g. 2 bis 5 teilweise geschnitte Ansichten von Einrichtungen zum raschen Verbinden und Lösen des Elektronenstrahlerzeugers mit bzw. von einer Schweißkammer;

Fig.6 einen Teilschnitt in vergrößertem Maßstab durch aufeinandertreffende Flächen des Elektronenslrahlerzeugers und eines Aufnahmeteils für diesen an eo der Schweißkammer;

F i g. 7 eine schematische Draufsicht auf eine Elektronenstrahl-Schweißanlage in einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung.

Gemäß F i g. 1 sind mehrere Schweißkammern 1/4 bis lFauf einem Kreis angeordnet. In der Mitte des Kreises ist ein drehbarer Schweißgeräteturm 2 vorgesehen, der einen Arm 4 trägt, an derben äußerem Ende ein Elektronenstrahlerzeuger (Elektronenstrahlkanone) 3 angebracht ist

Eine kreisförmige Schienenbahn 5 ist koaxial zum Kreis angeordnet auf dem die Kammern \A bus IF liegen. An der Schienenbahn 5 sind drei Evakuierungspumpen 6 angebracht von denen jede ein Ventil 7 aufweist und längs der Schienenbahn 5 bewegbar ist

Jede der Schweißkammern 1 hat eine frontseitige öffnung 7, der ein Verschluß 8 zugeordnet ist Ferner ist jede Kammer an ihrer Oberfläche mit einer Aufnahmeeinrichtung 9 für den Elektronenstrahlerzeuger 3 versehen. An der der Schienenbahn 5 zugewandten Fläche ist jede Kammer 1 mit einem Paar von Evakuierungsleitungen versehen, von denen jede ein Ventil 10 aufweist Jeweils zwei nebeneinander liegende Kammern sind mittels einer Leitung verbunden, in der ein Ventil 11 liegt Ein Schienenpaar 12 ist für jede Kammer 1 vorgesehen, so daß Werkstücke, die verschweißt werden sollen, in die Kammer 1 durch die frontseitige öffnung 7 mittels eines Wagens 13 eingebracht werden können, der längs der Schienen 12 verfahrbar ;r.t

In Fig. 1 ist die Kammer 1.4 in einem Stadium gezeigt in dem der Verfahrensschritt der Schweißung durchgeführt wird, so daß die Kammer bereits evakuiert ist nachdem die zu verschweißenden Werkstücke an Ort und Stelle gebracht wurden, und das Vakuum in der Kammer \A wird durch zwei Evakuierungspumpen 6 aufrechterhalten, die über die Ventile 7 mit den Evakuierungsleitungen verbunden sind, in denen die Ventile 10 liegen.

Der Elektronenstrahlerzeuger 3 ist mit der Aufnahmeeinrichtung 9 an der Kammer \A verbunden, um einen Elektronenstrahl auf das in dieser angeordnete Schweißgut zu richten.

Die Kammer \B ist in dem Zustand gezeigt, in dem das Evakuieren stattfindet, d. h., die Kammer \B ist mit den zu verschweißenden Werkstückteilen beschickt und eine Evakuierungspumpe 6 ist an einer der Evakuierungsleitungen zum Evakuieren der Kammer 1B angeschlossen.

Die Kammer \D befindet sich in dem Stadium, in dem sie mit zu schweißenden Teilen beschickt und die öffnung 7 durch den Verschluß 8 verschlossen ist. Diese Kammer wird dann in einem späteren Stadium evakuiert. Die Kammer IE ist in dem Stadium gezeigt, indem das Vakuum aufgehoben wird, d. h. daß der Schweißvorgang beendet und das Ventil 11 in der Leitung zwischen den Kammern ID und \Egeöffnet ist, so daß der Druck in der Kammer \D in die Kammer 1£ abgesaugt wird. Nachdem die Drücke in den Kammern l£>und \E ausgeglichen sind, wird das Ventil 11 in der Leitung zwischen diesen Kammern geschlossen und das in der Leitung zwischen den Kammern \E und IF befindliche Ventil 11 geöffnet, so daß der Umgebungsdruck durch die Kammer IF eingeleitet wird, bevor der Verschluß 8 der Kammer 1 £gecffnet wird.

Dieses Vorgehen zum Aufheben des Unterdrucks ist insofern von Vorteil, als die Kammer \D teilweise evakuiert werden kann, bevor sie an die Evakuierungspumpe 6 angeschlossen wird.

Die Kammer lFbefindet sich in dem Stadium, in dem sie bereits ohne Unterdruck ist und der Verschluß 8 entfernt wurde. Das geschweißte Werkstück wird der Kammer IF entnommen, indem der Wagen 13 auf den Schienen 12 verfahren wird. Die Kammer \C ist als Reservekammer vorgesehen.

Nachdem der Schweißvorgang in der Kammer 1/4 beendet ist, werden die Evakuierungspumpen 6 von die-

ser Kammer entfernt, und eine von diesen wird an die verbleibende Evakuierungsleitung zur Kammer 1B angeschlossen, so daß diese Kammer nun von zwei Pumpen 6 evakuiert wird.

