DE2820711A1

DE2820711A1 - Schweissbadunterstuetzungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2820711A1
Application number: DE19782820711
Authority: DE
Inventors: Karl Heinz Dipl Ph Steigerwald
Original assignee: Steigerwald Strahltecknik GmbH
Current assignee: Steigerwald Strahltecknik GmbH
Priority date: 1977-05-11
Filing date: 1978-05-11
Publication date: 1978-11-16
Also published as: FR2390242A1; JPS5415444A; JPS612479B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schweißbadunterstlitzungs. vorrichtung, also eine Vorrichtung zum Verhindern des Ausfließens einer Schmelze aus einer Schweißzone eines Werkstücks, die durch einen relativ zum Werkstück beweglichen Energiestrahl eines Energiestrahlschweißgerätes, insbesondere eines Elektronenstrahlschweißgerätes erzeugt wird.

Wenn ein Werkstück mit einem Energiestrahl, insbesondere einem Elektronenstrahl, geschweißt wird, bildet sich in dem vom Strahl getroffenen Bereich des Werkstückes eine Schmelze ("Schweißbad"). Es ist insbesondere beim Elektronenstrahlschweißen bekannt, daß die Neigung der Schmelze, aus der Schweißzone herauszufließen, mit zunehmender Werkstückdicke zunimmt und bei größeren Werkstückdicken, etwa Dicken über 50 oder 100 mm, zu einem ernsten Problem wird.

Man hat bereits auf verschiedene Weise versucht, die Schmelze in der Schweißzone zurückzuhalten. Beispielsweise ist es bekannt, an der Strahlaustrittsseite des Werkstücks eine Unterlageplatte aus Metall anzu-

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bringen. Diese Lösung hat den Nachteil, daß die Unterlageplatte mit dem Werkstück verschweißt und dann nur schwer zu entfernen ist.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Schweißbadunterstützungsvorrichtungen ist,das sie groß sind und viel Raum einnehmen, wenn längere Schweißnähte im Zuge einer entsprechenden Relativbewegung zwischen Straiilerzeugungssystem und Werkstück geschweißt werden müssen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schweißbadunterstützungsvorrichtung zu schaffen, die sich insbesondere für das Schweißen längerer Schweißnähte eignet, kompakt ist und keine größeren Probleme hinsichtlich einer späteren Entfernung des Schweißbadunterstützungsmatenals erzeugt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Schweißbadunterstützungsvorrichtung gemäß Anspruch 1.

Bei der Schweißbadunterstützungsvorrichtung wird also ein fließfähiges, insbesondere teilchenförmiges Material, wie ein Metallpulver oder vorzugsweise Metallgranulat, mindestens einer Oberfläche der Schweißzone so zugeführt, daß die Schmelze am Herausfließen aus der Schweißzone gehindert und im Werkstück zurückgehalten wird. Dabei wird im allgemeinen etwas Unterstützungsmaterial durch den Stranl geschmolzen und sich beim Erstarren der Schmelze mit der Schweißraupe an der Werkstücksvorder- oder Rückseite verbinden, so daß sich eine rippen- oder schwanzartige Fortsetzung der durch den Strahl erzeugenden Schweißnaht ergibt. Eine solche Fortsetzung läßt sich jedoch einfach entfernen, z.B. mittels einer Schleifoder Trennscheibe.

Das fließfähige Material ist vorzugsweise relativ grobkörnig, so daß die Schmelze wirkungsvoll entgast und evakuiert werden kann. Zur

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Zuführung des BadunterstUtzungsmateriales kann ein rohrförmiger Zuführungskanal mit rundem oder rechteckigem Querschnitt verwendet werden, der eine die Schweißzone umgebende und mit ihr mitwandernde Mündung hat und vorzugsweise an der Seite mit einer Aussparung versehen ist, so daß die sich bildende Schweißraupe austreten kann.

Im Betrieb wird der Zuführungskanal bezüglich des Werkstückes mit dem Strahl mitgeführt, so daß sich die Schweißbadunterstützungsvorrichtung längs des Werkstückes bewegt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Schweißbadunterstützungsvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 1 einen Querschnitt eines Teiles der Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine teils perspektivische, teils schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 4 eine schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

In den Figuren 1 und 2 ist eine Schweißbadunterstützungsvorrichtung 10 dargestellt, die die Aufgabe hat, zu verhindern, daß eine Schmelze, die durch einen Elektronenstrahl 12 in einer Schweißzone 14 erzeugt wird, auf einer Strahlaustrittsseite (in Fig. 1 und 2 rechts) aus einer Werkstückanordnung 16 herausfließt, die aus zwei miteinander durch den Elektronenstrahl 12 zu verschweißenden Metällplatten 16a und 16b, z.B.

