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BESCHREIBUNG Die vorliegende Erfindung betrifft ein elcktroenstrahlsc
hw e jßverf ahren . für ungleichartige M metalle im Vakuuin und bezieht sich insbesondere
auf Elektronenstrahlschvreißverfahren für ungleichartige Metalle mit Transversalschwingungen
des Elektronenstrahls.
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Die vorliegende @rfindug kann mit Erfolg im Maschinen-> Geräte-
und Anlagenbau zum Schweißen von Werkstücken aus Metallen mit abweichenden wärmephysikalischen
und mechanischen Eigenschaften benutzt werden.
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Die gegenwärtige Entwicklung der Industrieproduktion erhöht die Anforderungen
an die Güte und Zuverlässigkeit von aus verschiedenartigen Metallen hergestellten
Konstruktionen.
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Im Zusammenhang damit werden die Anforderungen auch an fur diese Konstruktionen
benötigte Schweißverbindungen aus diesen Metallen erhöht.
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Die aussichtsreichste $chwei.3methode für Metalle mit abweichenden
wärmephysikalischen Eigenschaften ist ein Eleztronenstrahlschweißen, weil der Prozeß
unter Vakuum abläuft und leicht steuerbar ist, während die hohe Energiedichte des
gebündelten Elektronenstrahls es gestattet, eine ti@@e dolchartige Durchschmelzung
des Metalls mit eienr geri@@fühigen Zone des thermischen Einflusses zu sichern.
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Es ist ein Elektronenstrahlschweißverfahren : für ungleichartige
Metalle mit Transversalschwingungen d lektronenstrahls (s. z.B. das japanische Patent
Hr.42-24816, Kl.
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12B11/B23K,15/00, veröffentlicht 1967) durch Versch@ebung des Schweißstoßes
der ungleichartige Metalle und Zuführung des Elektronenstrahls mit Transversalschwingungen
bezüglich
des Schwißstoßes bekannt, Gemäß dem -tenannten Verfahren
wird die Fokussierung des Elektronenstrahls in der Neise gesteuert, daß bei seinem
Durchgang über die Oberfläche eines wärmeleitenden Metalls der Strahl fokussiert
und beim Durchgang über die Oberfläche eines weniger wärmeleitenden Metalls entfokussiert
ist, Gemäß diesem Verfahren wird aber beim Schweißen verschiedenartiger Metalle
mit einer Durchschmelztiefe von über 2 mm die Schmelzzone des wärmeleitenden Metalls
i- der Nahtwurzelmit einer nicht durchgewärmten ("kalten") Zone des weniger wärmeleitenden
Metalls kontaktiert, zias z: Fehlerbildung in Form von Poren, Lenkern führt und
also seine Anwendung einschränkt.
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Darüber hinaus ist es geii;äß dem vorliegenden Verfahren bei einer
Entfokussierung des Elektronenstrahls aU= den weniger wärmeleitenden Metall notwendig,
die Leistungsstärke des Elektronenstrahls sprunghaft zu erhöhen, was eine Vergrößerung
der Zone der Durchwärmung des Metalls und eine teilweise Erschmelzung des anderen
wärmeleitenden Metalls bewirkt, was seinerseits die Bedilgungen für die Formierung
einer Schweißverbindung verschlechtert sowie den ergieaufwand erhöht.
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Es ist ein weiteres Elektronenstrahlschweißuerfahren mit Transversalschwingungen
des Elektronenstrahls für ungleichartige Metalle (s. z.B. die periodische Zeitschrift
"Automatische Schweißung" Nr. 5, veröffentlicht im Mawi 1973, Moskau, F.N.Ryshkow
u.a. S. 56) durch Verschiebung des Schweißstoßes der verschiedenartigen Metalle
mit einer vorgegebenen
Geschwindigkeit und Zuführung des Elektronenstrahls
mit Transveralschwingungen bezüglich des Schweißstoßes bei einer voregebenen Amplitude
und Frequenz bekannt.
