DE2849735C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Elektronenstrahlschweiß
verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1
und eine Elektronenstrahlschweißvorrichtung nach dem
Oberbegrifff des Patentanspruchs 7.
Das Elektronenstrahlschweißen unter Gasdrücken von 10 mbar
bis zu Normaldruck und darüber, bei dem der Elektronen
strahl im Vakuum erzeugt wird und über Druckstufen in
einen Bereich höheren Drucks oder an die freie Atmosphäre
gelangt, bei dem die Werkstücke sich also unter gegen
über diesem Vakuum erhöhten Luftdruckbedingungen befinden,
ist bereits bekannt. Durch die unvermeidbare Kollision
von Elektronen und Gasmolekülen wurde der Elektronen
strahl jedoch bereits nach einigen Millimetern Weglänge
gespreizt, wodurch seine Leistungsdichte, bezogen
auf den jeweils verfügbaren Strahlquerschnitt, ent
sprechend stark zurückging. Infolgedessen bliebt das be
kannte Verfahren auf das Verschweißen relativ dünner
Werkstücke bei kurzen Abständen zwischen der Strahlaus
trittsöffnung in der Elektronenstrahlkanone und dem
Werkstück beschränkt.
Beim Elektronenstrahlschweißen tritt ein Verdampfen und
Verspritzen des schmelzflüssigen Werkstücks auf, ein Vor
gang, der zu einer unerwünschten Ablagerung von Material
an der Kanonenmündung führt, die auch als Düse bezeichnet
werden kann. Um eine Düsenverschmutzung durch den Schweiß
vorgang selbst zu verhindern, muß sich die Schweißstelle
in einem Mindestabstand von der Austrittsöffnung des Elek
tronenstrahls aus der Elektronenstrahlkanone befinden.
Dieser Forderung steht entgegen, daß der Abstand in einer
Größenordnung von etwa 25 mm dadurch begrenzt ist, daß der
Elektronenstrahl, der gut fokussiert und mit sehr hoher
Leistungsdichte aus der Elektronenkanone austritt, längs
dieses Weges zum Werkstück aus den oben angegebenen Gründen
so stark gestreut wird, daß die Leistungsdichte auf einen
Wert absinkt, der nicht mehr ausreichend ist, um Tief
schweißungen bekannter Art auszuführen, wie sie beim
Elektronenstrahlschweißen unter Vakuum möglich sind.
Während sich beim Elektronenstrahlschweißen im Fein- und
Hochvakuum das Tiefe-zu-Breite-Verhältnis der Schweißnaht
bis auf 50 : 1 erstrecken kann, ist es im Normalfall mit
dem in die Atmosphäre ausgetretenen Elektronenstrahl nur
noch möglich, Tiefe-zu-Breite-Verhältnisse von maximal
4 : 1 zu erreichen.
Das Elektronenstrahlschweißen unter atmosphärischen Be
dingungen hat den erheblichen Vorteil, daß große und/oder
kompliziert geformte Werkstücke geschweißt werden können,
ohne daß es einer Vakuumkammer entsprechender Abmessungen
bedarf. Hierbei ist insbesondere an das Längsnaht-Schweißen
von Rohren und an das Verschweißen von einzelnen Rohrstücken
zu denken. Um bei derartigen Werkstücken auf großvolumige
Vakuumkammern verzichten zu können, ist es gleichfalls be
reits bekannt, Elektronenstrahlkanonen einzusetzen, die
gegenüber der Werkstückoberfläche mittels einer Dichtleiste
oder einem speziell geformten Druckstufenrahmen abge
dichtet sind, so daß ein Raum begrenzter Größe für die Aus
bildung eines hinreichend guten Vakuums gebildet wird. Der
bei einer solchen Lösung zu treibende Aufwand ist
jedoch beträchtlich und auf spezielle Werkstückab
messungen und -formen zugeschnitten, so daß diese
Lösung bisher keine nennenswerte Verbreiterung gefunden
hat (DE-AS 15 15 201).