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Stahlplatten,beträchtlicher Dicke D, z.B. 50 mm oder mehr, besteht. Die Schweißbadunterstützungsvorrichtung 10 und die bezüglich ihr bewegliche Werkstückanordnung 16 sind in einer Vakuumkammer einer nicht dargestellten Elektronenstrahl schweißmaschine angeordnet, die, wie dargestellt, einen Elektronenstrahl 12 mit im wesentlichen horizontaler Achse 18 (Fig. 2) liefert. Die Schweißbadunterstützungsvorrichtung 10 ist bezüglich des Strahls 12 stationär, während die Werkstückanordnung \6 bezüglich des Strahles 12 und der Vorrichtung 10 beweglich auf einem Support oder dgl. gelagert ist. Die Bewegungsrichtung ist durch einen Pfeil 20 angedeutet. Bei der nicht dargestellten Elektronenstrahlschweißmaschine kann es sich um ein handelsübliches Gerät handeln.

Die Schweißbadunterstützungsvorrichtung 10 enthält einen Kanal 22, dessen eines Ende eine öffnung 24 bildet, die an der Strahlaustrittsseite der Werkstückanordnung anliegt oder einen geringen Abstand von dieser hat. Das andere Ende kann mit einem trichterartigen Vorratsbehälter 26 oder irgend einer anderen Vorrichtung zur Aufnahme oder Lieferung eines fließfähigen, teilchenförmigen, festen Materials 28 verbunden sein, das durch den Kanal 22 zur öffnung 24 geleitet wird und dazu dient, die Schmelze oder das Schweißbad zu unterstützen und am Ausfließen zu verhindern. Das Material 28 kann ein Metallpulver oder -granulat sein, und seine Zusammensetzung kann gleich oder ähnlich der des Werkstückmaterials oder manchmal auch verschieden vom Werkstückmaterial sein.

Die Teilchen des Materials 28 können eine wenigstens annähernd kugelförmige Gestalt haben. Vorzugsweise haben die Teilchen jedoch eine solche Gestalt, daß sie leicht fließen und eine lockere Packung bilden, die das Entweichen von Gas und Dämpfen aus der Schweißzone und deren rasche sowie wirksame Evakuierung gewährleisten. Die Teilchen können beispielsweise aus kurzen Drahtstücken, unregelmäßig geformten Metallgranulatteilchen oder unregelmäßigen, in erster Näherung etwa kubusförmigen Blechstückchen bestehen. Teilchengrößen im Bereich von etwa 0,5 bis 5,0mm haben sich in der

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Praxis bewährt. Die genauen Abmessungen und Formen, die für einen bestimmten Anwendungsfall optimal sind, lassen sich empirisch ermitteln, sie hängen bis zu einem gewissen Grade vom Zustand und den Toleranzen (Breite der Trennfuge) des Werkstücks ab. Im allgemeinen werden Teilchengrößen (mittlerer Durchmesser) von etwa 1 mm und darüber bevorzugt.

Der Kanal 22 kann aus einem Rohr mit rundem Querschnitt oder, wie dargestellt, aus einer Blechkonstruktion mit rechteckigem Querschnitt bestehen. Eine Seitenwand 32 des Kanals 22 ist mit einer schlitz- oder keilförmigen öffnung oder Ausnehmung 34 versehen, auf deren Zweck noch eingegangen wird. Der Rand der Öffnung 24 und/oder der Ausnehmung 34 können mit einer bürstenartigen Abdichtung 36 versehen sein, um ein unnötiges Ausfließen des Materials 28 zu verhindern. Die an die öffnung 24 angrenzenden Teile der Wand des Kanals 22 können durchbrochen, z.B. netzartig ausgebildet sein, um die Evakuierung der Schweißzone zu erleichtern.

Die Teilchengröße des gewöhnlich aus Metall bestehenden pulver- oder körnchenförmigen Materials 28 wird im allgemeinen einerseits so grob gewählt, daß das Material nicht so leicht aus dem Spalt zwischen der öffnung des Kanals und dem Werkstück ausfließt, daß eine gute Evakuierung möglich ist. Ferner ist es unter Umständen unerwünscht, daß das Material in einen etwaigen Spalt an der Stoßstelle eindringt. Andererseits kann dies zur Auffüllung des Spalts sogar erwünscht sein und in diesem Falle wird die Teilchengröße dann so gewählt, daß das Material in die Trennfuge eintreten kann. Es muß ferner darauf geachtet werden, daß das Material im Kanal 22 fließen oder zumindest zur öffnung hin geschoben werden kann, damit die Verluste an Material, die durch Verschmelzen mit der Schweißzone entstehen, ausgegliechen werden können. Die Zufuhr des Materials zur Schweißzone erfolgt entweder .unter der Wirkung der Schwerkraft, insbesondere beim Schweißen mit einem horizontal verlaufenden Strahl,oder mittels einer Andrück- oder Preßvorrichtung, z.B. beim Verschweißen mit einem vertikal von oben nach unten verlaufenden Strahl.