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Nach diesem Verfahren ist aber beim Schreiben ungleichartiger Metalle
die Schmelzzone des wärmeleitenden Metalls bezüglich der Schnmelzzone des anderen
Metalls verschoben, weshalb das aufgeschmolzene wärmeleitende Metall mit der "kalten"
Zone des anderen Metalls über den gesamten Schweißguerschnitt kontaktiert wird,
was zu Fehlerbildung (Poren, Lunker) beim Schweißen von Metallen mit stark voneinander
abweichenden wär:nepsikalischen Eigeschaften ffihrttund die Güte der Schweißverbindung
beeinträchtigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektronenstrahlschweißverfahren
für ungleichartige metalle mit Transversalsch@ingungen des Elektronenstrahls zu
schaffen, bei dem die gegenseitige Anordnung der Schmelzzonen der ungleichartigen
Metalle derart ist, daß eine Qualitätserhöhung der Schweißverbindung gewährleistet
ist, Dies wird dadurch erreicht, daß im Elektronenstrahlschweißverfahren für ungleichartige
Metalle mit Transversalschwingungen des Elektronenstrahls durch Verschie ung des
Schweißstoßes der verschiedenartigen Metalle mit einer vor gegebenen Geschwindigkeit
und Zuführung des Elektronenstrahls mit Tronsversalschwingungen bezüglich des Schweißstoßes
bei einer vorgegebenen Amplitude und Frequenz gemäß der Erfindung die Verschiebungs@bene
des Schweißstoßstoßes und die Ebene der Transversalschwingunon des Elektronenstrahls
untor oincrn Ninkol
# = arc tg ### v zueinander angeordnet werden,
wobei A - Amplitude der Transversalschwingungen des Elektronenstrahls bezüglich
des Schweißstoßes [mm] f - Frequenz der transversalschwingungen des Elektronenstrahls
bezüglich des Schweißstoßes [l/s] v - Verschiebungsgeschwindigkeit des Schweißes
[mm/s] bedeuten.
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Die vorliegende Erfindung gestattet es, die Schmelzzonen der ungleichartigen
metalle zur Deckung zu bringen i-c ein einheitliches, um den Stoß symmetrisches
Schweißbab zu formen, was eine Fehlerbildung (z.B. Poren, Lunker, Hohlräume) in
der gesamten Durchschmelztiefe ausschließt und damit die Güte der Schweißverbindung
erhöht.
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Die vorliegende Erfindung soll nachstehend an Rand einer Beschreibung
deren konkreter Ausführungsbeispiele und beiliegender Zeichnungen naher erläutert
werden. Es zeigt Fig. 1 eine - bekannte Elektronenstrahlschweißeinrichtung für ungleichartige
Metalle mit Transversalschwingungen des Elektronenstrahls, die das erfindudngsgemäße
Verfahren bei einer Verschiebung der Ebene der Transversalschwingungen des Elektronenstrahls
Ansicht in der Isometrie im Schnitt) realisiert; Fig. 2 eine . bekannte Elektronenstrahlscheißeinrichtung
für ungleichartige Metalle mit Transversalschwingungen des Elektronenstrahls, die
das erfindungsgemäfse Verfahren bei Schwenkung der Verschiebungsebene des Schweißstoßes
(Ansicht in der Isometrie im Schnitt) realisiert;
Fig. 3 schematisch
Transversalschwingungen des Elektronenstrahls in Bezug auf den Schweißstoß nach
Sig. 1, gemäß der Erfindung; Fig. 4 schematisch Transversalschwingen des Elektronenstrahls
in Bezug auf den Schweißstoß nach Fig. 2, gemäß der Erfindung Das Elektronenstrahlschweißverfahren
für ungleichartige Metalle mit Transversalschwingungen des Elektronenstrahls besteht
darin, d der Schweißstoß der ungleichartigen Eetalle mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit
verschoben und der Elektronenstrahl mit Transversalschwingungen bezüglich des Scfr;:eißstoßes
abgegeben wird. Hierbei erden die Verschiebungsebene des Schweißstßes und die Ebene
der Transversalschwingungen des Elektronenstrahls unter einer @inkel # = arc tg
### zueinander angeordnet, wobei A - Amplitude der Transversalschwingungen des elektronenstrahls
bezüglich des Schweißstoßes [mm] f - Frequenz der Transversalschwingungen des Elekt
onenstrahls bezügliche des Schweißstoßes [l/s] v - Verschiebungsgeschwindigkeit
des Schweißstoßes [mm/s] bedeuten.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren sind bein Schweißen großformatiger
@onstruktionen die gege seitige Anordnung der Verschiebungsebene des Schweißstoßes
und der Ebene der Transversalschwingungen des Elektronenstrahls unter dem Winkel
o< durch Verschiebung der ebene der Transversalschwingungen
des
Elektronenstrahls um den Ninkel α erreicht.