Durch die DE-AS 11 99 416 und die US-PS 32 71 556 sind
Verfahren und Vorrichtungen zum Verschweißen von
Werkstücken unter Atmosphärendruck bekannt, bei denen
die Werkstücke stumpf aneinanderstoßen. Irgendwelche
Strahlführungs- oder Reflexionsflächen für den
Elektronenstrahl oder einzelne Streuelektronen sind
jedoch nicht vorgesehen. Infolgedessen müssen die
Werkstücke mit der zwischen ihnen liegenden Schweiß
naht in möglichst großer Nähe der Strahl-Austritts
öffnung angeordnet werden, um eine unzulässige Strahl
aufspreizung zu vermeiden. Eine solche Strahlaufsprei
zung ist auf Kollisionen zwischen den Elektronen und
Luftmolekülen zurückzuführen und lediglich die US-PS
32 71 556 gibt den Rat, in dem Raum zwischen der
Strahl-Austrittsöffnung und den Werkstücken eine
tassenförmige Kammer anzuordnen, in dem eine Gasatmos
phäre mit einem hohen Kollisionsabstand der Gasmole
küle aufrechterhalten werden kann. Die Wände der
jenigen Teile, die den Elektronenstrahl umgeben,
können schon wegen ihres Abstandes von diesem eine
Elektronenreflexion nicht herbeiführen, da die Elek
tronen nicht unter einem hierfür erforderlichen
spitzen Winkel auf die betreffenden Wandflächen
auftreffen können. Damit kann auch einer Strahl
aufspreizung nicht entgegengewirkt werden, und das
Verschweißen dicker Werkstücke durch sogenannte
"Tiefschweißungen" ist nicht möglich.
Durch die US-PS 36 02 685 sind ein Schweißverfahren
und eine Vorrichtung bekannt, bei denen Werkstücke
unter Vakuum verschweißt werden und daher in einer
Vakuumkammer angeordnet sind. Bei dem Schweißverfahren
wird genau das Gegenteil von dem durchgeführt, was die
Erfindung bezweckt, nämlich eine bewußte Defokussie
rung bzw. Aufspreizung des Elektronenstrahls, um einen
Verlust an leicht verdampfbaren Legierungskomponenten
aus den Werkstücken zu unterdrücken. Diese Problematik
tritt wiederum nur unter Vakuum auf, da das Verdampfen
leichtflüchtiger Komponenten unter Vakuum stark
begünstigt wird. Um diesen Effekt zu vermeiden, wird
um die Auftreffstelle des Elektronenstrahls herum ein
Wall oder Deich errichtet, der ein Ausweichen des
Dampfes aus der Schmelze verhindert. Diese Definition
schließt aus, daß der Deich selbst oder seine inneren
Wände Auftreffobjekte für den Elektronenstrahl sind.
Außerdem sind sie weder dafür vorgesehen noch dazu
geeignet, den bewußt defokussierten Elektronenstrahl
wieder zu fokussieren. Auch mit diesem bekannten
Verfahren sind keine ausgesprochenen Tiefschweißungen
möglich. Vielmehr zeigen die Beispiele, daß trotz des
Schweißens unter Vakuum die Werkstückdicken allenfalls
im Bereich weniger Millimeter liegen; die größte
Werkstückdicke liegt bei etwa 12 mm. Dabei lassen die
Schliffbilder und Schemazeichnungen erkennen, daß die
Schweißnähte eine verhältnismäßig große Breite be
sitzen, also nicht den für Tiefschweißungen typischen
Schlankheitsgrad aufweisen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen
Tiefschweißungen unter Drücken von mehr als 10 mbar,
insbesondere unter atmosphärischen Bedingungen,
durchführbar sind, ohne daß hierfür komplizierte
Vorrichtungen benötigt werden. Unter Tiefschweißungen
werden solche Elektronenstrahlschweißungen verstanden,
durch die Werkstücke mittels tiefer und schmaler Nähte
mit einem Tiefe-zu-Breite-Verhältnis von 20 : 1 und
darüber verbunden werden.
