DE2820447A1

DE2820447A1 - Verfahren und einrichtung zum elektronenstrahlschweissen

Info

Publication number: DE2820447A1
Application number: DE19782820447
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl Phys Dr Koenig
Original assignee: Steigerwald Strahltecknik GmbH
Current assignee: Messer Griesheim GmbH
Priority date: 1977-05-11
Filing date: 1978-05-10
Publication date: 1978-11-16
Also published as: JPS53141142A; FR2390236A1; JPS6129831B2; US4160150A

Description

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AT: 11.Mai 1977 ⁷-^AP^{ril 197S}

10094 Dr.v.B/E

Steigerwald Strahltechnik GmbH München

Verfahren und Einrichtung zum Elektronenstrahlschwei ßen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Elektronenstrahlschweißen mit einem Elektronenstrahl, der auf eine Schweißzone einer Werkstückanordnung gerichtet und in eineCFokus auf der Strahlachse fokussiert wird, und der in der Schweißzone eine Schmelze erzeugt, die dazu neigt, aus der Schweißzone herauszufließen.

Beim Energiestrahlschweißen überwiegt die Wirkung der Schwerkraft auf die Schmelze in der Schweißzone mit zunehmender Dicke der geschweißten Werkstücke immer mehr die Oberflächenspannung der Schmelze, die die Schmelze in der Schweißzone zurückzuhalten strebt. Beim Schweißen mit vertikal verlaufendem Strahl muß daher in der Praxis schon bei Werkstückdicken ab 50 mm aufwärts durch Unterlegen von Leisten und dgl. verhindert werden, daß die Schmelze aus der Schweißzone herausfließt.

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Das Problem, die Schmelze am Ausfließen aus dem Schweißbereich zu hindern, ist zwar.nicht so gravierend, wenn man dickere Werkstücke mit horizontal verlaufendem Strahl %chwei^t ■> da in diesem Falle nicht das volle Gewicht der Schmelze auf die freie Oberfläche des schmelzflüssigen Materials an der Vorder- und Rückseite des Werkstücks einwirkt. Mit zunehmender Werkstückdicke, im allgemeinen ab etwa 100 mm, kann aber auch beim Schweißen mit horizontal verlaufendem Strahl nicht verhindert werden, daß die Schmelze aus dem Schweißbereich herausfließt. Man versucht dieser störenden Erscheinung dadurch zu begegnen, daß an der Vorder- und Rückseite des Werkstücks etwas unterhalb der eigentlichen Schweißzone Leisten angeordnet werden, die ein Ausfließen der Schmelze aus der Schweißzone verhindern sollen. Diese Maßnahme ist jedoch aus geometrischen Gründen nicht immer anwendbar, sie verursacht ferner zusätzliche, teilweise erhebliche Kosten und schließlich kann auch durch sie oft nicht verhindert werden, daß trotzdem Schmelze aus der Schweißzone herausfließt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Neigung der Schmelze aus einer mit einem im wesentlichen horizontal verlaufenden Strahl erzeugten Schweißzone herauszufließen, zu beseitigen oder zumindest erheblich zu verringern.

Diese Aufgabe wird durch ein Elektronenstrahl schweißverfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Neigung der Schmelze aus der Schweißzone herauszufließen, durch laufendes, vorzugsweise periodisches Ändern des Fokussierungszustandes des Elektronenstrahles verringert wird.

Eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens enthält eine Fokussierungseinrichtung, insbesondere eine magnetische Fokussierungslinse für den Elektronenstrahl und eine Schaltungsanordnung zur laufenden, vorzugsweise periodischen Änderung der Fokussierungswirkung dieser Einrichtung.

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Weiterbildungen und Ausgestaltungen sowie weitere Merkmale und Aspekte der Erfindung sind im folgenden erläutert und in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die folgende Beobachtung zugrunde. Durch die Einstellung der Fokussierungslinse, d.h. die Lage des Fokus des Elektronenstrahls bezüglich des Werkstückes kann die Neigung der Schmelze beeinflußt werden, bevorzugt auf der Vorderseite oder bevorzugt auf der Rückseite des Werkstückes herauszulaufen. Hieraus läßt sich schließen, daß bei hin- und herschwankender Fokuslage die Schmelze geradeso beeinflußt werden kann, daß sie eine Art dynamischen Gleichgewichtszustand annimmt und weder nach vorne noch nach hinten herausläuft.