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GemaS dem vorliegenden Verfahren wird bei Schweißen kleinforeatiger
Konstruktionen die gegenseitige Anordnung der Verschiebungsebene des Schweißstoßes
und der Ebene der Transversalschwingungen des Elektronenstrahls unter dem Winkel
α durch Verschiebung der Verschiebungsebene des Schweißstoßes um den Winkel
α erreicht.
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Außerdem wird nach dem vorliegenden Verfahren die gegenseitige Anordnung
der Verschiebungsebene des ScnweiS-stoßes und der Ebene der Transversalschwingungen
des Elektronenstrahls unter dem Winkel α gleichzeitig durch Verschiebung der
Ebene der Transversalschwingungen des Elektronenstrahls und durch Schwenkung der
Verschiebungsebene des Schweißstoßes jeweils um solch einen Winkel erreicht, daß
die Summe dieser Winkel gleich dem Winkel α ist.
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Das Elektronenstrahlschweißverfahren für ungleichartige Metalle mit
Transversalschwingungen des Elektronen strahls kann erfindungsgemaß auf einer beliebigen
bekannten Einrichtung unter Anwendung der Elektronenstrahlschweißu@ ungleichartiger
Metalle mit ransversalschwingungen des Elektronenstrahls verwirklicht werden.
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Eine der bekannten Ausführungsformen der Elektronenstrahlschweißeinrichtung
für ungleichartige Metalle mit Traneversalschwingungen des Elektronenstrahls enthält
eine innerhalb einer Kammer 1 (Fig.1) untergebrachte Grundplatte 2 mit Führungen
3. Auf den Führungen 3 ist ein
verschiebbarer Wagen 4 angeordnet,
auf dem zu verschweißende verschiedenartige Metalle 5 und 6 befestigt sind. Über
den Metallen 5 und 6 ist durch ein in einer Wand 7 der Kammer 1 aisgeführtes Loch
eine an der ?!and ? hermetisch befestigte Elektronenkanone 8 ' durchgeführt.. Die
Kanone 8 enthält einen Elektronenstrahler 9, eine Fokussierungslinse 10 mit einem
unbeweglichen AnzeiGer 11 und ein Ablenksystem 12 mit einer Ablesekale 13 und einem
Anzeiger 14 für den Winkel α , die hiontereinande angeordnet und miteinander
mechanisch gekoppelt sind. Das Ablenksystem 12 ist in Bezug auf die Linse 10 in
der Weise verschwenkt. daß der Elektronenstrahl 15 einen Scfr,ieilSstoß 16 unter
dem dinKel of schneidet.
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Nach einer anderen Ausführugsform stehen in der bekannten elektrahlschweißeinrichtung
für ungleichartige Metalle mit Transcersalschwingungen des Elektronenstrahls die
Anzeitge marken ll und 14 (Fig. 2) in Übereinstimmung gebracht. Die Grundplatte
2 ist in der Weise verschwenkt, daß sich der sich verschiebende Schweißstoß 16 mit
dem Elektronenstrahl 15 unter dein Winkel α kreuzt.