Die Lösung der gestellte Aufgabe erfolgt bei dem
Elektronenstrahlschweißverfahren gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die im
Kennzeichen dieses Patentanspruchs angegebenen Merk
male und bei der Elektronenstrahlschweißvorrichtung
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7 durch die
im Kennzeichen dieses Patentanspruchs angegebenen
Merkmale.
Die Elektronenreflexion und die gleichzeitige Gasab
schirmung lassen sich in besonders einfacher und
wirkungsvoller Weise dadurch erreichen, daß die
Erzeugenden der Führungsflächen im Wesentlichen
parallel und symmetrisch zur Strahlachse verlaufen und
in Strahlrichtung eine Länge von mindestens 10 mm,
vorzugsweise von mindestens 20 mm aufweisen, und daß
der Abstand der
Führungsflächen diametral zum Elektronenstrahl größer ist
als der Strahldurchmesser unmittelbar nach dem Strahlein
tritt in den Bereich höheren Drucks.
Derartige Führungsflächen können auf verschiedene Weise
zustande kommen bzw. hergestellt werden. Zunächst ist es
möglich, als Führungsflächen Wandungsteile der Werkstücke
zu verwenden, die durch Verbreiterung der Trennfuge über
einen Teil der Werkstückdicke "B" zu einem Spalt erzeugt
werden, wobei man zunächst den unverbreiterten Teil der
Trennfuge, vorzugsweise ohne Zusatzmaterial, und nach
folgend den Spalt unter Zufuhr von Zusatzmaterial ver
schweißt. Mit anderen Worten, die Werkstücke werden an
der Stelle der Trennfuge einer zusätzlichen Bearbeitung
unterworfen, durch die ein Teil des Werkstückmaterials
entfernt wird, so daß ein schlanker Spalt entsteht, der
sich über einen Teil der Werkstückdicke erstreckt, wobei
dieser Teil bei Dicken über 50 mm kleiner ist als die
Hälfte der Werkstückdicke und vorzugsweise etwa ¼ bis
¹/₃ der Werkstückdicke beträgt. An dem übrigen Teil der Werkstück
dicke berühren sich die Werkstückteile nach Art einer für
das Elektronenstrahlschweißen üblichen Trennfuge, d. h.
"stumpf".
Es ist jedoch auch möglich, in Strahlrichtung vor der
Trennfuge einen gesonderten Körper anzuordnen, der Teil
der Vorrichtung ist, praktisch beliebig oft verwendbar
ist und die Führungsflächen aufweist.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme bzw. die entsprechenden
Mittel gelingt es, den in einem Bereich höheren Drucks, ins
besondere Atmosphärendrucks auftretenden Strahl auf dem
Wege zu den Werkstücken erneut zu führen, zu konzentrieren
und seine Streuung weitgehend zu verhindern. Die Erfindung
beruht auf der Ausnutzung des Effekts, daß die Elektronen
bei streifendem Einfall an Wandflächen zu einem sehr hohen
Prozentsatz praktisch verlustfrei reflektiert werden. Hinzu
kommt die Tatsache, daß der Elektronenstrahl, nachdem er in
den Bereich erhöhten Drucks eingetreten ist, in seinem Kern
die Luftmoleküle verdrängt und einen Kanal sehr geringer Gas
dichte bis zum Werkstück hin bildet. Dieser Effekt ist um
so ausgeprägter, je höher die Leistung des Elektronenstrahles
ist. Der Bildung dieses Kanals wird durch die frei hinzu
strömende Umgebungsatmosphäre wieder entgegen gewirkt.
Die erfindungsgemäße Lösung hat dabei die zusätzliche Wirkung,
daß durch die Führungsflächen die Umgebungsatmosphäre
nicht ungehindert hinzu treten kann. Dadurch wird die
Kanalbildung noch zusätzlich gefördert.