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/O

Der Kanal 22 kann mit einem elektromagnet!sehn Vibrator 38 oder einer ähnlichen Vorrichtung versehen sein, die ein einwandfreies Nachfließen des Materials 28 zur öffnung 24 gewährleistet.

Im Betrieb werden die beiden Platten 16a und 16b durch den Elektronenstrahl 12 in bekannter Weise verschweißt, indem die Stoßfuge der Werkstückanordnung 16 unter Erzeugung an der Schweißnaht 40 durch den gewöhnlich quer zur Stoßfuge gewedelten Strahl bewegt wird. Ein Teil des Elektronenstrahls 12 tritt dabei auf der Strahlaustrittsseite der Werkstückanordnung aus und die Schweißbadunterstützungsvorrichtung 10 ist so angeordnet, daß die öffnung 24 die Schweißzone umgibt und das Material 28, das sich in dem an die öffnung 24 angrenzenden Teil des Kanals 22 befindet, den austretenden Strahl aufnimmt. Die Verhältnisse, insbesondere die Form des Kanals 22, sind dabei so gewählt, daß sich der Strahl im Material 28 totläuft und die Wand des Kanals 22 nicht erreicht. Ein Teil des Materials 28 wird durch den Strahl geschmolzen und bildet beim Erstarren eine schwanzartige Verlängerung 42 der hinteren Schweißraupe, die durch die schlitzförmige Ausnehmung 34 austritt, wenn sich die Werkstückanordnung 16 bezüglich des Strahls 12 und der Vorrichtung 10 bewegt.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der eben beschriebenen Ausführungsform, die sich von dieser in erster Linie darin unterscheidet, daß der Kanal 22' zumindest an dem an die Werkstückanordnung 16' angrenzenden Ende oben offen ist, also einen etwa U-förmigen Querschnitt hat. Dort, wo der Strahl 12' aus der Werkstückanordnung 16' austritt, bildet sich ein Haufen Pulver oder Granulat 28', und die Höhe und die Form einer in Bewegungsrichtung des Werkstückes hinteren Seitenwand 32'a ist so gewählt, daß das Austreten der sich beim Schweißen bildenden hinteren Schweißraupe 42' nicht behindert wird. Das Ende des Kanals 22' kann auch nur eine vordere Seitenwand 32'b oder auch gar keine Seitenwand haben. Im übrigen entspricht die Einrichtung gemäß Fig. 3 der gemäß Fig. 1 und 2.

Man kann gegebenenfalls einen relativ großen Zwischenraum zwischen der öffnung oder Mündung des Kanals 10 oder 10' und der gegenüberliegenden Oberfläche der Werkstückanordnung 16 zulassen, so daß das Material

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28 mehr oder weniger kontinuierlich durch den Zwischenraum oder über die Ränder des Kanals ausfließt. In einem solchen Falle muß ein genügender Vorrat an Material zur Verfugung gestellt werden oder das nicht verschmolzene, ausfließende Material wird durch irgend eine Fördereinrichtung 26', z.B. eine Art von Eimerkettenförderer, zu einer Einlaßöffnung des Kanals 22 bzw. 22' zurückgeführt, wie in Fig. 3 schematisch dargestellt ist.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt in einer Ebene einer Schweißnaht, die mit einem senkrecht /erlaufenden Elektronenstrahl 12" geschweißt wird. Das Ausfließen der Schmelze aus der Schweißzone 14" wird hier durch eine Schweißbadunterstlitzungsvorrichtung 10' verhindert, die einen vertikalen, rohrförmigen Kanal 22" aufweist, der mit einem fließfähigen Schweißbadunterstützungsmaterial 28", wie einem Metallpulver oder -granulat, gefüllt ist. Das teilchenförmige Material 28" wird gegen die Unterseite der Schweißzone 14" durch einen Kolben 26" und einen Linearmotor 38", z.B. einem pneumatischen, hydraulischen oder elektromagnetischen Motor, gedruckt. Der nach oben wirkenden Kraft kann eine Schwingung relativ kleiner Amplitude überlagert werden, um den Nachschub des Materials zu fördern.

Die Wand des Kanals 22" ist mit einem Schlitz 34" für die hintere Schweißraupe 42" versehen, die im wesentlichen aus geschmolzenem und wieder erstarrtem Unterstützungsmaterial besteht.