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In Fig. 3 sind Transversalschwingungen des Elektronenstrahls 15 (Fig.
1,3) auf der Oberfläche der Metall z 5 und 6 in Bezug auf den Schweißstoß 16 bei
einer Verschiebung der Ebene der Transversalschwingungen des Elektronenstrahls 15
um den Winkel ot schematisch dargestellt. Die Schmelzzonen 17 und 18 der iäetalle
6 bzw. 5 sind symmetrisch um den Stoß 16 bei einer Verüchiebung der Metalle 6 md
5 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit im Laufe einer entsprechenden Zeit #1 und
#2 angeordnet.
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Die Transvorsalschwingungen des Elektronenstrahls 15 haben eine vorgegebene
Amplitude A und Scfr.ingungsperiode 1/f in einer Schnittlinie 19 der Oberflächen
der Metalle 5,6 mit dem Strahl 15.
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In Fig. 4 sind Transversalschwingungen des Elektronenstrahls (Fig.
2,4) auf der Oberfläche der metalle 5 und 6 in Bezug auf den Sohweißstoß 16 bei
einer Verschwenkung der Der schiebungsebene des Schweißstoßes 16 um den Winkel α
schematisch dargestellt.
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Das erfindugsgemäße Verfahren wird in der bekannten Elektronenstrahlschweißeinrichtung
mit Transversalschwingun gen des Elektronenstrahls wie folgt realisiert.
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Vor der Schweißung werden die Grundparameter der Elektronenstrahlschweißung
mit Transversalschwingungen des Elektronenstrahle 15 (Fig.l): v - Verschiebungsegeschwindigkeit
des Schweißsteßes 16 f - Schwingungsfrequenz des Elektronenstrahls 15 A - Schwingungsamplitude
des Elektronenstrahls 15 berechnet.
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Dann wird nach der Beziehung # = arc tg ### der Winkel α zwischen
der Schwingungsebene de sElektronenstrahls 15 und der Ebene des sich verschiebenden
Stoßes lo errechnet.
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Die Metalle 5,6 werden aneinander gebracht, und durch Schwenken des
Äblenksystems 12 bezüglich der Fokussierungslinse 10 wird an der Ableseskale 13
der berechnete Winkel α zwischen den Anzeigomarken 11 und 14 eingestellt.
Danach
wird die Kammer 1 evakuiert. Es werden die berechneten Schweißparameter
eingestellt und der Elektronenstrahler 9 der Elektronenkanone 8 eingeschschaltet.
Danach wird der .!en 4 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit verschoben und gleichzeitig
auf den Schweißstoß 16 der Elektronenstrahl 15 -it einer vorgegebenen Amplitude
A und Frequenz f der Transversalschwingungen gerichtet. Nach der Schweißung des
Stoßes 16 werden die Ausstrahlung des Strahls 15 und die Verschiebung des Nagens
4 mit den ungleichartigen Schweißmetallen 5 und 6 eingestellt.
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Die Kammer läßt man undicht werden, und vom Wagen 4 werden die miteinander
verschweißten metalle 5 und 6 ab enormen.
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Falls der dinkel oi durch Verschwenkung der Verschiebungsebene des
Schweißstoßes 16 (Fig. 2) gebildet wird, erfolgt die Vorberechnung des Winkels α
in Analogie zur vorhergehenden Ausführungsform des Verfahrens. Deie Grundplatte
2 mit den zu verschweißenden Metallen 5 und 6 mird um den berechneten Winkel >
verschwenkt. Hierbei fällt die Anzeigemarke 11 auf der Fokussierungslinse 10 mit
dem der Änzeigemarke 14 auf der Skala 13 des Ablenksyst as 12 zusammen. Die nachfolgenden
Operationen werden in gleicher Reihenfolge wie im vorhergehenden Fall wiederholt.
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Zum besseren Verständnis des erfindung@@emäßen Verfahrens wird nachstehend
dessen konkretes Ausführungsbeispiel angeführt.