Die Abschirmung gegenüber der Umgebungsatmosphäre kann
bei der Ausbildung der Führungsflächen als Begrenzungs
flächen eines zur Trennfuge parallelen Spaltes noch da
durch wesentlich gesteigert werden, wenn im Spalt vor und
hinter dem Elektronenstrahl eine Lufterwärmung durch zu
sätzliche Energiequellen, vorzugsweise durch Plasmabrenner,
durchgeführt wird.
Unter dem Ausdruck "Spalt" sind sämtliche Hohlräume zu ver
stehen, die von im wesentlichen parallelen, gegenüber
liegenden Wänden begrenzt werden und sich über mindestens
eine Teillänge der Trennfuge erstrecken. Hierunter sind
auch, insbesondere bei Anordnung eines gesonderten Körpers
vor der Trennfuge, in diesem Körper angeordnete Schlitze
zu verstehen, deren Länge durch Querwände begrenzt ist,
welche die parallelen Wandflächen an den Enden des Schlitzes
miteinander verbinden.
Es wurde überraschend gefunden, daß bei Anwendung der er
findungsgemäßen Lösung die bisherigen Anwendungsbeschrän
kungen des Elektronenstrahlschweißens unter erhöhten Drücken
bis zum Atmosphärendruck aufgehoben werden können. So zeigte
es sich, daß mit einem Elektronenstrahl von 25 kW Leistung mit
einer Beschleunigungsspannung von 200 kV bei einer Schweiß
geschwindigkeit von 60 mm/Minute eine Schweißnahttiefe von
75 mm bei einer maximalen Nahtbreite von 4 bis 6 mm erzielt
werden kann. Bei beträchtlicher Erhöhung der Anwendungs
breite wird die Schweißnahtqualität in den Bereich der
unter Vakuum erzielbaren Nahtqualitäten gerückt.
Besonders interessant ist das erfindungsgemäße Verfahren
für das sogenannte Dickwandschweißen. Hierbei handelt es
sich meist darum, große Behälter mit dicken Wandstärken
zu schweißen. Die bisher für derartige Anwendungsfälle
erforderlichen, eingangs beschriebenen Dichtleisten oder
Druckstufenabschirmungen sind bei Anwendung des erfindungs
gemäßen Verfahrens nicht bzw. bei Teilvakuum zwischen 10 mbar
und Atmosphärendruck nicht mehr in der bekannten Form er
forderlich, so daß der für die Schweißvorrichtung erforder
liche Aufwand wesentlich verringert werden kann. Drücke
zwischen 10 mbar und knapp unterhalb Atmosphärendruck
können natürlich auch nur mittels einer Kammer und einem
Druckstufenrahmen (gegenüber den Werkstücken) sowie mittels
einer Druckstufenstrecke gegenüber dem Katodenraum erzeugt
werden, jedoch sind die in diesem Druckbereich anzu
wendenden konstruktiven und verfahrenstechnischen Maßnahmen
wesentlich einfacher zu bewältigen als im üblichen Fein-
und Hochvakuum. Besonders interessant ist die Anwendung
beim Zusammenschweißen von Pipe-Line-Rohren an Land und
auf Verlegeschiffen.
Der gemäß der weiteren Erfindung vorgesehene gesonderte
Körper, der die Führungsflächen für den Elektronenstrahl
aufweist, kann sowohl mit Kühlkanälen als auch mit einer
Heizeinrichtung versehen sein. Bei der Anordnung von Kühl
kanälen werden die Führungsflächen geschont. Die Aufheizung
des Körpers durch eine Heizeinrichtung führt zu einer
weiteren Verdünnung der Gasatmosphäre im Bereich des Elek
tronenstrahls, wodurch der Strahlaufspreizung zusätzlich
entgegengewirkt wird. Führungsflächen, die sich auf einem
höheren Temperaturniveau befinden, haben die zusätzliche
Wirkung, daß die störende Kondensation von Metalldämpfen
verringert wird.
Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
und einer gleichfalls erfindungsgemäßen Vorrichtung sind
Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes seien nach
folgend anhand der Fig. 1 bis 4 näher beschrieben.
Es zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Elektronen
strahlkanone in Verbindung mit zwei zusammen
zufügenden Werkstücken, bei denen die
Führungsflächen durch eine Verbreiterung
der Trennfuge in den Werkstücken selbst
gebildet werden,
Fig. 2 einen Schnitt analog Fig. 1, jedoch mit dem
Unterschied, daß die Führungsflächen durch
einen gesonderte Körper mit Kühlkanälen
zwischen Elektronenstrahlkanone und den Werk
stücken gebildet werden,
Fig. 3 einen Schnitt im rechten Winkel zu Fig. 1
mit zusätzlicher Anordnung von Plasmabrennern,
deren Plasmastrahlen vor und hinter dem
Elektronenstrahl in den Spalt hineinreichen, und
Fig. 4 einen Schnitt analog Fig. 2, jedoch mit dem
Unterschied, daß der gesonderte Körper statt
mit Kühlkanälen mit einer Heizeinrichtung ver
sehen ist.
In Fig. 1 ist eine Elektronenstrahlkanone 1 herkömmlicher
Bauart dargestellt, die ein Gehäuse 2 aufweist, welches
durch Trennwände 3 und 4 in drei Kammern 5, 6 und 7 unter
teilt ist. Die Kammern sind durch Saugleitungen 8, 9 und
10 getrennt und gegebenenfalls auf unterschiedliche Drücke
evakuierbar, wobei der niedrigste Druck im allgemeinen
in der Kammer 5 erzeugt wird.
In der Kammer 5 ist innerhalb einer strahlformenden Elek
trode 11 (Wehnelt-Zylinder) eine direkt geheizte Kathode 12
angeordnet. Hochspannung und Heizspannung werden dem Elek
trodensystem durch Leitungen 13, 14 und 15 zugeführt.
Die Katode 12 erzeugt während des Betriebes einen Elektronen
strahl 16, der in der Kanonenachse verläuft. An den ent
sprechenden Durchtrittsstellen sind innerhalb des Gehäuses 2
und der Trennwände 3 und 4 enge Durchtrittsöffnungen 17,
18 und 19 angeordnet, die auch als "Düsen" bezeichnet werden
können. Die Durchtrittsöffnungen bilden zusammen mit den
Kammern 5, 6 und 7 eine sogenannte Druckstufenstrecke,
welche das Vakuum in der Kammer 5 gegenüber der Atmosphäre
aufrechterhält. Die Trennwand 3 hat zusätzlich die Funktion
einer Beschleunigungsanode. In der Kammer 7 ist eine
Fokussierungslinse 20 angeordnet.
Aus der Durchtrittsöffnung 19 tritt der Elektronenstrahl 16
aus und hat aus den weiter oben angegebenen Gründen die
Tendenz einer Strahlaufspreizung. Unterhalb der Durch
trittsöffnung 19 befinden sich in einem Abstand A von
mindestens 10 mm, vorzugsweise von mindestens 20 mm, zwei
zu fügende Werkstücke 21 und 22 mit einer Werkstückdicke B.
Diese Werkstücke stoßen in einer Trennfuge 23 mit der
Höhenerstreckung C zusammen. Der restliche Teil der ur
sprünglich vorhandenen Trennfuge wurde durch Materialab
trag in einer Tiefe D zu einem Spalt 24 verbreitert, wobei
das Verhältnis D : B zwischen 1 : 10 und 1 : 2 liegen sollte.
