DE2849735C2 - - Google Patents

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.

Beispiel

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.