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Es wurde Stahl mit Bronze verschweißt. Der Durchmesser des Elektronenstrahls
15 (Fig. 1,2) wurde mit einer bekannten
Methode einer drehbaren
Sonde gemessen. Der Wert des Durchmessers des Brennflecks betrug 0,66 mm.
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Die Schweißgeschwindigkeit v (Fi. 3,4) wurde nach der Beziehung:
ermittelt, wobei 1 1 0,056 A - Schweißstrom U = 22500 V - Bescheunigungsspannung
H = 0,475 cm - Einbrandtiefe von Bronze d = 0,48 cm - Breite der Nahtzone im Nahtgrund
c = 0,381 ##### - Wärmekapazität # = 8,4 g/cm2 - Dichte T1 = 1080°C - Schmelztemperatur
von Bronze L = 205 J/g - spezifische Schmelzenergie von bronze a = 1,234 cm2/s -
Temperaturleitvermögen = 3,95 W/cm.grd - Wärmeleitfähigkeit bedeutet, dann ist
v = 0,5 cm/s = 5 mm/s Es sei die Schwingungsfrequenz f des Elektronenstrahls 15
(Fig. 1,2,3,4) nach der Beziehung:
bestimmt, wobei 1 + #2 =T= ist, also v = d(1 - k). fund f = ######
wobei v = 5 mm/ sec - Schweißgeschwindigkeit d = 0,66 mm - Durchmesser des Brennflecks
k = 0,5 Überdeckungsfaktor bezeichnen.
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Dann ist f = 5 = 15 0,66(1 - 0,5) Die Amplitude A des Elektronenstrahls
15 wurde nach.
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der Beziehun; @@@@1@2 @@@ @@@@ errechnet, wobei K1 = aV/Ld; k2 = Z#L/Zo
bedeutet.
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Nach Einsetzen von k1,k2,k5 erhält man: A = µZ.dV FU-1/2/Uo/, d/Zo/
@= l5 mm - Höhe = 900 - Windungszahl d = 45 mm - mittlerer Durchmesser Z0 = 1000
Ohm - Widerstand von (in der Zeichnung nicht anged@uteten) Ablenkspulen F = 50 mm
- Abstand vom Zentrum des Ablenksystems 12 bis zur Oberfläche der Schweißmetalle
5 und 6
U = 22500 V - 3eschleunigungsspsnnung Uo= 0,2 V - Klemmenspannung
des Ablenksystems 12 der Kanone 8 bezeichnen.
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Dann ist 1.15.9000.50.0,2 =0,2 45.1000.150 A = 0,2 am.
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Ferner wird der Winkel α zwischen der Richtung der Transversalschwingungen
des Strahls 15 und der des sich verschiebenden SchreeiListoies 16 nach der Beziehung:
= arc tg 4Af = arc tg 4.0,2.15 v berechnet.
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Durch Verschwenkung des Ablenksystems 12wurde auf Wer Skala 13 mittels
Anzeigemarken 11,14 auf der Fokussierungslinge 10 und dem Ablenksystem 12 der berechnete
Winkel α einer Genauigkeit von 67,50 eingestellt.
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Die Schweißung erfolgte bei U = 22,5 kV und I = 56 mA Die vorliegenden
Untersuchungen der Struktur und der erhaltenen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
/Eigenschaften des Nahtme talls haben ergeben, daß die irfinduag gegenüber der Serie:
fertigung die Herstellung von hermetischen und hochfesten Nähten mit einer Durchschmelztiefe
von über 2 mm gewährleistet. Die Schweißverblindung war fehlerfrei die Festigkeit
der Verbindung betrug bei einem Zerreißversuch 30 bis 40 kP/mm². Die Zerstörung
der untersuchten Metalle wurde im Metall mit geringeren Festigkeitswerten beobachtet.
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Darüber hinaus erweitert das vorliegende Verfahren die Nomenklatur
der Schweißmetalle, zu denen leichtflüchtige Komponenten (wie z.B. Al,Mn,Sn) gehören.
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