Die sich parallel zur Trennfuge 23 erstreckenden seitlichen
Begrenzungswände des Spaltes 24 sind die Führungsflächen
25 bzw. 26 für den an dieser Stelle geringfügig divergierenden
Elektronenstrahl 16. Der Abstand der Führungsflächen 25 und 26
diametral zum Elektronenstrahl. 16 ist größer als der Strahl
durchmesser unmittelbar nach dem Austritt aus der Durch
trittsöffnung 19. Die optimale Spaltbreite E kann durch
einfaches Ausprobieren leicht gefunden werden, wobei der
Grundsatz zu beachten ist, daß die Elektronen im Randbereich
des gespreizten Elektronenstrahls die Führungsflächen unter
einem möglichst spitzen Winkel treffen sollen, damit die
Reflexion optimal ist. Im allgemeinen liegt die Spalt
breite E zwischen einem und fünf Millimetern. Beim Schweiß
vorgang wird so verfahren, daß, wie in Fig. 1 dargestellt,
zunächst die Werkstücke im Bereich der Trennfuge 23, d. h.
innerhalb der Abmessung "C" (ohne Zusatzwerkstoff) verschweißt
werden, worauf der Spalt 24 unter Verwendung von Zusatz
material ausgefüllt und zugeschweißt wird.
In Fig. 2 sind zwei Werkstücke 27 und 28 dargestellt, die
auf ihrer gesamten Werkstückdicke B in einer Trennfuge 23
zusammenstoßen. Zwischen der Elektronenstrahlkanone 1
und den Werkstücken 27 und 28, d. h. in Strahlrichtung vor
der Trennfuge, ist ein gekühlter Körper 29 angeordnet, der
aus Kupfer besteht und in seinem Inneren Kühlkanäle 30
sowie elektronenoptische Mittel 31 (Fokussierungslinse)
besitzt. Der gekühlte Körper 29 besitzt aufgrund einer zur
Strahlachse parallelen Bohrung eine zylindrische Innenwand,
die im vorliegenden Falle die Führungsfläche 32 bildet. Der
gekühlte Körper 29 wird dabei zweckmäßig an der Elektronen
strahlkanone 1 befestigt und kann gegebenenfalls mit dieser
in Richtung der Trennfuge 23 (Schweißnaht) bewegt werden.
Auch im Hinblick auf die Führungsfläche 32 und deren
Durchmesser gilt der Grundsatz, daß die Randelektronen
des Elektronenstrahls 16 unter einem möglichst spitzen
Winkel auftreffen sollen. Im vorliegenden Falle können die
Werkstücke 27 und 28 in einem Durchgang verschweißt werden,
ohne daß es wie bei Fig. 1 erforderlich wäre, nachträglich
den Spalt 24 aufzufüllen.
Es ist natürlich möglich, an Stelle eines rotationssymmetrischen
gekühlten Körpers 29 zwei schienenförmige gekühlte Körper
zu verwenden, die zwischen sich und parallel zur Trennfuge 23
einen länglichen Spalt begrenzen. In diesem Falle würde der
gekühlte Körper bzw. dessen beide Teile gegenüber den
Werkstücken stillstehend angeordnet.
In Fig. 3 ist ein Schnitt entlang der Trennfuge 23 (Fig. 1)
gelegt, so daß nur eines der beiden Werkstücke 21 sowie die
Führungsfläche 25 des Spaltes 24 zu sehen ist. In Schweiß
richtung (Pfeil 33) vor und hinter dem Elektronenstrahl 16
sind über dem Spalt 24 Energiequellen 33 und 34 angeordnet,
die im vorliegenden Falle als Plasmabrenner ausgeführt sind
und Plasmastrahlen 36 und 37 in den Spalt 24 richten, durch
die eine Lufterwärmung bewirkt wird. Auf diese Weise werden
Plasmavorhänge gebildet, die verhindern, daß in Längsrichtung
des Spaltes 24 die Luft ungehindert zuströmen kann. Auf
diese Weise wird der Elektronenstrahl 16 wirksam gegen
über der Umgebungsatmosphäre abgeschirmt. Die Energie
quellen erzeugen vor und hinter dem Elektronenstrahl 16
ein Druckgefälle, so daß ein Drucksprung in der Nähe des
Elektronenstrahls vermieden wird.