Die Schweißbadunterstützungsvorrichtung gemäß der Erfindung läßt sich auch so ausgestalten, daß das Schweißbad an der Strahl eintrittsseite am Ausfließen aus der Schmelze gehindert werden kann. Man wird in diesem Falle einen Kanal vorsehen, dessen vorderes Ende ähnlich ausgebildet ist, wie das des Kanals 22' in Fig. 3, während der sich daran anschließende Teil dann schräg nach unten verläuft und mit einer Vorrichtung,ähnlich der Vorrichtung 26"- 38" versehen ist, die das teilchenförmige Schweißbadunterstützungsmaterial dann nach oben zur Strahleintrittsseite der Werkstückanordnung fördert. Man kann auch einfach einen schräg nach oben verlaufen-

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den Kanal verwenden, der an der Werkstückseite so abgeschnitten ist, daß sich eine öffnung ähnlich der öffnung 24 ergibt, ferner ist auf der dem Strahl zugewandten Seite eine Aussparung oder Vertiefung für den Strahl vorgesehen.

Ein wesentlicher Vorteil der Schweißbadunterstützungvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das lose, teilchenförmige Material die Evakuierung der Schweißzone und Schmelze sowie das Entweichen von Gasen hieraus nicht behindert. Man erhält dadurch einwandfreie Schweißnähte ohne Hohlräume,

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ι ⁴^ ·, Leerseite

Claims

. 1.JSchweißbadunterstützungsvorrichtung zum Verhindern des Ausfließens einer Schmelze aus einer Schweißzone eines Werkstückes, die durch einen relativ zum Werkstück beweglichen Energiestrahl erzeugt wird, gekennzeichnet durch eine mit dem Energiestrahl (12) relativ zum Werkstück (16) mitbewegte Vorrichtung (10) zur Halterung eines teilchenförmigen Materials (28) bei der Schweißzone (14).
2. Schweißbadunterstützungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Energiestrahl mitgeführte Vorrichtung einen Zuführungskanal (22) für das teilchenförmige Material (28) enthält.

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-z-
3. Schweißbadunterstützungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführungskanal (22) an einer Strahlaustrittsseite des Werkstücks (16) angeordnet ist, an der sich beim Schweißen längs einer geschweißten Schweißnaht ein Vorsprung (42) bildet, der erstarrte Schmelze enthält, daß ein offenes Ende (24) des Zuführungskanal es nahe bei der Strahlaustrittsseite des Werkstücks angeordnet ist und daß der Zuführungskanal eine Wand (32) mit einer Aussparung (34) aufweist, durch die der Vorsprung (42) der Schweißnaht aus dem mit dem teilchenförmigen Material gefüllten Inneren des Zuführungskanals austreten kann.
4. Schweißbadunterstützungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder

3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführungskanal (22', 22") ein oben offenes Ende hat (Fig. 3 und 4).
5. Schweißbadunterstützungsvorrichtung nach Anspruch 4, d adurch gekennzeichnet, daß das Ende des Zuführungskanals einen etwa U-förmigen Querschnitt hat.
6. Schweißbadunterstützungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem werkstückseitigen Ende abgewandtes Ende des Zuführungskanals mit einer Vorrichtung (26, 26') zum Zuführen des teilchenförmigen Materials verbunden ist.
7. Schweißbadunterstützunggsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das teilchenförmige Material ein sich relativ lose packendes, grobteiliges Material ist, welches ein wirksames Evakuieren und Entgasen der Schweißzone gestattet.
8. Schweißbadunterstützungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das teilchenfönnige Material eine dem Werkstückmaterial wenigstens annähernd gleiche Zusammensetzung hat.

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9. Schweißbadunterstützungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das teilchenförmige Material fließfähig ist.
10. Schweißbadunterstützungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bi s 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführungskanal mit einem Vibrator gekoppelt ist.
11. Schweißbadunterstützungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche für das Schweißen eines Werkstückes, dessen Strahlaustrittsseite nach unten weist, dadurch gekenn zeichnet, daß der Zuführungskanal (22") ein rohrförmiges Bauteil mit oben offenem, die Strahlaustrittsseite der Schweißzone umgebenden Ende enthält und eine Vorrichtung (26", 38") aufweist, die das Material (28") nach oben gegen die Strahlaustrittsseite der Schweißzone drückt.
12. Schweißbadunterstützungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennz e i c h η e t, daß der Zuführungskanal (22, 22') von dem bei der Strahlaustrittsseite angeordneten Ende derart nach oben verläuft, daß das teilchenförmige Material unter der Wirkung der Schwerkraft zu dem beim Werkstück angeordneten Ende gefördert wird.
13. Schweißbadunterstützungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das teilchenförmige Material im wesentlichen aus Teilchen mit einem maximalen Durchmesser zwischen etwa 0,5 und 5,0 mm besteht.
14. Schweißbadunterstützungsvorrichtung nach Anspruch 13, d adurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Teilchen mindestens 0,5 mm beträgt.
15. Schweißbadunterstützungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß·die überwiegende Anzahl der Teilchen einen Mindestdurchmesser von 1 mm haben.

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16. Schweißbadunterstützungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen des Materials eine unregelmäßige Form haben.

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