Durch das Verfahren und die Einrichtung gemäß der Erfindung kann also die Neigung der Schmelze, aus der Schweißzone herauszufließen, ohne mechanische Vorrichtungen am Werkstück beseitigt oder zumindest erheblich verringert werden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur eine stark vereinfachte Darstellung einer Elektronenstrahl schweißmaschine zeigt, die für die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung geeignet ist.

In Fig. 1 ist stark vereinfacht ein Elektronenstrahlschweißgerät 10 dargestellt» das nach dem aus der US-PS 29 87 610 bekannten Prinzip arbeitet und im wesentlichen in bekannter Weise aufgebaut sein kann. Es enthält eine evakuierbare Kammer 12 in der sich ein beweglicher Support für eine zu verschweißende Werkstückanordnung 16 sowie ein Elektronenstrahlerzeugungssystem 18 mit einer magnetischen Fokussierungslinse 20 befinden. Das Elektronenstrahlerzeugungssystem ist mit einer üblichen Ebergieversorungs- und Steueranordnung verbunden und kann z.B. einen Elektronenstrahl 22 mit einer Beschleunigungsspannung von 150 kV und einer Leistung von etwa 50 kW liefern. Das Strahlerzeugungssystem 18 ist so ange-

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ordnet, daß die Achse 24 des Elektronenstrahls im wesentlichen horizontal verläuft. In der Werkstückanordnung entsteht dadurch eine horizontale, mit Schmelze 26 gefüllte Schweißzone. Die Schmelze 26 neigt bei größeren Dicken D der Werkstückanordnung dazu, aus der Vorderseite und Rückseite der Schweißzone herauszufließen.

Beim Schweißen mit horizontalem Elektronenstrahl 22 wird der von einer einstellbaren Gleichstromquelle 28 gelieferte Linsenstrom für die Fokussierungslinse 20 gewöhnlich so eingestellt, daß der Elektronenstrahl 22 in einen Fokus 30 fokussiert wird, der in Dickenrichtung der l/erkstückanordnung etwa in der Mitte zwischen der Strahleintritisseite und der Strahlaustrittsseite der Werkstückanordnung liegt, wie in der Zeichnung dargestellt ist. Es ist auch bekannt, die Lage des Fokus 30 durch eine Regelvorrichtung zu stabilisieren. Ferner wird der Strahl gewöhnlich quer zur Schweißnaht hin- und hergeschwnkt, wie durch einen Doppelpfeil 32 dargestellt ist. Die hierfür erforderliche Ablenkvoirrichtung ist zur Vereinfachung der Zeichnung nicht dargestellt. Diese Steuerungsmaßnahmen dienen dazu, eine möglichst gesunde, porenfreie Schweißnaht zu erzielen, sie sind jedoch nicht geeignet, das Herausfließen der Schmelze aus der Schweißzone zu verhindern.

Gemäß der Erfindung wird die Neigung der Schmelze 26, aus der" Schweißzone herauszufliegen, dadurch beseitigt oder zumindest weitgehend herabgesetzt, daß der Fokussierungszustand des Elektronenstrahls 22 laufend geändert wird. Dies kann z.B. dadurch geschehen, daß dem von der Gleichstromquelle 28 gelieferten Linsengleichstrom ein Wechselstrom überlagert wird. Hierzu kann ein Transformator 34 vorgesehen sein, dessen Sekundärwicklung zwischen die Linsengleichstromquelle 28 und die Fokussierungslinse 20 geschaltet ist und dessen Primärwicklung mit einem Wechselstromgenerator gekoppelt ist. Durch eine solche Sdiltungsanordnung kann der Fokus 30 mit der Frequenz der vom Generator 36 gelieferten Wechselspannung längs der Strahlachse 24 hin- und herbewegt werden. Vorzugsweise wird der Fokus 30 jeweils periodisch um mindestens ± 102, vorzugsweise etwa + 25 % der Dicke D aus seiner mittleren Ruhelage verschoben. Für die "Fokuswobbelung"