Die andere Pumpe 6, die von der Kammer 1A entfernt wurde, wird an eine der Evakuierungsleitungen der Kammern XD angeschlossen. Der Elektronenstrahlerzeuger 3 wird dann von der Kammer XA entfernt und in die Aufnahmeeinrichtung 9 der Kammer Iß durch Schwenken des Armes 4 im Gegenuhrzeigersinn eingeietzt

Um einen möglichst wirksamen Betrieb sicherzustellen, ist es wesentlich, daß die Anzahl der Kammern, die für den Betrieb verwendet werden müssen, in Übereinstimmung mit der Zeit, die für den Schweißvorgang erforderlich ist, sowie mit der Zeit, die jeweils zum Einbringen der Teile in jede Kammer, zum Evakuieren einer jeden Kammer, zum Aufheben des Vakuums in jeder Kammer und zum Entnehmen des geschweißten Werkstücks aus der Kammer erforderlich ist, bestimmt wird.

Wenn beispielsweise die Zeitspanne, die zum Elektronenstrahlschweißen erforderlich ist, so gering ist, daß 5 Kammern nicht ausreichend sind, um den Elektronenstrahlerzeuger in seinem Arbeiten voll auszulasten, dann kann die Kammer IC zusätzlich verwendet werden.

Wenn die Zeit zum Schweißen verhältnismäßig lang ist, könnten auch nur vier oder weniger Kammern verwendet werden.

Die F i g. 2 bis 6 zeigen ein Ausführungsbeispiel für die Aufnahmeeinrichtung 9 zum lösbaren Anbringen des Elektronenstrahlserzeugers 3 an der Kammer 1. Die Aufnahmeeinrichtung weist einen Zylinder auf, der einen nach innen vorspringenden Flansch 14 mit einer mittleren Öffnung, durch die der Elektronenstrahl tritt, hat. Ein elektromagnetisch betätigter Schieber 16 wirkt mit der öffnung i5 derart zusammen, daß die Öffnung 15 vom Schieber 16 luftdicht verschlossen ist, wenn sich der Elektronenstrahlerzeuger 3 nicht in der Aufnahmeeinrichtung 9 befindet.

Der Elektronenstrahlerzeuger 3 hat eine zylindrische Außenfläche, die der Aufnahmeeinrichtung 9 angepaßt und an der ein auskragender Flansch 17 angebracht ist. der mit einer Stirnfläche 18 der Aufnahmeeinrichtung 9 zur Anlage kommt. Wie in Fig.6 gezeigt ist ist der Flansch 17 an seiner unteren Fläche mit einem ringförmigen Vorsprung 19 ausgestattet während in der Stirnfläche 18 der Aufnahmeeinrichtung 9 eine dem Vorsprung 19 entsprechende Ausnehmung 20 ausgebildet ist, so daß der Elektronenstrahlerzeuger 3 durch einen Eingriff des Vorsprungs 19 in die Ausnehmung 20 zentriert werden kann. Ferner kann durch den Eingriff zwischen dem Vorsprang 19 und der Ausnehmung 20 eine luftdichte Abdichtung erreicht werden.

Die Aufnahme einrichtung 9 ist mit einer Evakuierungsleitung 21 versehen, die an die Pumpe 6 gewünschtenfalls angeschlossen werden kann, so daß der Raum in der Aufnahmeeinrichtung 9 zwischen dem Flansch 14 und dem Flansch 17 zur gleichen Zeit mit der Kammer 1 evakuiert werden kann, nachdem der Elektronenstrahlerzeuger 3 an der Aufnahmeeinrichtung 9 angebracht wurde, wie in F i g. 3 gezeigt ist

Anschließend wird der Schieber 16 elektromagnetisch betätigt, um die Öffnung 15 freizugeben, worauf der Elektronenstrahlerzeuger 3 für den Schweißvorgang erregt wird
Sobald der Schweißvorgang beendet ist wird die Leitung 21 zur Umgebung hin geöffnet, so daß der Umgebungsdruck in den oben erwähnten Raum in der Aufnahmeeinrichtung 9 durch diese Leitung eintreten kann. Dann wird der Elektronenstrahlerzeuger 3 von der Aufnahmeeinrichtung 9 entfernt, so daß er an einer anderen Kammer 1 verwendet werden kann.

In F i g. 7 ist eine zweite Ausführungsform für eine Schweißanlage gemäß der Erfindung gezeigt. Hierbei sind die Schweißkammern XA bis IFin einer Reihe parallel zu einer geradlinigen Schienenbahn 5 angeordnet, längs der die Evakuierungspumpen 6 bewegbar sind. Parallel zur Schienenbahn ist eine weitere Schienenbahn 23 vorgesehen, auf der ein Wagen 2' für den Elektronenstrahlerzeuger 3 verfahrbar ist. Ein Arm 4 ist am Wagen 2' angebracht und trägt an seinem freien Ende den Elektronenstrahlerzeuger 3.

Auch in diesem Fall ist jede Kammer 1 an ihrer Oberfläche mit einer Aufnahmeeinrichtung 9 für den Elektronenstrahlerzeuger 3 versehen, die den unter Bezugnahme auf die F i g. 2 bis 6 beschriebenen Aufbau hat.