In Fig. 4 sind - analog Fig. 2 - zwei Werkstücke 27 und
28 dargestellt, die sich auf der gesamten Werkstückdicke
in einer Trennfuge 23 berühren. Zwischen der Elektronen
strahlkanone 1 und den Werkstücken ist ein beheizter Körper
29 a angeordnet, der aus einem rohrförmigen Teil 29 b besteht,
aus dessen Außenfläche eine Heizeinrichtung 38 in Form eines
isolierten Heizwiderstandes aufgewickelt ist. Das Innere des
rohrförmigen Teils 29 b wird durch die zylindrische Führungs
fläche 33 a gebildet. Der Körper 29 a wird gleichfalls zweck
mäßig an der Elektronenstrahlkanone 1 befestigt und wird
in diesem Falle mit der Kanone in Richtung der Trennfuge 23
(Schweißnaht) bewegt. Die Heizeinrichtung 38 ist an eine
Stromquelle 39 angeschlossen.
Bei einem Schweißverfahren gemäß Fig. 1 bestanden die
beiden Werkstücke 21 und 22 aus Platten eines hochwarm
festen Stahls und besaßen eine Werkstückdicke B von 100 mm.
Die Spaltbreite D betrug 25 mm und die Spaltbreite E 5 mm.
Daraus ergab sich eine Ausdehnung C der Trennfuge von 75 mm.
Mit einem Elektronenstrahl von 25 kW Leistung und einer Be
schleunigungsspannung von 200 kV wurden die beiden Werk
stücke bei einer Schweißgeschwindigkeit von 60 mm/min
verschweißt. Untersuchungen dieser Schweißnaht zeigten,
daß die Verbindung über die gesamte Tiefe der Trennfuge 23
(jetzt Schweißnaht) über die gesamte Länge der Werkstücke
mit einer unter Vakuum hergestellten Schweißnaht ver
gleichbar war. Der Spalt 24 wurde nachfolgend unter Zusatz
kompatiblen Schweißmaterials zugeschweißt. Auf diese
Weise ist es gelungen, Werkstücke mit einer Dicke von
100 mm einwandfrei miteinander zu verbinden. Die Schweiß
naht hatte im Bereich der ehemaligen Trennfuge 23 eine
maximale Breite von 4 bis 6 mm, so daß das ursprünglich
nur unter Vakuum zu erreichende Breiten-Tiefen-Verhältnis
nahezu in vollem Umfange erreicht werden konnte.
Claims (12)
1. Elektronenstrahlschweißverfahren für Werkstücke mit Trenn
fugen in einer Umgebung höheren Drucks von 10 mbar und
darüber, insbesondere unter Atmosphärendruck, unter Ver
wendung einer Elektronenstrahlkanone, die einen fokus
sierten Elektronenstrahl erzeugt und diesen durch die
äußerste Durchtrittsöffnung einer Druckstufenstrecke in
die Umgebung höheren Drucks aussendet, dadurch gekenn
zeichnet, daß zwischen der äußersten Durchtrittsöffnung
(19) und der Trennfuge (23) Führungsflächen (25, 26, 32) für den Elektronen
strahl angeordnet werden, die symmetrisch zum Elektronen
strahl (16) verlaufen und einen solchen Abstand vonein
ander aufweisen, daß die divergierenden Elektronen
unter einem spitzen Winkel auf sie auftreffen und von
ihnen in Richtung auf die Werkstücke reflektiert und konzen
triert werden und durch welche gleichzeitig der freie Zu
tritt der umgebenden Gasatmosphäre vermindert wird.
2. Elektronenstrahlschweißverfahren nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß die Erzeugenden der Führungs
flächen im wesentlichen parallel und symmetrisch zur
Strahlachse verlaufen und in Strahlrichtung eine Länge von
mindestens 10 mm, vorzugsweise von mindestens 20 mm auf
weisen, und daß der Abstand der Führungsflächen diametral
zum Elektronenstrahl (16) größer ist als der Strahl
durchmesser unmittelbar nach dem Strahleintritt in den
Bereich höheren Drucks.
3. Elektronenstrahlschweißverfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß als Führungsflächen (25, 26)
Wandungsteile der Werkstücke (21, 22) verwendet werden, die
durch Verbreiterung der Trennfuge (23) über einen Teil der
Werkstückdicke "B" zu einem Spalt (24) erzeugt werden, und
daß man zunächst den unverbreiterten Teil der Trennfuge und
nachfolgend den Spalt unter Zufuhr von Zusatzmaterial ver
schweißt.
4. Elektronenstrahlschweißverfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß in Strahlrichtung vor der Trennfuge (23)
ein gesonderter Körper (29) angeordnet wird, der die Führungs
flächen (32) aufweist.
5. Elektronenstrahlschweißverfahren nach Anspruch 1 oder
2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung der Führungs
flächen (25, 26) als Begrenzungsflächen eines zur Trennfuge
(23) parallelen Spaltes (24) im Spalt vor und hinter dem
Elektronenstrahl eine Lufterwärmung durch zusätzliche Energie
quellen (33, 34) durchgeführt wird.
6. Elektronenstrahlschweißverfahren nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß als Energiequellen (33, 34) Plasmabrenner
verwendet werden.
7. Elektronenstrahlschweißvorrichtung für die Durchführung des
Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Elektronenstrahlkanone,
deren Kathode im Hochvakuum betreibbar ist und der eine Druck
stufenstrecke mit einer äußersten Durchtrittsöffnung zur
Ausschleusung des Elektronenstrahls in einen Bereich höheren
Drucks sowie eine in Strahlrichtung vor der Durchtritts
öffnung liegende Fokussiereinrichtung zugordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der äußersten Durch
trittsöffnung (19) und den Werkstücken (27, 28) ein Körper (29)
mit zum Strahl symmetrischen Führungsflächen (32) für den
Strahl angeordnet ist, deren Abstand diametral zum Elek
tronenstrahl (16) größer als der Strahldurchmesser unmittelbar
nach dem Strahleintritt in den Bereich höheren Drucks und so
gewählt ist, daß die divergierenden Elektronen unter einem
spitzen Winkel auf sie auftreffen und von ihnen in Richtung
auf die Werkstücke (27, 28) reflektiert und hierbei konzen
triert werden, wobei die Erzeugenden der Führungsflächen im
wesentlichen parallel und symmetrisch zur Strahlachse ver
laufen und in Strahlrichtung eine Länge von mindestens 20 mm
aufweisen.
8. Elektronenstrahlschweißvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß in dem Körper (29) elektronenoptische
Mittel (31) zur Strahlführung angeordnet sind.
9. Elektronenstrahlschweißvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Körper (29) mit Kühlkanälen (30) ver
sehen ist.
10. Elektronenstrahlschweißvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Körper (29) mit einer Heizeinrich
tung (38) versehen ist.
11. Elektronenstrahlschweißvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Körper (29) relativ zu den Werkstücken
(27, 28) mit der Elektronenstrahlkanone (1) längs der Trenn
fuge (23) verschiebbar ist und daß die Führungsflächen (32) durch
die im wesentlichen zylindrische Innenwand des Körpers gebildet
sind.
12. Elektronenstrahlschweißvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Körper gegenüber den Werkstücken (27,
28) stillstehend ausgebildet ist und daß die Führungsflächen
(32) durch die Wandflächen eines im wesentlichen parallelen
Spaltes gebildet sind.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US05/954,140 US4304979A (en) | 1978-10-24 | 1978-10-24 | Method and apparatus for electron beam welding at elevated pressures |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2849735A1 DE2849735A1 (de) | 1980-05-08 |
DE2849735C2 true DE2849735C2 (de) | 1989-03-09 |
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ID=25494986
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19782849735 Granted DE2849735A1 (de) | 1978-10-24 | 1978-11-16 | Elektronenstrahlschweissverfahren unter hoeheren druecken von 10 mbar und darueber und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens |
Country Status (7)
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