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haben sich Frequenzen im Bereich zwischen etwa 10 und 30 Hz bewährt; je nach den Verhältnissen kann jedoch auch mit anderen Frequenzen und anderen Fokusänderungen gearbeitet werden. Der überlagert Wechselstrom kann die verschiedensten Kurvenformen haben, bewährt hat sich ein sinusförmiger Strom. Der Strom kann jedoch auch einen unsymmetrischen, z.B. sägezahnförmigen Verlauf haben. Die Mittelstellung des Fokus wird im allgemeinen im mittleren Drittel der Werkstückdicke liegen.

Beispiel

Elektronenstrahl schweißmaschine : G 150/ K25 der Firma Steigerwald Strahl-

technik GmbH, München

Strahlorientierung: Horizontal

Werkstückmaterial: Niedrig legierter Stahl mit 0,15% C (Typ Ck 15) Werkstückdicke D: 150 mm

Strahl!eistung: 60 kW

Vorschubgeschwindigkeit zwischen Werkstückanordnung und Strahl: 3mm/s mittlerer Linsenstrom: 2,6 A

überlagerter Wechselstrom: + o,3A.

beim Schweißen mit horizontalem Strahl auch

Durch die Fokuswobbelung kann bei wesentlich größeren Dicken als bisher, meistens bis mindestens 200 mm Werkstückdicke, auf zusätzliche mechanische Maßnahmen zum Verhindern des Ausfließens der Schmelze verzichtet werden. Auch beim Schweißen mit vertikalem Strahl wird die Neigung der Schmelze, aus dem Schweißbereich herauszufließen, durch die erfindungsgemäße Fokusverschiebung wesentlich verringert.

Sowohl die mittlere Position als auch die vordere bzw. hintere Endposition des Fokus bei der Wobbelung können außerhalb des Werkstücks liegen. Die optimalen Parameter lassen sich von Fall zu Fall an einem Versuchswerkstück ermitteln.

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L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche

LJVerfahren zum Elektronenstrahlschweißen mit einem Elektronenstrahl, der mit ' seiner .* Strahlachse auf eine Schweißzone einer Werkstückanordnung gerichtet und in einen Fokus auf der Strahl achse fokussiert wird, und der in der Schweißzone eine Schmelze erzeugt, die dazu neigt, aus der Schweißzone herauszufließen, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der Schmelze, aus der Schweißzone herauszufließen, durch laufendes Ändern des Fokussierungszustandes des Elektronenstrahls verringert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fokus des Elektronenstrahls in einem Bereich hin- und herbewegt wird, der in der Schweißzone liegt und längs der Achse des Elektronenstrahls gemessen bis zur Hälfte der Werkstückdicke groß ist."
3. Verfahren nach AnsDruch 1 oder 2. dadurch aekennzeichnet. daß der Fokussierunaszustand mit einer Frequenz zwischen 5 und 30 Hz geändert wird.
4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Elektronenstrahlerzeugungssystem, das einen Elektronenstrahl

liefert, einer Halterungsvorrichtung für eine WerkstUckanordnung, die die Werkstückanordnung im Wege des Elektronenstrahls und bezüglich dieses beweglich haltert, einer Fokussierungsanordnung zum Fokussieren des Elektronenstrahls in einen Fokus auf der Strahlachse; einer Energieversorungsanordnung für das Strahlerzeugungssystem und einer Energieversorgungsanordnung für die Fokussierungsanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungsanordnung (28, 34, 36) für die Fokussierungsanordnung (20) Mittel (34, 36) zur laufenden Änderung des Fokussierungszustandes des Elektronenstrahls (22) enthält.

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5. Einrichtung nach Anspruch 4, bei der die Fokussierungsanordnung aus einer magnetischen Fokussierungsiinse besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorungsanordnung für die magnetische Linse (20) einen mit einem Wechselstrom überlagerten Gleichstrom liefert.
6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlachse im wesentlichen horizontal verläuft.

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