Ferner sind jeweils zwei nebeneinander liegende Kammern 1 untereinander mittels einer Leitung verbunden, in der ein Ventil 11 liegt. Jede Schweißkammer weist an ihrer der Schienenbahn 5 zugewandten Seite ein Leitungspaar mit je einem Ventil 10 zum Anschluß an die Evakuierungspumpen 6 auf. Auf der gegenüberliegenden Seite hat jede Kammer 1 eine Öffnung, der ein Verschluß 8 zugeordnet ist.

Ein Scfiienenpaar 12 ist für jede Kammer vorgesehen, auf dem ein Werkstückwagen 13 läuft In F i g. 7 trägt der Wagen 13, der der Kammer \D zugeordnet ist, zu verschweißende Teile 24 und wird gerade in die Kammer \D bewegt. Der Wagen 13, der der Kammer IF zugeordnet ist, trägt ein verschweißtes Werkstück 25 und wird gerade aus der Kammer 1 Fherausgefahren.

Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform findet in der Kammer XA gerade der Schweißvorgang statt, weshalb der Elekifuiierisirähierzeuger mit dieser Kammer XA verbunden ist. Ferner wird die Kammer XA durch zwei Evakuierungspumpen 6 im Vakuumzustand gehalten. Die Kammer XB wird gerade mittels nur einer Pumpe 6 evakuiert Die Kammer XE befindet sich in dem Stadium, in dem das Vakuum durch Öffnen des Ventils 11 in der Leitung zwischen den Kammern IF und !/-"beseitigt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Elektronenstrahlschweißen von großen und/oder schweren Werkstücken, bei welehern ein einziger Elektronenstrahlerzeuger und eine Vielzahl von sich in jeweils unterschiedlichen Betriebszuständen befindenden evakuierbaren Schweißkammern verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißen mittels eines ortsbeweglichen Elektronenstrahlerzeugers in ortsfesten Schweißkammern vorgenommen wird, weiche jeweils Aufnahmeeinrichtungen für den Elektronenstrahlerzeuger sowie individuelle Einrichtungen zum Erzeugen und Aufheben eines Va- is kuums in der Kammer aufweisen, und daß die Schweißkammern in vorbestimmter Phasenverschiebung von Kammer zu Kammer mit den zu verschweißenden Werkstücken bestückt, evakuiert und mit dem, ,Elektronenstrahlerzeuger zwecks Durchführung 6cs Schweißens verbunden werden, worauf das Vakuum in an sich bekannter Weise aufgehoben und das geschweißte Werkstück entnommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß fünf Schweißkammern derart verwendet werden, daß in der ersten Kammer verschweißt wird, die zweite Kammer evakuiert wird, die dritte Kammer mit den zu verschweißenden Gegenständen bestückt wird, die vierte Kammer evakuiert wird und die fünfte Kammer von dem verschweißten Werkstück entleert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Kimmer als Reservekammer verwendet wird.

4. Verfahren nach Ansprut r3, dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuum in der ersten Kammer mit Hilfe von zwei Evakuierungspumpen aufrechterhalten wird und daß das Evakuieren der zweiten Kammer mit Hilfe einer einzigen Evakuierungspumpe durchgeführt wird.

5. Anlage zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Elektronenstrahlerzeuger und einer Vielzahl von mittels einer Evakuierungseinrichtung evakuierbaren Schweißkammern, gekennzeichnet durch einen ortsbeweglichen Elektronenstrahlerzeuger (3), der in eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten, ortsfesten Schweißkammern (IA bis iF) einsetzbar ist, und durch jeder Schweißkammer individuell zugeordnete Leitungsund Ventileinrichtungen (10) zum Erzeugen bzw. Aufheben eines Vakuums in der Kammer sowie durch benachbarte Vakuumkammern miteinander verbindende Leitungs- und Ventileinrichtungen (11).

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine auf einer Schienenbahn (5) längs der Schweißkammern (IA bis iF) verfahrbare Evakuierungseinrichtung (6) vorgesehen ist

7. Anlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schweißkammer (1/4 bis 1 F) eine Schienenbahn (12) für den Transport von Schweißgut (24,25) zugeordnet ist.

8. Anlage nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schweißkammer (1/4 bis iF) eine Einrichtung zum raschen Herstellen und Lösen einer Verbindung mit dem Elektronenstrahlerzeuger (3) aufweist.

9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schweißkammer (1/4 bis iF) eine Aufnahmeeinrichtung (9) für den Elektronenstrahlerzeuger (3) mit Zentriereinrichtungen (19, 20), Dichtungseinrichtungen (16) sowie Evakuierungseinrichtungen (21) aufweist

10. Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet daß der Elektronenstrahlerzeuger (3) mittels eines Armes (4) mit einem drehbaren Schweißgeräteturm (2) verbunden ist

11. Anlage nach Anspruch 10, dadurcfc gekennzeichnet daß die Schweißkammern (1/4 bis iF) kreisförmig angeordnet sind und daß der Schweißgeräteturm (2) im Mittelpunkt der Kreisanordnung vorgesehen ist